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 年底國家能源局在其發(fā)布的《國家能源科技“十二五”規(guī)劃（2011-2015）》中提到我國面臨資源消耗的瓶頸，能源利用效率低，節(jié)能減排壓力大。

振動電機(jī)是一種通過電機(jī)驅(qū)動偏心塊產(chǎn)生離心力的通用機(jī)械，在工程實踐中有著廣泛的應(yīng)用。然而在振動電機(jī)啟動過程中由于偏心塊啟動靜矩很大，導(dǎo)致振動電機(jī)在啟動過程中需要很大的功率，而振動電機(jī)在正常工況下由于慣性力作用，所需求的功率又遠(yuǎn)小于在啟動過程中配用的功率，正常工作時功率一般是配用功率的1/3 ～1/2，振動電機(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。本論文通過對變轉(zhuǎn)矩啟動結(jié)構(gòu)的探究，用以提高振動電機(jī)工作效率。

1 振動電機(jī)啟動概述

振動電機(jī)的激振力來源于偏心塊，偏心塊靜矩越大，振動電機(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。振動電機(jī)偏心塊示意見圖1：

激振力的計算公式：

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。變頻啟動是通過增加變頻器來改變角速度ω，實現(xiàn)小轉(zhuǎn)速啟動，大轉(zhuǎn)速運行，可以實現(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)速啟動過程中電機(jī)處在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，電機(jī)易于損壞，所以變頻啟動沒有得到廣泛的應(yīng)用。變轉(zhuǎn)矩啟動是通過改變偏心距r，實現(xiàn)小轉(zhuǎn)矩啟動，大轉(zhuǎn)矩運行，僅通過對偏心塊結(jié)構(gòu)的調(diào)整來實現(xiàn)節(jié)能啟動，降低成本，也不存在堵轉(zhuǎn)問題。

2 振動電機(jī)變轉(zhuǎn)矩啟動機(jī)理及優(yōu)勢

圖1.振動電機(jī)偏心塊示意圖

實現(xiàn)變轉(zhuǎn)矩啟動的關(guān)鍵在于偏心塊的結(jié)構(gòu)，通過對偏心塊的結(jié)構(gòu)的探究，使得振動電機(jī)在啟動初期具有較小靜矩，所需啟動功率較小，當(dāng)振動電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定數(shù)值時，偏心塊運動到較大轉(zhuǎn)矩位置（較大激振力位置），此時由于振動電機(jī)慣性力的存在此時并不需要較大功率。這樣一來既可以保證振動電機(jī)小轉(zhuǎn)矩、小電流啟動，又不會影響振動電機(jī)激振力的大小，通過對偏心塊運行位置的控制反而可以提高激振力的大小。

3 振動電機(jī)變轉(zhuǎn)矩啟動結(jié)構(gòu)的模型

通過對偏心塊運動機(jī)理的分析，對于變轉(zhuǎn)矩啟動機(jī)構(gòu)有了初步的設(shè)想，其簡化模型見圖2:

圖2.偏心塊啟動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

偏心塊啟動初期如上圖所示，偏心距r 很小，啟動靜矩較小，此時可以實現(xiàn)小轉(zhuǎn)矩小電流啟動。

而當(dāng)振動電機(jī)運行到一定轉(zhuǎn)速后通過機(jī)構(gòu)的控制使偏心塊運動到上擋板位置，偏心塊穩(wěn)定運行時其簡化模型見圖3：

圖3.偏心塊穩(wěn)定運行狀態(tài)位置示意圖和三維模型

偏心塊穩(wěn)定運行時，偏心塊運動到上擋板位置，偏心距r 此時具有較大值，穩(wěn)定運行時的激振力也將增大。

4 振動電機(jī)變轉(zhuǎn)矩啟動結(jié)構(gòu)的試驗設(shè)計

振動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。

振動試驗系統(tǒng)簡見圖4：

圖中：1-激振器

2-工作機(jī)體 3-彈性元件

對應(yīng)實際振動試驗系統(tǒng)，序號1 為振動電機(jī)，序號2 為T 型槽振動平臺，序號3 為減震彈簧。

通過理論振動分析與實際試驗結(jié)果的對應(yīng)來驗證振動電機(jī)變轉(zhuǎn)矩啟動結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。

具體試驗步驟如下：

外購一臺振動電機(jī)，以鐘祥市新宇機(jī)電制造有限公司的振動電機(jī)為例，其參數(shù)見表1：

首先，在把所購振動電機(jī)安裝到振動平臺上，測試其啟動電流、輸入功率和振幅；

然后，用變轉(zhuǎn)矩啟動偏心塊替換所購振動電機(jī)上的原有偏心塊，同樣測試其啟動電流、輸入功率和振幅。

最后，對比分析試驗數(shù)據(jù)，計算振動電機(jī)變轉(zhuǎn)矩啟動結(jié)構(gòu)節(jié)約的具體能耗。

5 結(jié)語

目前實驗室已初步研制試驗成功，實現(xiàn)了通過對振動電機(jī)偏心塊偏心距r 的控制，來降低振動電機(jī)的啟動靜矩和啟動電流，初步解決了目前振動電機(jī)低效率問題。通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)，提高穩(wěn)定性和疲勞壽命，有實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的前景，對振動電機(jī)行業(yè)將會帶來一次變革，同時也為節(jié)能減排貢獻(xiàn)一份力。

圖4.振動試驗系統(tǒng)簡圖

表1.試驗所用振動電機(jī)參數(shù)表

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