CC BY
17
УДК 621.313.13:621.3.016.02
ПЛАНЕТАРНЫЙ ВИБРОВОЗБУДИТЕЛЬ С РЕГУЛИРУЕМЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ PLANETARY ADJUSTABLE VIBRATORY EXCITER WITH CHAIN GEAR
В. В. Михеев1, С. В. Савельев2
'Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия 2Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет, г. Омск, Россия
V. V. Mikheyev 1, S. V. Saveliev 2
'Omsk State Technical University, Omsk, Russia 2Siberian state road and highway university, Omsk, Russia
Аннотация. Целью представленной статьи являлась разработка метода генерирования периодических механических колебаний и конструкции его реализующей. Эта проблема является актуальной для многих областей техники при решении задачи о передаче объектам энергии вибрационного движения. Решение задачи осуществлялось методами теоретической механики с расчетом возникающих в колебательной системе сил инерции, реализующих вибрационное воздействие. В результате был предложен способ получения механических колебаний и оригинальная конструкция генератора колебаний. Генерируемое устройством динамическое воздействие реализуется за счет использования сил инерции, возникающих при планетарном движении несбалансированных масс бегунков, передаваемых им цепной передачей при вращении водила. Приведен аналитический расчет величины получаемой при этом силы воздействия и оцениваются возможности применения предложенного устройства. Зависимости генерируемой силы от времени представлены аналитически и графически.
Ключевые слова: генератор механических колебаний, периодическое воздействие, планетарный вибровозбудитель, сила инерции.
DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-1-98-104
I. Введение
Задачи повышения энергоэффективности уплотнения грунтовых сред динамическими режимами силового воздействия требуют расширения спектра параметров, регулирующих тип и зависимость вынуждающей силы, обеспечивающей требуемые для уплотнения значения контактного давления. Основным типом устройств, обеспечивающих периодическое динамическое возмущение, являются вибровозбудители различной природы.
Вибрация, как частный случай результата циклического динамического воздействия, эффективно используется при работе уплотняющих дорожных машин. При этом решается задача передачи механической энергии от источника колебаний к объекту воздействия наиболее эффективным образом для качественного изменения его структуры - уплотнения.
Устройства для генерирования периодических динамических воздействий различного рода находят широкое применение во многих областях техники. Основной целью их использования является передача энергии колебательного движения (вибрации) различным объектам. Согласно [1], они различаются по принципу действия, величине амплитуды генерируемой силы, виду зависимости силы от времени, характеру связи с объектом, подвергаемым вибрационному динамическому воздействию, и т.д. Такого рода генераторы (вибровозбудители) широко используются в сельском хозяйстве, на производстве, в строительстве и могут решать технологические задачи самого широкого спектра.
Одним из основных принципов возбуждения механических колебаний является использование инерционных сил, возникающих при вращательном движении несбалансированных систем твердых тел (дебалансов) вокруг осей, не совпадающих с их центрами масс [2, 3]. Преимуществом таких систем является простота технической реализации, а недостатком низкий коэффициент полезного действия и недостаточно направленный характер воздействия на объект, которому передается энергия вибровозбудителя.
Приложение генераторов периодического силового воздействия в технике не ограничивается задачами строительства. Необходимо упомянуть оригинальные конструкции вибровозбудителей, используемые при решении проблем нефтедобычи [4], служащие для возбуждения собственных колебаний гироскопических систем [5], а также решения определенных классов метрологических задач (метрологический ударный генератор) [6].
Особое место среди конструкций генераторов периодической силы занимают вибровозбудители планетарного типа, как позволяющие получать более сложные виды зависимости силы воздействия от времени, чем чисто гармонический. Как правило, в планетарных вибровозбудителях используется массивный бегунок, перемещающийся по обечайке формой отличающейся от круговой [7]. Это позволяет получить более широкий спектр типов периодического воздействия, однако их практическое использование требует решения ряда прикладных задач. Основной задачей является передача динамического воздействия на ось вибровозбудителя и обеспечение движения бегунка по обечайке без ударов и проскальзывания. Эти недостатки устраняются конструкциями планетарных возбудителей, в которых движение бегунка согласуется с параметрами обечайки с помощью жесткой кинематической связи. Кроме этого, существуют подходы к конструированию вибровозбудителей, совмещающие круговые и линейные колебания и реализующие более сложные виды силового воздействия [8].
II. Постановка задачи
Основным способом возбуждения механических колебаний является вращательное движение несбалансированных систем вокруг осей, не совпадающих с их центрами масс. На оси вращения массы m с частотой а на расстоянии R от оси возникает центробежная сила инерции по модулю, равная
Fin = mR(°2 ,
которую можно трактовать, как реализацию теоремы Гюйгенса-Штейнера для точечной массы.
При этом проекция силы на вертикальную ось является периодической и может быть легко определена как
F = mRa2 sin(a t + % ) ,
где % - начальная фаза.
Известны различные типы несбалансированных систем, применяемых в вибровозбудителях, среди которых наиболее широкое распространение получили дебалансные вибровозбудители. Их преимуществами являются простота конструкции и высокие прочностные характеристики, позволяющие генерировать периодическое силовое воздействие значительной величины. Для вибрационных катков дебалансный вибровозбудитель является конструктивным элементов вибровальца. В приложениях особое место занимает создание конструкций генераторов вибрационного воздействия, допускающих адаптивное регулирование величины возбуждаемой силы инерции. Задачей настоящей работы является разработка и расчет устройства, расширяющего спектр конструкций известных планетарных вибровозбудителей и допускающего более богатый набор параметров, позволяющих регулировать генерируемую периодическую силу в более широком диапазоне.
III. Теория
Из известных технических решений для планетарных вибровозбудителей, реализующих принцип жесткой кинематической связи, наиболее близким по смыслу является устройство для его осуществления способа получения направленных механических колебаний по патенту РФ № 2381078 МПК В06В1/00 [9], содержащее корпус с коронной шестерней (опорным центральным колесом внутреннего зацепления), водило и сателлит с закрепленным на нем инерционным элементом, а также находящиеся во взаимном контакте ролики и беговые дорожки, диаметры которых равны диаметрам делительных окружностей, соответственно соединенных с ними, сателлита и коронной шестерни.
Недостатками указанного устройства являются невозможность регулирования величины возбуждаемой силы иными способами, кроме изменения частоты вращательного движения бегунка и изменения положения центра масс инерционного элемента, а также невозможность получить более сложные виды зависимости силы от времени, чем семейство гипоциклоид, указанное в его описании. Кроме этого, использование в его конструкции зубчатых передач требует высокой точности изготовления и повышает требования к используемым материалам и выбору режимов работы. Следует отметить, что возбуждаемая устройством по изобретению [9] сила вычислялась без учета влияния вращения эксцентрической массы водила, в силу чего реальный ее вид отличается от заявленного.
Тем самым возникает необходимость совершенствования перспективных конструкций планетарных генераторов периодического воздействия для реализации энергоэффективных режимов уплотнения грунтовых сред. В рамках решения поставленной для исследования задачи было разработано устройство, относящееся к техническим средствам возбуждения механических колебаний, используемых в строительстве для осуществления циклического динамического воздействия различного типа (рис. 1, 2).
Рис.1. Планетарный вибровозбудитель с регулируемыми характеристиками и цепной передачей
Вибровозбудитель состоит из водила 1, установленного с возможностью вращения вокруг оси 2, положение которой относительно центра водила может регулироваться при помощи крепежного узла 3.
На концах водила 1 установлены снабженные эксцентрическими массами 9 и 10 бегунки-сателлиты 5 и 6 с возможностью вращения вокруг осей 7 и 8 соответственно. Бегунки соединены друг с другом цепной передачей 4, осуществляющей жесткую кинематическую связь между ними через неподвижную звездочку 11.
При вращении водила 1 вокруг оси 2 бегунки 5 и 6 на его концах совершают дополнительное вращение вокруг осей 7 и 8. Вращательное движение водила 1 передается бегункам при помощи цепной передачи 4 через неподвижную звездочку 10. Вращение бегунков происходит с угловыми скоростями, определяемыми положением оси 2 по отношению к центру водила, регулируемым при помощи крепежного узла 3 и угловой скоростью вращения водила.
Положение центров эксцентричных масс бегунков определяет характер направленности центробежной силы инерции
Р = ^ +Р6ег = тводТвод + _
соответственно, ее вертикальная составляющая, приложенная к оси, может быть определена как проекция на ось у
р = (т
верт V во
■ ё + тт г(1)- ёт+ т(2)г(2) • ё(2) )ё
квод т "'бег' бег к бе~ "' бег ' бег кбег
где теод - масса водила (сосредоточенная в его центре масс); Твод - полное ускорение центра масс водила; ёвод - единичный вектор радиус-вектора центра масс водила; тбег - масса бегунка (сосредоточенная в его центре масс) ; 76к - полное ускорение центра масс бегунка; ёбег - единичный вектор радиус-вектора центра масс бегунка; е - единичный вектор направления оси у .
Вместо е - единичного вектора направления оси у в качестве вектора, определяющего направление воздействия вибровозбудителя, может быть выбран произвольный вектор.
Учитывая то, что радиус-вектор центра масс водила 1 и положения центров эксцентрических масс бегунков могут регулироваться, модуль силы, действующей на ось, может варьироваться в широких пределах. Регулирование вида зависимости силы динамического воздействия от времени можно осуществить соответствующим подбором начального положения (фазы) движения водил и бегунков.
Радиус-вектор гвод центра масс водила радиуса Яеод при вращательном движении с угловой частотой а меняется по закону
Год = 12 (Квод С0в(ф( + Феод )> Яеод + Феод ))
причем Яеод представляет расстояние от центра масс водила до оси 2.
В свою очередь, каждый из бегунков будет совершать более сложное движение и радиус- вектор центра эксцентрической массы бегунка будет меняться по закону
Г6ег = (Я С08(а + Феод ) + Ябег С0в(а бег^ + фбег ), Я 8Ш(а + ф^ ) + Ябег ИОф^ + ф6ег ))
где Я - длина водила от оси вибровозбудителя до оси бегунка 5; Фвдд - начальная фаза (положение) водила; Я6ег - расстояние от центра масс бегунка до оси бегунка; Ф6ег - начальная фаза бегунка относительно оси;
®&г - угловая скорость вращения бегунка вокруг своей оси, определяемая по формуле абег = а— ,
Я0
где Я - радиус зубчатой звездочки цепной передачи бегунка.
Таким образом, положения масс бегунков, водил и их начальные фазы (положения) могут обеспечить при фиксированном значении расстояния от центра масс водила до его оси вращения 2 любую из конфигураций, промежуточную между приведенными на рис. 2. Этим регулируется направление максимального динамического воздействия и величина силы, генерируемой возбудителем.
На рис. 2 приведен вид вибровозбудителя в двух проекциях. Положение оси вращения 1 водила 7 смещено относительно его геометрического центра и зафиксировано крепежным узлом 8.
Рис. 2. Планетарный вибровозбудитель с регулируемыми характеристиками в асимметричном положении
На рис. 2 представлены положения эксцентрических масс на бегунках, обеспечивающие и максимальную величину амплитуды периодического динамического воздействия в заданном направлении.
Рис. 3. Планетарный вибровозбудитель с регулируемыми характеристиками в симметричном положении
IV. Результаты
Техническим результатом внедрения предлагаемой конструкции вибровозбудителя является расширение спектра типов возбуждаемых одним и тем же устройством периодических динамических воздействий, способных варьироваться по амплитуде, направленному действию и виду зависимости от времени, более сложному, чем гармонический, без необходимости использования зубчатых передач, требующих высокой точности изготовления. Указанный результат достигается тем, что конструкция устройства включает пару бегунков -звездочек с эксцентрическими массами на водиле, установленном на оси с возможностью изменения своего положения относительно нее и неподвижно закрепленной дополнительной звездочки с возможностью сообщения вращательного движения бегункам при помощи цепной передачи.
V. Обсуждение результатов
Полученный в результате исследования технический результат требует дополнительного анализа для определения вида зависимости от времени силового воздействия, порождаемой устройством. В качестве примера рассмотрим силу, генерируемую предлагаемым вибровозбудителем с одним водилом и бегунком при следующих параметрах системы:
Масса водила твод = 10 кг .
Масса бегунка тбег = 0.5 кг .
Радиус вектор центра масс водила Явод = 0.125 м .
Радиус водила Я = 0.25 м .
Радиус вращения эксцентрической массы бегунка Я = 0.1 м.
Частота вращения водила а = 20л с1.
Частота вращения эксцентрической массы бегунка а = 100л с-1.
На рис. наглядно представлена зависимость координат радиус-вектора сосредоточенной массы бегунка, ускорение которого при движении вдоль этой траектории обеспечивает возникновение силы инерции. При заданном соотношении радиусов вращения центров масс водила и бегунка соотношение их угловых скоростей при вращении водила составляет 1/5.
Рис. 4. Зависимость радиус-вектора эксцентрической массы бегунка
Тбег = ^ СОЭИ + Феод ) + Кбег С™.* + Фбег X Я + Фо ) + ^бег + фег ))
от угла поворота водила (в полярных координатах).
Энергоэффективность устройства достаточно просто объяснима. Эксцентрическая масса бегунка вращается с частотой, в разы превышающей частоту вращения водила, что обеспечивает повышение частоты воздействия для силы, генерируемой устройством по сравнению с традиционным.
Зависимость силы от времени графически изображена на рис. 5. Как видно из графика зависимости, сила носит импульсный характер, что позволяет более эффективно передавать энергию пластически деформируемым материалам.
Рис. 5. Зависимость инерционной силы, генерируемой планетарным вибровозбудителем в вертикальном направлении на одном периоде вращения водила
VI. Выводы и заключение Основным выводом настоящей работы является то, что сила, генерируемая планетарным вибровозбудителем, носит импульсный характер и имеет частоту, отличающуюся от исходной частоты вращения водила. С учетом зависимости характеристик поглощения энергии активной областью грунтового слоя при динамических режимах уплотнения указанный вибровозбудитель может быть использован в качестве вспомогательного средства для повышения энергоэффективности тяжелых статических катков.
Работа поддержана грантом РФФИ совместно с Правительством Омской области №18-48-550005 р_а.
Список литературы
1. ГОСТ 24346-80 «Вибрация. Термины и определения».
2. Тарасов В. Н., Бояркин Г. Н. Совершенствование теории вибровозбудителей // Омский научный вестник. 2017. №2 (152). С.16-19.
3. Патент 22221 Республика Казахстан МПК: B06B 1/16. Планетарный вибровозбудитель / Дудкин М. В. Заявитель и патентообладатель Восточно-Казахстанский государственный технический университет имени Д. Серикбаева.
4. Ming Zeng et al. The multilayer and wide-deck vibrating screen based on the innovative long-span vibration exciter 2017 IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 231 012018. Doi:10.1088/1757-899X/231/1/012018.
5. L Bakhtieva and V Bogolyubov Numerical study of the three-degreed parametrically excited gyroscopic sys-tem2016 IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 158 012014. Doi: 10.1088/1757-899X/158/1/012014.
6. Giancarlo B Micheli et alDispersion analysis of accelerometer shock calibrations by comparison using a new exciter developed at Inmetro 2015 J. Phys.: Conf. Ser. 648 012017. Doi:10.1088/1742-6596/648/1/012017.
7. Патент 14541 Республика Казахстан МПК: B06B 1/16. Планетарный вибровозбудитель / Дудкин М. В. Заявитель и патентообладатель Восточно-Казахстанский государственный технический университет имени Д. Серикбаева.
8. A I Nizhegorodov, A N Gavrilin, B B Moyzes. Hydrostatic Vibratory Drive of the Test Stand for Excitation of the Amplitude-Modulated Vibrations // Journal of Physics: Conference Series. 2016. Vol. 671. Doi:10.1088/1742-6596/671/1/012037.
9. Пат. 2381078 Российская Федерация, МПК В06В1/00. Способ получения направленных механических колебаний и устройство для его осуществления / Исаев И. К., Герасимов М. Д. № 2007148177/28; заявл. 24.12.2007; опубл. 10.02.2010, Бюл. № 4.
УДК 699.844/534.833.5
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ЗВУКОИЗОЛЯЦИИ В ОБЛАСТИ НИЗКИХ ЧАСТОТ ГИБКИМИ ПАНЕЛЯМИ С УЧЕТОМ ДИНАМИКИ И СООТНОШЕНИЯ РАЗДЕЛЯЕМЫХ ОБЪЕМОВ
PREDICTION OF SOUND INSULATION OF FLEXIBLE PANELS IN LOW FREQUENCIES WITH
DYNAMICS AND VOLUME RELATIONS
Э. А. Романенко, Г. С. Русских, З. Н. Соколовский
Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
E. A. Romanenko, G. S. Russkikh, Z. N. Sokolovskiy
Omsk State Technical University, Omsk, Russia
Аннотация. Проблема звукоизоляции в области низких частот (до 100 Гц) актуальна, но мало изучена теоретически и практически не исследована экспериментально из-за отсутствия необходимой экспериментальной базы. Особенно важно решение проблемы для локальной изоляции низкочастотных механизмов перспективными сетчато-пластинчатыми гибкими панелями (ПСП) при различной конфигурации изолируемого и защищаемого объемов и при низких первых частотах собственных колебаний. Целью исследования является оценка влияния вынужденных колебаний панели и соотношения объема помещения источника возмущения и защищаемого объема. Задачей является разработка математической модели, адекватность которой можно верифицировать результатами опытов, полученными при частотах выше 30 Гц в реверберационных камерах и акустическом интерферометре. В результате была получена формула для расчета звукоизоляции, позволяющая учесть соотношение объемов разделяемых пространств и переход через резонанс.
Результаты исследования могут быть использованы при проектировании непосредственной звукоизоляции тихоходных механизмов или для организации первой ступени звукоизоляции и модернизации конструкции ПСП применительно к конкретным условиям и требованиям звукоизоляции.
Ключевые слова: звукоизоляция, звукоизолирующая панель, низкие частоты.
DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-1-104-109
