应用伺服电机实现离心脱水机振幅动态控制

张靖波，梁宝林，姚李威

（1.中煤平朔煤业有限责任公司物资供应中心，山西 朔州 036006；2.中煤平朔煤业有限责任公司 技术中心，山西 朔州 036006；3.太原理工大学 机械电子工程研究所，山西 太原 030024）

0 引言

在煤炭的洗选工艺中，煤泥脱水是工艺末端的重要一环，而振动离心脱水机作为脱水工艺的主要设备在这一环节中发挥了重要的作用。因为在脱水过程中伴随着筛篮振动，长期以来离心脱水机特别是国产离心脱水机存在着振动不稳定、结构件易损坏、故障率高的问题。

刘克铭等［1］通过模态分析发现，在离心脱水机启动和停机时，电机驱动甩轮的激振频率从0 Hz到24.17 Hz之间变化的过程中，会经过底座和支架的固有频率，同时还会经过空载时筛篮相对壳体振动的固有频率，从而形成剧烈共振，对结构造成伤害。

这一分析与实际脱水机启停阶段振动剧烈现象吻合。本文应用伺服电机在启停阶段减小振动机构的偏心力矩，从而有效降低了机器在启停阶段的振动幅度，减小了破坏程度。

1 离心脱水机的激振结构

离心脱水机的激振结构简图见图1。由图1可知，提供给脱水机的激振力由两个偏心轮旋转时产生的偏心力矩合成。

两个偏心轮通过机械结构联接，工作时分别按顺时针和逆时针方向同步旋转，两个偏心轮的偏心力矩表示在坐标系中如图2所示。

图2中，矢量T1和T2同步绕原点以相同的角速度ω相向旋转。任意时刻T1和T2沿y轴的分量Ty1和Ty2方向相反、大小相等、合力矩为0，T1和T2沿x轴的分量Tx1和Tx2方向相同、大小相等、合力矩Tx为两分量之和。

图1 离心脱水机的激振结构简图

图2 偏心力矩矢量表示

其中：T1、T2为对应设备中偏心轮对回转中心形成的偏心力矩。由于设备中两个偏心轮完全对称，因此有T1＝T2。令T＝T1＝T2，则有：

由此可知脱水机激振器在x方向即轴向产生一个幅值为T、频率为的振动。

2 动态调整幅值的方法

在现有结构下只能通过调整偏心轮的质量或者偏心轮到回转中心的距离来调整激振装置振幅。因此激振装置振幅只能静态调整，无法在运动中适时调整，不能满足在启停阶段脱水机共振点附近降低振幅的要求。如果令：

那么调整θ的值就可以调整Tx的大小。当θ等于0时Tx与公式（2）所示相同；当θ等于90°时，Tx等于0；当θ在0～90°时，Tx在T cosωt～0之间变化。这样把偏心力矩化为两部分后，激振装置偏心力矩的调整就转化为了对构成它的两个分力矩的相位差θ的控制，而旋转运动的相位差控制是比较容易实现的［2］。

3 实现方法

首先需要将激振结构改为两组，如图3所示。

图3 改进后的激振结构简图

在分成两组以后，分别用两台伺服电机控制其中一组。通过控制器，伺服电机可以在任意位置任意时刻依据指令停止或者行走给定的行程。因此可以在脱水机启停阶段的必要时刻控制伺服电机，使两组偏心轮的运转相差给定的相位角度，从而达到降低激振器偏心距、减小设备损害程度的目的。

4 控制系统结构

控制系统结构见图4，它由振动测量传感器、控制算法处理器、伺服电机驱动器和伺服电机构成。

控制系统工作时，处理器通过测量传感器测量脱水机机身振动，通过伺服电机反馈的位置编码器的位置参数可以得到实时的偏心轮相位。

在机身共振频率附近时，控制器通过控制伺服电机的运动，调整两组偏心轮之间的相位差，从而达到控制振幅、减小损害的目的。

图4 控制系统结构

5 结束语

通过把偏心轮结构由一组改为两组，再分别应用伺服电机控制的方法，初步解决了离心脱水机振幅无法进行动态调整的问题。通过闭环控制，在脱水机启停阶段经过共振频率时适时降低激振装置振幅，在理论上可以达到改善脱水机振动性能的目的。需要进一步研究优化的是：①两组四个偏心轮，这种结构略显复杂，增加了机构体积和加工难度；②该设计要求伺服电机在振动环境下工作，增加了对伺服电机可靠性的要求。

［1］ 刘克铭，杨维红，任兰柱，等.卧式振动离心脱水机的振动模态［J］.机械设计与研究，2010，26（5）：119－121.

［2］ 王军锋，唐宏.伺服电机选型的原则和注意事项［J］.装备制造技术，2009（11）：129－131.