CC BY
21
УДК 534.14
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НЛП РЛВЛ ЕI- Н э1 X МЕХАН/1' ЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ
ВВ. Михеев
Омский государственный технический университет, г Омск, Россия
Аннотация - Целью представленного научного исследования являлась разработка метода генерирования направленных механических колебании н 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 направленное вибрационное воздействие. В результате был предложен способ получения направленных мехапичоскнх колебаний п оригинальная конструкция генератора направленных колебаний, реализующая его. Отличительные чертами кон-струкппп внбровоюудпгеля является простота, энергоэффективность и возможность регулирования параметров вибрационного воздействия. Генерируемое устройством динамическое воздействие реализуется за счет использования сил инерции, возникающих при качании массивного дебаланса за счет передаваемого ему вращательного движения кривошипным механизмом специальной конструкции. Приведен аналитический расчет величины, получаемой при этом силы воздействия, и оцениваются возможности применения предложенного устройства. Зависимости генерируемой силы от времени представлены аналитически и графически. Предлагаемое устройство демонстрирует высокую энергоэффектнвность. требуя тля генерирования колебании в направления, не совпадающих с основным доли мощности, составляющей порядка 10% от полной мощности.
^¿лючсбЫс' слова: вибровозбудитель, направленные колебания, сила инерции, возбуждение колебаний.
I. ЗЬ^дшйь
Устройства для генерирования периодических динамических воздействий различного рода находят пшрекое применение вс многих областях техники Основной целью их использования является передача энергии колебательного движения (вибрации) различны:.! объектам. Они различаются по принцип}- действия, величине амплитуда генерируемой енлы. виду зависимости силы от времени, характеру :вязи с объектом, подвергаемы:! вибрационному динамическому воздействию, и т.д. Такого рода генераторы (виброЕозбуднтелн) широко нс-пплччуются в гегкеком уо^тоств? на протвсдсгве в строителт-стве н могут ретпатт, техн .-»логические на дачи едмоге широкого спектра
Одним ез основных нрошипов возбуждения мехашпескнх колебаний является пепэльзовазше пиерцкоп ных скл. воэнккающнх прн вращательном двн-кеннн несбалансированных снстсм твердых тел (дгбалансов) вокруг осей. кс совпадающих с их центрами масс Преимуществом таких систем являете* простота технической реализации, а недостатком низкий коэффициент полезного действие и недостаточно направленный харак-iqj воысйивня на объект, шюриму 1.сргдасин знерхил ниброво1б/ди1с:1л. Предпринимал; ica иииьпли устранить эти недостатки, например, путем одновременного включения двух или большего числа одинаковых или различных внбровозбуднтелей. вращательные движения дебалансов которых сдвинуты друг относительно друга по фазе для ооеспечения повышенной направленности [1J. Также следует упомянуть конструкции Еноровоз-буднтелеа планетарного типа, как с вращающимися бегунками-сателлитами. так н со скользящими вдоль обе-чаеЕ. Они позволяют дооигься оолее сложных зависимостей силы воздействия от времени и повысить ее направленность, но более слозсны в изготовлении и имеют более узкий спектр областей применения [2], [3]. Отчасти указанных недостатков лишены вибровозбудители криьошнпно-шатуниого типа действия, применяемые. например. е внброплнтах. виброситах и внбротрабэвках [4]. У них отсутствует необходимость вращать
массивные деСалаисы и гсм самым они мшу i ибесиечи.ь высокую направленное 1ь дсйстнл. Тем te менее указанные конструкции не являются идеальными по нескольким причинам:
1) высэкне значения механических напряжений, возникающие при работе в элементах конструкции кри-вошипио-шатунного механизма н. как следствие, повышенные требования к их прочностным характеристикам;
2) в случае отсутствия жесткой связи между источником вибрационного зоздсйствня нобъектом возможен переход к ударному типу воздействия. часто неприемлемому.
Зго заставляет развивать иные конструкции виоровозОудителеи. позволяющие генерировать периодическое динамическое воздействие еысоеой степени направленности для использования з различных отраслях техники. С'редн перспективных конструкций возбудителей механических колебаний необходимо упомянуть элекромеха-нилссклс устройства, например. описанную в[5] элсктрогндравлнлсскую снстсму. позволяющую получать сложные двумерные колебания. Также неослабевающий интерес исследователей вызывают различные динамические колеЗательные системы, в состав которых входят внброЕозбудителн исследуемые, как правиле, ь рамках численного моделирования и компьютерной симуляции. Силы инерпни. возникающие в таких системах, играют кзк положительную рель [6]. так и косят паразитный характер н требуют компенсирования, особенно з случае зысоких и сверхвысоких частот работы механической колебательной системы [7].
П. Постановка задачи
Огнэвиымн критериями при разработке систем, реалтующих методы получения вибраций преимущественного направления действия, являются:
1) ¿нерюзуфекшаноегь, оирсдслхемал ;юлей мощное.и. зазраченней на возбуждение и пидиержание колебании. приходящейся на виорацнонное воздейстьие. происходящее в заданном направлении
2) техническая простота конструкции внброьозбудителя и отсутствие повышенных требований е точности его изготовления н характеристикам используемых материалов:
3) возможность регулирования ларамсгров вибрационного зоэдсйстеия.
В работе ставится задача получения и обосновання способа технической реализации направленной вибрации. использующего инерционную силу качания массивного деЗатанса. осуществляемого при помощи кривошипного механизма специальной кэнстоукпни.
Ш. Спосоз ггириробашш иапрашешплк мехашгчгских гсолезашш
И K.OHL 1НУКЦИД РЬА'ИНУЮИШ О ti С УС 1УОЛС ГЬА
Описываемый споссб возбуждения направленных механических кэлебаний может применяться для репенш птнрекего спеггра течничегкик зяда*т, гтипанныт с ттреобраюканием ^Hqirwr r форму чибрапии и передачи ее материалам н изделиям. Кроме этого, предлагаемый способ генерирования направленных колебаний может быть применен для создания ннерциэнных двигателей. СпоссО состоит е преооразованни вращательного движения в качание масснвнсго тела, центростремительное ускорение котсрогс и порождает силу инериин. направленную преимущественно в одном направлении и не имеющую составляющей, направленной в прстиво-иоло.кную сшрону.
Устройство. реализующее прехтагаемый метод, относится к техническим средствам всзОуждения механических колебании, используемых в технике лля осуществления пикнического динамнческэго воздействия различного типа. При использовании устройства предполагается повышение эиергоэффеклнвнссти лрэиесса геперн рованш вибрации направленного дейстзня. Схема конструкции устройства изебражена на рис.1.
Рабочий режим устройства осуществляется следующий! образом. Кривошип 2, закрепленный на о:н 3, уста-нояленной F корпусе 1 г вогме жногп,ю яраптечия ирчтгаетгя на ней Огк V * с roto очередь может служить дли подключения привода, обеспечивающего ее вращение. Втулка 7, закрепленная в криво шип с с возможностью вращения вокруг свсей оси скользит вдоль пэверхности шатуна 5, передавал ему движение кривошипа. При этом дебаланс б. закрепленный нз неподвижной оси 4, с возможностью вращения вскруг нее. осуществляет маятниковые колебаииЕ. генерируя силу, обусловленную центростремительным ускорением небаланса.
При равномерном вращелни кривошипа с уишвой скоростью со. угол oikiuhchhx дебаланса от верхика-шнои оси y определится как
R cosû? , s:oso
(у = aie tau-= arelan-, (i)
h + Rsunp l+5sinçj
где взедены обозначения:
Р - f ядиус вращения итулки крипоптапа; h - раггтотння между центрами осей 3 и 4;
S-R/
£~/И'
3 2
£
с
01
Рнс. 1. Устройство, реализующее способ получения направленна: механических колебаний Тогда центростремительное ускорение дебаланса может быть Еычнслено как
а = = гаг-—.
(2)
где г- радиус вращения денгра масс дебаланса относительно оси 4.
Соответствующая сила ннерцни. генерируемая устройством н приложенная к осн качания кривошипа 4. есть
> = тгу/' = тгю
2 а* +- Е)~
(\ + 2е$тсог + £2)2
(3)
а ее проекция на вертикальную ось. положительное направление которой соответствует направлению от центра оси 3 к центру осн 4. определится как
К = тгу2 соьу/ =
£2(зшбХ+е)2
= тгбГ-г—г соб
(1 + 2£$т<уг + £~)~
агс1ап
£со$ ох еьш.бХ+\))
= тго2Фу(аХ, е)
- , . е2 (эш сох л- е)2 ( , { е соз ог \ Ф„ =-—еоъ агс1ап|-
(1 I 2С ')Ш 6)Т I С')' V V о 5111 СОТ I 1)
(4)
(5)
График безразмерной функции Фг {сот, е), определяющей зависимость величины силы (4), от времени на одном периоде вращения кривошипа изображен на рис. 2.
Рис. 2. Зависимость функции Ф (ссп, е) от времени на однэм периоде вращения кризошипа см е [—Л, к) для значения параметра 5 = 1/3, соответствующему конструкции устройства, приведенного на рис. 1
График и элементарный анализ формулы (4) показывают, что сила имеет выраженно направленный характер, и величина силы не принимает отрицательных значений, так что энергия сообщаемая возбудителю, не расходуется на генерирование колебаний в направлении, противоположном требуемому. Положительное направление вертикальной оса соответствует направлению от центра осп 3 к центру осп Л.
Отсутствие у силы инерции приложенной оси 4 сосптеляющей направленной киерх, яштяетгя отличительной чертой предлагаемого способа н реализующего его устройства.
Для выявления величины силы, действующей перпендикуляр не преимущественному направлению' ее действия. рассмотрим функцию
ФЛся,Б) =
s2 (sin cot +s)2 (l + 2^smü>i + (?2)2
sin
aictaii
:
£ cos COt
\ G Sill (Ot +1)
(6)
представляющую обезразмеренную зависимость от времени для указанной горизонтальной проекции генерируемой устройством силы. Ее график представлен на рис. 3.
Рис. 5. Зависимость функции Ф&) от времени на одном периоде вращения кривошипа cot е [—71, я) для значения параметра s = 1/3. соответствующему конструкции устройства призеденногс на рис, 1
Максимальное значение этой составляющей силы на порядок меньше составляющей ситы. генерируемой в вертикальном направлении и возрастает с уменьшением параметра г.
Таким образом, дополнительным параметром варьирование Еоторого может дать возможность управления величиной силы воздействия, является s. определяющий ьеличину отклонения шатуна н. соответственно, небаланса. от осе преимущественной ориентации сель:.
Для анализа эффектпьпости работы представленного устройства для возбуждения направленных колебаний можно провсстн оценку доли мощности. приходящейся на колебания, возбуждаемые в направлении оси у (преимущественного направления колебаний) н оси х. перпендикулярной ей.
В качестве критерия сценки будем использовать среднеквадратичное за период вращения крнзошнла значение силы генерируемой устройством з направлениях осей v и у. Для среднеквадратичного за период значения силы в направлении оси у имеем выражение
где переменная z играет роль угловой координаты прн вращении крнвошнпа. Здесь сохранены обозначения, принятые в формулах выше. Следует отметить, что указанный интеграл вычисляется только численно и для к.жфи.урации усчрожлва. приведенной ta рис.1 нилучасгсх значение
yj{Fy2} «0.9032тгй>2. Аналогично для среднекзадрагнчнсго значения силы в направлении оси у получается
и соответственно, вычисления его дтя конфигурации устройства, приведенной на рис.1 дают
J(FX2) »01109Ш(0£.
С'оотношешевелнчин а ) позволит оценить долю кинетической энергии, приходящейся
на колебания в направлении оси у, сэставтяюшук1 в рассматриваемом случае 11,5%.
г\г Результаты р азоты
Осноенкми результатами раооты является разраоотанный метсд получения направленной силы инерции, основанный на передаче вращательного движениямассивному телу, способному' совершать маятниковые колебания вокруг оси и устройство для его реализации Техническим решением, позволившим реализовать разработанный метод, было использование кривошипного механизма специальной конструкции, преобразовывающего вращательное движение кривошипа в качания массивного лебаланса посредством связанного с ним коромысла. В работе приведены расчеты выявляющие характер генерируемой устройством периодической силы, направленной преимущественно в положительном направлении выэранЕой оси я Ее имеющей составляющей, направленной здоль этой оси в отрицательном направлении.
V. Оы УЖДЬНШ: НЯУЛЬТАШВ Описанный в работе метод возбуждения направленных механических колебашй и устройство хля его реализации имеют ряд осооенностей. открывающих широЕне перспективы для его практического применения. Простота конструкции дает возможность изготовления действующего прототипа и экспериментальной проверки полученных теоретических результатов. Следует отметить тот факт, что за один период вращения кривошипа. обеспечивающего качание небаланса, генерируемая сила инерции имеет два импульса (рис. 1). Таким образом. частота ее воздействия удваивается до сравнению с частотой вращения кривошипа, что позьоляет снизить последнюю вдзое для получения требуемой частоты воздействия по сравнению с аналогичными устройствами, например [4]. Отсутствие у силы воздействия компоненты, ориентированной в нг-правленин. противоположном заданному, позволяет более эффективно использовать мсщпость. затрачиваемую па ее генерирование, по срав
нению с аналогами Регулирование величины силы воздействия может осуществляться несколькими способами, как традиционным - нгменением частоты вращения кривошипа. так н альтернативным, например изменением расстояния между осями 3 и 4. что дает возможность использования устройства в ситуациям требующих адаптирования параметров динамического воздействия при изменении характеристик его объекта. Такая необходимость возникает, например, в случае уплотнения упрутовязкопластнчных грунтовых сред в строительстве.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. А. с. 526398 СССР, МПК В Об В 1 16. Возбудитель колебании Горский A EL, Иванов-Эшв Е. Б., Табу-ринский Г. С.. Голованов А. Р.: опубл. 05.08.1978, Бюл. № 5.
2. А. с. 1727930 СССР, МПК В 06 В 01/16. Планетарный внбровозбуднтель / Ермилов А. Б.. Дудкин М. В.: опубл. 23.04.1992.Бюл. № 29.
3. Пат. 2781078 Российская Федерация. МПК В Об В 01/00. Способ получения направленных механических колебаний и устройство для его осуществления f Исаев И. К.. Герасимов М. Д.;опубл. 10.02.2010.
4. ООО «Традпция-К». Руководство по эксплуатация вибротрамбовкн «Импульс VT80». URL: http: snnn.tradicia-k.ru jgaagggjpfaducts file^vibrotrambovka impulse, pdf
5. Pluta J.. Orldsz P. Bi-axial exciter of mechanical vibrations H 13th International Carpathian Control Conference (ICCC). 2012. P. 56B-S72. DOI: 10.1109/ СarpalhianCC2012.622S7O0.
6. Evgeniy V. Shishkin Dynamic analysis of a vibratory jaw crusher with inclined crushing chamber ii Mechanics -Seventh Polyakhov's Roding: International Conference. 2015. P. 1-3. DOI: 10 1109/POLYAKHOV^015_7106775
7. Jianyu Bai, Senlin Tong. Zaihe Yu. Di Zheng Analysis and Simulations of Inertia Force in Ultra High Speed Stamping Machine it Information Engineering (ICIE): WASE International Conference. 2010. Vol. 3. P. 238-243. DOI: 10.1109TCIE. 2010.234.
