ВИБРАЦИОННАЯ ТРАНСПОРТИРУЮЩАЯ МАШИНА
VIBRATION TRANSPORTING MACHINE

Изобретение относится к вибрационной технике и может быть использовано во всех отраслях промышленности для транспортирования различных кусковых и сыпучих материалов в пылеплотном или герметичном исполнении и, если необходимо, одновременной обработки сыпучих грузов (классификация, дозирование, смешивание, сушка, уплотнение).
Общим названием вибротранспортирующая машина (ВТМ) обозначают группу машин: вибрационные конвейеры, вибрационные питатели, вибрационные грохоты, питатели-грохоты и т.п.
Для привода ВТМ используют инерционные (дебалансные), эксцентриковые, электромагнитные, гидравлические и пневматические вибровозбудители.
В настоящее время в подавляющем большинстве ВТМ работают в режиме вынужденных колебаний с зарезонансной настройкой. Резонансные режимы работы ВТМ, являющиеся энергетически наиболее эффективными, практически нереализуемы из-за их низкой стабильности при обычном резонансе вынужденных колебаний.
Некоторое распространение в промышленности получили и резонансные машины с электромагнитным приводом небольшой производительности. При допустимых размерах электромагнитного вибровозбудителя требуемую амплитуду колебаний рабочего органа можно получить только в околорезонансном режиме, который характеризуется низкой стабильностью. При этом имеет место значительное изменение амплитуды колебаний при изменении материала на рабочем органе, что приводит к снижению интенсивности технологического процесса [Вибрации в технике в 6 томах. Т.4. Вибрационные процессы. М.: Машиностроение, 1982. С.257].
В современных конструкциях зарезонансных ВТМ широкое применение получили самосинхронизирующиеся инерционные (дебалансные) вибровозбудители и мотор-вибраторы, упрощающие компоновку и повышающие надежность конструкции [Блехман И.И. Что может вибрация? О «вибрационной механике» и вибрационной технике. М.: Наука, 1988. С.135].
В статье [Антипов В.И., Палашова И.В. Динамика резонансной транспортно-технологической машины // Вестник Нижегородского университета им. Н.И.Лобачевского. 2010.3(1), с.141-147] предложена двухмассная транспортирующая машина с одним параметрическим (резонансным) вибровозбудителем. Недостатком этой машины является то, что вынуждающая сила постоянна по величине, но непрерывно меняется по направлению. В результате возбуждаются дополнительные «паразитные» колебания рабочего органа в поперечном направлении. Для исключения «паразитных» колебаний необходимо, чтобы вынуждающая сила действовала по прямой, периодически меняясь по величине и направлению. Такую силу можно получить путем применения двух одинаковых параметрических (резонансных) вибровозбудителей, вращающихся в противоположных направлениях [Патент № 2441714 РФ, МКИ В06В 1/10. Способ возбуждения резонансных механических колебаний / Антипов В.И., Антипова Р.И., опубл. 10.02.2012. Бюл.№4].
В качестве прототипа принята двухмассная ВТМ с зарезонансной настройкой, содержащая рабочий орган, опирающийся с помощью упругих связей на реактивную массу (на реактивную часть машины), которая установлена на основание через амортизаторы малой жесткости, и вибровозбудитель, закрепленный на реактивной массе, в виде двух спаренных самосинхронизирующихся инерционных (дебалансных) вибраторов с направленной вынуждающей силой [Спиваковский А.О., Гончаревич И.Ф. Вибрационные конвейеры питатели и вспомогательные устройства. М.: Машиностроение, 1972, с.17, рис.6, в. Вибрации в технике. Справочник в 6 томах. Т.4. Вибрационные процессы. М.: Машиностроение, 1981, с.308, рис.4, в].
Прототип имеет следующие недостатки.
- Создаваемые при вращении дебалансов большие центробежные силы нагружают подшипники вибровозбудителя. Это снижает их ресурс, влечет большой непроизводительный расход энергии на преодоление сопротивлений вращению вала.
- Применение инерционных (дебалансных) вибровозбудителей в низкочастотных режимах нерационально, так как в этом случае необходимо значительно увеличить массу дебалансов для получения достаточно большой амплитуды вынуждающей силы.
- При зарезонансной настройке для преодоления области интенсивных колебаний нужно иметь двигатель, мощность которого в 5-6 раз превышает мощность, необходимую для работы в зарезонансном режиме.
- В зарезонансном режиме работы ВТМ энергия вибровозбудителя расходуется не только на преодоление сил трения, но и на преодоление сил инерции масс системы.
Эти недостатки устраняются предлагаемым решением. Решается задача по созданию принципиально новой энергосберегающей многовибраторной ВТМ на многократном комбинационном параметрическом резонансе с расширением функциональных и эксплуатационных возможностей.
Технический результат - это достижение высокой стабильности резонансного режима работы машины при высокой добротности ее колебательной системы, что открывает большие возможности в отношении создания энергосберегающих ВТМ с виброизоляцией и динамического уравновешивания колеблющихся масс с проявлением синергетического эффекта, т.е. взаимного стимулирования колебаний масс системы.
1
2
1
1
пр
1
2
1
2
1
2
<mrow><msub><mi>λ</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><mi>C</mi><mo>/</mo><msub><mi>M</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi></mrow></msub></mrow></msqrt></mrow>
Этот технический результат достигается тем, что в вибрационной транспортирующей машине, включающей рабочий орган, соединенный упругой связью с реактивной частью, несущей средство для сообщения резонансных однонаправленных колебаний, и амортизаторы малой жесткости, средство для сообщения резонансных однонаправленных колебаний выполнено в виде смонтированных на реактивной части машины, по меньшей мере, пары одинаковых параметрических вибровозбудителей, установленных с возможностью вращения роторов инерционных элементов в противоположных направлениях в вертикальных плоскостях и приводимых во вращение от независимых электродвигателей, а резонансная частота средства для сообщения резонансных однонаправленных колебаний определяется из соотношений ω=λ+λ, λ=v·ω, 0<v<1, где ω - усредненное значение парциальных угловых скоростей роторов, λ - эффективная собственная частота качающихся маятников роторов инерционных элементов,
- парциальная собственная частота рабочего органа, соответствующая противофазной форме однонаправленных свободных колебаний, M=MM/(M+M) - приведенная масса, C - жесткость упругой связи, M - масса рабочего органа, M - общая масса реактивной части машины.
В предложенной ВТМ одновременно проявляются эффекты как маятниковой, так и роторной самосинхронизации.
1
2
Схема вибрационной транспортирующей машины изображена на фиг.1, 2. Две массы машины M и M, одна из которых - рабочий транспортирующий орган 1, а другая - реактивная 2, соединены между собой основной упругой связью 3 жесткостью C (фиг.1). На реактивной массе закреплено средство для сообщения однонаправленных резонансных колебаний в виде, по меньшей мере, пары одинаковых самосинхронизирующихся параметрических вибровозбудителей 4 с возможностью вращения в противоположных направлениях. Рабочий транспортирующий орган 1 опирается на основание 5 через амортизаторы 6 малой жесткости (вспомогательные упругие связи). Плоскости вращения роторов располагаются в вертикальных плоскостях.
2
1
2
За рабочие колебания принимаются резонансные колебания на частоте λ, соответствующей поступательной противофазной форме свободных колебаний масс M и M в направлении оси ox.
Парциальная собственная частота рабочего органа определяется по формуле:
<mrow><msub><mi>λ</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><mi>C</mi><mo>/</mo><msub><mi>M</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi></mrow></msub></mrow></msqrt></mrow>
,
пр
1
2
1
2
где M=MM/(M+M) - приведенная масса системы.
Для свободных колебаний имеет место соотношение:
1
2
2
1
1
2
A/A=M/M=l/l,
1
2
1
2
1
2
где A, A - амплитуды колеблющихся масс M и M, l, l - координаты центра масс системы.
При этом предполагается, что форма стационарных резонансных колебаний совпадает с формой свободных колебаний (постулат Видлера).
На фиг.2 показана схема инерционного элемента (ИЭ) параметрического вибровозбудителя.
Ротор этой системы набирается из отдельных одинаковых уравновешенных дисков 7 с барабанными частями. В каждом диске образована пара незамкнутых беговых дорожек 8 кругового профиля, которые расположены симметрично относительно двух взаимно перпендикулярных его диаметров, а их центры смещены от оси вращения ротора в диаметрально противоположных направлениях на одинаковые расстояния AB=l. На беговых дорожках размещены одинаковые уравновешенные тела качения (маятники) 9 с возможностью обкатки. Диски соединяются в единую конструкцию так, что в смежных дисках оси обкатки повернуты вокруг оси вращения ротора на одинаковый угол γ=π/s, где s - число дисков (четное число). Ротор ИЭ содержит N=2s тел качения.
Число дисков устанавливается в зависимости от мощности машины и требуемой амплитуды колебаний рабочего органа. Роторы двух идентичных ИЭ в собранном виде жестко крепятся на консольных концах вала электодвигателя асинхронного типа или электродвигателя постоянного тока с одинаковой ориентацией беговых дорожек. В этом случае вибровозбудитель представляет собой мотор-вибратор и включается в колебательную систему вибромашины. В других случаях предпочтительнее вибровозбудитель, получающий вращение от отдельного электродвигателя, вынесенного из колебательной системы машины.
Далее будем предполагать, что s=2, а параметрический возбудитель колебаний представляет собой мотор-вибратор. Система координат o'x'y'z' с началом в центре масс роторно-маятниковой системы (без тел качения) каждого из вибровозбудителей движется поступательно относительно неподвижной oxyz, причем ось z параллельна осям вращения роторов. С центром каждого диска роторно-маятниковой системы связана подвижная система Ax'y'z', оси которой параллельны соответствующим осям системы o'x'y'z' (фиг.2).
<mrow><msubsup><mi>ψ</mi><mi>k</mi><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>ω</mi><mi>t</mi><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msubsup><mo>+</mo><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>k</mi><mo>/</mo><mi>N</mi><mo>,</mo><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>1,2,</mn><mo>…</mo><mi>N</mi><mo>,</mo><mi>N</mi><mo>=</mo><mn>4</mn></mrow>
<mrow><msubsup><mi>ϕ</mi><mi>k</mi><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msubsup></mrow>
(i)
1
2
1
2
Вертикальная плоскость oxy принимается за основную плоскость, относительно которой роторы ИЭ совершают плоское движение. Рассматриваются однонаправленные колебания активной и реактивной масс в направлении оси ox. Необходимая форма траектории обеспечивается направленной жесткостью основной упругой системы, например малогистерезной плоскорессорной упругой системой. Ориентация центров кривизны беговых дорожек (осей обкатки) определяется углами
. Здесь N - число беговых дорожек одного ротора вибровозбудителя, ω - парциальная частота вращения i-го вибровозбудителя, i=1,2. За обобщенные координаты принимают углы
, определяющие положения тел качения одного ротора i-го вибровозбудителя, и перемещения x, x масс M, M. Предполагается, что тела качения другого ротора определяются теми же углами.
i
B
c
k
1
2
<mrow><mi>v</mi><mo>=</mo><msqrt><mrow><mi>m</mi><msub><mi>ρ</mi><mi>c</mi></msub><mi>l</mi><mo>/</mo><msub><mi>J</mi><mi>B</mi></msub></mrow></msqrt></mrow>
При равномерном вращении вибровозбудителей, каждый из них образует в поле центробежных сил инерции подсистему 2N одинаковых осцилляторов качения (маятников) с осями обкатки в центрах кривизны беговых дорожек и одинаковыми парциальными собственными частотами λi=v·ω во вращающейся вместе с ротором системе координат. Здесь
- безразмерный коэффициент, m - масса тела качения, J - момент инерции тела качения относительно оси обкатки, l=AB, ρ=BC. Вторую подсистему осцилляторов образуют упругосвязанные массы M и M.
1
2
1
c
2
1
2
2
2
2
2
1
2
1
2
1
2
2
<mrow><mi>ε</mi><mo>></mo><mi>σ</mi><mn>8</mn><mi>v</mi><msub><mover accent="true"><mi>n</mi><mo>˜</mo></mover><mn>0</mn></msub><mover accent="true"><mi>n</mi><mo>˜</mo></mover><mo>/</mo><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>v</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>n</mi><mo>˜</mo></mover><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>n</mi><mn>0</mn></msub><mo>/</mo><msub><mi>λ</mi><mn>2</mn></msub></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>n</mi><mo>˜</mo></mover><mo>=</mo><mi>n</mi><mo>/</mo><msub><mi>λ</mi><mn>2</mn></msub></mrow>
2
Рассмотрим случай работы одного параметрического вибровозбудителя. Пусть роторы ИЭ вращаются с постоянной угловой скоростью ω. Равномерное вращение роторов приводит к периодическому изменению во времени инертных свойств колебательной системы машины с периодом 2π/ω. При настройке ω=λ+λ, где λ=v·ω, v=0.25, и выполнении порогового условия
самовозбуждается многократный комбинационный параметрический резонанс. Здесь ε=vNµ/2, µ=mρ/(Ml), σ=2;
,
- относительные коэффициенты линейного демпфирования соответственно осцилляторов качения и масс M, M. Вследствие качаний маятников ИЭ их общий центр масс описывает окружность в плоскости o'x'y'. Угловая скорость его вращения Ω по этой окружности равна приблизительно частоте λ свободных колебаний рабочего органа. Иначе говоря, автоматически образуется неуравновешенность ИЭ «невидимый дебаланс». Поскольку Ω≈λ, то неуравновешенная центробежная сила инерции будет возбуждать резонансные колебания масс M и M, а колебания этих масс вызывают колебания осцилляторов качения (маятников). В результате реализуется синергетический эффект, т.е. взаимное стимулирование колебаний элементов системы. В резонансной зоне выполняется соотношение ω=Ω+Ω, где Ω≈v·ω, Ω≈λ - некратные частоты генерации осцилляторов качения и рабочего органа соответственно. При этом осцилляторы качения самосинхронизируются по Гюйгенсу, автоматически компенсируя погрешности изготовления роторно-маятниковой системы.
В зоне многократного комбинационного параметрического резонанса ВТМ приобретает новые свойства.
(1)
(2)
(1)
(2)
2
2
2
2
1
2
1
2
2
При совместной работе параметрических вибровозбудителей с близкими парциальными угловыми скоростями ω, ω осуществляется их самосинхронизация по типу неуравновешенных роторов. В результате устанавливается синхронный режим, при котором общий центр масс качающихся маятников каждого из вибровозбудителей «невидимый дебаланс» вращается вокруг их осей с одинаковой угловой скоростью Ω≈λ в противоположных направлениях, сообщая рабочему органу прямолинейные колебания, тогда как угловые скорости самих роторов могут быть различными. При вращении «невидимых дебалансов» возникает суммарная вынуждающая сила в направлении оси ox, изменяющаяся периодически с частотой Ω≈λ≈0.75ω, где ω=(ω+ω)/2 - усредненные значения парциальных угловых скоростей вибровозбудителей. При настройке ω=λ+λ, λ=v·ω, v=0.5 возбуждаются прямолинейные колебания рабочего органа с частотой Ω≈λ≈0.5ω.
При совместной работе параметрических вибровозбудителей настройка ВТМ формально не меняется, но под величиной со следует понимать среднюю угловую скорость вращения вибровозбудителей.
В настоящее время возрос интерес к проблеме снижения частоты колебаний ВТМ. Это объясняется тем, что интенсификация некоторых технологических процессов связана с применением низкочастотных механических колебаний, например, для подачи тонкодисперсных материалов, нанопорошков.
1
2
1
2
2
Генерирование низкочастотных колебаний можно осуществить при настройке ω=λ+λ, где λ=v·ω, v=0.5. В этом случае самовозбуждаются прямолинейные колебания с частотой Ω≈λ≈0.5ω. Уменьшение частоты колебаний рабочего органа ВТМ при неизменной амплитуде снижает скорость транспортирования приблизительно во столько же раз, во сколько раз уменьшилась частота. Поэтому для сохранения необходимой скорости следует увеличить амплитуду колебаний, что для резонансной машины не представляет проблемы.
Предложенная резонансная вибрационная транспортирующая машина обладает важными достоинствами, которые наделяют ее новыми качествами.
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>/</mo><msup><mrow><mo stretchy="false">[</mo><msubsup><mi>λ</mi><mn>2</mn><mo>∗</mo></msubsup><mo>/</mo><msub><mi>λ</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo stretchy="false">]</mo><mo>=</mo><mn>4,</mn><mtext> </mtext><msubsup><mi>λ</mi><mn>2</mn><mo>∗</mo></msubsup><mo>/</mo><msub><mi>λ</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
1. Воспроизведение стабильных резонансных колебаний рабочего органа большой амплитуды и низкой частоты, причем снижение частоты обеспечивается без применения дополнительных преобразователей частоты. Снижение частоты колебаний в два раза приводит к уменьшению сил инерции тоже в два раза. Во столько же раз уменьшается нагрузка на опорные конструкции. Кроме того, жесткость дорогостоящей упругой системы уменьшается в четыре раза
. Снижается также шум машины.
2. Производительность ВТМ легко изменяется на ходу от нуля до максимума путем изменения амплитуды колебаний. При этом амплитуда колебаний может регулироваться в широких пределах за счет плавного изменения частоты вращения вибровозбудителей. Для прекращения подачи материала достаточно вывести машину из резонансной зоны (без выключения вибровозбудителей). Это позволяет эффективно применять резонансную ВТМ в автоматизированных линиях, а также в тех случаях, когда необходима дозированная или регулируемая подача материала.
3. Резонансная ВТМ характеризуется малой энергоемкостью. Установочная мощность вибропривода снижается более чем в два раза по сравнению с используемыми в промышленности инерционными или кинематическими вибровозбудителями.
4. Проявляется способность ВТМ к самосинхронизации и самоорганизации резонансных колебаний, т.е. машина включает в себя элементы технического интеллекта.
5. Предложенная ВТМ обладает достоинствами машин с инерционным (дебалансным) и электромагнитным вибровозбудителями и не имеет их недостатков.
Анализ показывает, что предлагаемое решение соответствует критериям «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость».