Повышение эффективности рабочего процесса вибротранспортирующих машин с самосинхронизирующимися вибровозбудителями

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, дается краткий анализ литературы, сформулированы объект, предмет, цель и задачи исследований, представлены методы исследований, определена научная новизна и практическая значимость работы, рассмотрены достоверность, обоснованность и апробация дис- сертации. Дана характеристика публикаций, структуры и объема работы, перечис- лены гранты на исследования.
В первой главе рассмотрен принцип действия и конструктивные особенности вибрационных машин, перечислены их сферы применения и основные достоинства. Выполнен аналитический обзор существующих сведений о динамике вибромашин.
Производительность ВТМ зависит от множества факторов: амплитуда и ча- стота колебаний, форма колебаний, площадь просеивающей поверхности, форма и размеры ячеек нижнего сита, угол наклона грохота, количество ярусов сит.
Рассмотрены основные варианты колебаний РО существующих ВТМ на при- мере грохотов щебнеочистительных машин. В работах Ю.В. Гапеенко, О.Г. Крас- нова, С.А. Самохина представлены исследования, показывающие, что эллипти- ческая форма колебаний является одной из самых оптимальных для максималь- ной производительности грохотов.
По форме виброколебаний грохота все щебнеочистительные машины, можно разделить на 3 типа (рис. 1): с круговой формой (напр. машины ЩОМ-6Б, СЧУ-800), с эллиптической формой (напр. машины СЧ-600, СЧ-601) и линейной (напр. машины RM-80, МОБ-1Г). Характер колебаний грохота каждой щебне- очистительной машины однороден (т.е. колебания каждой точки грохота одина- ковые) и имеет свои недостатки: наибольшую точность разделения по фракциям обеспечивают направленные колебания, но из-за постоянного вектора скорости происходит быстрое забивание сит влажным грунтом. Поэтому создание кон- струкции грохота с неоднородным полем колебаний, объединяющей преимуще- ства существующих конструкций, позволит повысить эффективность грохоче- ния горных пород, как у вновь проектируемых ВТМ, так и у уже существующих.
Рис. 1 – Параметры вибрации грохотов щебнеочистительных машин 4

Также в данной главе рассмотрена математическая модель динамики ВТМ. Система дифференциальных уравнений, описывающих движение ВТМ с само- синхронизирующимися ВВ была получена и исследована И.И. Блехманом. Позд- нее, С.А. Румянцев дополнил данную систему слагаемыми, позволяющими более точно описывать неустановившиеся движения и переходные процессы машины с n- дебалансными ВВ, а Е.Б. Азаров дополнил слагаемыми, учитывающими вли- яние механических воздействий ВТМ на характеристики электродвигателей.
Система дифференциальных уравнений, описывающая динамику ВТМ с n- дебалансными вибровозбудителями для случая трех ВВ, установленных на рабо- чий орган машины и безударного режима работы, примет следующий вид:
где:
i C РО C C (i =1,…,3).
iiiCii i
13
∑ i=1 
x= kx−k − cφx−c − φ+m
Mx xφ x xφ 13
∑ My yφ y yφ i=1
y= ky−k− cφy−c− φ+m εsinφ φc−oφs ,φ (2)
iiiiii φ=1k−x k−y k− φc−x c−y c− φ+

Jxφ yφ φ xφ yφ φ 3
 + ∑ m ε r ( φ 2 s i n ( φ − δ − φ ) − φ  c o s ( φ − δ − φ ) )  , iiiiiiiii
( 1 )
φ −
 i=1  1mε
 φ  = I  L (   ) φR −(  φ )  − φ [ x  +s i n  y  c o s φ − iiiiiiiiii
 Ji Ji
−gcosφ −rφcos(φ −δ −φ)−rφ2 sin(φ −δ −φ), iiiiiii 
M =M + РО
(22)22
m, J= +J M x+ y+ mr ,=J +J mε , (2)
∑ i=1
∑ i=1
Здесь: x, y, φ, φi – обобщенные координаты системы, где x, y – координаты центра масс РО вибромашины в некоторой неподвижной декартовой системе ко- ординат (рис. 2), жестко связанной с фундаментом; φ – угловая координата РО, то есть угол поворота подвижной системы координат (u, v), жестко связанной с РО относительно неподвижной системы координат (отсчитывается против часовой стрелки); φi – угловые координаты (отсчитываются против часовой стрелки) i-го ВВ вокруг оси электродвигателя, другими словами, углы поворота центров масс дебалансов по отношению к неподвижной оси Ох (на рис. 1 условно показан один ВВ, обозначенный индексом i); Li (φi ) – вращающий момент электродвигателя i- го ВВ; Ri (φi ) – момент сил сопротивления вращению для i-го дебаланса; n – коли- чество ВВ, установленных на РО вибромашины; Ii – индексы направления движе- ния i-го дебаланса, где значение принимается равным «+1» для дебалансов, вра- щающихся против часовой стрелки (положительное направление), и «–1» в про- тивном случае; М – общая масса ВТМ (РО и дебалансов); mi – масса i-го дебаланса;
(εsinφ φ2+coφs ),φ iiiiii

J – момент инерции РО относительно центра масс; Ji – момент инерции i-го деба- ланса относительно оси вращения; εi – радиус инерции i-го дебаланса относи- тельно оси вращения; δi – угол, задающий положение оси i-го дебаланса; ri – рас- стояние от центра масс до оси i-го дебаланса; сx, сy, сφ, сxφ, сyφ –коэффициенты жесткости упругих опорных элементов; kx, ky, kφ, kxφ, kyφ – коэффициенты вязкого сопротивления; g – ускорение свободного падения; MРО – масса РО ВТМ; xС, yС – координаты центра масс; JС – момент инерции РО ВТМ относительно центра масс;
JCi – момент инерции ротора i-го дебаланса относительно оси вращения.
Рис. 2 – Расчетная схема вибротранспортирующей машины
Первые три уравнения системы (1) описывают движение вибрирующего РО машины, а последующие уравнения – вращение дебалансных ВВ.
Выводы по главе. Анализ существующих в настоящее время вибрацион- ных машин показал, что ранее динамика ВТМ с более чем двумя ВВ широко не исследовалась, но в последние годы начинают появляться работы, посвященные этому направлению. Рассмотренная математическая модель динамики ВТМ позволяет в достаточно широком диапазоне произвести теоретические исследо- вания параметров работы данных машин.
Во второй главе приведены результаты исследования переходных процес- сов и стационарной динамики ВТМ с тремя ВВ с помощью математической мо- дели, при различных параметрах ВВ.
Исследование параметров движений РО осуществлялось методом числен- ного эксперимента с помощью математической модели динамики вибромашины. В основе модели лежит численное решение системы дифференциальных уравне- ний (1), описывающей динамику ВТМ. Для моделирования использовалась схема расположения ВВ, представленная на рисунке 3. Эта модель позволяет рассматривать не только установившиеся синхронные движения, но и описывать переходные динамические процессы, связанные с пуском машины из состояния покоя до установления (или не установления) синхронного движения.
Рис. 3 – Схема вибротранспортирующей машины с тремя вибровозбудителями
1. Установлена зависимость параметров вибраций от установочных углов пары ВВ и одиночного ВВ.
При увеличении установочного угла γ2 непарного ВВ эллипс движения центра масс будет поворачиваться в направлении изменения угла (рис. 4), пара- метры колебаний РО существенно не меняются.
аб
Рис. 4 – Траектория движения центра масс при увеличении угла γ2
а – на 20o ;
б – на 40o
При уменьшении угла γ2 колебания РО будут аналогичными, как при увели- чении угла γ2 на такие же численные значения, а эллипс движения центра масс будет зеркально повернут относительно горизонтальной (или вертикальной) оси.
При уменьшении угла γ1 пары ВВ эллипс поворачивается в направлении изменения угла, на угол, приблизительно равный углу поворота осей пары ВВ. Уменьшаются горизонтальные колебания, увеличиваются вертикальные. При увеличении угла γ1 колебания РО будут приблизительно аналогичными, как при уменьшении угла γ1 на такие же углы, а эллипс движения центра масс, также, как и при повороте оси одиночного ВВ, будет зеркально повернут относительно го- ризонтальной (или вертикальной) оси, (рис. 5).
а
б
в
Рис. 5 – Траектория движения центра масс при увеличении угла γ1 а – на 20o ; б – на 40o ; в – на 60o
в
2. Исследована зависимость движения рабочего органа от эксцентриче- ского момента непарного ВВ. При уменьшении эксцентрического момента не- парного ВВ уменьшается эксцентриситет эллипса, он становится более вытяну- тым (стремится к отрезку) и поворачивается против часовой стрелки, т.е. снижа- ется влияние одиночного дебалансного ВВ на систему, колебания постепенно становятся такими же, как и у ВТМ с двумя ВВ. При увеличении эксцентриче- ского момента эллипс становится более округлым и поворачивается по часовой стрелке, уменьшаются горизонтальные колебания, эллипс становится более округлым. Максимально округлая форма эллипса достигается, когда эксцентри- ческий момент одиночного ВВ численно равен эксцентрическому моменту од- ного из дебалансных ВВ пары (рис. 6).
абвг
Рис. 6 – Траектория движение центра масс
при эксцентрическом моменте непарного вибровозбудителя: а – 18 кг∙м; б – 10 кг∙м; в – 30 кг∙м; г – 45 кг∙м
3. Определена зависимость движения рабочего органа от направления враще- ния непарного вибровозбудителя. Направление вращения одиночного ВВ опреде- ляет направление траектории движется центра масс: эллипс вращается в ту же сто- рону, в которую вращается одиночный ВВ. На параметры колебаний РО направле- ние вращения одиночного ВВ существенного влияния не оказывает.
4. Установлена конкретная количественная зависимость изменения угла вибрации (большой оси эллипса) от массы и радиуса инерции непарного ВВ. Было произведено несколько экспериментов, в которых радиус инерции непар- ного дебаланса оставался неизменным, а его масса изменялась. Затем масса де- баланса m непарного ВВ оставалась постоянной, а радиус инерции ε изменяется в достаточно широких пределах (рис. 7). Подтверждена гипотеза, что угол виб- рации РО машины зависит от эксцентрического момента ВВ.
40 30 20 10
-100 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
-20 -30 -40 -50
m ∙ ε , кг∙м
ε = 0,5 м
ε = 0,75 м
m = 50 кг
m = 75 кг
Рис. 7 – Графики зависимости угла вибрации рабочего органа (φ) от эксцентрического момента непарного ВВ (ε∙m)
Выводы по главе. Приведенные результаты теоретических исследований с помощью математической модели показывают, что добавление третьего ВВ в кон- струкцию ВТМ качественно влияет на параметры вибраций РО: изменением по- ложения и эксцентрического момента одиночного ВВ можно получать различные варианты вибраций РО. Следовательно, изучение новых типов ВТМ, с тремя ВВ – является весьма перспективным. Таким образом доказывается первое научное положение.
1. Исследована динамика ВТМ с тремя ВВ в случае расположения непар- ного ВВ в центре масс машины и вне его.
В третьей главе приводятся условия, при которых возможно получение не- однородного поля колебаний РО. Описываются способы уменьшения максималь- ных амплитуд колебаний РО при прохождении резонансных частот после пуска двигателей. Рассмотрены варианты практического применения результатов ис- следований.
Если непарный ВВ размещен в центре масс ВТМ, то равнодействующая возмущающей силы парных ВВ ведет себя так же, как в случае машины с двумя ВВ. Она всегда проходит через центр масс, и это не зависит ни от положения парных ВВ, ни от направления вращения непарного ВВ. При этом траектория движения центра масс эллиптическая и РО двигается поступательно, так что тра- ектории всех точек РО представляют собой, по сути, один и тот же эллипс.
В случае, когда ось третьего ВВ не совпадает с центром масс машины, направление равнодействующей возбуждающей силы пары ВВ зависит не только от геометрических параметров машины, но и от эксцентрического мо- мента непарного ВВ. Если ось непарного ВВ не проходит через центр масс ма- шины, то движение ее РО уже не будет поступательным, и разные точки, в общем случае, двигаются по разным траекториям, таким образом получена ВТМ с не- однородным полем колебаний (рис. 8).
φ, град.

аб
в
Рис. 8 – Траектории движения соответственно загрузочного конца РО (а), середины РО (б) и разгрузочного конца РО (в), в случае расположения непарного ВВ вне центра масс ВТМ
2. Предложена оптимизация пусковых процессов ВТМ с тремя дебаланс- ными ВВ. Исследовалась зависимость между последовательностью запуска дви- гателей дебалансных ВВ и максимальными значениями амплитуд колебаний РО машины при прохождении резонансных частот после пуска двигателей. Крите- рием оптимизации в данном исследовании являлась минимизация амплитуд ко- лебаний РО, сопровождающих переходный процесс в работе ВТМ.
С помощью математической модели был произведен многочисленный ряд численных экспериментов, с различными начальными параметрами (эксцентри- ческий момент ВВ, направление их вращения, последовательность запуска, масса РО ВТМ и т.д), на основании которых можно сделать однозначный вывод, что при последовательном запуске двигателей дебалансных ВВ наблюдается зна- чительное уменьшение максимальных амплитуд резонансных колебаний (на 35% и более), происходящих при включении машины (рис. 9).
а
б
в
Рис. 9 – Амплитуда пусковых колебаний при одновременном пуске всех трех ВВ (а), при последовательном пуске пары и непарного ВВ (б) и последователь- ном пуске всех трех ВВ (в)
3. Рассмотрена возможность применения результатов исследований в обла- сти ВТМ при проектировании новых и модернизации существующих машин для глубокой вырезки и очистки балластного слоя железнодорожного пути.
Рассчитаны технико-экономические показатели для случая модернизации щебнеочистительной машины RM-80 за счет совершенствования ее грохота пу- тем добавления третьего ВВ, что позволит изменить характеристики виброколе- баний грохота.
При необходимости очистки щебеночного балласта на участке 10 км, при условии предоставления 8-часовых «окон» в графике движения поездов, выра- ботка машины с усовершенствованным грохотом за одно «окно» увеличится на 1498 м3 (что составляет 39,6%), по сравнению с машиной RM-80 в стандартном исполнении. Для выполнения работ в полном объеме потребуется только 5 «окон» в графике движения поездов, вместо 7.
Уменьшение стоимости задержки поездов при выполнении очистки щебня на всем 10-километровом участке составит 725,8 тыс. руб., что соответствует снижению стоимости на 28,6%.
Выводы по главе. В ходе численных экспериментов доказано, что путем из- менения положения и эксцентрического момента третьего ВВ возможно получить ВТМ с неоднородным полем колебаний (устойчивые различные колебания начала, середины и конца РО). Таким образом доказывается второе научное положение.
Последовательный запуск двигателей дебалансных ВВ позволяет суще- ственно уменьшить максимальные амплитуды колебаний РО ВТМ при прохожде- нии резонансных частот после пуска двигателей. Таким образом доказывается третье научное положение.
Для проверки результатов теоретических исследований, а также получения новых сведений о работе вибромашин с тремя ВВ была выполнена серия натур- ных экспериментов на лабораторном стенде.
В четвертой главе приводится подробное описание экспериментального вибрационного стенда для исследования динамики колебательных систем и спе- циализированного программного обеспечения для работы с данным стендом. Помимо этого описываются результаты натурных экспериментов.
Для проверки теоретических исследований была разработана и создана экспериментальная модель вибрационного стенда – учебно-лабораторный ком- плекс «Динамика вибрационных машин с самосинхронизирующимися вибровоз- будителями» ДВМ-014, предназначенный для проведения натурных исследова- ний и лабораторных работ по изучению динамики и оптимизации схемотехниче- ских и программно-технических решений одномассной и двухмассной колебательной системы при различных расположениях ВВ (рис. 10).
Данный комплекс позволяет задавать возбуждающее воздействие в различ- ных точках колебательной системы с различной интенсивностью, определять до шести перемещений движущихся масс в различных точках и направлениях, а также фазные напряжения и токи трех электродвигателей, являющихся привод- ными для ВВ.
11

Рис. 10 – Учебно-лабораторный комплекс ДВМ-014
Основание стенда закреплено на фундаменте путем приварки опорных ре- бер к закладным пластинам в фундаменте. На основание возможна установка двух рабочих органов (одновременно, либо по отдельности), один из которых является пассивным, а на втором (активном) имеется возможность установки до трех дебалансных ВВ в различных точках рабочего органа. Рабочие органы уста- навливаются друг на друга и на основание через пружинные блоки различной жесткости. Имеется возможность моделировать удар с энергией до 20 Дж, вы- званный падением монолитной массы на рабочий орган. В дальнейшей данный комплекс можно модернизировать в достаточно широком диапазоне за счет из- менения количества ВВ, изменения типа и мощности приводных электродвига- телей, изменения параметров пружинных блоков.
Измерительная система стенда включает систему измерения перемещения обоих рабочих органов и систему измерения электрических параметров двигате- лей: напряжение питания, фазные токи, активную и реактивную мощность.
Датчики перемещения установлены на отдельных стойках, закрепленных к неподвижному основанию. Измеряются вертикальные перемещения средних нижних точек с двух сторон по длине и горизонтальное перемещение средней точки обоих рабочих органов.
Лабораторный комплекс оснащен специализированным программным обеспечением «ДВМ измерения», предназначенным для совместной работы с комплексом ДВМ-014 и позволяющим осуществлять сбор и анализ параметров, получаемых от систем измерения и сравнения их с параметрами, получаемыми на основе аналитического расчета с использованием математической модели ис- следовательского комплекса.
Программное обеспечение «ДВМ измерения» формирует выходные пара- метры в виде графиков зависимости от времени:
– горизонтальных колебаний центра масс для каждого РО;
– вертикальных колебаний центра масс для каждого РО;
– угла поворота для каждого РО относительно начального положения;
– скорость вращения для каждого ВВ;
– суммарная фаза вибровозбудителей;
– амплитудное значение фазного тока статора (для каждого двигателя);
– амплитудное значение фазного тока ротора (для каждого двигателя);
– максимальное значение фазного тока статора в момент пуска (для каж-
дого двигателя);
– максимальное значение фазного тока статора в момент удара (для каж-
дого двигателя).
Перед началом экспериментальных исследований было выполнено сравне-
ние результатов, полученных с помощью математической модели и на лабора- торном стенде, при аналогичных начальных параметрах. Параметры траекторий движение центра масс при экспериментальных и теоретических исследованиях были аналогичными, относительное расхождение которых не превышало 10%.
Особый интерес представлял собой случай трех одинаковых ВВ, два из ко- торых вращаются в одну сторону, а третий – в противоположную. Этот случай соответствует вибромашине, моделирование динамики которой описано в рабо- тах автора. При отключении двух вращающихся в разные стороны двигателей (после выхода всей системы на стационарный режим движения) все три ВВ про- должают вращаться синхронно сколь угодно долго (рис. 11), т.е. наблюдается эффект, аналогичный описанному в п. 2, но с вращением в разные стороны. При отключении двух ВВ, вращающихся в одну сторону, эти ВВ останавливаются, и вращение продолжает один ВВ, двигатель которого вращается в сторону, проти- воположную двум другим.
Рис. 11 – Графическая интерпретация одной из серий экспериментов
Также в главе приводится описание натурных экспериментов по исследова- нию динамики колебательных систем, проведенных с использованием лаборатор- ного вибрационного стенда, изложены результаты и выявленные закономерности.
13

Выводы по главе. Совместное использование учебно-лабораторного ком- плекса «Динамика вибрационных машин с самосинхронизирующимися вибро- возбудителями» с уже имеющейся математической моделью динамики ВТМ поз- воляет на практике проверить результаты математического моделирования и позволяет судить о достоверности математической модели, а также открывает новые возможности для исследований. Таким образом подтверждается адекват- ность математической модели и достоверность полученных результатов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Данная диссертационная работа является законченной научно-квалифика- ционной работой, в которой решается актуальная задача повышения эффектив- ности работы ВТМ за счет добавления в конструкцию машины дополнительного ВВ и установления закономерностей движения рабочего органа вибромашин с устойчивым эллиптическим движением центра масс машины и неоднородным по- лем колебаний рабочего органа.
Основные научные выводы и практические результаты заключаются в сле- дующем:
1. Предложен новый перспективный вид ВТМ – с тремя ВВ, с управляе- мыми траекториями движения РО.
2. Получено устойчивое эллиптическое движение центра масс машины, установлена зависимость угла вибрации рабочего органа от эксцентрического мо- мента третьего ВВ.
3. Получена ВТМ с неоднородным полем колебаний (устойчивые различ- ные колебания начала, середины и конца рабочего органа), параметры которой за- даются положением и эксцентрическим моментом третьего ВВ.
Выполнено технико-экономическое обоснование целесообразности при- менения грохотов с тремя вибровозбудителями, на примере модернизации щеб- неочистительной машины RM-80.
4. Установлено, что при последовательном запуске двигателей дебаланс- ных ВВ наблюдается значительное уменьшение максимальных амплитуд коле- баний рабочего органа ВТМ, при прохождении резонансных частот после пуска двигателей – на 35% и более.
5. С помощью натурного эксперимента на специально созданном учебно- лабораторном комплексе ДВМ-014 подтверждена адекватность математической модели динамики ВТМ с n- дебалансными ВВ.
Установленные в экспериментах факты представляются весьма перспек- тивными в плане создания новых конструкций вибротранспортирующих машин и новых высокопроизводительных, энергосберегающих технических комплек- сов и технологических процессов. С помощью вибрационного стенда открыва- ется возможность предварительных испытаний проектируемых ВТМ, с распо- ложением ВВ, соответствующим каждой конкретной задаче.