三机倍频自同步驱动可变轨迹振动筛及参数确定方法技术

本发明专利技术属于振动筛技术领域，涉及三机倍频自同步驱动可变轨迹振动筛及参数确定方法。该类设备包括：三个激振器、质体、弹簧；质体通过弹簧与地基相连；激振器1、激振器2和激振器3分布于质体上，激振器1和激振器2关于y轴对称并且旋转方向相反，激振器3与激振器2的旋转方向相反，每个激振器中各有一偏心转子，偏心转子由对应的感应电动机驱动，分别绕着各自的旋转轴线中心旋转。应用远超共振条件，利用倍频同步的振动状态对振动筛进行参数确定，当系统只打开激振器1和2时，质体的运动轨迹为y方向上的直线运动，此时打开激振器3便可以实现变轨迹的功能，并且双频驱动下的筛分效率或脱水效率会显著提高，从而实现其工程应用价值。

【技术实现步骤摘要】
三机倍频自同步驱动可变轨迹振动筛及参数确定方法
本专利技术属于振动筛装置领域，涉及一种三机倍频自同步驱动可变轨迹振动筛及其参数确定方法。
技术介绍
振动筛分设备广泛应用于骨料、矿山、钢厂等行业；而振动泥浆脱水筛广泛应用于石油钻井系统的固液分离，工程隧道泥浆及环保行业有关污泥的渣浆分离或固液分离等净化处理领域，其属于在物理上实现固液分离的一种设备及方法。传统的振动筛分设备及振动泥浆脱水筛，多是以双机单频的方式处理物料、工程泥浆或污泥，具有以下缺点：1.在单一激振频率作用下，筛网上的颗粒只能受到相同的振动作用，这时临界颗粒可能楔在网孔上面使之通流面积逐渐减小甚至造成堵塞，很容易发生“筛糊、筛堵”现象，使得筛分和脱水的质量和效率受到影响。2.传统的双机驱动的振动筛分机振动脱水设备，只能实现单一运动轨迹(如圆周运动轨迹或直线运动轨迹)，当筛网发生“筛糊、筛堵”现象时，不能有效消除，从而降低工作效率。3.对于振动筛分或振动泥浆脱水设备，不同待分级的物料具有不同的特性，不同土质情况下对应的工程泥浆特性也不同，因此，应该根据实际情况选用最佳筛机运动轨迹实现尽量理想的分级或脱水效果。但大部分情况下，具有各自特性的物料都会混在一起，而一条隧道工程中会遇到多种土质情况，从而导致一条隧道的工程泥浆特性也不同。因此，传统上只具有一种运动轨迹功能的筛分设备或泥浆脱水设备显然已经不能满足现有工程需求，急需一种同一台振动筛分或振动脱水设备具有变轨迹(即轨迹可调)，以此满足设备功能要求，即可以实现两种轨迹可调，并满足不同物料或不同隧道土质情况下的设备功能需求。而本专利技术正好能够实现这种变轨迹多功能的要求。为了克服现有技术中双机单频驱动振动筛分或脱水设备之不足，本专利技术提出了一种三机倍频自同步驱动具有变轨迹多功能振动筛分及振动泥浆脱水设备及其参数确定方法。
技术实现思路
以单质体三机驱动动力学模型为研究对象，应用渐近法和Routh-Hurwitz判据得到了系统实现倍频同步稳定的理论条件，定义了稳定性系数，数值方面，给出了系统稳定性系数，以及倍频条件下的各激振器间的稳定相位关系。而稳定相位关系就是机械设备最终功能的体现。通过仿真以及试验，证明了数值分析和理论方法的正确性。本专利技术是通过以下技术方案来实现的：一种三机倍频自同步驱动具有变轨迹振动筛及其参数确定方法，该振动筛包括：三个激振器、质体、弹簧；质体通过弹簧与地基相连；激振器1和激振器2关于y轴对称分布于质体上并且旋转方向相反，激振器3与激振器2的质心在同一高度处并且两激振器的旋转方向相反，每个激振器中各有一偏心转子，偏心转子由感应电动机驱动，分别绕着各自的旋转轴线中心旋转。上述的振动系统的参数确定方法，包括如下步骤：步骤1，建立动力学模型和系统运动微分方程如图1所示，建立坐标系。o是整个系统的质心，旋转中心o1和o2是共线的，o2和o3是共线的，和分别是三个激振器的旋转角。设定oxy为固定坐标，质体运动有三个自由度，可分为x，y方向振动及绕质心的摆动ψ。根据拉格朗日方程，得到振动系统的运动微分方程：其中式中M——系统总质量；m——质体质量；mi——激振器i的偏心块质量，i＝1,2,3；m0——标准激振器的质量，m1＝m2＝m0；ηi——激振器i与标准激振器的质量比，ηi＝mi/m0；J——整个系统的转动惯量；Jm——质体m的转动惯量；Ji——激振器i的转动惯量，i＝1,2,3，J1＝J2；j0i——感应电机i的轴转动惯量，i＝1,2,3；l0i——激振器i回转轴心oi至质体中心O的距离，i＝1,2,3；le——系统当量回转半径；ri——激振器i的偏心距,i＝1,2,3；g——重力加速度；βi——激振器i回转中心oi与机体质心o的连线与x轴正方向夹角；fdi——感应电机i的轴阻尼系数，i＝1,2,3；Tei——感应电机i的电磁输出转矩，i＝1,2,3；kx,ky,kψ——系统在x,y和ψ方向上的弹簧刚度；fx,fy,fψ——系统在x,y和ψ方向上的阻尼系数；步骤2，倍频同步理论分析因为本专利技术只涉及远超共振条件下具有小阻尼的振动系统(激振器的运转频率远远高于系统的固有频率)中各激振器的运动特性，所以可以将式(1)中前三个表达式等号左边的第二项和第三项省略掉，进而得到和的表达式并将其结果代入式(1)的后三个表达式中，得到关于每个激振器的角加速度的近似表达式：其中式中，ε是激振器1的偏心质量与系统总质量M的比值，并且ε是振幅量级的，无量纲的小参数。此外，考虑到动力学模型中激振器1和2是关于y轴左右对称分布的，所以有:a12＝a21,a13＝a23,α1＝α2,k1＝k2,(3)A11＝A12＝A21＝A22＝A1,A13＝A23设定激振器的旋转相位如下式中τ＝ωt，n1＝n2＝1，ω是稳态时三个激振器的基础角速度，在研究同步运动的过程中，被认为是恒定的。定义Δi为相对相位，相比于激振器的相位变化，Δi是系统在稳定运转过程中产生的缓慢变化的函数。将式(4)代入到式(2)中，整理得到：其中基于渐近法，需要将式(5)改写成Bogoliubov的标准形式，设定将公式(5)，(6)联立可得标准形式的微分方程，其表达式如下：设定σini+σjnj≠0，pij＝1/(σini+σjnj)，σini+σjnj＝0，pij＝0σini-σjnj≠0，qij＝1/(σini-σjnj)，σini-σjnj＝0，qij＝0，i,j＝1,2,3其中σi为方向系数，顺时针为-1，逆时针为1。在式(7)关于νi的表达式中，因为与小参数成比例，所以νi是随时间缓慢变化的函数。基于平均法，可以将νi视为缓慢变化的项Ωi与小振动项的叠加。改进关于νi的第一近似解得：采取同样方法改进第二近似解：因为小振动项并不会对νi的系统变化产生影响，基于平均法，可以用平滑变化的量Ωi的平均值来表示νi，从而省略微小的波动。将式(9)代入式(7)等号的右边，并在τ＝0～2π上积分后取平均值，在整个积分过程中Ωi和Δi始终被作为固定值，最后整理得到的平均微分方程为：其中σini+σjnj＝0，us＝1，ψij*＝σiΔi+σjΔj+βi+βj，σini+σjnj≠0，us＝0σini+σrnr＝0，uh＝1，ψir*＝σiΔi+σrΔr+β本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.三机倍频自同步驱动可变轨迹振动筛，其特征在于，该振动筛包括：三个激振器、质体、弹簧；质体通过弹簧与地基相连；激振器1、激振器2和激振器3分布于质体上，激振器1和激振器2关于y轴对称并且旋转方向相反，激振器3与激振器2的旋转方向相反，每个激振器中各有一偏心转子，偏心转子由对应的感应电动机驱动，分别绕着各自的旋转轴线中心旋转。/n

【技术特征摘要】
1.三机倍频自同步驱动可变轨迹振动筛，其特征在于，该振动筛包括：三个激振器、质体、弹簧；质体通过弹簧与地基相连；激振器1、激振器2和激振器3分布于质体上，激振器1和激振器2关于y轴对称并且旋转方向相反，激振器3与激振器2的旋转方向相反，每个激振器中各有一偏心转子，偏心转子由对应的感应电动机驱动，分别绕着各自的旋转轴线中心旋转。


2.权利要求1所述的三机倍频自同步驱动可变轨迹振动筛的参数确定方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，建立动力学模型和系统运动微分方程
建立坐标系；o是整个系统的质心，旋转中心o1和o2是共线的，o2和o3是共线的，和分别是三个激振器的旋转角；设定oxy为固定坐标，质体运动有三个自由度，分为x，y方向振动及绕质心的摆动ψ；
根据拉格朗日方程，得到振动系统的运动微分方程：



其中












式中
M——系统总质量；
m——质体质量；
mi——激振器i的偏心块质量，i＝1,2,3；
m0——标准激振器的质量，m1＝m2＝m0；
ηi——激振器i与标准激振器的质量比，ηi＝mi/m0；
J——整个系统的转动惯量；
Jm——质体m的转动惯量；
Ji——激振器i的转动惯量，i＝1,2,3，J1＝J2；
j0i——感应电机i的轴转动惯量，i＝1,2,3；
l0i——激振器i回转轴心oi至质体中心O的距离，i＝1,2,3；
le——系统当量回转半径；
ri——激振器i的偏心距,i＝1,2,3；
g——重力加速度；
βi——激振器i回转中心oi与机体质心o的连线与x轴正方向夹角；
fdi——感应电机i的轴阻尼系数，i＝1,2,3；
Tei——感应电机i的电磁输出转矩，i＝1,2,3；
kx,ky,kψ——系统在x,y和ψ方向上的弹簧刚度；
fx,fy,fψ——系统在x,y和ψ方向上的阻尼系数；

——d·/dt；

——d2·/dt2；
步骤2，倍频同步性分析
将式(1)中前三个表达式等号左边的第二项和第三项省略掉，进而得到和的表达式并将其结果代入式(1)的后三个表达式中，得到关于每个激振器的角加速度的近似表达式：



其中






式中，ε是激振器1的偏心质量与系统总质量M的比值，并且ε是振幅量级的，无量纲的小参数；此外，考虑到动力学模型中激振器1和2是关于y轴左右对称分布的，所以有:
a12＝a21,a13＝a23,α1＝α2,k1＝k2,(3)
A11＝A12＝A21＝A22＝A1,A13＝A23
设定激振器的旋转相位如下



式中τ＝ωt，n1＝n2＝1，ω是稳态时三个激振器的基础角速度，定义Δi为相对相位，相比于激振器的相位变化，Δi是系统在稳定运转过程中产生的缓慢变化的函数；
将式(4)代入到式(2)中，整理得到：






其中



基于渐近法，需要将式(5)改写成Bogoliubov的标准形式，设定



将公式(5)，(6)联立可得标准形式的微分方程，其表达式如下：






设定
σini+σjnj≠0，pij＝1/(σini+σjnj)，σini+σjnj＝0，pij＝0
σini-σjnj≠0，qij＝1/(σini-σjnj)，σini-σjnj＝0，qij＝0，i,j＝1,2,3
其中σi为方向系数，顺时针为-1，逆时针为1；
改进关于νi的第一近似解得：






采取同样方法改进第二近似解：



将式(9)代入式(7)等号的右边，并在τ＝0～2π上积分后取平均值，在整个积分过程中Ωi和Δi始终被作为固定值，最后整理得到的平均微分方程为：



其中
σini+σjnj＝0，us＝1，ψij*＝σiΔi+σjΔj+βi+βj，σini+σjnj≠0，us＝0
σini+σrnr＝0，uh＝1，ψ...

【专利技术属性】
技术研发人员：张学良，张旭，胡文超，陈为昊，张伟，王志辉，闻邦椿，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21