應(yīng)用伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)離心脫水機(jī)振幅動(dòng)態(tài)控制

張靖波，梁寶林，姚李威

（1.中煤平朔煤業(yè)有限責(zé)任公司物資供應(yīng)中心，山西 朔州 036006；2.中煤平朔煤業(yè)有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，山西 朔州 036006；3.太原理工大學(xué) 機(jī)械電子工程研究所，山西 太原 030024）

0 引言

在煤炭的洗選工藝中，煤泥脫水是工藝末端的重要一環(huán)，而振動(dòng)離心脫水機(jī)作為脫水工藝的主要設(shè)備在這一環(huán)節(jié)中發(fā)揮了重要的作用。因?yàn)樵诿撍^程中伴隨著篩籃振動(dòng)，長期以來離心脫水機(jī)特別是國產(chǎn)離心脫水機(jī)存在著振動(dòng)不穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)件易損壞、故障率高的問題。

劉克銘等［1］通過模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，在離心脫水機(jī)啟動(dòng)和停機(jī)時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)甩輪的激振頻率從0 Hz到24.17 Hz之間變化的過程中，會(huì)經(jīng)過底座和支架的固有頻率，同時(shí)還會(huì)經(jīng)過空載時(shí)篩籃相對殼體振動(dòng)的固有頻率，從而形成劇烈共振，對結(jié)構(gòu)造成傷害。

這一分析與實(shí)際脫水機(jī)啟停階段振動(dòng)劇烈現(xiàn)象吻合。本文應(yīng)用伺服電機(jī)在啟停階段減小振動(dòng)機(jī)構(gòu)的偏心力矩，從而有效降低了機(jī)器在啟停階段的振動(dòng)幅度，減小了破壞程度。

1 離心脫水機(jī)的激振結(jié)構(gòu)

離心脫水機(jī)的激振結(jié)構(gòu)簡圖見圖1。由圖1可知，提供給脫水機(jī)的激振力由兩個(gè)偏心輪旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的偏心力矩合成。

兩個(gè)偏心輪通過機(jī)械結(jié)構(gòu)聯(lián)接，工作時(shí)分別按順時(shí)針和逆時(shí)針方向同步旋轉(zhuǎn)，兩個(gè)偏心輪的偏心力矩表示在坐標(biāo)系中如圖2所示。

圖2中，矢量T1和T2同步繞原點(diǎn)以相同的角速度ω相向旋轉(zhuǎn)。任意時(shí)刻T1和T2沿y軸的分量Ty1和Ty2方向相反、大小相等、合力矩為0，T1和T2沿x軸的分量Tx1和Tx2方向相同、大小相等、合力矩Tx為兩分量之和。

圖1 離心脫水機(jī)的激振結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 偏心力矩矢量表示

其中：T1、T2為對應(yīng)設(shè)備中偏心輪對回轉(zhuǎn)中心形成的偏心力矩。由于設(shè)備中兩個(gè)偏心輪完全對稱，因此有T1＝T2。令T＝T1＝T2，則有：

由此可知脫水機(jī)激振器在x方向即軸向產(chǎn)生一個(gè)幅值為T、頻率為的振動(dòng)。

2 動(dòng)態(tài)調(diào)整幅值的方法

在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)下只能通過調(diào)整偏心輪的質(zhì)量或者偏心輪到回轉(zhuǎn)中心的距離來調(diào)整激振裝置振幅。因此激振裝置振幅只能靜態(tài)調(diào)整，無法在運(yùn)動(dòng)中適時(shí)調(diào)整，不能滿足在啟停階段脫水機(jī)共振點(diǎn)附近降低振幅的要求。如果令：

那么調(diào)整θ的值就可以調(diào)整Tx的大小。當(dāng)θ等于0時(shí)Tx與公式（2）所示相同；當(dāng)θ等于90°時(shí)，Tx等于0；當(dāng)θ在0～90°時(shí)，Tx在T cosωt～0之間變化。這樣把偏心力矩化為兩部分后，激振裝置偏心力矩的調(diào)整就轉(zhuǎn)化為了對構(gòu)成它的兩個(gè)分力矩的相位差θ的控制，而旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的相位差控制是比較容易實(shí)現(xiàn)的［2］。

3 實(shí)現(xiàn)方法

首先需要將激振結(jié)構(gòu)改為兩組，如圖3所示。

圖3 改進(jìn)后的激振結(jié)構(gòu)簡圖

在分成兩組以后，分別用兩臺(tái)伺服電機(jī)控制其中一組。通過控制器，伺服電機(jī)可以在任意位置任意時(shí)刻依據(jù)指令停止或者行走給定的行程。因此可以在脫水機(jī)啟停階段的必要時(shí)刻控制伺服電機(jī)，使兩組偏心輪的運(yùn)轉(zhuǎn)相差給定的相位角度，從而達(dá)到降低激振器偏心距、減小設(shè)備損害程度的目的。

4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖4，它由振動(dòng)測量傳感器、控制算法處理器、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)構(gòu)成。

控制系統(tǒng)工作時(shí)，處理器通過測量傳感器測量脫水機(jī)機(jī)身振動(dòng)，通過伺服電機(jī)反饋的位置編碼器的位置參數(shù)可以得到實(shí)時(shí)的偏心輪相位。

在機(jī)身共振頻率附近時(shí)，控制器通過控制伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，調(diào)整兩組偏心輪之間的相位差，從而達(dá)到控制振幅、減小損害的目的。

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5 結(jié)束語

通過把偏心輪結(jié)構(gòu)由一組改為兩組，再分別應(yīng)用伺服電機(jī)控制的方法，初步解決了離心脫水機(jī)振幅無法進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整的問題。通過閉環(huán)控制，在脫水機(jī)啟停階段經(jīng)過共振頻率時(shí)適時(shí)降低激振裝置振幅，在理論上可以達(dá)到改善脫水機(jī)振動(dòng)性能的目的。需要進(jìn)一步研究優(yōu)化的是：①兩組四個(gè)偏心輪，這種結(jié)構(gòu)略顯復(fù)雜，增加了機(jī)構(gòu)體積和加工難度；②該設(shè)計(jì)要求伺服電機(jī)在振動(dòng)環(huán)境下工作，增加了對伺服電機(jī)可靠性的要求。

［1］ 劉克銘，楊維紅，任蘭柱，等.臥式振動(dòng)離心脫水機(jī)的振動(dòng)模態(tài)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2010，26（5）：119－121.

［2］ 王軍鋒，唐宏.伺服電機(jī)選型的原則和注意事項(xiàng)［J］.裝備制造技術(shù)，2009（11）：129－131.