物料参振双质体振动系统的多机同步耦合机理与同步控制研究

Aiming at the problem that limits the development of the double-mass vibration system due to a lack of the synchronization mechanism research of MER(multiple eccentric rotors) with spatial motion, this project takes the cone crusher as object, proposes the driven scheme of outer cone excited by MER as dynamic cone, and studies MER vibration synchronization and control synchronization of the scheme based on nonlinear dynamics, vibration theory and control theory. Firstly, the mechanism of MER vibration synchronization under the action of granular material is studied, the nonlinear force of material participating vibration is analyzed, the dynamic model of the double-mass vibration system driven by MER with spatial motion is established, the MER synchronization condition and stability condition are solved, and the dynamic coupling mechanism of the vibration system are analyzed to ensure the MER synchronization excitation and achieve the required system motion state for crushing. Secondly, the vibration mechanism of the double-mass vibration system under the action of granular material is studied, the vibration characteristics of the double-mass vibration system are analyzed, the motion characteristics of the system are summarized to satisfy the design of large crushing ratio and vibration isolation. Lastly, the MER phase control strategy of the variable crushing ratio is studied, the matching rules and motor controller are designed, and the excited resultant force of MER is controlled to satisfy the development requirements of variable crushing ratio. The expected results of the project will provide a theoretical basis for the synchronization mechanism of the vibration cone crusher driven by MER, and also contribute efforts for the independent innovation mechanical equipment of our country.

针对缺乏空间运动多机(多偏心转子)同步机理的研究，限制双质体振动机械发展的问题，本项目以圆锥破碎机为研究对象，提出多机激励外壁作为动锥的驱动方案，基于非线性动力学、振动理论和控制理论，研究实现该方案的多机振动同步和控制同步理论。本项目研究物料参振作用下多机振动同步机理，分析物料参振的非线性作用力，建立空间运动双质体多机驱动振动系统的动力学模型，求解多机同步条件，剖析系统动力学耦合机理，保证多机同步激励来实现破碎所需的系统运动；研究物料参振双质体系统的振动机理，分析双质体系统的振动特征，总结系统运动特性来实现大破碎比及隔振的设计；研究振动系统的多机相位控制策略，设计匹配规则及电机控制器，控制多机激振合力来实现变破碎比的发展需求。项目预期成果将对多机激励圆锥破碎机的同步机理提供理论依据，还为我国自主创新机械设备贡献力量。

破碎是人类生产活动中必不可缺少的加工手段，而破碎物料所需的电能随工农业的发展在不断增加，因此降低破碎所需的能源将对我国长期发展有着至关重要的作用。本项目针对现有圆锥破碎机所采用的工作原理导致其存在无法大型化、高能耗和不可变破碎比等问题，提出了将机械振动理论作为圆锥破碎机的工作原理，采用多偏心转子(多机)同步激励外锥作动锥的驱动方案，研究了实现所提方案的多机同步机理，来满足上述破碎机的发展需求。本项目分析了圆锥破碎机系统关键自由度，构建了多质体多机驱动振动系统的动力学模型，获取了系统满足多机同步的条件；分析了物料参振的等效非线性作用力，揭示了物料参振作用对多机同步的影响；研究了多机同步激励条件下多质体的响应特性，揭示了多质体振动传递特性及对多机同步的影响；探索了多机相位同步的主动控制，剖析了振动系统的机电耦合机理，揭示了在控制同步状态下系统的耦合动力学特性。通过本项目的研究，发现了多机系统存在多个稳定运动状态。由于受多机间不同稳态相位差的影响，系统因此也受到了不同的激振合力组合，使多质体系统出现了选择运动状态现象。对上述机理进行研究过程中，又发现了固有频率区间是影响系统选择不同工作状态的关键性因素，而且还观察到这类偏心转子驱动振动系统在亚近共振区还会存在频率俘获现象，即电机转速被共振频率点所俘获，造成电机转速不能升高。综上，本项目是以实际工程问题作为研究背景，提出了一种实现圆锥破碎机外锥旋回运动的设计方案，据此建立了物料参振作用下多质体振动系统的多机同步理论，并解决了一类多机系统在耦合动力学约束条件下目标追踪的控制问题。上述研究成果提出了一套多质体机械系统的多机振动同步与控制同步理论，具有十分重要的学术价值和经济价值，它可以为新型破碎机提供理论依据及实验原型样机，为增强我国自主创新能力，为装备制造业、重工业、矿物加工等多个产业更上一个台阶贡献一份力量。