Вибратор с резонансной настройкой Российский патент 2024 года по МПК B06B1/16 

Изобретение относится к вибрационной технике и используется в качестве вибропривода для возбуждения механических колебаний в различных технических, технологических и испытательных установках.

Общим названием вибратор обозначается группа центробежных вибровозбудителей, вынуждающая сила которых вызывается вращением дебалансного инерционного элемента.

Известны прикрепляемые центробежные вибровозбудители (вибровозбудители общего назначения) [1], содержащие корпус, в который запрессован статор асинхронного электродвигателя. С обеих сторон корпуса установлены щиты, в которых вмонтированы шарикоподшипники вала ротора. На обоих концах вала закреплены одинаковые дебалансы. Корпус имеет лапы, которыми вибровозбудитель крепится болтами к рабочему органу. Преимуществом таких вибраторов является простота и дешевизна конструкции, однако их практическое использование приводит к ряду проблем:

1. Зарезонансный режим работы сопровождается малой амплитудой колебаний рабочего органа и малым коэффициентом передачи (коэффициентом динамичности);

2. Для достижения зарезонансной области необходимо иметь мощность двигателя, которая в 5 раз выше мощности, необходимой для поддержания зарезонансных колебаний;

3. Высокая нагрузка подшипниковых опор приводит к снижению их ресурса и повышению энергозатратности электродвигателя;

4. Чувствительность к изменению технологической нагрузки и эффект Зоммерфельда приводят к невозможности получения стабильного резонансного (энергосберегающего) режима колебаний, отрицательно сказывается на КПД привода.

Для решения проблемы реализации резонансного (энергосберегающего) режима работы в вибрационную машину вводят систему управления. За прототип такой системы принята система авторезонанса [2]. Колебательная система такой машины содержит платформу, связанную с неподвижным основанием плоскими пружинами. Колебания платформы возбуждаются дебалансным возбудителем, приводимым во вращение синхронным электродвигателем. Для питания двигателя переменным электрическим током специальным образом организована цепь обратной связи. Датчик обратной связи, регистрирующий колебания платформы, через фазосдвигающий элемент связан с входом усилителя мощности, к выходу которого подключен синхронный двигатель возбудителя колебаний. Сигнал с датчика с частотой колебаний платформы используется для формирования переменного напряжения питания двигателя с той же частотой с помощью фазосдвигающего элемента и усилителя.'

Недостатком прототипа является его применение только к синхронным электродвигателям в составе технологических машин, а также отсутствие цифровой обратной связи, что, в свою очередь, не позволяет осуществлять управление за счет вычислительных алгоритмов.

Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа при одновременном улучшении качественных и технических характеристик вибратора.

Техническим результатом изобретения является автоматический поиск и поддержание наиболее эффективного резонансного режима колебаний при одновременном повышении его стабильности.

Этот технический результат достигается за счет введения в конструкцию центробежного вибровозбудителя блока автоматического управления частотой вращения ротора, представляющего собой самонастраивающуюся систему с замкнутой цепью (обратной связью) самонастройки. Схема такого устройства, реализующего систему поддержания авторезонанса, основанную на процессе измерения ускорений колебаний вибратора и регулирования частоты вращения ротора двигателя с дисбалансом, представлена на фиг.1.

Устройство работает следующим образом. В качестве вибратора используется электромеханический вибратор 1, в корпус которого установлен датчик измерения линейных ускорений (акселерометр) 2 с аналоговым выходным сигналом. При действии линейного ускорения аналоговый сигнал акселерометра поступает на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 3, преобразованный в цифровой, сигнал поступает в вычислительное устройство (ВУ) 4. Вычислительное устройство определяет частоту и фазу колебаний корпуса вибратора ϕ_в, а так же величину действующего ускорения, то есть определяет амплитудно-частотную характеристику, в которой выделяются резонансные частоты.

Исходя из измеренных параметров вибрации вычислительное устройство определяет наиболее эффективную резонансною частоту и требуемое значение коррекции фазы частоты вращения двигателя ф_д, так, чтобы выполнялось условие резонанса ϕ_д=ϕ_в+90°. Цифровой сигнал коррекции вычислительного устройства преобразуется в аналоговый сигнал широко-импульсным модулятором (ШИМ) 5. Данный сигнал настраивает частоту вращения двигателя на резонансную. Сигнал ШИМ усиливается на усилителе 6 и поступает на катушки двигателя, что и заставляет ротор двигателя вращаться с заданной частотой. В качестве контролирующего устройства, в составе которого АЦП, ВУ, ШИМ, применяется микроконтроллер (МК), что и является основным преимуществом заявляемого изобретения.

Простота, надежность и миниатюрность предлагаемой автоматической системы управления позволяет размещать ее непосредственно в отсеке клеммной панели корпуса вибратора. Она позволяет реализовывать эффективные алгоритмы управления, система управления становится гибкой и самообучающейся. Использование такой системы делает вибратор универсальным.

Данное изобретение разработано и создано в соответствии с вышеупомянутыми принципами. Его испытания, а также проводимые на нем эксперименты подтвердили надежную и стабильную работу резонансного режима колебаний.

Предложенный вибратор с резонансной настройкой позволяет:

1. Использовать любой тип электродвигателя;

2. Осуществлять сканирование, поиск и поддержание наиболее эффективных резонансных режимов работы;

3. Повысить стабильность резонансного режима работы;

4. Обеспечить высокую амплитуду колебаний рабочего органа при малом значении статического момента дебаланса;

5. Повысить долговечность подшипниковых узлов и вибратора в целом;

6. Снизить шумность.

В результате предлагаемое устройство имеет все преимущества аналогов и прототипов и не имеет их недостатков.

Анализ показывает, что данное изобретение удовлетворяет предъявляемым к нему трем основным критериям - «новизна», «промышленная применимость» и «изобретательский уровень».

Источники информации:

1. Вибрация в технике: Справочник в 6 томах. Т.3. Колебания машин, конструкций и их элементов. М.: Машиностроение, 1980, с. 236-239.

2. Асташев В.К., Бабицкий В.И., Соколов И.Я. Авторезонансное вибровозбуждение синхронным электродвигателем // Проблемы машиностроения и надежности машин. 1990. №4. С.41-46.

Вибратор с резонансной настройкой относится к устройству вибрационной техники и может быть использован во всех отраслях промышленности для возбуждения механических колебаний в любом направлении. В изобретении приводится автоматический блок управления электромеханическим вибратором посредством аналого-цифровой обратной связи, содержащей акселерометр и программный модуль электроники, причем в конструкцию вводится центробежный вибровозбудитель блока автоматического управления частотой вращения ротора, представляющего собой самонастраивающуюся систему с замкнутой цепью (обратной связью) самонастройки. Технический результат: обеспечение эффективного резонансного режима колебаний, а также снижения размеров заявленного устройства вибратора. 1 ил.

Вибратор с резонансной настройкой содержит электромеханический вибратор, закрепленные на нем акселерометр и блок автоматического управления, при этом акселерометр и блок автоматического управления образуют цепь обратной связи для управления электромеханическим вибратором за счет сигнала, величина которого определяется резонансом объекта размещения электромеханического вибратора, причем блок автоматического управления выполнен в виде микроконтроллера, содержащего аналогово-цифровой преобразователь, сигнал от которого поступает на вычислительное устройство, в котором выделяется наиболее эффективная резонансная частота и требуемое значение коррекции фазы частоты вращения двигателя, далее сигнал поступает на широко-импульсный модулятор, усилитель и на катушку двигателя.