CC BY
7
УДК 664.74:62-119.001.1
Шамота В.П., д.т.н., професор (Дон1ЗТ) Фалько О-ш Л., к.т.н., доцент (Дон1ЗТ)
МОДЕРН1ЗАЦ1Я КОНСТРУКЦП I ПРИНЦ1ПУ Д11 В1БРОМАШИН З ЕЛЕКТРОМАГН1ТНИМ В1БРАТОРОМ
Постановка проблемы i и зв'язок iз найважливШими науковими та практичними завданнями. В багатьох галузях на рiзноманiтних шдприемствах (зокрема при будiвництвi залiзничних колш i споруд) у великiй кшькосл використовуються легкi одномаснi вiбрацiйнi машини: вiбрацiйнi сита, грохоти, рiзномаштш сепаратори i гранулятори, дозатори, класифжатори, калiбрувальнi машини, подрiбнювачi, невеликi за довжиною конвеери...[1,2] З усiх тишв вiброприводiв для цих вiбромашин електромагштш вiбратори е найбiльш дешевими, надшними, довговiчними i економiчними, мають найменшi габарити, масу i енергоемнiсть [1,2]. Вони майже не потребують перюдичного обслуговування на вiдмiну вiд шших типiв вiброприводiв. Але iстотним недолшом електромагнiтних вiбраторiв е мала ампл^уда i висока частота коливань, що обмежуе використання цих машин. Тому тдвищення амплiтуди i зниження частоти коливального процесу робочого органу вiбромашин з електромагнiтним приводом е актуальною науковою задачею. З ii виршенням е можливим поширення застосування електромагштного приводу для багатьох технологiчних проце^в вiбрацiйного транспортування та сортування у багатьох галузях.
Метою статтi е обгрунтування фiзичного принципу нового способу зниження частоти коливального процесу [3], який дозволяе без змши стандартно! частоти електричного струму у мережi знизити частоту коливань робочого органу будь-яко! вiбромашини з електромагнiтним приводом в 2 чи 4 рази ^ майже вщповщно, пiдвисити ампл^уду коливань робочого органу. Розроблений спо^б може бути використаним у будь-якш промисловiй галузi для вiбрацiйних машин з електромагнггними вiбраторами. Базуеться вш на синтезi попереднiх розробок [4,5].
Взагал^ е можливим зниження частоти коливань без застосування стандартного електромагнггного вибратора. Наприклад, при використанш бшьш вартюного електродинам^чного вибратора, шляхом зниження частоти в електричному ланцюз^ вибратора за допомогою генератора частот електричного струму 1 пщсилювача потужность Такий способ мае ютотш недолжи пов'язаш з використанням генератора частот та пщсилювача потужност^, а саме дуже збшьшену вартють, вагу [ габарити обладнання, збшьшеш енерговитрати (в тому числ^ самого електродинам^чного вибратора), ускладненють конструкщ!. Необхщну частоту коливань можна також отримати використанням електродвигуна, вщповщного редуктору i ексцентрикового в^брозбудника. Можна використати електродвигун, число оборотов якого регулюеться (електродвигун постойного струму, або колекторний електродвигун трьохфазного струму). Такий способ мае суттев^ недолжи: пщвищення вартост^, енерговитрат, габаритов 1 маси в^бромашини, ускладненють конструкщ!, и обслуговування.
Здшснюеться пропонований способ зниження частоти коливального процесу [3] за наступною схемою (рисунок 1). Збудником коливань е однотактний електромагнггний вибратор, на статор якого подаеться спрямований (через дюд) нашвперюдний струм з частотою V = 50 Гц.
Рисунок 1 - Теоретична графики коливального процесу
Нижнш графш на рисунку 1 вщображае коливання сили, I, спрямованого твперюдного електромагнiтного струму з частотою V = 50 Гц (циюлчна частота ю = 100 л рад/с). Нижня частина цього графша, що вщповщае вiд'емному значенню I, е заштрихованою, - заштрихованi пiвперiоди коливань сили струму I не юнують через ддо дiоду в електричному ланцюгу статора. Верхня частина цього графша, що вiдповiдае позитивному значенню I, позначена знаком „+", бо позначенi знаком „+" пiвперiоди сили струму I юнують.
Яюр вiбратора е достатньо масивним i спроможним здшснювати власнi коливання з частотою vяк = 25 Гц (юяк = 50л рад/с), вдвiчi меншою за стандартну частоту електричного струму, що було досягнуто шляхом нескладно! переробки електромагштного вiбратора для встановлення необхщного спiввiдношення коливно! маси якоря тЯК i коефiцiента жорсткостi його ресор кЯК:
ЮЯК =.
к
ЯК
= 50р
т
ЯК
(1)
Середнiй графiк на рисунку 1 вщображае амплiтуду ,А, коливань якоря у час^ Амплiтуди А коливань якоря, що вщповщають найближчому положенню якоря до статора вiбратора вщносно положення статично! рiвноваги якоря, позначен знаком „+". Знак „+" означае, що у щ моменти силовий вплив магштного поля е достатньо великий для поповнення енергетичних витрат за перюд власних мехашчних коливань якоря. Таким чином тдтримка власних мехашчних коливань якоря здшснюеться у в кожному перюду коливань якоря (на рисунку це позначено стршками мiж нижнiм i середнiм графшами). Пiвперiоди механiчних коливань якоря, що вщповщають позитивному значенню амплiтуди, не мають позначки „+", бо вони вiдповiдають перебуванню якоря у найдальшому вiд статора крайньому положеннi. У таю швперюди магнiтний потiк не робить ютотного впливу на коливальний рух через далеку вiдстань якоря вщ статора. Ця далека вщстань якоря вiд статора виникае за час вщсутносл пiвперiоду коливань сили електричного струму (при збiльшенiй амплiтудi А коливань якоря). Таким чином, ютотний вплив на пружну коливну систему (яюр) мають силовi магштш iмпульси, якi чергуються через один перюд коливань спрямованого твперюдного електричного струму у моменти проходження якорем найближчого до статора крайнього положення (на вщмшу вщ стандартного електромагштного вiбратора, де
шдтримка коливань якоря електромагштною силою вщ статора здiйснюеться на протязi майже всього перiоду коливань).
Вщстань мiж статором i положенням статично! рiвноваги якоря було збшьшено для врахування збшьшено! амплiтуди мехашчних коливань якоря.
Верхнiй графiк на рисунку 1 вщображае амплiтуду механiчних коливань робочого органу будь-яко! вiбромашини. I яюр i робочий орган е пружними коливними системами, кожна з яких виконуе мехашчш коливання, з частотою власних коливань. Збудником коливань робочого органу е перюдична ударно-штовхальна дiя якоря у моменти найближчого положення якоря до робочого органу, коли яюр знаходиться у своему найвищому положенш, вщносно положення власно! статично! рiвноваги, а робочий орган знаходиться у своему найнижчому положенш, вщносно положення власно! статично! рiвноваги. Така взаемодiя якоря i робочого органу вщбуваеться у кожному перiодi коливань робочого органу (позначки «+» на верхньому графiку) та раз у два перiоди коливань якоря i на рисунку позначена стршками мiж середнiм i верхнiм графшами. Частота власних механiчних коливань робочого органа встановлювалася через спiввiдношення його коливно! маси тРО i коефщента жорсткостi його ресор кРО :
&ро =
Л
к
РО
= 25р
т
(2)
РО
Частота власних коливань робочого органу юРО = 25л рад/с (V = 12,5 Гц) стала в чотири рази меншою за стандартну частоту електричного струму у мережi ю = 100 л (V = 50 Гц) i вдвiчi меншою за частоту мехашчних коливань якоря юяк = 50р рад/с (vяк = 25 Гц). Вщповщно, перiоди Т власних мехашчних коливань робочого органу, якоря i електромагшгних коливань мають сшввщношення 4:2:1. Приблизно таке ж сшввщношення (2:1) мають збшьшеш амплггуди коливань робочого органу i якоря, що вiзуально спостерiгалося при експериментах.
При запуску машини починаеться самосинхрошзащя коливального процесу (рисунок 2).
При самосинхрошзаци графiки коливальних проце^в якоря i робочого органу змщуються один вiдносно другого (рисунок 2) та шд впливом взаемно! ди та дi! магнiтно! сили. Завдяки самосинхрошзаци вiдбуваеться налаштування стабiльного енергозбер^аючого режиму
коливань. З нижнього графику на рисунку 2, що вщображае коливання сили, I, випрямленого натвперюдного електричного струму, бачимо що реальна д^я магнитно!' сили на яюр починаеться коли останнш починае рухатись вщ статора до положення власно! статично!* р^вноваги. Тобто напрямок дй магнитно!" сили постшно сшвпадае з напрямком руху якоря. Аналогично, що можна бачити на середньому \ верхньому графику, механична взаемод^я якоря \ робочого органу починаеться коли робочий орган починае рухатись вщ якоря до положення власно! статично! р^вноваги. Тобто напрямок механично! дЙ якоря постшно сшвпадае з напрямком руху робочого органу. При такому взаемному розташуванш графтв, що вщображають реальна процеси, немае зайвих розтрат енергЙ i вщбуваеться стабшьна магнитна взаемод^я статора з якорем \ механична взаемод^я якоря ^з робочим органом.
Рисунок 2 - Скореговаш графики коливального процесу шсля
самосинхрошзацЙ
Експериментально шдтверджено стабильность розробленого способу зниження частоти коливального процесу для машин в^брацшного руху з електромагштним приводом, працездатнють цих машин. Для того, щоб на початку роботи вибратора яюр-штовхач м^г торкатися нерухомого робочого органу у його нейтральному положены \ за 5-6 секунд вводити
його у стабшьний коливальний режим (через самосинхрошзащю), необхiдно пiд час пуску вiбратора збiльшити амплiтуду коливань шляхом збшьшення напруги електричного струму (наприклад, за допомогою автотрансформатора, чи спещально! електрично! схеми).
Для зниження досить значного шуму вщ ударних взаемодш мiж якорем i робочим органом було встановлено жорстку гумову прокладку, що значно знизило шум вщ мехашчно! взаемоди.
При експериментах за допомогою п'езодатчика 1С - 318, встановленого спочатку на робочому оргаш, а по^м на якорi переробленого вiбратора ЕЛ - 1, з експериментального стенда сигнал передавався до блоку вимiрювання вiбрацi!, який вiдображав амплiтуду
вiброприскорення в одиницях g: ГРО = Аю2/ё . З урахуванням отримано! частоти коливань для робочого органу (юРО = 25л рад/с) i для якоря (юяк = 50л рад/с), маючи значення амплiтуди вiброприскорення в одиницях g:
ГРО = Аю2/ё, можна вирахувати амплiтуди коливань якоря i робочого органу:
А = ё ГРО
АРО = 2 , (3)
ю
Шр0
Л = ё Г ЯК ...
АЯК =-— . (4)
ЮЯК
Також амплiтуди якоря i робочого органу вимiрялися експериментально. Частота коливань контролювалася вимiрювальним приладом 1Ч - 5. Амплiтуда вимiрялася вiдповiдно до методики [6]. Вимiрювальний мiкроскоп Мир -2 встановлювався на штативi з нерухомою тдставою та пiдводив на необхщну вiдстань до тонкого блискучого освггленого дроту, закрiплено! на якорi, а по^м на робочому органi. Там же жорстко закршлювався датчик ИС - 318. Положення вiбратора по вертикалi встановлювалося оптичним квадрантом ДО - 1М с точнiстю ±30и При коливаннях поверхнi стола вiбратора в окулярi мiкроскопа видна осв^лена колiматором смуга шириною, яка дорiвнюе розмаху коливань i ширинi дроту. Розбiжностi мiж експериментальними значеннями амплггуди i аналiтико-експериментальними, що визначалися за формулами (3) i (4) становили близько 4%. Значення амплiтуд якоря i робочого органу спiввiдносилися одна до одно! приблизно як 1:2. До того
треба додати збшьшену амплпуду майже вдвiчi амплiтуду коливань переробленого вiбратора. Тобто, фактично, було досягнуто збшьшення амплiтуди майже у 4 рази и зниження частоти коливань у 4 рази проти вiбромашини Ï3 стандартним електромагштним вiбратором.
Висновки:
1. Обгрунтовано фiзичний принцип нового способу зниження частоти коливального процесу [3], який дозволяе без змши стандартно! частоти електричного струму у мережi знизити частоту коливань робочого органу будь-яко! вiбромашини з електромагштним приводом в 2 чи 4 рази i, майже вщповщно, шдвисити амплiтуду коливань робочого органу.
2. Розроблений спо^б може бути використаним у будь-якш промисловiй галузi для вiбрацiйних машин з електромагнггними вiбраторами.
3. З експериментiв шдтверджено стабшьнють розробленого способу зниження частоти коливального процесу для вiбромашин з електромагштним приводом, працездатнють цих машин.
4. Розроблений спо^б зниження частоти i шдвищення ампл^уди коливального процесу для машин вiбрацiйного руху з електромагнггними вiбраторами мае переваги у тому, що не потребуе застосування вартюних, енергоемних додаткових приладгв та змши стандартно! частоти струму в електричнгй мережг.
Перспективами подальших доШджень у даному напрямку е:
1. Визначення граничних умов i оптимальних параметргв реалгзаци розробленого способу зниження частоти коливального процесу [3], а саме граничних i оптимального значень спгввгдношення коливних мас якоря i робочого органу, визначення вщповщних амплпуд i частот.
2. Експериментальне визначення i теоретичне обгрунтування збшьшених амплпуд коливань якоря i робочого органу. Вщповщний шд6гр ресор.
3. Теоретичш i експериментальнi дослiдження енерговитрат i необхщно! потужносл для коливального процесу розробленого способу зниження частоти коливального процесу [3].
4. Впровадження у промислове виробництво розробленого способу е можливим i мае перспективу у процесах, в яких задiяно машини вiбрацiйного руху [7], наприклад, при сепарацп сипких будiвельних матерiалiв на 6удГвнищш залiзничних колш i споруд.
Список лтератури
1. Спиваковский А.О., Гончаревич И.Ф. Вибрационные конвейеры, питатели и вспомогательные устройства. - М.: Машиностроение, 1972.
2. Бауман В.А., Быховский И.И., Гольдштейн Б.Г. Вибрационные машины в строительстве и производстве строительных материалов. - М.: Машиностроение, 1970.
3. Патент 37270 (UA). Споаб зниження частоти коливального процесу. / Шамота В.П., Фалько О.Л.- Бюл. № 22. - 2008. (25.11.08).
4. Патент 70727 А (UA). Споаб зниження частоти коливань. /Фалько О-ш Л. -Бюл. № 10. - 2004.
5. Патент 77427 (UA). Споаб зниження частоти коливального процесу. / Фалько Л.Г., Заплетнков 1.М., Фалько О-ш Л.- Бюл. № 12. - 2006.
6. Иориш Ю.И. Виброметрия. - М.: Машгиз, 1963. - С. 84-110.
7. Барский М.Д. Фракционирование порошков. - М.: Недра, 1980.
УДК 533.697.5
Бондарь Е.А., зав.лаб. (ДонИЖТ)
ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ЭЖЕКТОРНОГО УСТРОЙСТВА
Постановка задачи. При реостатных испытаниях тепловозов создается опасность повышенных концентраций вредных веществ в приземном слое атмосферы. По данным работы [1] расчетные значения приземных концентраций вредных веществ могут в десятки раз превышать допустимые. Для снижения концентраций вредных веществ используют три направления:
- совершенствование процессов сжигания топлива в цилиндре двигателя;
- обезвреживание вредных веществ в отработавших газах;
- рассеивание газов в атмосферном воздухе.
Анализ известных решений по сокращению образования вредных веществ 2 показывает, что за счет этого направления можно уменьшить образование вредных веществ и, соответственно, их концентрации в атмосферном воздухе примерно на 20%. То-есть, это направление не
