donstuAdvanced Engineering Research (Rostov-on-Don)Advanced Engineering Research (Rostov-on-Don)2687-1653Don State Technical University10.23947/1992-5980-2017-17-3-78-88donstu-167Research ArticleMACHINE BUILDING AND MACHINE SCIENCEМАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕControllable vibration of mobility links of production mechanismУправляемая вибрация звеньев подвижности производственного механизмаКарнауховНиколай ФедоровичKarnaukhovNikolay F.Nika811@bk.ruФилимоновМаксим НиколаевичFilimonovMaxim N.maxfil2006@yandex.ruМироненкоРоман СергеевичMironenkoRoman S.rmironenko@donstu.ruДонской государственный технический университетРоссияDon State Technical UniversityRussian Federation2017260220181737888Copyright © Karnaukhov N.F., Filimonov M.N., Mironenko R.S., 20172017Карнаухов Н.Ф., Филимонов М.Н., Мироненко Р.С.Karnaukhov N.F., Filimonov M.N., Mironenko R.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vestnik-donstu.ru/jour/article/view/167

Introduction. The work subject is investigating friction characteristics of the moving surfaces of the production mechanism (PM) links including executive mechanisms (EM), and work tools (WT) of technological machines (TM) in the low-speed zone of an asynchronous motor (AM) powered from an autonomous voltage inverter (AVI) in the “AVI - AM” system. The work objective is to find a technical solution to the reduction of the friction effect in the PM links on the frequency-controlled drive (FCD) mechanical characteristics in the low- and creep-speed zone, and also, to the validation of the rated vibration feasibility of the mobile links in the PM guides under the starting-braking AM modes. Materials and Methods. To solve the research problems, the concept of bimodal AVI control that provides the formation of quasi-sinusoidal voltage for AM power supply in the “AVI - AM” system with the harmonic coefficients Ku < 8% and Ku > 8% is used. The program control of the amplitudes of the fundamental 5th and 7th harmonics of the stator current is applied. These harmonics form the fluctuating torques on the AM shaft and cause the normalized vibration of the PM links. Research Results. The justification and experimental proof of the AVI control feasibility providing a project change in the AM shaft vibration amplitude and a decrease in the effective friction coefficient of the PM moving links aiming at the elimination of the seizure of the links under the PM operation conditions are obtained. Such an effect is possible under the AM rotor spinning in the low current frequency (0.5-20 Hz) zone which is typical for the slow-speed motion of PM under the starting-braking FCD modes. Discussion and Conclusions. The application domain of the developed technical solution covers many PMs with FCD for which the short-time operation modes (with CY of 40% and more) are considered basic. Thus, the use of the effect of vibration linearization of the friction coefficient in the PM links allows the following: to reduce the AM breakaway voltage and significantly extend the FCD speed control range, to increase the ride quality and improve the PM out put link kinematics on which the WT is fixed.

Введение. Предметом настоящей работы является исследование характеристик трения движущихся поверхностей звеньев производственных механизмов (ПМ), включая исполнительные механизмы (ИМ), рабочие органы (РО) технологических машин (ТМ) в зоне малой частоты вращения асинхронного двигателя (АД), питаемого от автономного инвертора напряжения (АИН) в системе «АИН - АД». Цель исследования - поиск технического решения по снижению влияния трения в звеньях ПМ на механические характеристики частотно-управляемого электропривода (ЧУЭП) в зоне малой и ползучей скорости, а также подтверждение целесообразности введения нормируемой вибрации подвижных звеньев в направляющих ПМ при реализации пускотормозных режимов работы АД. Материалы и методы. Для решения поставленных исследовательских задач применен принцип двухрежимного управления АИН, обеспечивающего формирование квазисинусоидального напряжения для питания АД в системе «АИН - АД» с коэффициентами гармоник Ku < 8% и Ku > 8%. Использовано программное регулирование амплитуд основной, 5-й и 7-й гармоник тока статора, формирующих пульсирующие моменты на валу АД и вызывающих нормируемую вибрацию звеньев ПМ. Результаты исследования . Получено обоснование и экспериментальное подтверждение возможности управления АИН, обеспечивающее программное изменение амплитуды вибрации вала АД и уменьшение эффективного коэффициента трения движущихся звеньев ПМ с целью исключения схватывания звеньев в условиях эксплуатации ПМ. Такой эффект возможен при вращении ротора АД в зоне низких частот тока (0,5-20 Гц), что характерно для движения ПМ с малой скоростью в процессе реализации пускотормозных режимов работы ЧУЭП. Обсуждение и заключения. Область применения разработанного технического решения охватывает многие ПМ с ЧУЭП, для которых повторно-кратковременные режимы работы (с ПВ 40 % и более) являются основными. Таким образом, использование эффекта вибрационной линеаризации коэффициента трения в звеньях ПМ позволяет уменьшить напряжение трогания АД и существенно расширить диапазон регулирования скорости ЧУЭП, повысить плавность движения и улучшить кинематику выходного звена ПМ, на котором установлен рабочий орган (РО).

частотно-управляемый электроприводдвухрежимный автономный инвертор напряжениякоэффициент гармоник токанапряжение трогания АДсила трения покоя и движенияэффективный коэффициент сухого тренияколебания звеньев механической системыfrequency-controlled electric drivedouble-sided autonomous voltage invertercurrent harmonics coefficientAM breakaway voltagestatic and dynamic friction forceeffective dry friction coefficientvibrations of mechanical system linksReferencesБраславский, И. Я. Энергосберегающий асинхронный электропривод / И. Я. Браславский, З. Ш. Ишматов, В. Н. Поляков. - Москва : Academia, 2004. - 241 c.Braslavskiy, I.Y., Ishmatov, Z.Sh., Polyakov, V.N. Energosberegayushchiy asinkhronnyy elektroprivod. [Powerefficient asynchronous drive.] Moscow: Academia, 2004, 241 c.(in Russian).Карнаухов, Н. Ф. Улучшение характеристик частотного электропривода технологических машин в зоне малой скорости движения исполнительного механизма / Н. Ф. Карнаухов, Ю. В. Пудова, М. Н. Филимонов // Молодежь. Техника. Космос : тр. IV Общероссийской молодежной науч.-техн. конф. - Вестник БГТУ. - 2012. - № 15. - С. 331-333. - (Библиотека журнала «Военмех»).Karnaukhov, N.F., Pudova, Y.V., Filimonov, M.N. Uluchshenie kharakteristik chastotnogo elektroprivoda tekhnologicheskikh mashin v zone maloy skorosti dvizheniya ispolnitel'nogo mekhanizma. [Performance improvement of frequency drive of production machines in actuator low speed zone.] Molodezh'. Tekhnika. Kosmos: tr. IV Obshcherossiyskoy molodezhnoy nauch.-tekhn. konf. [Youth. Engineering. Space: Proc. IV All-Russian Youth Sci.-Tech. Conf.] Bulletin of BSTU, 2012, no. 15, pp. 331–333 (in Russian).Карнаухов, Н. Ф. Частотно-управляемый асинхронный электропривод мехатронных систем / Н. Ф. Карнаухов. - Ростов-на-Дону : Изд. центр ДГТУ, 2009. - 224 c.Karnaukhov, N.F. Chastotno-upravlyaemyy asinkhronnyy elektroprivod mekhatronnykh system. [Frequencycontrolled asynchronous electric drive of mechatronic systems.] Rostov-on-Don: DSTU Publ. Centre, 2009, 224 p. (in Russian).Зельченко, В. Я. Расчет и проектирование автоматических систем с нелинейными динамическими звеньями / В. Я. Зельченко, С. Н. Шаров. - Ленинград : Машиностроение, 1986. - 174 с.Zelchenko, V.Y., Sharov, S.N. Raschet i proektirovanie avtomaticheskikh sistem s nelineynymi dinamicheskimi zven'yami. [Calculation and design of automatic systems with nonlinear dynamic links.] Leningrad: Mashinostroenie, 1986, 174 p. (in Russian).Перельмутер, В. М. Прямое управление моментом и током двигателей переменного тока / В. М. Перельмутер. - Харьков : Основа, 2004. - 210 с.Perelmuter, V.M. Pryamoe upravlenie momentom i tokom dvigateley peremennogo toka. [Direct torque and current control of AC motors.] Kharkov: Osnova, 2004, 210 p. (in Russian).Карнаухов, Н. Ф. Особенности формирования циклических режимов частотного электропривода технологических машин в зоне малой скорости движения исполнительного механизма / Н. Ф. Карнаухов, М. Н. Филимонов, А. И. Изюмов // Вестник Дон. гос. техн. ун-та. - 2012. - № 6 (67). - С. 76-86.Karnaukhov, N.F., Filimonov, M.N., Izyumov, A.I. Osobennosti formirovaniya tsiklicheskikh rezhimov chastotnogo elektroprivoda tekhnologicheskikh mashin v zone maloy skorosti dvizheniya ispolnitel'nogo mekhanizma. [Generation features of cycle operations for production machine variable-frequency drive in low-velocity zone of actuator.] Vestnik of DSTU, 2012, no. 6 (67), pp. 76–86 (in Russian).ГОСТ32144-2014. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения / Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации. - Москва : Стандартинформ, 2014. - 16 с.GOST32144-2014. Elektricheskaya energiya. Sovmestimost' tekhnicheskikh sredstv elektromagnitnaya. Normy kachestva elektricheskoy energii v sistemakh elektrosnabzheniya obshchego naznacheniya. [GOST 32144-2014. Electric energy. Electromagnetic compatibility of technical equipment. Control and monitoring of electric power quality in the public power supply systems.] CIS Council for Standardization, Metrology and Certification. Moscow: Standartinform, 2014, 16 p. (in Russian).Следящие приводы. В 3 т. Т. I. Теория и проектирование следящих приводов / под ред. Б. К. Чемоданова. - 2-е изд., доп. и перераб. - Москва : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1999. - 904 с.Chemodanov, B.K., ed. Sledyashchie privody. V 3 t. T. I. Teoriya i proektirovanie sledyashchikh privodov. [Tracking drives. In 3 vol. Vol. I. Theory and design of servo drills.] 2nd revised and enlarged ed. Moscow: Bauman University Publ. House, 1999, 904 p. (in Russian).Карнаухов, Н. Ф. Моделирование колебаний звена технологической машины в режиме динамического торможения асинхронного двигателя при частотном управлении / Н. Ф. Карнаухов, М. Н. Филимонов, Ю. В. Пудова // Вестник Дон. гос. техн. ун-та. - 2010. - Т. 10, № 4 (47). - С. 569-574.Karnaukhov, N.F., Filimonov, M.N., Pudova, Y.V. Modelirovanie kolebaniy zvena tekhnologicheskoy mashiny v rezhime dinamicheskogo tormozheniya asinkhronnogo dvigatelya pri chastotnom upravlenii. [Vibration simulation of technological machine body in the dynamic braking mode of asynchronousmachine with frequency control.] Vestnik of DSTU, 2010, vol. 10, no. 4 (47), pp. 569–574 (in Russian).Розанов, Ю. К. Электронные устройства электромеханических систем / Ю. К. Розанов, Е. М. Соколова. - Москва : Академия, 2004. - 272 с.Rozanov, Y.K., Sokolova, E.M. Elektronnye ustroystva elektromekhanicheskikh sistem. [Electronic devices of electromechanical systems.] Moscow: Akademiya, 2004, 272 p. (in Russian).Бидерман, В. Л. Теория механических колебаний / В. Л. Бидерман. - Москва : Высшая школа, 1980. - 408 с.Biderman, V.L. Teoriya mekhanicheskikh kolebaniy. [Theory of mechanical oscillations.] Moscow: Vysshaya shkola, 1980, 408 p. (in Russian).Вибрации в технике. Справочник в 6 томах / под ред. К. В. Фролова. Москва : Машиностроение, 1981 - 453 c.Frolov, K.V., ed. Vibratsii v tekhnike. Spravochnik v 6 tomakh. [Vibrations in technical facilities. Reference book in 6 volumes.] Moscow: Mashinostroenie, 1981, 453 p. (in Russian).Федоренко, И. Я. Технологии и средства механизации сельского хозяйства / И. Я. Федоренко, У. К. Сабиев // Вестник Алтайского гос. аграр. ун-та. - 2011. - № 6 (80). - С. 82-85.Fedorenko, I.Ya., Sabiev, U.K. Tekhnologii i sredstva mekhanizatsii sel'skogo khozyaystva. [Technologies and means of agriculture mechanization.] Bulletin of Altai State Agricultural University, 2011, no. 6 (80), pp. 82–85 (in Russian).Филонов, И. П. Теория механизмов, машин и манипуляторов / И. П. Филонов, П. П. Анципорович, В. К. Акулич. - Минск : Дизайн ПРО, 1998. - 656 с.Filonov, I.P., Antsiporovich, P.P., Akulich, V.K. Teoriya mekhanizmov, mashin i manipulyatorov. [Theory of mechanisms, machines and manipulators.] Minsk: Dizayn PRO, 1998, 656 p. (in Russian).Abdo, J. The Effect of Frequency and Amplitude of Vibration on the Coefficient of Friction for Metals / J. Abdo, M. Tahat // Tribology International. - 2008. - Vol. 41, is. 4. - P. 307-314.Abdo, J., Tahat, M. The Effect of Frequency and Amplitude of Vibration on the Coefficient of Friction for Metals. Tribology International, 2008, vol. 41, iss. 4, pp. 307–314.Altpeter, F. Friction modeling, identification and compensation / F. Altpeter. - Lausanne :EPFL, 1999. - 150 p.Altpeter, F. Friction modeling, identification and compensation. Lausanne: EPFL, 1999, 150 p.Пановко, Я. Г. Лекции по основам теории вибрационных машин и технологий / Я. Г. Пановко. - Москва : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. -192 с.Panovko, Y.G. Lektsii po osnovam teorii vibratsionnykh mashin i tekhnologiy. [Lectures on the theory basics of vibrating machines and technologies.] Moscow: Bauman University Publ. House, 2008,192 p. (in Russian).Зотеев, В. Е. Параметрическая идентификация диссипативных механических систем на основе разностных уравнений / под ред. В. П. Радченко. - Москва : Машиностроение, 2009. - 344 с.Zoteev, V.E.; Radchenko, V.P., ed. Parametricheskaya identifikatsiya dissipativnykh mekhanicheskikh sistem na osnove raznostnykh uravneniy. [Parametric identification of dissipative mechanical systems based on difference equations.] Moscow: Mashinostroenie, 2009, 344 p. (in Russian).Электромеханические системы управления тяжелыми металлорежущими станками / С. В. Демидов [и др.] ; под общ. Ред. С. В. Демидова. - Ленинград : Машиностроение, 1986. - 236 с.Demidov, S.V., et al. Elektromekhanicheskie sistemy upravleniya tyazhelymi metallorezhushchimi stankami. [Electromechanical control systems for heavy metal cutting machines.] Leningrad: Mashinostroenie, 1986, 236 p. (in Russian).Моделирование режима торможения асинхронного двигателя частотного электропривода с использованием гармоник тока статора / Н. Ф. Карнаухов [и др.] // Вестник Дон. гос. техн. ун-та. - 2016. - Т. 16, № 1 (84). - С. 87-98.Karnaukhov, N.F. Modelirovanie rezhima tormozheniya asinkhronnogo dvigatelya chastotnogo elektroprivoda s ispol'zovaniem garmonik toka statora. [Braking mode simulation of induction motor of variable-frequency drive using stator current harmonics.] Vestnik of DSTU, 2016, vol. 16, no. 1 (84), pp. 87–98 (in Russian).Филимонов, М. Н. Улучшение динамики торможения асинхронного двигателя станочной системы с частотным управлением / М. Н. Филимонов, Н. Ф. Карнаухов // Современные проблемы машиностроения и высоких технологий : мат-лы междунар. науч.-техн. конф. В 3 т. - Ростов-на-Дону : Изд-во Дон. гос. техн. ун-та. - 2005. - Т. 1 - С. 236-242.Filimonov, M.N., Karnaukhov, N.F. Uluchshenie dinamiki tormozheniya asinkhronnogo dvigatelya stanochnoy sistemy s chastotnym upravleniem. [Improvement of braking dynamics of induction motor of machine system with frequency control.] Sovremennye problemy mashinostroeniya i vysokikh tekhnologiy : mat-ly mezhdunar. nauch.-tekhn. konf. V 3 t. [Modern problems of machine building and high technologies: Proc. Int. Sci.-Tech. Conf. In 3 vol.] Rostov-on-Don: DSTU Publ. Centre, 2005, vol. 1, pp. 236–242 (in Russian).Карнаухов, Н. Ф. Особенности формирования двухтокового динамического торможения асинхронного двигателя мехатронной системы при частотном управлении / Н. Ф. Карнаухов, М. Н. Филимонов, Н. В. Деркачев // Мехатроника-2008 : мат-лы IV Междунар. науч.-практ. студ. коллоквиума. - Новочеркасск, 2008. - С. 17-20.Karnaukhov, N.F., Filimonov, M.N., Derkachev, N.V. Osobennosti formirovaniya dvukhtokovogo dinamicheskogo tormozheniya asinkhronnogo dvigatelya mekhatronnoy sistemy pri chastotnom upravlenii. [Features of formation of two-current dynamic braking of induction motor of mechatronic system under frequency control.] Mekhatronika- 2008: mat-ly IV Mezhdunar. nauch.-prakt. stud. kollokviuma. [Mechatronics-2008: Proc. 4th Int. Sci.-Pract. Stud. Colloquium.] Novocherkassk, 2008, pp. 17–20 (in Russian).Карнаухов, Н. Ф. Энергетические показатели электропривода при частотном способе управления асинхронным двигателем / Н. Ф. Карнаухов, В. А. Прус, М. Н. Филимонов // Труды VIII Междунар. науч.-техн. конф. по динамике технологических систем. - Ростов-на-Дону : Изд-во ДГТУ, 2007. - Т. III. - С. 24-30.Karnaukhov, N.F., Prus, V.A., Filimonov, M.N. Energeticheskie pokazateli elektroprivoda pri chastotnom sposobe upravleniya asinkhronnym dvigatelem. [Power indicators of electric drive under frequency control method of asynchronous motor.] Trudy VIII Mezhdunar. nauch.-tekhn. konf. po dinamike tekhnologicheskikh sistem. [Proc. VIII Int. Sci.-Tech. Conf. on Technological Systems Dynamics.] Rostov-on-Don: DSTU Publ. Centre, 2007, vol. III, pp. 24–30 (in Russian).Установка для демонстрации рекламно-информационного материала и устройство управления перемещением носителя : патент № 36914 Рос. Федерация : МПК7 G 09 F 13/00 H 02 P 7/36 / Н. Ф. Карнаухов, М. Н. Филимонов, С. А. Ушаков. - Опубл. 27.03.04, Бюл. № 9. - 14 c.Karnaukhov, N.F., Filimonov, M.N., Ushakov, S.A. Ustanovka dlya demonstratsii reklamno-informatsionnogo materiala i ustroystvo upravleniya peremeshcheniem nositelya: patent № 36914 Ros. Federatsiya : MPK7 G 09 F 13/00 H 02 P 7/36. [Installation for demonstration of promotional content and media motion-control device.] Patent RF, no. 36914, 2004 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.