ВИБРОСТЕНД С ГИДРООБЪЕМНЫМ ГЕНЕРАТОРОМ КОЛЕБАНИЙ

Полезная модель относится к вибрационной технике, а именно к вибростендам с гидрообъемным возбуждением колебаний.
Известен гидравлический генератор колебаний (SU №1421425, МПК B06B 1/18, опубликовано 07.09.1988). Он содержит эксцентриковый вал, взаимодействующие с ним плунжеры, регулировочные винты, пластины, упругие оболочки, поджатые плунжерами и соответствующими пластинами, связанными с регулировочными винтами, коммутационное устройство и рабочий орган, выполненный в виде гидроцилиндра.
Общими признаками заявляемой полезной модели с рассмотренным аналогом являются эксцентриковый вал, взаимодействующий с ним плунжер, регулировочный винт, пластина, упругая оболочка, поджатая плунжером и пластиной, связанной с регулировочным винтом и гидроцилиндр.
Указанный гидравлический генератор колебаний обладает следующим недостатком: он не обеспечивает возможность регулирования объемной жесткости упругой оболочки и, тем самым, не обеспечивает возможность управления собственной частотой колебательной системы, образованной гидравлическим генератором колебаний и гидроцилиндром. Таким образом, в образованной гидравлическим генератором колебаний и гидроцилиндром колебательной системе невозможно управление амплитудно-частотной характеристикой. Тогда как возможность управления амплитудно-частотной характеристикой важно для управления параметрами тех или иных технологических процессов, реализуемых с помощью вибрации.
Известен так же гидравлический вибростенд (SU №1456243, B06B 1/18, опубликовано 07.02.1989). Он содержит гидравлический генератор колебаний с эксцентриковым валом, взаимодействующими с ним плунжерами, регулировочные винты, пластины, упругие оболочки, поджатые плунжерами и соответствующими пластинами, связанными с регулировочными винтами, исполнительный механизм и систему управления, включающую гидрораспределители, напорный и редукционный клапаны, обратные клапаны, гидропневмоакумулятор и другие элементы гидропривода.
Общими признаками аналога с заявляемой полезной моделью являются эксцентриковый вал, взаимодействующий с ним плунжер, регулировочный винт, пластина, упругая оболочка, поджатая плунжером и пластиной, связанной с регулировочным винтом и исполнительный механизм.
Указанный гидравлический вибростенд так же обладает недостатком: он не обеспечивает возможность регулирования объемной жесткости упругой оболочки гидравлического генератора колебаний и, тем самым, не обеспечивает возможность управления собственной частотой, а так же амплитудно-частотной характеристикой исполнительного механизма. В нем управление амплитудой и частотой колебаний исполнительного механизма обеспечивается очень сложной системой управления, включающей гидрораспределители, напорный и редукционный клапаны, обратные клапаны, гидропневмоакумулятор и другие элементы гидропривода.
За прототип принят испытательный вибростенд с гидрообъемным генератором колебаний (Нижегородов А.И. Стенд для динамических испытаний технических средств в режиме амплитудно-частотной модуляции с гидрообъемным виброприводом / Строительные и дорожные машины. №10. - 2014. - С. 30-35). Он содержит гидрообъемный генератор колебаний с корпусом, включающий упругую оболочку (рукав высокого давления), резьбовой регулятор предварительного поджатая оболочки с пластиной, эксцентриковый вал и взаимодействующий с ним поршень генератора, при этом упругая оболочка поджата поршнем и пластиной резьбового регулятора и сообщена гидролинией с односторонним гидроцилиндром. При вращении эксцентрикового вала поршень генератора совершает возвратно-поступательное движение, попеременно частично сжимая-разжимая упругую оболочку и вытесняя из нее знакопеременный объем жидкости, который возбуждает колебания плунжера одностороннего гидроцилиндра, соединенного с подпружиненной платформой.
Общими признаками прототипа с заявляемой полезной моделью являются корпус, упругая оболочка, резьбовой регулятор, пластина, эксцентриковый вал, взаимодействующий с ним поршень генератора, гидролиния, односторонний гидроцилиндр с плунжером, соединенным с подпружиненной платформой.
Недостатком прототипа является следующее. Резьбовой регулятор с пластиной совместно с поршнем способен изменять предварительное поджатие упругой оболочки, что изменяет величину знакопеременного объема жидкости, вытесняемого из нее поршнем генератора. За счет этого изменяется амплитуда колебаний плунжера с подпружиненной платформой одностороннего гидроцилиндра. Одновременно изменение предварительного поджатая упругой оболочки приводит и к изменению ее объемной жесткости, что вызывает произвольное изменение собственной частоты колебаний плунжера с подпружиненной платформой одностороннего гидроцилиндра. Но, в прототипе не предусмотрена возможность целенаправленного и независимого регулирования в широких пределах объемной жесткости упругой оболочки за счет ее статического поджатая, поэтому прототип не обеспечивает возможность управления собственной частотой колебаний и, как следствие, не обеспечивает возможность управления амплитудно-частотной характеристикой плунжера с подпружиненной платформой одностороннего гидроцилиндра.
Задача заявляемой полезной модели направлена на обеспечение широкого диапазона изменения собственной частоты колебаний и, соответственно, на управление амплитудно-частотной характеристики плунжера с подпружиненной платформой одностороннего гидроцилиндра путем статического поджатия упругой оболочки и регулирования за счет этого объемной жесткости упругой оболочки в широком диапазоне.
Технический результат полезной модели заключается в реализации широкого диапазона управления собственной частотой колебаний и амплитудно-частотной характеристикой плунжера с подпружиненной платформой одностороннего гидроцилиндра путем статического поджатия упругой оболочки за счет установки на ней двухстороннего резьбового регулятора предварительного поджатия.
Указанный технический результат достигается тем, что вибростенд с гидрообъемным генератором колебаний, содержащий корпус, упругую оболочку, резьбовой регулятор, пластину, эксцентриковый вал и взаимодействующий с ним поршень генератора; упругая оболочка имеет предварительное поджатие и сообщена гидролинией с односторонним гидроцилиндром, плунжер которого соединен с подпружиненной платформой, согласно полезной модели резьбовой регулятор выполнен в виде двух пластин, которые с одной стороны шарнирно соединены с корпусом, а с другой стороны сопряжены со сферическими головками стержней, причем верхний стержень имеет резьбовое соединение со скобой резьбового регулятора и снабжен поворотной рукоятью, нижний стержень жестко соединен со скобой резьбового регулятора, а упругая оболочка в поджатом состоянии размещена между пластинами резьбового регулятора. Поэтому обеспечивается возможность целенаправленного и независимого регулирования в широких пределах объемной жесткости упругой оболочки за счет ее статического поджатия пластинами.
Отличительными признаками заявляемой полезной модели являются резьбовой регулятор, выполненный в виде двух пластин, с одной стороны шарнирно соединенных с корпусом, а с другой стороны сопряженных со сферическими головками стержней, верхний стержень имеет резьбовое соединение со скобой регулятора и снабжен поворотной рукоятью, нижний стержень жестко соединен со скобой резьбового регулятора, а упругая оболочка в поджатом состоянии размещена между пластинами резьбового регулятора.
Наличие отличительных признаков позволяет сделать вывод о соответствии заявляемой полезной модели условию патентоспособности «новизна».
На фиг. 1 показана схема вибростенда с гидрообъемным генератором колебаний.
На фиг. 2 показаны экспериментальные графики зависимости давления P от объема деформации полости упругой оболочки объема ΔW.
На фиг. 3 показаны поперечные сечения упругой оболочки в не поджатом (слева) и поджатом до величины h (справа) состоянии.
0
На фиг. 4 показана зависимость поправочного коэффициента к от поджатия h упругой оболочки.
a
0
Вибростенд с гидрообъемным генератором колебаний, показанный на фиг.1, содержит корпус 1, упругую оболочку 2 (рукав высокого давления), верхнюю 3 и нижнюю 4 пластины и скобу 5 резьбового регулятора. Верхний стержень 6 со сферической головкой соединен со скобой 5 резьбовым соединением и имеет поворотную рукоять 7. Нижний стержень 8 со сферической головкой жестко соединен (например, запрессован) со скобой 5. Сферические головки стержней 6 и 8 сопряжены со сферическими проточками в верхней 3 и нижней 4 пластинах резьбового регулятора. Упругая оболочка 2 своими концевыми муфтами 9 и 10 вставлена в отверстия в корпусе 1. Правая гайка соединена с переходником 11, в котором установлена резьбовая заглушка 12 для стравливания воздуха. Левая гайка посредством гидролинии 13 соединяет упругую оболочку 2 с полостью 14 одностороннего гидроцилиндра, плунжер 15 которого, соединен с подпружиненной пружинами 16 платформой 17. С полостью 14 сообщен цилиндр поршня 18, сопряженный с эксцентриком 19, вал которого соединен с одной стороны с гидромотором 20 и с другой стороны с маховиком 21. Эксцентриситет эксцентрика имеет значение . К полости 14 присоединен переходник 22.
Точки А и Б в переходниках 11 и 22 соединяются с гидросистемой вибростенда.
0
0
0
0
a
Испытательный вибростенд с гидрообъемным генератором колебаний работает следующим образом, фиг. 1. С помощью насоса и регулирующей гидроаппаратуры гидросистемы вибростенда (на фиг. не показаны) в полости упругой оболочки 2 и полости 14 одностороннего гидроцилиндра создается начальное давление P, которое в дальнейшем поддерживается постоянным. Давление P заставляет плунжер 15 приподняться над своим начальным положением до некоторого уровня, при котором усилия пружин 16 не восстановят равновесное состояние уже относительного этого нового исходного положения. Этим же давлением P полость упругой оболочки будет расширена за счет сжатия ее резиновых стенок. При вращении эксцентрика 19 от работающего гидромотора 20, поршень 18 совершает возвратно-поступательное движение с угловой скоростью ω. Маховик 21 служит для сглаживания пульсации угловой скорости ω. Объем жидкости 2w, вытесняемый за полный ход поршня 18, равный 2 , возбуждает колебательное движение плунжера 15 с платформой 17 (w - амплитудное значение вытесняемого объема жидкости).
0
Колебательная система вибростенда образована плунжером 15, соединенным с платформой 17, имеющими общую массу m (кг) и общей жесткостью, сформированной суммарной жесткостью с (н/м) пружин 16 и приведенной объемной жесткостью  (н/м) упругой оболочки 2. При этом собственная частота колебательной системы ω определяется выражением (рад/с):
,
2
5
об
где  - площадь плунжера 15 (м), c - объемная жесткость упругой оболочки (н/м) 2.
2
3
Объемная жесткость упругой оболочки 2 определяется зависимостью давления P (н/м) в ее полости при подаче в полость некоторого объема ΔW (м). Например, фиг. 1, если зафиксировать от перемещения плунжер 15 и начать перемещать поршень 18 вверх, подавая жидкость в полость упругой оболочки 2 (пусть она в этот момент не поджата пластинами 3 и 4), то чем больше будет поданный объем ΔW, тем больше будет давление в полости оболочки 2. На фиг. 2. показаны экспериментальные графики зависимости давления P от объема деформации полости упругой оболочки или, что тоже самое, от величины поданного объема ΔW. Графики получены на примере рукава высокого давления с внутренним диаметром d=20 мм, длиной резиновой части L=245 мм и длине поджатого участка B=100 мм (см. фиг. 1).
нар
min
2
1
Если поджатие h (мм) равно наружному диаметру оболочки d, то упругая оболочка 2 не поджата, а ее внутреннее сечение имеет форму круга (верхний график на фиг. 2). Если поджатие h упругой оболочки 2 уменьшается до 30 мм, затем до 28 мм и т.д. (но не более некоторого предельно минимального значения h), то графики зависимости давления P от объема деформации полости ΔW упругой оболочки 2 изменяют свой наклон и объемная жесткость упругой оболочки 2 становится меньше, так как одному и тому же приращению давления P, соответствует все большее значение объема деформации полости ΔW, фиг. 2 (ΔW>ΔW). Это объясняется тем, что в свободной (не поджатой) оболочке или рукаве высокого давления при нагружении давлением возможность деформироваться имеет в основном внутренний резиновый слой (фиг. 3), так как металлокорд рукава не дает деформироваться внешнему резиновому слою. Поджатый до величины h рукав имеет опорные площадки (фиг. 3, справа), внешние слои которых деформируются при подаче давления и участвуют в формировании объемной жесткости, причем, с уменьшением h увеличивается ширина опорной площадки и, следовательно, большая часть внешнего резинового слоя участвует в формировании объемной жесткости упругой оболочки 2 (рукава высокого давления).
нар
Верхний график для не поджатой упругой оболочки 2 при h=d=32 мм на фиг. 2 можно с высокой точностью описать эмпирическим выражением:
1
2
1
2
10
5
16
8
где k и k - эмпирические коэффициенты (для не поджатого рукава высокого давления с параметрами, например d=20 мм и L=245 мм), равные k=62,6·10 (н/м) и k=63,9·10 (н/м).
0
Учитывая, что поджатие упругой оболочки 2 влияет на наклон графиков зависимости давления Р от объема деформации полости упругой оболочки, фиг. 2, в выражение (1) введем поправочный коэффициент к:
Для каждого из графиков на фиг. 2, соответствующего поджатию h, определены значения поправочного коэффициента, таблица 1.
0
0
Для наглядности, зависимость поправочного коэффициента к от поджатия h показана в виде графика на фиг. 4: чем сильнее поджата упругая оболочка 2, тем меньше коэффициент к. Например, при h=22 мм поправочный коэффициент будет примерно равен 0,4.
Объемная жесткость упругой оболочки 2 определится дифференцированием выражения (2):
.
5
Полученная формула имеет размерность н/м. Будучи приведенной к площади плунжера 15 жесткость упругой оболочки 2 будет равна  и иметь размерность н/м, что соответствует размерности жесткости обычной пружины.
0
Тогда собственная частота колебательной системы ω определится выражением (рад/с):
0
Из формулы видно, что собственная частота колебательной системы вибростенда, образованной плунжером 15, платформой 17 и пружинами 16, зависит от поправочного коэффициента к (см. таблицу 1 и фиг. 4) и, следовательно - от предварительного поджатия упругой оболочки 2.
0
0
0
0
При вращении эксцентрика 19 с угловой частотой ω, равной собственной частоте колебательной системы ω, начинается резонанс, сопровождающийся многократным увеличением амплитуды колебаний платформы 17. Величина амплитуды зависит от того, насколько точно совпадают частоты ω и ω. Изменяя поджатие h упругой оболочки 2 можно приближать ω к ω или, наоборот, удалять ω от ω, регулируя амплитуду резонанса и, управляя, таким образом, амплитудно-частотной характеристикой.
Таким образом, достигается технический результат полезной модели - расширение диапазона управления собственной частотой колебаний и, следовательно, амплитудно-частотной характеристикой колебательной системы вибростенда, образованной плунжером с платформой и пружинами, путем предварительного статического поджатия упругой оболочки за счет резьбового регулятора предварительного поджатия.