CC BY
7'Тяжелое машиностроение
УДК 534.1
К ВОПРОСУ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ ВИБРАЦИОННЫХ МАШИН И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
ON THE ISSUE OF ENERGY SAVING OF VIBRATING MACHINES AND TECHNOLOGICAL
PROCESSES
DOI: 10.24412/CL-35807-2022-1-66-68
Кошелев А. В., к. т. н, доцент,
ведущий научный сотрудник
ПАО «Арзамасское научно-производственное
предприятие «ТЕМП-АВИА»,
г. Арзамас, Россия, e-mail: koshelevav88@mail.ru
Koshelev A. V., candidate of Technical Sciences, associate professor, leading research associate of public joint stock company «Arzamas scientific and production enterprise «TEMP-AVIA», Arzamas, Russian Federation, e-mail: koshelevav88@mail.ru
Аннотация. В работе решается одна из наиболее актуальнейших задач нашего времени — создание и внедрение энергосберегающего и энергетически эффективного вибрационного оборудования, широко использующегося практически во всех отраслях промышленности, а также в малом и среднем бизнесе. Впервые для вибрационной техники и технологий, в отличие от радиоэлектроники, вычислительной и лазерной техники, используется комбинационный параметрический резонанс. Показано, что открытый более трех веков назад Х Гюйгенсом эффект маятниковой самосинхронизации используется в вибрационных центробежных устройствах с колебательным движением инерционного элемента нового поколения. Их применение позволяет в разы снизить потребляемую мощность двигателя и повысить количественные и качественные характеристики машины.
Annotation. The work solves one of the most urgent tasks of our time — the creation and implementation of energy-saving and energy-efficient vibration equipment, widely used in almost all industries, as well as small and medium-sized businesses. For the first time, combinational parametric resonance is used for vibration equipment and technologies, unlike radio electronics, computing and laser technology. It is shown that X, discovered more than three centuries ago, By Huygens, the effect of pendulum self-synchronization is used in vibrating centrifugal devices with oscillatory motion of a new generation inertial element. Their use makes it possible to significantly reduce the power consumption of the engine and increase the quantitative and qualitative characteristics of the machine.
Ключевые слова: параметрический резонанс, ротор, маятник, самосинхронизация, энергосбережение, вибрационная техника, дебаланс.
Keywords: parametric resonance, rotor, pendulum, self-synchronization, energy saving, vibration technique, imbalance.
Сегодня вибрационные машины и технологии применяются практически во всех сферах человеческой деятельности, начиная с миниатюрных устройств для медицинских и косметических целей и заканчивая мощным вибрационным оборудованиям для тяжелой машиностроительной отрасли. Существующая вибрационная техника не удовлетворяет современным требованиям по эффективности, энергопотреблению и безопасности условий труда. Один из наиболее эффективных способов повышения производительности, снижения энергетических затрат вибромашин основан на явлении резонанса. Однако реализация на практике возможностей резонансных машин представляет собой острую проблему. Основной трудностью практического использования центробежных резонансных машин является их высокая чувствительность к изменению технологической нагрузки, параметров колебательной системы и эффект Зоммерфельда.
Назревшая проблема решается использованием параметрического резонанса в колебательных системах с двумя и более степенями свободы, возникающего в областях динамической неустойчивости. Наложение граничных условий в виде голономных нестационарных связей в таких системах может привести к фундаментальным явлениям самосинхронизации. Физическим примером является самосинхронизация в системе двух связанных механических маятниковых часов, открытая в 1665 г. Христианом Гюйгенсом. Если несколько одинаковых маятниковых часов, запустившихся неодинаково, установить на упругое основание, то взаимная передача толчков каждого маятника через какой-то небольшой промежуток времени обеспечит их самосинхронизацию, и часы начнут ходить точно в такт.
Конструкция (рис. 1) для периодического изменения энергоемких параметров системы во времени основана на изомор-
АЛЛ
Л -2
а)
б)
Ротор
Диск
Рис. 1. Вибрационная машина с параметрическими центробежными роторно-маятниковыми возбудителями
физме явления «земной резонанс» [4], проявляющегося в лопастях несущего винта вертолета при определенном соотношении частоты его вращения с парциальными частотами.
В представленной вибрационной машине [1, 2] искусственно созданы взаимодействующие парциальные колебательные подсистемы, представляющие собой упруго 3 закрепленной рабочий орган 2 технологической машины и маятники 7 с возможностью обкатки по беговым дорожкам 6 дисков 5 параметрических роторно-маятниковых возбудителей 1. Технологическая нагрузка представлена в виде демпфера 4. Качания маятников на углы ф£ (к = 1, 2, 3, 4, 5, 6), а также перемещения х, у рабочего органа составляют степени свободы рассматриваемой механической системы. Эти величины принимаются за обобщенные координаты системы.
Рассмотрим комбинационный параметрический резонанс, когда колебания в подсистемах возбуждаются на парциальных частотах ^ и А2, связанных с частотой параметрического возбуждения й (частотой вращения диска возбудителей) соотношением
= А1 + А-
К
(1)
причем частоты генерации близки к собственным частотам, т. е. А1 = Vй , А2 = 1 и некратны между собой. Параметр V определяет собственную частоту колебаний маятников во вращающейся системе координат.
Исследуем сначала работу левого вибровозбудителя. Допустим, что его ротор, содержащий диски с маятниками, равномерно вращается с угловой скоростью с»1. В этом случае маятники порождают подсистему N одинаковых осцилляторов качения с осями обкатки в центрах кривизны беговых дорожек и одинаковыми парциальными собственными частотами = VI» 1 во вращающейся вместе с д исками системе координат. Вто-
рая подсистема — рабочий орган на упругом основании с собственной парциальной частотой Х2 = л]С/ж , где С — жесткость упругого основания, т — общая масса системы.
При настройке соотношения (1), то есть »1 = А^ + Х2, V = 0,25 и выполнении порогового условия е > 4v йо п /(1 — V) самовозбуждается многократный комбинационный параметрический резонанс с возникновением коллективного взаимодействия маятников и рабочего органа. Здесь е = тм/т — коэффициент возбуждения, «о, п — соответственно коэффициенты демпфирования маятников и упругой системы.
В результате общая колебательная система N + 1 степеней свободы) синхронизируется на
X 1) -
XI = V»!,
частотах »1 = П^1) + П21), где П<[1)
П
21) « Х2 — некратные ч астоты генерации. Вследствие синхронизации маятников возбудителя по феномену Гюйгенса их центр масс качания вращается по окружности вокруг оси приводного вала с частотой П21). Поскольку п21) ~ Х2, то неуравновешенная центробежная сила инерции возбуждает резонансные колебания рабочего органа, которые в свою очередь вызывают резонансные качания маятников. Таким образом, с этого момента параметрический вибровозбудитель работает как обычный центробежный. Однако первый более эффективно [3] преобразует энергию вращения в энергию механических колебаний, поскольку имеет инерционный элемент с колебательным движением. Это позволяет в одинаковых пропорциях распределить мощность между двумя парциальными системами: маятниками и рабочим органом. Маятники можно считать нелинейными осцилляторами, качания которых неизохронны. По этой причине их частоты зависят от амплитуды колебаний, в связи с чем они могут как забирать энергию у рабочего органа, так и, наобо-
рот, когерентно отдавать, что позволяет получить КПД 75 %, что недостижимо еще ни одним электромеханическим центробежным вибратором.
Аналогичным образом осуществляется самосинхронизация маятников правого возбудителя. Особый интерес представляет одновременная работа двух возбудителей.
При совместной работе вибровозбудителей настройка колебательной системы на резонансные колебания приобретает вид ю — + ^2, V — 0,25, N — 6, где ю — (ю1 + ю2)/2 — среднее значение угловых скоростей вибровозбудителей, — ую1,
Резонансные ч астоты удовлетворяют
* у-\( 1 ) * у-\(2) *
соотношению ю 1 — 01 — ю 2 — О 1 , где ю 1, ю2 — частоты вращения роторов вибровозбуди-
„ _г1) _Г2) телей; О^ , О^ — частоты генерации маятников вибровозбудителей.
Рабочий орган синхронизирует качания маятников вибровозбудителей так, что их центры масс
обращаются вокруг осей вращения роторов с одинаковой частотой О2 (роторная самосинхронизация, открытая в середине прошлого столетия). В результате предложенное устройство одновременно объединяет в себе маятниковую и роторную самосинхронизацию.
Полученные перспективные результаты по созданию устройств с периодическим изменением энергоемких параметров являются высоким достижением в области разработки ресурсосберегающей энергетики и обеспечивают реализацию приоритетов научно-технического развития РФ. Их внедрение позволит создать новый класс высокоэффективных энергосберегающих и экологически чистых резонансных вибромашин различного технического и технологического назначений, отвечающих самым современным требованиям и уровню XXI века. Итог их внедрения в промышленность сродни процессу перехода от ламп накаливания к светодиодным.
Список литературы
1. Антипов В. И., Антипова Р. И., Кошелев А. В., Денцов Н. Н. Вибрационная транспортирующая машина: патент РФ № 253223; опубл. 27.10.2014; бюл. № 30.
2. Денцов Н. Н., Кошелев А. В. Динамика двухмассного резонансного вибрационного грохота в первом приближении // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. — 2018. — Т. 17. — № 3. — С. 148—157.
3. Кошелев А. В. Эффективность вибрационной измельчительной машины с параметрическим возбуждением // Вестник машиностроения. — 2016. — № 5. — С. 27—32.
4. Миль М. Л., Некрасов А. В., Браверман А. С. и др. Вертолеты (расчет и проектирование). Кн. 2. Колебания и динамическая прочность. — М.: Машиностроение, 1967. 424 с.
