Роторно-маятниковый инерционный элемент
ROTARY-PENDULUM INERTIAL ELEMENT

Изобретение относится к вибрационной технике и может быть использовано во всех отраслях промышленности для возбуждения механических колебаний в любом направлении.
Общим названием «инерционный элемент» обозначают деталь или изделие, предназначенное для создания инерционных сил (воздействий).
Существующие инерционные элементы, использующиеся в качестве возбудителей механических колебаний, представляют собой неуравновешенную деталь (дебаланс), в которой геометрический центр тяжести смещен относительно оси вращения. В результате действия гравитационной силы образуется статический момент. Для создания вынужденных колебаний дебаланс устанавливается на приводной вал, который жестко связан с несущим телом (рабочим органом). Не смотря на простоту конструкции такого инерционного элемента его практическое использование приводит к ряду проблем:
1. Наличие статического момента, а также необходимость быстрого прохождения резонансной области требует в 5-6 раз [1] завышать установочную мощность приводного двигателя по сравнению с мощностью, необходимой для поддержания режима вынужденных колебаний.
2. Режим вынужденных колебаний приводит к высокой нагрузке подшипниковых опор приводного вала, тем самым, снижая их долговечность и повышая энергозатратность двигателя.
3. Чувствительность к изменению технологической нагрузки [2] и эффект Зоммерфельда [3] приводят к невозможности получения стабильного резонансного (энергосберегающего) режима колебаний, что дополнительно отрицательно сказывается на энергоэффективности вибрационной машины в целом.
Приведенные недостатки решаются применением прототипа, приведенного на фиг. 1, в котором реализуются режимы комбинационного параметрического резонанса [4], [5].
0
Уравновешенный маховик 1 (фиг. 1) указанных прототипов имеет минимум три равномерно расположенные по окружности беговые дорожки 2 кругового профиля, центры кривизны которых смещены от оси вращения маховика на одинаковые расстояния АВ=l. На беговых дорожках размещены одинаковые уравновешенные бегунки 3 массой m каждый с возможностью обкатки. Количество бегунков равно количеству беговых дорожек. Маховик массой m в собранном виде жестко закрепляется на приводной вал.
0
0
0
Устройство работает следующим образом. Энергия к колебательной системе вибровозбудителя подводится за счет равномерного вращения маховика 1 с угловой скоростью ω. При настройке v=0,25 (v - безразмерный параметр, определяющий собственную частоту качаний бегунков во вращающейся системе координат) и выполнении порогового условия возбуждения  самовозбуждается многократный комбинационный параметрический резонанс, удовлетворяющий соотношению  Здесь ω - частота вращения маховика,  - частота генерации бегунков маховика, которая близка к их собственной частоте качаний,  - коэффициент пропорциональный отношению общей массы осцилляторов качения к массе М всей системы (коэффициент возбуждения),  n - безразмерные коэффициенты линейного демпфирования соответственно бегунков и упругой системы рабочего органа массой М,  - собственная частота колебаний массы М, N - количество бегунков.
Недостатками данного прототипа являются:
1. Применение вибровозбудителя для возбуждения преимущественно однонаправленных прямолинейных колебаний несущего тела (рабочего органа) и только строго в вертикальной плоскости [6], [7]. При отклонении оси вращения маховика от горизонтальной плоскости, на бегунок кроме силы трения качения начинает действовать (со стороны реборд) сила трения скольжения, повышающая демпфирование и увеличивая пороговое условие возбуждения комбинационного параметрического резонанса. Наибольшее значение силы трения на ребордах возникает при расположении оси вращения маховика в вертикальной плоскости, что весьма негативно сказывается на возбуждение круговых колебаний [8], необходимых для выполнения вибрационных технологических процессов.
2. Нестабильность обкатки бегунков, обусловленная наличием гарантированного зазора между ребордой бегунка и беговой дорожкой. На практике [9] это проявляется в виде подклинивания бегунков и соударений их реборд с беговой дорожкой.
Задачей изобретения является решение и устранение указанных недостатков прототипа при одновременном повышении качественных и эксплуатационных показателей вибрационного привода.
Техническим результатом изобретения является повышение стабильности резонансного режима колебаний в системе с неуравновешенными вращающимися и колеблющимися телами при любом угловом отклонении оси вращения маховика от горизонтальной плоскости при одновременном снижении порогового условия возбуждения.
Этот технический результат достигается тем, что индивидуальные беговые дорожки маховика выполнены в виде, по меньшей мере, трех незамкнутых равномерно расположенных по окружности тороидальных полостей, а бегунки имеют сферический профиль с возможностью обкатки.
Схема такого устройства представлена на фиг. 2. Разумное и несущественное изменение конструкции маховика 1, заключающееся во введении тороидальных полостей 2, позволяет использовать универсальные бегунки 3 в виде шаров (сферы), что позволяет при их обкатке полностью заменить трение скольжение на трение качения, тем самым существенно снизить пороговое условие возбуждения комбинационного параметрического резонанса.
Простота и надежность предлагаемой конструкции, малые габариты и вес, позволяют использовать предложенный роторно-маятниковый инерционный элемент для возбуждения резонансных колебаний рабочего органа в различных направлениях при любом пространственном положении маховика.
Данное изобретение разработано и создано по выше высказанным соображениям. Его испытания, а также проводимые на нем эксперименты подтвердили надежную и стабильную работу резонансного режима колебаний.
Предложенный роторно-маятниковый инерционный элемент обладает важными преимуществами и достоинствами:
1. Тороидальные полости маховика, служащие беговыми дорожками, вкупе с шаровыми бегунками позволяет произвольно располагать его в составе технологической машины. Данное обстоятельство особенно важно для возбуждения устойчивых колебаний рабочего органа вибрационной машины по требуемым технологическим процессом траекториям.
2. Наличие только трения качения на бегунках уменьшает пороговое условие возбуждения параметрического резонанса (коэффициент возбуждения е) что, при прочих равных, позволяет уменьшить их массу при одновременном 100% выходе вибромашины на рабочий резонансный режим.
3. Исключение реборд позволяет получить стабильную обкатку бегунков, исключить их заедание и снизить шумность.
В результате, предлагаемое устройство имеет все преимущества инерционных элементов как аналогов, так и прототипов и не имеет их недостатков.
Анализ показывает, что предлагаемое изобретение удовлетворяет предъявляемым к нему трем основным критериям - «новизна», «промышленная применимость» и «изобретательский уровень».
Источники информации:
1. Гончаревич И.Ф. Вибрация - нестандартный путь. М.: Наука, 1986. С. 8;
2. Вибрация в технике: Справочник в 6 томах. Т. 4. Вибрационные процессы. М.: Машиностроение, 1981, с. 139-141, с. 351;
3. Вибрация в технике: Справочник в 6 томах. Т. 3. Колебания машин, конструкций и их элементов. М.: Машиностроение, 1980, с. 377;
4. Антипов В.И. Вибровозбудитель: Патент №2072660 РФ МКИ В06В 1/16//Бюл.№3, 1997;
5. Антипов В.И. Вибровозбудитель: Патент №2072661 РФ МКИ В06В 1/16//Бюл.№3, 1997;
6. Антипов В.И., Антипова Р.И., Кошелев А.В., Денцов Н.Н. Вибрационная транспортирующая машина: Патент №2532235 РФ МКИ В06В 1/00//Бюл. №30, 2014;
7. Антипов В.И., Асташев В.К. О принципах создания энергосберегающих вибрационных машин // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2004. - №4. - С. 3-8;
8. Антипов В.И., Денцов Н.Н., Кошелев А.В. Динамика параметрически возбуждаемой вибрационной машины с изотропной упругой системой // Фундаментальные исследования. 2014. - №8, часть 5. - с. 1037-1042;
9. Кошелев А.В., Ермолаев А.А. Вибрационная измельчительная машина: Патент №2604005 РФ МКИ В02С 19/00 // Бюл. №34, 2016.