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16 20 14 8 設(shè)計(jì)與研發(fā) 振動(dòng)電機(jī)變轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)結(jié)構(gòu)的探究 王立臣 梁金鋼 王忠文 段海鵬 梁 浩 中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司 063012 摘要 分析了目前振動(dòng)電機(jī)存在的問題 通過對(duì)振動(dòng)電機(jī)偏心塊結(jié)構(gòu)的改變 實(shí)現(xiàn)振動(dòng)電機(jī)小轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)大轉(zhuǎn)矩運(yùn)行 提出了初 步的解決方案和設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易模型 為振動(dòng)電機(jī)變轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)的進(jìn)一步研究提供了基礎(chǔ) 關(guān)鍵詞 振動(dòng)電機(jī) 變轉(zhuǎn)矩啟動(dòng) 節(jié)能高效 Torque starting structure of variable vibration motor Wang Lichen Liang Jingang Wang Zhongwen Duan Haipeng Liang Hao TangShan Research Institute of China Coal Technology Engineering Group 063021 Abstract It analyses the current problems in vibration motor Through changing the eccentric structure vibration motor can be started by low torque and runned by high torque It is presented a preliminary design solutions and simple model for further research of vibration motor variable torque start Keywords vibration motor variable torque start energy efficient 0 引言 2011年底國家能源局在其發(fā)布的 國家能源科技 十二五 規(guī)劃 2011 2015 中提到我國面臨資源消耗的瓶頸 能源利用效 率低 節(jié)能減排壓力大 振動(dòng)電機(jī)是一種通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)偏心塊產(chǎn)生離心力的通用機(jī) 械 在工程實(shí)踐中有著廣泛的應(yīng)用 然而在振動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)過程中 由于偏心塊啟動(dòng)靜矩很大 導(dǎo)致振動(dòng)電機(jī)在啟動(dòng)過程中需要很大 的功率 而振動(dòng)電機(jī)在正常工況下由于慣性力作用 所需求的功 率又遠(yuǎn)小于在啟動(dòng)過程中配用的功率 正常工作時(shí)功率一般是配 用功率的1 3 1 2 振動(dòng)電機(jī)未在額定狀態(tài)下工作 效率大幅 降低 這就造成了能源的浪費(fèi) 本論文通過對(duì)變轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)結(jié)構(gòu)的 探究 用以提高振動(dòng)電機(jī)工作效率 1 振動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)概述 振動(dòng)電機(jī)的激振力來源于偏心塊 偏心塊靜矩越大 振動(dòng)電 機(jī)激振力越大 由于偏心塊靜矩的存在 其配用的電機(jī)功率也越 大 振動(dòng)電機(jī)偏心塊示意見圖1 激振力的計(jì)算公式 式中 F 激振力 N m 偏心質(zhì)量 kg r 偏心距 m 角速度 rad s 激振力的計(jì)算公式中偏心質(zhì)量一旦確定不易改變 而偏心距 r和角速度 易于改變 變頻啟動(dòng)是通過增加變頻器來改變角 速度 實(shí)現(xiàn)小轉(zhuǎn)速啟動(dòng) 大轉(zhuǎn)速運(yùn)行 可以實(shí)現(xiàn)低能耗工作 但 因其需要配備變頻器使制造成本提高很大 另外 低轉(zhuǎn)速啟動(dòng)過 程中電機(jī)處在堵轉(zhuǎn)狀態(tài) 電機(jī)易于損壞 所以變頻啟動(dòng)沒有得到 廣泛的應(yīng)用 變轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)是通過改變偏心距r 實(shí)現(xiàn)小轉(zhuǎn)矩啟動(dòng) 大轉(zhuǎn)矩運(yùn)行 僅通過對(duì)偏心塊結(jié)構(gòu)的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)節(jié)能啟動(dòng) 降低 成本 也不存在堵轉(zhuǎn)問題 2 振動(dòng)電機(jī)變轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)機(jī)理及優(yōu)勢(shì) 實(shí)現(xiàn)變轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)的關(guān)鍵在于偏心塊的結(jié)構(gòu) 通過對(duì)偏心塊的 結(jié)構(gòu)的探究 使得振動(dòng)電機(jī)在啟動(dòng)初期具有較小靜矩 所需啟動(dòng) 圖1 振動(dòng)電機(jī)偏心塊示意圖17 20 14 8 設(shè)計(jì)與研發(fā) 功率較小 當(dāng)振動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定數(shù)值時(shí) 偏心塊運(yùn)動(dòng)到較大 轉(zhuǎn)矩位置 較大激振力位置 此時(shí)由于振動(dòng)電機(jī)慣性力的存在此 時(shí)并不需要較大功率 這樣一來既可以保證振動(dòng)電機(jī)小轉(zhuǎn)矩 小 電流啟動(dòng) 又不會(huì)影響振動(dòng)電機(jī)激振力的大小 通過對(duì)偏心塊運(yùn) 行位置的控制反而可以提高激振力的大小 3 振動(dòng)電機(jī)變轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)結(jié)構(gòu)的模型 通過對(duì)偏心塊運(yùn)動(dòng)機(jī)理的分析 對(duì)于變轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)機(jī)構(gòu)有了初 步的設(shè)想 其簡(jiǎn)化模型見圖2 圖2 偏心塊啟動(dòng)初期位置示意圖和三維模型 其中 1 偏心塊上擋板 2 偏心塊 3 電機(jī)軸套 偏心塊啟動(dòng)初期如上圖所示 偏心距r很小 啟動(dòng)靜矩較小 此時(shí)可以實(shí)現(xiàn)小轉(zhuǎn)矩小電流啟動(dòng) 而當(dāng)振動(dòng)電機(jī)運(yùn)行到一定轉(zhuǎn)速后通過機(jī)構(gòu)的控制使偏心塊 運(yùn)動(dòng)到上擋板位置 偏心塊穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)其簡(jiǎn)化模型見圖3 圖3 偏心塊穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)位置示意圖和三維模型 偏心塊穩(wěn)定運(yùn)行時(shí) 偏心塊運(yùn)動(dòng)到上擋板位置 偏心距r此 時(shí)具有較大值 穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的激振力也將增大 4 振動(dòng)電機(jī)變轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)設(shè)計(jì) 振動(dòng)分析的一般步驟包括四步 a 建立數(shù)學(xué)模型 b 推導(dǎo) 控制方程 c 求控制方程的解 d 結(jié)果分析 振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)見圖4 圖中 1 激振器 2 工作機(jī)體 3 彈性元件 對(duì)應(yīng)實(shí)際振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng) 序號(hào)1為振動(dòng)電機(jī) 序號(hào)2為T型 槽振動(dòng)平臺(tái) 序號(hào)3為減震彈簧 通過理論振動(dòng)分析與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)應(yīng)來驗(yàn)證振動(dòng)電機(jī) 變轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性 具體試驗(yàn)步驟如下 外購一臺(tái)振動(dòng)電機(jī) 以鐘祥市新宇機(jī)電制造有限公司的振動(dòng) 電機(jī)為例 其參數(shù)見表1 首先 在把所購振動(dòng)電機(jī)安裝到振動(dòng)平臺(tái)上 測(cè)試其啟動(dòng)電 流 輸入功率和振幅 然后 用變轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)偏心塊替換所購振動(dòng)電機(jī)上的原有偏心 塊 同樣測(cè)試其啟動(dòng)電流 輸入功率和振幅 最后 對(duì)比分析試驗(yàn)數(shù)據(jù) 計(jì)算振動(dòng)電機(jī)變轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)結(jié)構(gòu)節(jié) 約的具體能耗 5 結(jié)語 目前實(shí)驗(yàn)室已初步研制試驗(yàn)成功 實(shí)現(xiàn)了通過對(duì)振動(dòng)電機(jī)偏 心塊偏心距r的控制 來降低振動(dòng)電機(jī)的啟動(dòng)靜矩和啟動(dòng)電流 初步解決了目前振動(dòng)電機(jī)低效率問題 通過優(yōu)化結(jié)構(gòu) 提高穩(wěn)定 性和疲勞壽命 有實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的前景 對(duì)振動(dòng)電機(jī)行業(yè)將會(huì)帶來 圖4 振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖 表1 試驗(yàn)所用振動(dòng)電機(jī)參數(shù)表 下轉(zhuǎn)51頁 51 20 14 8 微處理器與可編程控制器 通過上述的分析和實(shí)際的需求 該課題包括模擬量輸入點(diǎn) 與輸出點(diǎn) 開關(guān)量輸入點(diǎn)與輸出點(diǎn)的個(gè)數(shù) 另外 反饋信號(hào)則由八 路模擬量輸入 變頻器的控制端輸入則由四路模擬器輸入 另外 DI DO 點(diǎn)應(yīng)該是冗余狀態(tài) 因此 以 CPU222 模塊為 CPU 模塊 兩 塊EM223模塊為輸入數(shù)字量模塊 兩塊EM231模塊為模擬量輸入 模塊 兩塊EM232為模擬量輸出模塊 PLC 變頻節(jié)能系統(tǒng)的PLC輸入輸出點(diǎn)配置及接線如圖2和 圖3所示 2 2 程序設(shè)計(jì) 在橋式起重機(jī)的各個(gè)機(jī)構(gòu)中 起升機(jī)構(gòu)是其最關(guān)鍵的部分 在此僅闡述起升機(jī)構(gòu)的程序設(shè)計(jì) 橋式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)速度的控制 是一項(xiàng)很重要的技術(shù)指 標(biāo) 本系統(tǒng)通過旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)得電機(jī)速度 由數(shù)模轉(zhuǎn)換卡轉(zhuǎn)換成 數(shù)字量 傳遞給變頻器 所以本系統(tǒng)起升機(jī)構(gòu)控制方案為常規(guī)的 數(shù)字PID算法并結(jié)合PLC中的PID控制模塊來控制 其程序代碼 如圖4所示 圖4起升機(jī)構(gòu)控制程序 3 能效測(cè)試 在負(fù)載條件相同情況下 將多種實(shí)驗(yàn)樣品做能效對(duì)比的實(shí) 驗(yàn) 從而得出產(chǎn)品的節(jié)能等級(jí) 在評(píng)價(jià)能效時(shí)有充分的數(shù)據(jù) 對(duì)比 實(shí)驗(yàn)差異工作類別的樣品 可以對(duì)各種型號(hào)的產(chǎn)品最終得到的最 優(yōu)化能效工作級(jí)別做評(píng)判 挖掘節(jié)能潛力 鑒于當(dāng)前的試驗(yàn)條件 選用四臺(tái)未采用PLC變頻調(diào)速控制的 同類型的通用橋式起重機(jī) 傳統(tǒng)門式起重機(jī) 32t的電動(dòng)單梁起 重機(jī)以及32t的鋼絲繩電動(dòng)葫蘆作為對(duì)比試驗(yàn)的對(duì)象 經(jīng)過一段 時(shí)期的測(cè)試 其能效測(cè)試結(jié)果如表1所示 表1能效測(cè)試結(jié)果 根據(jù)效能測(cè)試表分析 橋式起重機(jī)在變頻調(diào)速運(yùn)行模式下其 效能比大大的提升 主要是由于定子電源頻率因變頻調(diào)速而發(fā)生 改變 進(jìn)而同步轉(zhuǎn)速發(fā)生改變以及輸出轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)變動(dòng) 也就是 說電動(dòng)機(jī)的容量被改變 負(fù)載情況變動(dòng)帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)容量變動(dòng) 功 率因數(shù)與效率得到提高 節(jié)能目的實(shí)現(xiàn) 4 總結(jié) 通過對(duì)改造完成的起重機(jī)進(jìn)行節(jié)能測(cè)試 已經(jīng)驗(yàn)證了該 PLC 變頻的節(jié)能改造是成功的 達(dá)到了節(jié)能的目的 同時(shí)也提高 了日常工作效率 減少了故障率 簡(jiǎn)化了故障的排除難度 參考文獻(xiàn) 1 陳賢明 橋式起重機(jī)新型變頻調(diào)速系統(tǒng) M 大連 起重運(yùn) 輸機(jī)械 1998 8 10 2 鞏建平 張學(xué) 現(xiàn)代可編程序控制器原理與應(yīng)用 M 北京 科學(xué)出版社 1999 31 32 3 蔡士齊 通用變頻器應(yīng)用技術(shù)指南 M 2005 5 6 8 4 楊俊 起重機(jī)械的能效測(cè)試與節(jié)能措施 M 大連 起重運(yùn) 輸機(jī)械 2012 2 5 劉小慶 基于PLC控制的變頻調(diào)速在橋式起重機(jī)中的應(yīng)用 D 2005 5 19 21 一次變革 同時(shí)也為節(jié)能減排貢獻(xiàn)一份力 參考文獻(xiàn) 1 何玲 高轉(zhuǎn)速振動(dòng)電機(jī)起動(dòng)過程研究 J 電氣自動(dòng) 化 2010 03 13 15 2 宗榮珍 振動(dòng)電機(jī)偏心塊動(dòng)態(tài)特性研究 J 煤礦機(jī) 械 2010 07 47 49 3 王春彥 岳大鑫 振動(dòng)篩振動(dòng)電機(jī)的選取與激振力的調(diào)整 J 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程 2007 02 50 51 55 4 王春彥 岳大鑫 劉鶴 振動(dòng)篩振動(dòng)電機(jī)的選取與激振力 的調(diào)整 J 礦山機(jī)械 2007 07 74 76 5 張合軍 淺議振動(dòng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與位置安裝 J 中小型電 機(jī) 1999 05 53 54 上接17頁