УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ НАПРАВЛЕННОЙ СИЛЫ ИНЕРЦИИ
DEVICE FOR GENERATING DIRECTIONAL INERTIAL FORCE

Изобретение относится к техническим средствам возбуждения механических колебаний, используемым для осуществления циклического динамического воздействия различного типа.
Вибрация как частный случай результата циклического динамического воздействия широко используется в различных областях техники. При этом решается задача передачи механической энергии от источника колебаний объекту воздействия наиболее эффективным образом для качественного изменения его структуры. Основным источником возбуждения механических колебаний является сила инерции, возникающая при вращательном движении несбалансированных систем вокруг осей, не совпадающих с их центрами масс.
Особое место среди технических средств для возбуждения вибрации занимают вибровозбудители кривошипно-шатунного типа как позволяющие получать выраженные направленные колебания импульсного характера при существенной простоте конструкции. Также стоит отметить возможность использования источников направленных колебаний в качестве основы для создания инерционных двигателей.
Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности является устройство для получения силы инерции по полезной модели RU 83550 U1, МПК F03H 99/00 (2009.01), опубликовано 10.06.2009.
Устройство для получения силы инерции, направленной преимущественно в одну сторону, действующей без силового взаимодействия с окружающей средой и без потери массы, содержит корпус, центробежный вибровозбудитель направленного действия с приводом вращения дебалансов и устройством принудительной синхронизации их вращения, коромысло, шарнир, устройство удержания коромысла в заданном секторе его вращательных колебаний, устройство регулирования величины силы инерции, при этом коромысло соединено с одной стороны через шарнир с корпусом, а с противоположной стороны оно соединено жестко с корпусом вибровозбудителя. Направленная сила инерции на оси шарнира, генерируемая устройством, возникает в результате качаний (вращательных колебаний) коромысла под действием силы направленных колебаний закрепленного на конце коромысла дебалансного вибровозбудителя. Амплитуда вращательных колебаний при этом регулируется с помощью дополнительного устройства.
Недостатками прототипа являются сложность конструкции и высокие механические напряжения, возникающие в его узлах при работе, в особенности в шарнире, необходимость подключения источника внешней энергии к совершающим значительные перемещения элементам конструкции, принудительный характер возвращения коромысла в исходное положение при его вращательных колебаниях, а также значительные потери мощности при преобразовании энергии источника в энергию направленных колебаний.
Техническим результатом изобретения является повышение энергоэффективности процесса возбуждения направленных механических колебаний, упрощение конструкции, устранения необходимости подключения внешнего источника энергии к движущимся деталям устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для получения силы инерции, направленной преимущественно в одном направлении, действующем без силового взаимодействия с окружающей средой, содержащем корпус с возможностью подключения привода, коромысло, с одной стороны связанное с корпусом через ось с возможностью возбуждения вращательных колебаний относительно этой оси с установленным на одном конце коромысла дебалансом, согласно  заявляемому изобретению коромысло выполнено в виде шатуна, устройство содержит также кривошип, неподвижно закрепленный на дополнительной оси, установленной с возможностью вращения относительно корпуса, связанного с шатуном посредством подвижной втулки с отверстием, установленной с возможностью вращения относительно кривошипа и возможностью передачи вращательного движения шатуну для возбуждения его вращательных колебаний.
Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображено устройство для получения силы инерции (вид спереди), на фиг. 2 - его вид сбоку и на фиг. 3 представлен график функции зависимости генерируемой устройством направленной силы инерции от времени на одном периоде вращения кривошипа.
Устройство для получения силы инерции содержит корпус 1, кривошип 2, две оси - подвижную 3 и неподвижную 4, коромысло, выполненное в виде шатуна 5 с возможностью закрепления на его конце дебаланса 6, шатун 5 связан с кривошипом при помощи втулки 7, установленной с возможностью вращения.
Рабочий режим устройства осуществляется следующим образом. Вращение кривошипа 2 на подвижной оси 3 посредством коромысла, выполненного в виде шатуна 5, передается установленному на нем дебалансу 6, осуществляющему маятниковые вращательные колебания вокруг оси 4. При этом шатун 5 скользит относительно подвижной втулки 7, вращающейся вокруг оси, перпендикулярной поверхности кривошипа 2.
При равномерном вращении кривошипа с угловой скоростью ω, угол отклонения коромысла-шатуна с закрепленным на нем дебалансом от вертикальной оси у определится как
где введены обозначения:
R - радиус вращения втулки кривошипа;
h - расстояния между центрами осей 3 и 4;
Тогда центростремительное ускорение, определяющее силу инерции, может быть вычислено как
где r - радиус вращения центра масс системы «коромысло-дебаланс» величины m относительно оси 4.
Соответствующая сила инерции, генерируемая устройством и приложенная к оси качания кривошипа 4, есть
а ее проекция на вертикальную ось, положительное направление которой соответствует направлению от центра оси 3 к центру оси 4, определится как
График функции F(ωt,ε), определяющей зависимость величины силы (4) от времени на одном периоде вращения кривошипа, изображен на фиг. 3. Значение параметра ε=1/3 соответствует при этом конфигурации устройства, изображенной на фиг. 1 и фиг. 2. График на фиг. 3 и элементарный анализ формулы (4) показывают, что сила имеет выраженно направленный характер и величина силы не принимает отрицательных значений, так что энергия, сообщаемая устройству для возбуждения колебаний коромысла, выполненного в виде шатуна, не расходуется на генерирование колебаний в направлении, противоположном требуемому.
Положительное направление вертикальной оси соответствует направлению от центра оси 3 к центру оси 4.
Сила, генерируемая устройством, возникает как сила инерции дебаланса 6, прикладываемая к оси 4, неподвижно закрепленной на основании 1 в результате маятниковых колебаний коромысла с установленным на нем дебалансом. Отсутствие у силы инерции на оси 4 составляющей, направленной вверх, является отличительной особенностью заявляемой конструкции, позволяющей повысить энергоэффективность процесса генерирования направленных колебаний и уменьшить высокие механические напряжения в элементах конструкции, характерные для традиционных вибровозбудителей кривошипно-шатунного типа, а также устраняет приведенные выше недостатки устройства, выбранного в качестве прототипа.
Исследования, проведенные по источникам патентной и научно-технической информации, свидетельствуют об отсутствии источников, содержащих описание устройства для получения направленной силы инерции, обладающего заявляемой совокупностью признаков, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна».
Сила инерционного воздействия, генерируемая заявляемым устройством, имеет одно преимущественное направление и теряет импульсный характер, свойственный традиционным вибровозбудителям кривошипно-шатунного типа. Повышение энергоэффективности процесса возбуждения направленных механических колебаний обеспечивается полным устранением части периода, в котором генерируемая сила имеет направление, отличное от требуемого. Достижение этого технического результата при одновременном упрощении конструкции и устранении необходимости подключения внешнего источника энергии к движущимся деталям устройства позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию «изобретательский уровень».