CC BY
32
УДК 621.01(07)
СОЗДАНИЕ ПЛАНЕТАРНЫХ ВИБРАЦИОННЫХ СМЕСИТЕЛЕЙ АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНОГО ТИПА С УРАВНОВЕШЕННЫМИ САТЕЛЛИТАМИ
В.И. Пожбелко, А.В. Ковнацкий
Рассмотрен один из видов технологических машин, обладающих адаптивными свойствами и реагирующих на изменение свойств обрабатываемой среды в ходе технологического процесса. Применительно к технологическому процессу перемешивания вязких материалов предложены схемы смесителей, построенных на базе вибрационных уравновешенных планетарных приводов и имеющих рабочий орган, средняя скорость которого меняется в зависимости от вязкости обрабатываемой среды. Предложена обобщенная динамическая модель планетарных вибрационных смесителей автоколебательного типа с уравновешенными сателлитами.
Многие технологические процессы пищевой отрасли промышленности требуют применения самонастраивающихся механизмов, в которых законы движения рабочих органов автоматически изменяются при изменении рабочего процесса так, что условия его выполнения оказываются оптимальными [1]. Если для автоматической настройки требуется, чтобы при изменении рабочего процесса соответственно изменяется скорость рабочего органа (РО), то можно использовать механизм бесступенчатого изменения скорости, построив систему связи между механизмом и рабочим процессом так, чтобы каждому возможному состоянию рабочего процесса соответствовало оптимальное значение скорости РО. В более сложных случаях для того, чтобы рабочий процесс протекал в наилучших условиях, надо изменять не только скорость, но и весь закон движения РО, включая и траектории движения его отдельных точек. В самонастраивающихся механизмах эти требования удовлетворяются путем автоматического изменения параметров, определяющих схему механизма или режим его работы.
Сказанное полностью относится к процессам перемешивания вязких материалов. В ходе перемешивания может изменяться температура материалов, могут происходить физико-химические превращения, ведущие к существенному изменению вязкости обрабатываемой среды. Для соответствующего изменения скорости РО смесители вязких материалов обычно оснащают коробкой скоростей или вариатором, которые управляются вручную и часто требуют прерывания рабочего процесса.
Автоматизация работы смесителей вязких материалов, оснащенных коробками скоростей, вариаторами или двигателями с переменной скоростью вращения ротора, основана на использовании дорогостоящих электронных устройств, хотя эти устройства предоставляют широкие возможности по программированию режимов работы смесителей и скоростей их РО.
В связи с вопросами автоматизации технологических процессов авторами выдвинута и экспериментально подтверждена научная гипотеза о возможности получения автоколебаний в механической системе, построенной на основе планетарного привода с уравновешенными сателлит-ными узлами, за счет введения в его схему упругого звена. Обрабатываемая среда является частью такой механической системы, поэтому режим работы всей системы во многом определяется свойствами обрабатываемой среды (например, ее вязкостью, плотностью). Технологическая машина, сконструированная на базе такого вибрационного уравновешенного планетарного привода (ВУПП), обладает адаптивными свойствами, т. е. в ее основу положен самонастраивающийся механизм. В составе смесителя вязких материалов работу ВУПП можно представить следующим образом: при изменении средней вязкости обрабатываемой среды изменяется амплитуда автоколебаний РО и средняя скорость его движения. Таким образом, ВУПП может выполнять функцию самонастраивающегося вариатора в некоторых пределах изменения вязкости обрабатываемой среды. Конструкции планетарных смесителей вязких материалов на базе ВУПП защищены патентами РФ [2, 3].
Конструкция смесителя вязких материалов обычно содержит двигатель, который жестко соединен через ступенчатую коробку скоростей и планетарный передаточный механизм с рабочим органом.
Известен способ получения смесей, заключающийся в том, что перемешиваемую среду приводят в колебательное движение, что способствует интенсификации образования смеси, повышению однородности. Однако соответствующие устройства для виброперемешивания жидких сред не нашли широкого применения из-за многих недостатков, главным образом связанных со способом возбуждения колебаний в перемешиваемой среде. Например, использование для создания колебаний инерционных импульсных механизмов вызывает повышенные нагрузки на элементы конструкции, воздействие со стороны инерционного импульсного механизма на приводной двигатель в виде импульсов реактивного момента, отрицательно влияющее на работу двигателя и снижающее его КПД. Некоторые схемы смесителей требуют для возбуждения колебаний использования электромагнитных приводов, сжатого воздуха из пневмосети, вибраторов и других устройств, которые усложняют их конструкцию.
В связи с этим возникает актуальная задача создания планетарного привода, снижающего ударные нагрузки на приводной двигатель и передаточные механизмы и обладающего адаптивными свойствами в условиях переменного сопротивления на РО, а также обеспечивающего движение РО по сложной траектории.
На рис. 1 и 2 представлены два варианта разработанных планетарных смесителей вязких материалов (ПСВМ).
ПСВМ с упругим элементом на сателлите, изображенный на рис. 1, содержит приводной двигатель 1, корпус 2, передаточный механизм 3 и планетарный механизм, включающий водило
4, центральную шестерню 5 и установленные с ней в зацеплении сателлиты 6, снабженные балансами 7, которые соединены с сателлитами 6 через упругие элементы 8. Рабочие органы 9, установленные эксцентрично на балансах 7, образуют узлы, уравновешенные относительно осей сателлитов 6.
Вибрационный ПСВМ работает следующим образом. При вращении водила 4 от двигателя 1 сателлиты 6 с рабочими органами 9 совершают внутри корпуса 2 сложное движение. При этом рабочие органы 9 перемещаются в вязкой среде с переменной скоростью, что, вследствие зависимости силы вязкого сопротивления от скорости, приводит к появлению переменного момента на балансах 7 и вызывает их крутильные колебания относительно сателлитов 6. При колебаниях усложняется абсолютная траектория движения рабочих органов 9.
Планетарный привод с центральным упругим элементом (см. рис. 2) содержит установленные в корпусе 1 рабочие органы 2, передаточный механизм 3 и планетарный механизм, включающий центральную шестерню 4, сателлиты 5 и водило 6, приводимое в движение двигателем 7. Рабочие органы 2 закреплены на сателлитах 5 со смещением относительно осей сателлитов и образуют вместе с сателлитами узлы, уравновешенные относительно этих осей посредством противовесов 8, а шестерня 4 планетарного механизма подвижно связана с корпусом 1 через упругий элемент 9.
Основываясь на предположении о том, что обрабатываемая среда оказывает линейно-вязкое сопротивление движению РО, авторами была составлена динамическая модель планетарных приводов нового типа (названная составным колесом) и выделены обобщенные параметры, описывающие поведение автоколебательной системы в зависимости от проектных параметров привода, режима его работы и величины полезного сопротивления на РО [4].
Обобщенная динамическая модель представляет собой двухмассовую колебательную систему. Она служит для исследования динамики и потенциальных возможностей разработанного нового типа планетарных приводов (некоторые примеры которых приведены на рис. 1 и 2). Динамическая модель показана на рис. 3. В составном колесе баланс 2 соединен с сателлитом 1 упругим элементом, работающим на кручение (на рис. 3 не показан). Сателлит 1 составного колеса катится по направляющей 3 с постоянной угловой скоростью, что обеспечивается установкой в конструкции привода достаточно больших маховых масс. Рабочий орган 4 представляет собой цилиндрический стержень, к которому приложена сила вязкого сопротивления обрабатываемой среды, зависящая от скорости движения РО.
Рис. 1. Схема планетарного привода смесителя с упругим элементом на сателлите: 1 - двигатель; 2 - корпус; 3 - передаточный механизм; 4 - водило; 5 - центральная шестерня; 6 - сателлит; 7 - баланс; 8 - упругий элемент;
9 -рабочий орган
і
Рис. 2. Схема планетарного привода смесителя с центральным упругим элементом: 1 - корпус; 2 - рабочий орган; 3 - передаточный механизм;
4 - центральная шестерня; 5 - сателлиты; 6 - водило; 7 - двигатель;
8 - противовесы; 9 - упругий элемент
Полагая, что приведенный (с учетом ведущего водила) момент инерции сателлита достаточно велик (по сравнению с моментом инерции колеблющегося баланса с закрепленным на нем рабочим органом), двухмассовую колебательную систему можно заменить одномассовой, которая описывается следующим уравнением движения:
(1)
Л// = М0[Р) + М.
В уравнении (1)
? = -Ъуа6ш, М = -Суг, (2)
где J - момент инерции баланса; у/ - угол закрутки упругого элемента, соединяющего баланс с
сателлитом; М0 (/'’)- момент сопротивления вязкой среды, определяемый силой вязкого сопротивления Р; М - упругий момент; С - крутильная жесткость упругого элемента; Ь - коэффициент вязкого сопротивления; Уа6 - абсолютная скорость оси рабочего органа.
Рис. 3. Динамическая модель планетарного привода: 1 - сателлит радиуса г;
2 - баланс; 3 - направляющая радиуса Я; 4 - рабочий орган, установленный на радиусе р
Из анализа взаимодействия составного колеса с неподвижной направляющей (см. рис. 3) и с учетом зависимостей (2) выделим следующие семь величин, которые определяют движение баланса (2):
г, р, К, со, J,C,b . (3)
Используя теорию размерностей, величины (3) были сведены к следующим четырем безраз-
мерным параметрам:
Ъг2 /5 ® 1 Р л. Г (Л\
а-------, В-—, X- — , а-± —, (4)
Ж К г Я
где К - круговая частота свободных колебаний баланса 2; (о - абсолютная угловая скорость
сателлита 1.
Здесь а > 0 в случае внешнего зацепления сателлита с центральным колесом; а < 0 в случае внутреннего зацепления сателлита с центральным колесом; равенство сг = 0 описывает качение составного колеса по прямолинейной направляющей {я -> оо).
Безразмерные параметры (4) позволяют рассчитать крутильные колебания баланса составного колеса в зависимости от конструктивных параметров вибрационного планетарного привода, режима его движения и технологических свойств обрабатываемой среды. Эти параметры имеют следующий смысл: а - относительная вязкость обрабатываемой среды; /? - частотное отношение; Л - относительный вылет рабочего органа; а - относительная кривизна направляющей.
Теоретические диапазоны изменения безразмерных параметров (4): для а, р, X интервал
[О, оо); для а интервал (-со, со).
С точки зрения теории размерностей закон колебаний баланса составного колеса должен полностью определяться заданием четырех независимых безразмерных параметров а, /3, X, о , определяемых выражениями (4), т. е.
у/ = у/{а, Р, Я, а, в),
где у/ - угол закрутки упругого элемента от нейтрального положения (см. рис. 3); в - угол поворота сателлита при его качении по направляющей (угол отсчитывается от водила планетарного механизма).
Вид функции ц/ был найден численно-аналитическими методами. Найденная зависимость показывает, что в рассматриваемой механической системе возникают автоколебания. Зависимость амплитуды автоколебаний РО смесителя от параметров (4) удобно представить в виде графиков. Так, зависимость амплитуды колебаний рабочего органа смесителя от относительной вязкости обрабатываемой среды показана на рис. 4.
Рис. 4. Зависимость амплитуды колебаний рабочего органа смесителя от относительной вязкости обрабатываемой среды (/?= 0,3; А = 1,2; сг=-2,з)
Зависимость на рис. 4 была подтверждена в процессе проведения производственных испытаний опытно-промышленного образца вибрационного планетарного смесителя, сконструированного в соответствии с рис. 2. Экспериментальная зависимость амплитуды колебаний РО смесителя от динамической вязкости обрабатываемой среды для сравнительно малых значений вязкости показана на рис. 5 при двух значениях вылета РО {Ь\ и Ь2).
С помощью математической модели выявлено существование трех типов вибрационных планетарных приводов с уравновешенными сателлитами, только один из которых реализует динамический эффект стабилизации мощности при работе машины с переменной нагрузкой на РО [5]. Эффект стабилизации мощности был проверен экспериментально на опытно-промышленном образце смесителя вязких материалов с ВУПП.
Рис. 5. Амплитуда колебаний центральной шестерни в зависимости от вязкости перемешиваемой среды
Из выполненных теоретических и экспериментальных исследований следуют выводы.
1. Экспериментально подтверждена научная гипотеза о возможности создания автоколебаний в механической системе на основе планетарного привода с уравновешенными сателлитными узлами за счет введения в его схему упругого звена.
2. Составлена динамическая модель планетарных приводов нового типа (названная составным колесом) и выделены обобщенные параметры, описывающие поведение автоколебательной системы в зависимости от проектных параметров привода, режима его работы и величины полезного сопротивления на рабочем органе.
3. Предложен новый класс планетарных приводов технологических машин для перемешивания вязких веществ, обладающий возможностью адаптации в ходе перемешивания к изменяющимся свойствам перемешиваемой среды - вибрационные планетарные смесители вязких материалов.
Литература
1. Хромеенков, В.М. Технологическое оборудование хлебозаводов и макаронных фабрик / В. М. Хромеенков. - СПб.: ГИОРД, 2002. - 496 с.
2. Пат. 2253507 РФ, МКИВ 01 Р7/30, А 21 С 1/02 Планетарный смеситель вязких материалов / Пожбелко В.И, Ковнацкий А.В. Заявлено 16.06.2004; опубл. 10.06.2005. Бюл. № 16.
3. Пат. 2258558 РФ, МКИ В 01 Р7/30, А 21 С 1/02 Планетарный смеситель вязких материалов / Пожбелко В.И., Ковнацкий А.В. Заявлено 28.06.2004; опубл. 20.08.2005. Бюл. №23.
4. Пожбелко, В.И. Обобщенный динамический анализ крутильных колебаний составного колеса в вязкой среде / В.И. Пожбелко, А.В. Ковнацкий // Вестник ЮУрГУ. Серия «Машиностроение». - 2004. - Вып. 5. —№ 5 (34). - С. 55-59.
5. Пожбелко, В.И. Мощность сил вязкого сопротивления при движении составного колеса по криволинейной поверхности /В И. Пожбелко, А.В. Ковнацкий //Механика и процессы управления: Труды XXXIV Уральского семинара. - Екатеринбург: Уральское отделение РАН, 2004. - Т. 2. - С. 182-187.
