Анализ целесообразности применения систем настройки при включении витых пружин в конструкцию ВЗУ

ПРИБОРЫ И МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

УДК 681.7

АНАЛИЗ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СИСТЕМ НАСТРОЙКИ ПРИ ВКЛЮЧЕНИИ ВИТЫХ ПРУЖИН В КОНСТРУКЦИЮ ВЗУ

Е.С. Бочарова, Н.А. Усенко

Витые пружины наиболее распространены при конструировании сложных ВЗУ последних поколений. При комплектовании данных устройств важную роль играет жесткость пружин, которая, как правило, или указана в техническом паспорте, или рассчитывается по формулам. Целью данного исследования является сравнение расчетной и реальной (опытной) жесткости пружин и получение данных о возможности использования расчетной жесткости пружины при расчете конструкции ВЗУ в целом.

Ключевые слова: вибрационные загрузочные устройства, упругие элементы, витые пружины, жесткость.

Упругие элементы занимают особое положение в системе привода ВЗУ. В ряде случаев с их помощью производится настройка на заданный режим работы привода (дорезонансный, резонансный, зарезонансный); определяются законы колебаний рабочего органа; реализуется заданный режим вибротранспортирования. В двухкомпонентных приводах с помощью упругих элементов можно устанавливать заданный сдвиг фаз между вертикальными и горизонтальными колебаниями.

Упругие системы связывают бункер с основанием. Такие системы позволяют усилить колебания рабочего органа ВЗУ - его чаши. Преобладающее большинство используемых устройств работает в околорезонанс-ном режиме, когда частота собственных колебаний чаши несколько больше частоты вынужденных колебаний, вызываемых вибровозбудителем.

Из упругих элементов связи чаши бункера с основанием наибольшее распространение получили пружинные стержни, винтовые пружины, торсионы и мембраны.

В ВЗУ применяются упругие элементы, выполненные в виде стержневых пластинчатых пружин и в виде витых пружин круглого, квадратного, прямоугольного и т. п. сечений. Реже в ВЗУ используют резиновые и резинометаллические упругие элементы, которые, как правило, выполняют роль амортизаторов.

Рассмотрим некоторые наиболее часто встречающиеся конструкции упругих систем ВЗУ:

1. Упругая система на наклонных пружинах в виде круглых или прямоугольных стержней. Один конец каждого стержня жестко закреплен в основании под некоторым углом к последнему. На другом конце стержня расположен рабочий орган. Рабочей длиной упругого элемента, определяющей его жесткость, является расстояние между нижней и верхней заделками. Изменяя рабочую длину упругого элемента, можно изменить его жесткость и тем самым осуществлять настройку ВЗУ на заданный режим. Колебания рабочего органа при такой упругой системе будут происходить в плоскости, перпендикулярной продольной оси упругого стержня, которая расположена под некоторым углом к горизонту.

Описанная упругая система характерна для ВЗУ с нераздельным (синхронным) приводом. Фазовый сдвиг между вертикальными и горизонтальными колебаниями равен нулю, а траектория движения рабочего органа — прямолинейна.

2. Упругая система в виде стержней круглого или какого-либо сечения со свободной заделкой концов, причем стержни установлены парами. Регулировка жесткости осуществляется перемещением крайних опор, в результате чего изменяется рабочая длина упругих элементов. Колебания происходят в плоскости, перпендикулярной продольной оси стержня. Данную упругую систему применяют в двухкомпонентных приводах для возбуждения вертикальных колебаний.

3. Упругая система в виде стержней круглого или прямоугольного сечения, устанавливаемых парами, но с жесткой заделкой концов стержней. Регулировка жесткости может осуществляться перемещением крайних опор, а также изменением силы зажима упругого элемента в опорах. В остальном данная упругая система аналогична предыдущей.

4. Упругая система в виде стержней круглого или прямоугольного поперечного сечения, устанавливаемых парами и свободно расположенными на трех опорах. Свободные концы стержней можно поджимать вплоть до жесткого их защемления. Помимо выше описанных способов регулировки жесткости в данной упругой системе можно изменять жесткость в широких пределах путем поджатия свободных концов упругого элемента. Данную упругую систему применяют в двухкомпонентных приводах для воз-

буждения вертикальных колебаний.

5. Упругая система в виде двух цилиндрических витых пружин растяжения. Незначительная регулировка жесткости возможна за счет натяжения пружин. Колебания рабочего органа происходят вдоль продольной оси пружины.

6. Упругая система в виде двух цилиндрических витых пружин растяжения с пробками. Для регулировки жесткости в данной упругой системе предусмотрены пробки, при ввинчивании которых число рабочих витков уменьшается, что приводит к увеличению продольной жесткости пружины. Колебания рабочего органа происходят в направлении продольной оси пружины.

7. Упругая система в виде двух цилиндрических витых пружин сжатия или растяжения. Колебания рабочего органа могут происходить как в направлении продольной оси пружины, так и в направлении поперечной оси. В данной системе регулируется поперечная жесткость путем изменения поджатия пружины. Если для заделки пружины применяют ввинчивающиеся пробки, то возможна регулировка и продольной жесткости.

8. Упругая система на витых цилиндрических пружинах, с компенсационной пружиной. Назначение третьей пружины компенсировать реакцию опор вала (на котором расположен рабочий орган), вызываемую двумя другими упругими элементами. При этом изменяется сила трения в опорах, что приводит к изменению фазы колебаний вследствие изменения коэффициента затухания системы.

9. Упругая система на витых конических пружинах. В ней в качестве упругих элементов используются конические витые пружины круглого или какого-либо иного сечения. Продольная жесткость таких пружин регулируется путем изменения величины поджатия. Нелинейный характер пружины существенно влияет на колебательный процесс.

10. Упругая система на витых цилиндрических пружинах с переменным шагом намотки. При поджатии такой пружины часть витков с малым шагом приходит в соприкосновение друг с другом и, тем самым, исключается из работы. Общее число витков уменьшается, что приводит к увеличению жесткости. Системы, в которых используются данные упругие элементы, являются нелинейными.

11 .Упругая система на пружине торсионного типа. Она предназначена для создания крутильных колебаний в плоскости, перпендикулярной продольной оси торсиона. Жесткость упругого элемента регулируется изменением расстояния между опорами.

12. Упругая система в виде двум пар витых, вертикально расположенных пружин сжатия и одновременно участвующая в колебаниях в вертикальной и горизонтальной плоскостях рабочего органа.

13. Упругая система аналогична предыдущей упругой системе, но с горизонтальным расположением.

14. Упругая система, комбинированная из двух предшествующих упругих систем [1].

С целью уменьшения передачи колебаний технологическому оборудованию при конструировании ВЗУ основание устанавливают на амортизационных резиновых или витых цилиндрических пружинах.

Витые пружины наиболее распространены при конструировании сложных ВЗУ последних поколений. При комплектовании данных устройств важную роль играет жесткость пружин, которая, как правило, или указана в техническом паспорте, или рассчитывается по формулам. Целью данного исследования является сравнение расчетной и реальной (опытной) жесткости пружин и получение данных о возможности использования расчетной жесткости пружины при расчете конструкции ВЗУ в целом.

Жесткость пружины определяется по формуле:

с _ Ой4 8ВЪп

где О - модуль сдвига (для пружинной стали 78500 МПа), й - диаметр прутка, мм, В - диаметр пружины, мм, п - число витков пружины.

Для пружин, принимавших участие в эксперименте, жесткость пружины изображается линейной зависимостью.

С помощью проведенных исследований на испытательном комплексе «1пв1хоп» были получены характеристики упругих элементов. Сводная таблица позволяет наглядно продемонстрировать отклонение расчетных данных от экспериментальных.

Расчетная и экспериментальная жесткость пружин

№ образца Число витков п Диаметр прутка 4 мм Диаметр пружины Б, мм Жесткость с (расчетная), Н/мм Жесткость с (опытная), Н/мм Откло- нение, %

1 5 4 23 73,99 80,99 9,46

2 5 4 26 47,66 52,52 10,19

3 5 5 29 89,63 97,94 9,27

4 7 4 26 34,05 36,07 5,93

5 5 6 38 78,41 85,99 9,67

6 5 7 40 132,45 142,18 7,34

7 5 8 40 247,81 269,60 8,79

8 6 6 36 79,3 85,03 7,23

9 5 8 46 147,99 156,17 5,53

10 4 12 54 693,59 732,32 5,58

11 5 10 51 287,65 299,18 4,01

12 5 12 52 642,33 698,51 8,75

13 3 16 70 1375,18 1435,20 4,36

14 6 12 67 205,91 214,16 4,01

Полученные данные демонстрируют отклонение расчетной жесткости от опытной в среднем на 7,15 %. Для настройки ВЗУ на необходимый режим работы отклонение такой величины имеет большое значение.

Был сделан следующий вывод: при расчете и конструировании привода ВЗУ следует руководствоваться не расчетными, а экспериментальными данными. При невозможности проведения испытаний следует включить в конструкцию привода системы настройки для компенсации возможных отклонений.

Список литературы

1. Усенко Н.А. Автоматические загрузочно-ориентирующие устройства. Ч. 2. Вибрационные загрузочные устройства. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. 151 с.

Бочарова Елена Сергеевна, аспирант, elenaboch14@gmail. com, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Усенко Николай Антонович, д-р техн. наук, проф., Россия, Тула, Тульский государственный университет

ANALYSIS OF THE NECESSITY OF SETTING SYSTEMS IN CASE OF APPLICATION COIL SPRINGS IN THE CONSTRUCTION OF VIBRATION BOOT DEVICE

E.S. Bocharova, N.A. Usenko

Coil springs are most common in the design of complex vibratory loading devices last generations. The important role played by the spring rate, which is usually specified in the data sheet, or calculated according to the formulas. The aim of this study is to compare the estimated and the actual (experimental) spring rates and to obtain the possibility of using the estimated stiffness of the spring during structure vibrating boot device as a whole.

Key words: vibrating feeders, elastic elements, coil springs, rigid.

Bocharova Elena, postgraduate, elenaboch 14@gmail. com, Russia, Tula, Tula State University,

Usenko Nicolay, doctor of technical sciences, professor, Russia, Tula, Tula State University