СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ РЕЗОНАНСНЫХ КОЛЕБАНИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR CONTROLLING RESONANT OSCILLATIONS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к вибрационной технике и может быть использовано в различных отраслях промышленности и транспорта.
Известен способ возбуждения резонансных колебаний механических систем синхронным электродвигателем, заключающийся в подаче на электродвигатель электрического напряжения, в измерении колебаний механической системы, в осуществлении сдвига фазы измеренного сигнала, его усилении и подаче на электродвигатель, при этом одновременно подают напряжение на фазную обмотку и обмотку возбуждения электродвигателя, изменяют амплитуду напряжения, подаваемого на обмотки, поворачивают статор до обеспечения условия возбуждения резонансных колебаний (А.С. СССР 1609515, В06В 1/16).
Известен также способ возбуждения и поддержания резонансных механических колебаний, который заключается в том, что резонансные колебания массы на упругой связи возбуждают путем принудительного периодического перемещения противоположного конца упругой связи, изменяют период принудительного периодического перемещения конца упругой связи, причем принудительное периодическое перемещение концу упругой связи сообщают вынуждающей силой инерции, создаваемой электромагнитным вибратором, электромагнитный вибратор удерживают в пространстве виброизолирующей упругой связью с основанием (Способ возбуждения и регулирования резонансных механических колебаний и устройство для его осуществления. Патент РФ №2335354, 2008).
Известен также способ получения и регулирования резонансных механических колебаний, который заключается в том, что на рабочий орган вибрационной установки воздействуют возмущающей силой, рабочий орган связывают с основанием виброизолирующей упругой связью, возмущающую силу создают инерционным вибратором и передают ее рабочему органу через дополнительную упругую связь, определяют резонансную угловую частоту колебательной системы «масса рабочего органа - дополнительная упругая связь - инерционный вибратор» по формуле для определения угловой частоты квазисвободных колебаний рабочего органа в колебательной системе (Способ получения и регулирования резонансных механических колебаний и устройство для его осуществления. Патент РФ на изобретение №2335351, 2008).
Описанные аналоги имеют недостаток: резонансные колебания рабочего органа возбуждаются на упругой связи, жестко соединенной с основанием. Такая связь оказывает значительное динамическое воздействие на основание. Практически эти способы могут быть осуществлены только в случае применения массивного фундамента.
Известен способ возбуждения колебаний заданной частоты в вибрационной резонансной системе с двумя степенями свободы, заключающийся в том, что на вибрационную резонансную систему воздействуют возмущающей силой, при этом для вибрационных систем с упругими элементами, имеющими билинейную характеристику с изломом в положении статического равновесия, частоту возмущающей силы выбирают близкой к сумме двух собственных частот 1 и 2 колебательной системы, которые определяют по соответствующей формуле (А.С. СССР 1269854, В06В 1/14).
Недостатком способа является необходимость применения уравновешивающей массы, которая, как правило, имеет величину того же порядка, что и масса рабочего органа. Это приводит к значительному увеличению металлоемкости и усложнению конструкции устройства для осуществления способа.
С другой стороны, известно такое физическое явление, как электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), иначе электронный спиновый резонанс (англ. electron spin resonance (ESR)) - резонансное поглощение излучения микроволновой частоты атомами, молекулами, ионами, кластерами, обладающими ненулевым электронным спиновым магнитным моментом. Если, помимо постоянного магнитного поля, наложить еще и переменное поле частоты v (микроволновые или радиочастотные излучения), то электроны приобретают возможность переходить с нижнего энергетического уровня на верхний за счет резонансного поглощения энергии переменного поля. При переходе неспаренного электрона из низшего энергетического состояния в высшее при условии hv=g Н происходит резонансное поглощение СВЧ-энергии. Явление поглощения электромагнитного излучения парамагнитным веществом в постоянном магнитном поле, открытое в 1944 г. Е.К. Завойским, получило название электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и стало одним из наиболее совершенных методов изучения свободных радикалов. Методу ЭПР посвящено много работ и специальных монографий (см., например, Экспериментальные методы химической кинетики. Под ред. Н.М. Эмануэля и М.Г. Кузьмина, Издательство МГУ, 1985). При обычно используемой в ЭПР напряженности поля 300 мТ значение частоты будет 9000 МГц, что соответствует длине волны излучения 3 см. Таким образом, спектры ЭПР получаются в микроволновой области (радарная область спектра). Сигнал ЭПР дает ценную информацию о химическом строении радикала, степени делокализации неспаренного электрона, о распределении спиновой плотности по различным атомам радикала. Согласно теории, микроволновое излучение с длиной волны 1-30 см представляет собой циклотронное излучение на низших гармониках гирочастоты. Оно возникает в неоднородном магнитном поле над солнечными пятнами в так называемых гирорезонансных слоях. Циклотрон - резонансный циклический ускоритель тяжелых частиц (протонов, ионов), работающий при постоянном во времени магнитном поле и при постоянной (но меняющейся при переходе от иона к иону) частоте ускоряющего высокочастотного электрического поля.
В качестве прототипа выбраны способ и устройство, описанные на стр. 34-36 в книге: Элементарный учебник физики. Под ред. акад. Г.С. Ландсберга. Том 111. Колебания, волны. Оптика. Строение атома. Изд. четвертое, исправленное. Изд-во "Наука". Главная редакция физико-математической литературы. М., 1966. Колебательная система, включающая груз, висящий на пружине, свободным концом пружины присоединена к механизму, позволяющему при вращении рукоятки механизма сообщать присоединенному концу пружины принудительное периодическое перемещение. Это приводит к возбуждению вынужденных колебаний груза на пружине. При увеличении частоты вращения рукоятки амплитуда вынужденных колебаний возрастает и достигает максимального значения при совпадении периода принудительного периодического перемещения с собственным периодом колебательной системы, т.е. при резонансе.
Приведенное описание устройства и особенностей его работы позволяет сформулировать следующие существенные признаки осуществленного в нем способа возбуждения резонансных механических колебаний, а также существенные признаки устройства.
Существенные признаки способа в прототипе: резонансные колебания массы на упругой связи возбуждают путем принудительного периодического перемещения противоположного конца упругой связи, принудительное периодическое перемещение конца упругой связи осуществляют с постоянной амплитудой относительно основания по схеме жесткой кинематической связи, изменяют период принудительного периодического перемещения и настраивают резонансные колебания заданной амплитуды.
Существенные признаки устройства в прототипе: устройство содержит массу, соединенную с упругим элементом, противоположный конец которого присоединен к механизму принудительного периодического перемещения, механизм закреплен на основании и выполнен с возможностью изменения периода принудительного периодического перемещения.
Недостатком описанных способа и устройства является то, что резонансные колебания массы возбуждаются на упругой связи, которая присоединена к основанию. Такая связь, как и в случаях с описанными выше аналогами, оказывает значительное динамическое воздействие на основание, что требует применения массивного фундамента. Использование же упругой связи низкой жесткости, обеспечивающей виброизоляцию устройства от основания, не приемлемо в силу низкой частоты собственных колебаний системы и получения вследствие этого незначительного виброускорения, что не приемлемо по требованиям современных технологий, осуществляемых с применением вибрационной техники.
Кроме того, важным недостатком прототипов для способа и устройства является то, что регулировка амплитуды резонансных колебаний осуществляется путем настройки на определенный период колебаний на резонансной кривой. Как показывают эксперименты, резонансные кривые для механических колебательных систем имеют остро вытянутый вид с узким диапазоном резонансных периодов колебаний. Это существенно затрудняет настройку контролируемого параметра (амплитуды или виброускорения) резонансных колебаний.
Задачей изобретения является возбуждение резонансных механических колебаний без применения уравновешивающей массы или фундамента при регулировании контролируемых параметров резонансных колебаний центральной массы (поля) путем добавления дополнительных внешних масс (полей).
Решение задачи достигается тем, что в предлагаемом способе регулирования резонансных колебаний, заключающемся в том, что резонансные колебания центральной цилиндрической или сферической массы (или физического поля), связанной с внешней массой (или взаимно проникающим полем), возбуждают путем принудительного периодического возбуждения, создаваемого, например, электромагнитным вибратором, предложено создавать дополнительные связанные с первыми двумя (центральной и внешней) и вращающиеся, например, синхронно и одновременно или по очередности программы управления с первыми сферические или, например, цилиндрические массы или взаимно проникающие поля.
Решение задачи достигается также тем, что заявляемое устройство для регулирования резонансных колебаний содержит центральную цилиндрическую или сферическую массу (или физическое поле), связанную с внешней массой (или взаимно проникающим полем), которую возбуждают путем принудительного периодического нагружения, создаваемого, например, электромагнитным вибратором, а также дополнительные связанные с первыми двумя (центральной и внешней) и вращающиеся, например, синхронно и одновременно или по очередности программы управления с первыми сферические или цилиндрические массы или взаимно проникающие поля.
Применение предложенных совокупностей существенных признаков позволяет получить новый технический результат: возбуждать резонансные механические колебания без применения уравновешивающей массы или фундамента при регулировании контролируемых параметров резонансных колебаний центральной массы (поля) путем добавления дополнительных вращающихся внешних масс (полей).
Анализ уровня техники в области вибрационной техники показал, что предложенные в способе и устройстве для его осуществления совокупности существенных признаков являются новыми, явным образом не следуют из уровня техники и таким образом предлагаемое изобретение является новым и имеет изобретательский уровень.
Сущность изобретения поясняется фигурами 1-11, на которых показаны принципиальные схемы цилиндрических и сферических моделей устройств для осуществления способа регулирования резонансных колебаний и расчетные графики зависимостей модулей перемещений от частоты нагружения для характерных узлов этих моделей. Анализ полученных графиков показывает, что добавление внешних вращающихся корпусов позволяет получать увеличение амплитуд боковых резонансных колебаний. Аналогичные явления проявляются на сферических вращающихся моделях, причем получаемые эффекты усиливаются, если допускается взаимное проникновение взаимодействующих полей или тел.
Устройство содержит центральную массу 1, на которой установлен, например, электромагнитный вибратор. Электромагнитный вибратор получает питание от блока управления. Центральная масса связана с внешней массой (полем) и дополнительными внешними массами (полями) 2 с помощью, например, упругих связей 3.
Устройство работает следующим образом.
Электромагнитный вибратор создает, например, вынуждающую силу инерции, совершающую принудительное периодическое перемещение. Благодаря этому возбуждаются вынужденные колебания массы 1. С помощью блока управления в режиме ручного регулирования настраивают амплитуду вынуждающей силы инерции на заведомо меньшее значение, чем требуется при номинальном режиме резонансных колебаний массы. Это необходимо для того, чтобы избежать перегрузки колебательной системы при резонансе. Изменяют период вынуждающей силы инерции на восходящей ветви резонансной кривой и настраивают контролируемый параметр резонансных колебаний на максимальное значение. После этого увеличивают амплитуду вынуждающей силы инерции и настраивают заданное значение регулируемого параметра резонансных колебаний массы. В случае, если по технологическим причинам произошло изменение массы, корректируют настройку сначала периода, а затем амплитуды вынуждающей силы инерции. А также подключают дополнительные связанные с первыми двумя и вращающиеся, например, синхронно и одновременно или по очередности программы управления с первыми сферические или цилиндрические массы или взаимно проникающие поля.
Способ регулирования резонансных колебаний и устройство для его осуществления реализуют следующим образом.
Электромагнитным вибратором создают вынуждающую силу инерции, под действием которой масса 1 получает принудительное периодическое перемещение. При этом амплитуду вынуждающей силы инерции настраивают на заведомо меньшее значение, чем требуется для номинального режима резонансных колебаний. Изменяют период вынуждающей силы инерции и настраивают регулируемый параметр резонансных колебаний массы 1 на максимальное значение. А также подключают дополнительные связанные с первыми двумя и вращающиеся, например, синхронно и одновременно или по очередности программы управления с первыми сферические или цилиндрические массы 2 или взаимно проникающие поля.
Предложенные способ и устройство в сравнении с прототипами имеют преимущество, т.к. позволяют возбуждать резонансные механические колебания без применения уравновешивающей массы или фундамента, а также регулировать контролируемые параметры резонансных колебаний массы.
Для частичной проверки возможности практического осуществления способа и устройства в домашних условиях были изготовлены картонные модели. Каждая модель представляла собой набор связанных между собой перемычками концентричных картонных кругов. Модели устанавливались в наружное приспособление ротора электродвигателя. При включении последнего модели раскручивались. При этом во всех случаях сразу улетали модели с числом кругов более 3. Модели с числом кругов до 3 могли долго вращаться и не отрываться от ротора.
Эксперименты показали принципиальную возможность практического осуществления заявляемого способа и устройства возбуждения и регулирования резонансных колебаний.
Таким образом, предложенное изобретение промышленно применимо.