АВТОМАТИЗАЦИЯ ВИБРАЦИОННЫХ МАШИН

Отличительной особенностью большинства вибрационных машин является кинематическая неопределенность движения их рабочих органов. Это значит, что закон движения рабочего органа зависит от динамических факторов: реакций присоединяемых к нему масс и жесткостей, а также диссипативных сопротивлений, возникаю­щих при его движении. Такая особенность делает машину чувстви­тельной к изменениям условий работы и в некоторых случаях повы­шенной чувствительности (например, у резонансных вибромашин) может привести к нарушению нормального режима. Но, с другой стороны, эта особенность делает вибрационные машины подходя­щим объектом автоматического регулирования, так как, во-первых, чем выше чувствительность объекта регулирования, тем меньшая мощность требуется для перевода его из одного режима в другой. Во-вторых, в ряде случаев, используя динамические особенности
регулируемой вибромашины, можно существенно упростить систему автоматики.

Автоматизация производственных процессов стала настоятельной необходимостью. Она дает возможность уменьшить количество об­служивающего персонала, повысить производительность оборудо­вания, улучшить условия труда, повысить качество выполняемой работы. При наличии системы автоматического регулирования мож­но реализовать очень выгодные, но неустойчивые в обычных усло­виях режимы работы вибрационных машин. Помимо автоматиза­ции технологического режима в ряде случаев актуальны задачи ав­томатизации привода, например запуска машин, проходящих через промежуточные резонансы, или обеспечение заданной разности фаз двух или нескольких вибровозбудителей, приводящих в колебания один рабочий орган, а также автоматизация контроля качества вы­полняемой работы.

Интересной и практически важной задачей является разра­ботка системы автоматической настройки вибромолотов и вибро­трамбовок в режиме наиболее сильных ударов при изменяющихся условиях работы. Неоднородность механических свойств грунтов очень велика, а ручная настройка требует высокой квалификации оператора и даже при этом условии остается весьма несовершен­ной. Поэтому обычно не производят никакой текущей настройки, что приводит к значительному недоиспользованию потенциальных возможностей ударно-вибрационных машин.

Серьезной проблемой является автоматизация работы вибра­ционных питателей, используемых в дозаторах непрерывного дей­ствия. Трудности здесь возникают вследствие необходимости до­стижения высокой точности дозирования при недостаточной одно­родности свойств подаваемых материалов. У порционных дозато­ров легче добиться точности путем ступенчатого регулирования производительности вибрационного питателя, но для многих не­прерывно протекающих технологических процессов ступенчатое до­зирование неприемлемо.

Мы уже подчеркивали выгодность резонансных вибромашин. Чем ближе к резонансу настроена система, тем более эффективным становится ее действие. Только в условиях автоматического удер­жания заданной настройки могут работать резонансные виброма­шины, характеризуемые высокими коэффициентами резонансного усиления.

Больших количественных и в особенности качественных резуль­татов можно ожидать от автоматизации процессов вибрационного уплотнения бетонных смесей, вибрационного формования железо­бетонных и бетонных изделий, вибрационного грохочения, вибра­ционного помола и др. В полной мере автоматизация работы виб­ромашин может быть использована лишь в системе комплексной автоматизации производства. Для ознакомления с особенностями и методами автоматизации вибрационных машин рассмотрим два примера: автоматизацию работы пружинного вибромолота для за­бивки свай и автоматизацию работы резонансной виброплощадки

с горизонтальными колебаниями для формования железобетонных изделий.

Вибромолот, будучи существенно нелинейной системой, спосо­бен осуществлять качественно различные режимы движения. Да­же при работе в одном режиме возможны различные значения ударной скорости, а следовательно различная эффективность рабо­ты машины, зависящая от настройки. При этом оптимальная на­стройка оказывается различной для разных условий работы. Так, лучшая настройка в начальный период забивки, как правило, зна­чительно отличается от лучшей настройки в конце забивки, опти­мальная настройка при прохождении глинистого грунта отличается от оптимальной настройки при прохождении песчаного грунта. На­стройку вибромолота можно осуществить путем изменения одного из следующих параметров: массы ударной части, статического мо­мента массы дебалансов, жесткости пружин, соединяющих удар­ную часть с наголовником, начального зазора или натяга между бойком ударной части и наковальней наголовника, скорости враще­ния дебалансов. Практически наиболее целесообразны последние два способа.

При разработке системы автоматического регулирования преж­де всего необходимо выбрать величины, подлежащие регулирова­нию. В качестве меры эффективности работы вибромолота обычно принимают энергию единичного удара или ударный импульс. Обе эти величины зависят от ударной скорости, т. е. скорости ударной части непосредственно перед ударом. Оптимальна та настройка, при которой ударная скорость достигает максимального значения. Поэтому может показаться целесообразным регулирование вели­чины ударной скорости путем установки на вибромолоте чувстви­тельного элемента (датчика), воспринимающего ударную скорость или иную величину, которую возможно преобразовать в ударную скорость. При отклонении ударной скорости от максимального зна­чения датчик включал бы управляющий механизм, возвращающий ударную скорость к максимуму.

Такая схема регулирования оказывается нецелесообразной. Прежде всего при изменении внешних условий, влияющих на рабо­ту вибромолота, в общем случае изменяется и максимум ударной скорости, который достижим в новых условиях. Следовательно, са­мо по себе изменение ударной скорости не всегда можно интерпре­тировать как отход от оптимального режима или приближение к нему. Поскольку нет единственной максимальной ударной ско­рости, постольку она непригодна в качестве критерия оценки ре­жима работы.

Далее, если бы даже такой критерий существовал, оставалось бы неизвестным, в каком направлении необходимо изменять пара­метры вибромолота для возвращения к оптимальному режиму. Действительно, как система ударно-резонансная, вибромолот до­стигает резонанса ударной скорости при определенном отношении частоты вынуждающей силы к собственной частоте ударной виб­рации. Как при снижении этого отношения, так и при повышении
его величина ударной скорости уменьшается. Значит, само по се­бе падение ударной скорости не дает сведений о направлении, в ко­тором надо регулировать параметры машины. Использование в этом случае какой-либо сложной системы экстремального управ­ления с поиском направления регулирования не оправдано эконо­мически.

Регулирование мощности электродвигателей вибромолота еще менее целесообразно, чем регулирование ударной скорости. Мощ­ность двигателей находится в прямой зависимости от ударной ско­рости, и поэтому указанные недостатки полностью свойственны и такой схеме регулирования. Дополнительным важным дефектом подобной схемы является значительная зависимость мощности от иных факторов, помимо ударной скорости. Регулирование силы то­ка в обмотках электродвигателей привело бы к еще большим ошиб­кам, поскольку сила тока даже при постоянном напряжении сети зависит от коэффициента мощности, который может меняться при изменении внешних условий работы машины.

Для обоснования выбора регулируемой величины и регулирую­щего воздействия системы автоматики необходимо обратиться к ди­намике вибромолота. Значение безразмерной ударной скорости бы­ло определено зависимостью (67) раздела 3. Если переменной ве­личиной в системе является начальный безразмерный зазор-натяг go, то, продифференцировав по нему равенство (67) раздела 3 и приравняв производную нулю, получим выражение для максималь­ной ударной скорости при заданном значении у:

maxS_ — 1/(1 — R) (1 — у2). (1)

Эта скорость достигается при величине безразмерного зазора

*0* ~f! 0′ 72). где f дается равенством (70) раздела 3.

Подставив это значение в формулы (68) раздела 3, получаем начальный фазовый угол дебалансов, т. е. угол, под которым они

расположены к направлению забивки в момент удара, соответст­

вующий максимальной ударной скорости:

Рис. 114

Фет = Зтс/2. (3)

Это равенство показывает, что для режимов с максимальной

ударной скоростью фаза вынуж­дающей силы в момент удара

равна 270° независимо от значе­ния параметров, при которых до­стигнут максимум ударной скоро­сти, а также от величины этого максимума. На рис. 114 представ­лены кривые зависимости безраз­мерной ударной скорости £_ и фа­зового угла ф от go или у.

Сплошными кривыми показаны зависимости, отвечающие одному значению g0, а штриховыми — другому значению. Мы видим что, хотя изменились значения максимума безразмерной ударной ско­рости и безразмерного зазора, при котором этот максимум достиг­нут, в обоих случаях максимуму безразмерной ударной скорости соответствует одна и та же фаза вынуждающей силы в момент удара.

В реальных условиях работы вибромолота благодаря действию ряда дополнительных факторов, не учтенных в схематизации, при­нятой в разделе 3, показанные на рис. 114 кривые, сохраняясь ка­чественно, несколько перемещаются и деформируются, но макси­муму ударной скорости во всех случаях отвечает одинаковая фаза дебалансов при ударе, равная приблизительно 250-^-255°. Парамет­ры вибромолота и условия его работы (в том числе масса погру­жаемого элемента, его форма, достигнутая глубина погружения, сопротивление грунта, величина дополнительной пригрузки) в рам­ках принятой схематизации влияют на значения величин у и R, Изменения у и R вызывают изменение ударной скорости и отвечаю­щих ей значений ут и goт. Однако этим изменившимся значениям продолжает соответствовать все то же значение угла фт.

Эта особенность ударно-вибрационных систем позволяет решить задачу самонастройки вибромолота на оптимальный режим работы без использования сложных схем, присущих экстремальным систе­мам регулирования. Задача настройки вибромолота на режим с наибольшей ударной скоростью заменяется задачей о поддержа­нии заданной фазы вынуждающей силы в момент удара. Если вслед за изменяющимися условиями работы вибромолота система автома­тического регулирования будет осуществлять такое регулирующее воздействие на машину, чтобы фаза вынуждающей силы в момент удара сохраняла постоянное оптимальное значение при изменяю­щихся внешних условиях, то работа вибромолота автоматически будет поддерживаться в режиме наиболее сильных ударов.

Система автоматического регулирования может быть построена на принципе сравнения моментов времени удара и прохождения дебалансами установленного положения. Рассмотрим вариант та­кой системы, блок-схема которого представлена на рис. 115. Сис­тема состоит из двух частей: блока включения и блока реверса. Блок включения работает следующим образом. Импульс датчика оптимального угла поворота дебалансов ФСі поступает на вход кип — реле КРС, где он формируется в П-образный импульс заданной длительности. С выхода кип-реле сформированный импульс в от­рицательной полярности подается на вход логической ячейки И4 и в положительной полярности от инвертора НЕ на вход з логиче­ской ячейки И3. Одновременно на входы д логических ячеек Из и И4 от датчика момента удара ДФП подается сформированный кип — реле импульс удара в отрицательной полярности. Длительность по­следнего импульса во много раз меньше длительности П-образного импульса. В оптимальном режиме работы вибромолота должно про­исходить совпадение импульсов удара и оптимального угла пово­рота дебалансов, т. е. импульсов, подаваемых на входы дик логи­ческой ячейки И4. При совпадении импульсов на выходе логиче­ской ячейки И4 появляется сигнал, подаваемый на вход к тригге­ра ТрЗ и перебрасывающей его во второе устойчивое положение. На выходе логической ячейки Из при этом сигнала нет.

При несовпадении импульсов, наоборот, сигнал появляется на выходе логической ячейки И3 и подается на вход триггера ТрЗ, а на выходе логической ячейки И4 сигнал отсутствует. Таким обра­зом, при несовпадении импульсов удара и угла поворота дебалан­сов триггер ТрЗ находится в первом устойчивом положении, при ко­тором реле РА2, управляющее исполнительным механизмом, вклю­чает его работу. При совпадении же импульсов триггер ТрЗ нахо­дится во втором устойчивом положении, при котором реле РА2, а следовательно, и исполнительное устройство, выключены.

Изменяя при помощи кип-реле КРС длительность П-образного импульса, подаваемого на ячейки сравнения, можно регулировать величину зоны нечувствительности, в которой исполнительное устройство выключено. Таким путем достигается регулирование до­пустимого рассогласования момента удара и момента прохождения дебалансами оптимального положения, а следовательно допусти­мого отклонения ударной скорости от ее максимума.

Блок реверса работает следующим образом. При несовпадении управляющих импульсов фазочувствительная схема реверса опре­деляет знак разности фаз оптимального угла поворота дебалансов и момента удара и в соответствии со знаком разности фаз задает направление движения исполнительного устройства, т. е. движение на увеличение или на уменьшение зазора между бойком и нако­вальней, либо скорости вращения дебалансов. С этой целью на вы­ходы а и б триггера Тр 1 п’одаются импульсы датчиков угла пово­рота дебалансов. Один из них ФСі соответствует оптимальному по­ложению дебалансов, а второй ФС2, играющий вспомогательную роль, сдвинут по отношению к первому на 180° и служит для об­ратного переброса триггера Тр 1. Импульс ФС^ перебрасывает триг­гер в первое устойчивое положение, а импульс ФСг — во второе.

Таким образом, пока дебаланс движется в I и II квадрантах, на выходе г имеется нулевое напряжение, а на выходе в — постоян­ное напряжение. При движении дебаланса в III и IV квадрантах постоянное напряжение имеется на выходе г и нулевое напряже­ние— на выходе в. Сигнал с выхода в триггера Тр I подается на вход е ячейки совпадения Иі, сигнал с выхода г подается на вход ж ячейки совпадения Иг. На входы и ячеек И4 и И2 подаются от ин­вертора НЕ сформированные импульсы угла поворота дебаланса (зоны нечувствительности) в положительной полярности, а на вхо­ды д — сформированный импульс удара.

Следовательно, если импульс удара опережает импульс ФСі и происходит тогда, когда дебаланс находится в IV квадранте, на выходе ячейки И2 появляется импульс, который подается на вход триггера Тр2 и перебрасывает его во второе устойчивое положе­ние. Если импульс удара отстает от импульса ФС4 и происходит тогда, когда дебаланс находится в I квадранте, на выходе ячей­ки Иі появляется импульс, который подается на вход л тригге­ра Тр2 и перебрасывает его в первое устойчивое положение. В пер­вом устойчивом положении триггера Тр2 реле РА1 включено и за­дает направление движения исполнительного устройства, например на увеличение зазора между бойком и наковальней или на увели­чение скорости вращения дебалансов. Во втором устойчивом поло­жении триггера Тр2 реле РАІ выключено, и при этом задается про­тивоположное направление движения исполнительного устройства.

Для управления зазором-натягом между бойком ударной части вибромолота 2 и наковальней наголовника можно в дополнение к пружинам установить пневмобаллоны 1 схемы исполнительного устройства, изображенной на рис. 116, а. Вторая группа пневмобал­лонов 3 установлена в нажимном устройстве, предназначенном для повышения или понижения давления в пневмобаллонах обеих групп, соединенных шлангом 5. При первоначальной наладке в баллоны подается через ниппель 6 сжатый воздух. Регулирование давления осуществляется за счет изменения объема пневмобалло­нов 3 винтом 7, приводимым от электродвигателя, получающего ко­манды от системы автоматического регулирования. При этом под­нимается или опускается подвижная траверса 4. Изменение давле­ния в пневмобаллонах 1 вызывает соответствующее изменение на­чального зазора или натяга между бойком и наковальней. На рис. 116,6 показан автоматически управляемый по изложенной схе­ме вибромолот, забивающий железобетонную сваю.

Сопоставление погружения свай вибромолотом с автоматиче­ским регулированием режима работы и обычным вибромолотом с теми же параметрами показывает следующие преимущества, да­ваемые системой автоматического регулирования: повышение про­изводительности машины не менее чем на 20% за счет сокращения

Рис. 116

времени забивки сваи (особенно в случаях плотных грунтов) и лик­видации потерь времени на ручную настройку машины; повышение гарантированной погружающей способности свай в связи с тем, х что вибромолот всегда работает в режиме наиболее сильных уда — > ров; увеличение предельной глубины погружения; улучшение ус­ловий труда обслуживающего персонала и повышение безопаснос­ти работ вследствие отпадения необходимости находиться в непос­редственной близости к забиваемой свае.

Разработаны системы автоматизации работы вибротрамбовок, ( также использующие сравнение момента начала удара с моментом, когда фаза вынуждающей силы соответствует оптимальному зна­чению ударной скорости.

При автоматизации резонансных вибрационных машин могут ставиться различные задачи, в частности, удержание системы в ре­зонансе при изменяющихся внешних условиях либо поддержание амплитуды перемещения, скорости или ускорения рабочего органа на заданном уровне. В последнем случае необходимо также задать режим работы машины — дорезонансный или зарезонансный, так как одно и то же значение амплитуды регулируемого параметра может быть осуществлено как при первом, так и при втором режи­ме (рис. 117). Помимо номинального значения амплитуды А3 за­дают также допустимые пределы ее изменения — верхний Ав и

нижний Ан. Интервал между этими пределами называют зоной не­чувствительности в случае, если применена система автоматики, не чувствующая изменения регулируемого параметра внутри этой зоны и не реагирующая на него. Контроль настройки можно про­изводить по фазочастотной зависимости, поскольку угол сдвига фазы перемещения относительно фазы вынуждающей силы близок к я/2 при резонансе. В действительности этот угол несколько отли­чается от я/2, но при небольших демпфированиях различия невели­ки (см. раздел 2).

Для автоматизации резонансной виброплощадки с горизонтальными колебаниями, имеющей привод от двигателя постоянного тока, были разработаны две системы автомати­ческого регулирования — непрерыв­ная и импульсная. Различие между ними заключается в следующем: если амплитуда регулируемого па­раметра под влиянием внешнего возмущения вышла за пределы зо­ны нечувствительности, то непре­рывная система автоматического ре­гулирования включает исполнитель­ный механизм, изменяющий ампли­туду регулируемого параметра, возвращая ее-в зону нечувствитель­ности. Достигнув этой зоны, испол­нительный механизм продолжает работать, пока система не перейдет второй допустимый предел, а после этого начнется регулирование систе­мы в обратном направлении. Таким образом, исполнительный механизм работает непрерывно то в одну, то в другую сторону. Импульсная си­стема регулирования поддерживает работу исполнительного меха­низма только вне зоны нечувствительности. Как только эта зона достигнута, исполнительный механизм отключается. Он снова при­дет в действие только после того, как амплитуда регулируемого па­раметра снова выйдет за пределы зоны нечувствительности. Отсю­да очевидно преимущество импульсной системы, блок-схема ко­торой приведена на рис. 118.

Эта система состоит из двух частей — узла учета отклонения ре­гулируемого параметра и узла учета фазы вынуждающей силы. Первый узел содержит два комплекта задатчиков регулируемого параметра ЗА1 и ЗА2, настраиваемых совместно с усилителями У1 и У2 и нуль-органами Н01 и Н02 соответственно на верхнюю и нижнюю границы зоны нечувствительности. Когда регулируемый
параметр выходит за пределы зоны нечувствительности, о чем сиг­нализирует датчик ДРП, то в зависимости от знака его отклонения от заданного номинала срабатывает или реле повышенной ампли­туды РПА (если регулируемый параметр поднялся выше верхнего предела зоны нечувствительности), или реле сниженной амплиту-

X

ї:

Ъ

V

*

Н01

РПА

ног

РСА

*

Ча $ 5

JL ^

с: «о

Узел учета I ^ фазы силы | з:

Тр2 J РФ

чш

У2

Ф

*"1

1

! г-

н

ДФС1

ДФС2

ЗА2

1~———

— УЗ

L ГГ

————————————- 1

И1

И2

Грі

__________________ 1

Узел учета отклонения регулируемого параметра

ЗА1 j У1

Г’

Рис. 118

ды РСА (при снижении регулируемого параметра ниже нижнего предела). Контакты сработавшего реле совместно с контактами ре­ле фазы РФ воздействуют на исполнительный механизм, приводя его в действие в нужном направлении. После вхождения в зону не­чувствительности исполнительный механизм, как сказано выше, от­ключается.

Так же как в системе автоматического регулирования вибромо­лота, на валу вибровозбудителя установлены два датчика фазы вы­нуждающей силы ДФС1 и ДФС2, которые вырабатывают однопо­лярные импульсы через каждые пол-оборота дебалансов. Эти им­пульсы поступают на вход триггера Тр1 узла учета фазы и перио­дически перебрасывают его из одного устойчивого положения в другое. Сигналы с выходов триггера Тр1 поступают на входы двух логических ячеек И1 и И2. На другие входы этих ячеек поступают сигналы с датчика регулируемого параметра ДРП, усиленные уси­лителем УЗ и сформированные в виде коротких импульсов форми­рователем Ф. При работе на дорезонансном участке амплитудно- частотной характеристики сигнал с формирователя Ф совпадает по времени и полярности с сигналом, поступающим со второго выхода триггера Тр1. В результате на выходе ячейки совпадения И1 по­является импульс, перебрасывающий триггер Тр2 в состояние, при котором включается реле фазы РФ, подающее сигнал на исполни­тельный механизм, регулирующий скорость вращения электродви­гателя виброплощадки.

Сравнение работы в производственных условиях виброплоща­док с системой автоматического регулирования и без нее показа­ло, что в процессе формования изменения амплитуды перемещения формы при ручной регулировке достигают ±0,2 мм, а при автома­тическом регулировании не превышают ±0,025 мм. Такая стаби­лизация амплитуды колебаний влечет за собой: повышение качест­ва формуемых изделий и поддержание постоянства их механиче­ских свойств; увеличение производительности благодаря некоторо­му снижению продолжительности формования; высвобождение ква­лифицированного рабочего, занятого ручной регулировкой работы машины; экономию цемента за счет возможности формования из­делий из несколько более жестких бетонных смесей.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *