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）

0 引言

2011 年底國(guó)家能源局在其發(fā)布的《國(guó)家能源科技“十二五”規(guī)劃（2011-2015）》中提到我國(guó)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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(jiàn)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）；

ω-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ω 易于改變。變頻啟動(dòng)是通過(guò)增加變頻器來(lái)改變角速度ω，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(guò)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(méi)有得到廣泛的應(yīng)用。變轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)是通過(guò)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(guò)對(duì)偏心塊結(jié)構(gòu)的調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能啟動(dòng)，降低成本，也不存在堵轉(zhuǎn)問(wèn)題。

2 振動(dòng)電機(jī)變轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)機(jī)理及優(yōu)勢(shì)

圖1.振動(dòng)電機(jī)偏心塊示意圖

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(guò)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)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(lái)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(guò)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(guò)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(jiàn)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(guò)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(jiàn)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(jiàn)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(mén) 型槽振動(dòng)平臺(tái)，序號(hào)3 為減震彈簧。

通過(guò)理論振動(dòng)分析與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)應(yīng)來(lái)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(gòu)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(jiàn)表1：

首先，在把所購(gòu)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(gòu)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(yǔ)

目前實(shí)驗(yàn)室已初步研制試驗(yàn)成功，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)對(duì)振動(dòng)電機(jī)偏心塊偏心距r 的控制，來(lái)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(wèn)題。通過(guò)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(lái)一次變革，同時(shí)也為節(jié)能減排貢獻(xiàn)一份力。

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

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