Способ и устройство снижения динамических нагрузок и потребляемой мощности
METHOD AND DEVICE FOR REDUCING DYNAMIC LOADS AND POWER CONSUMPTION

Предлагаемое изобретение относится к отраслям промышленности, в которых используются вибрационные аппараты (грохоты) с фиксированной (замкнутой) кинематикой для физического разделения материала по крупности. Непременной особенностью таких аппаратов является наличие циклически перемещающихся частей (например, блоков сит) и, как следствие, возникновение динамических нагрузок на элементы конструкции, которые (нагрузки) передаются на фундаменты. Известна зерноочистительная машина (RU 2628433 С2, В07В 1/30 опубл. 16.08.2017), содержащая два решетных стана (сита) расположенных в два этажа на подвесках и стойках, и приводной вал для сообщения станам противофазных колебаний. С точки зрения динамических нагрузок и мощности привода такой способ сообщения движения ситам нерационален, так как предполагает значительные динамические нагрузки на элементы конструкции, неравномерную нагрузку на привод и, как следствие, повышенную мощность привода. Это обусловлено тем, что две подвижные массы всегда движутся в противоположных направлениях. В этом случае суммарная кинетическая энергия масс дважды за цикл меняется от нуля до максимального значения. Одним из аналогов является известный способ уменьшения вибрации здания и улучшения условий работы привода, при котором грохоты соединяют попарно на общей фундаментной раме и приводят в движение от одного вала, причем, совместные качания грохотов производятся в противоположных направлениях («Общая химическая технология топлива» под редакцией С.В. Кафтанова. Издание второе. «Государственное научно-техническое издательство химической литературы» Москва 1947 Ленинград» стр. 53, 54). В этом случае силы инерции подвижных масс уравновешивают друг друга, что в значительной мере решает проблему динамических нагрузок на фундамент и строительные конструкции. Однако, потребляемая объединенным приводом мощность удваивается, так как перемещаемая масса увеличилась вдвое, а закон ее движения остался прежним. Динамические нагрузки «сгладились», но не исчезли совсем, так как возросла реакция более мощного привода на элементы его крепления. Возросла громоздкость конструкции, снизилась ее оперативность и востребованность, она экономически невыгодна при небольших производствах.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению (прототипом) является способ, реализованный в двухситовом быстроходном качающемся грохоте БКГ (П.М. Сиденко «Измельчение в химической промышленности», издание второе, переработанное. Издательство «Химия» Москва 1977. стр 256). Грохот состоит из двух коробов с ситами, подвешенными к раме на подвесках, и привода с эксцентриковым валом и шатунами. На валу выполнены эксцентрики для каждого короба. Эксцентрики вала верхнего и нижнего коробов повернуты относительно друг друга на угол 180 градусов, что обеспечивает качание коробов в разные стороны и уравновешивание качающихся масс. То есть уравновешивание разделенных на две части подвижных масс осуществляется движением этих частей в «противофазе» по скорости. Такой способ уравновешивания динамических сил эффективен, однако, в этом случае подвижные массы всегда имеют одинаковый модуль величины скорости. Вся подвижная масса (то есть обе ее части) из положения с нулевой скоростью (так называемая «мертвая точка») разгоняется до максимальной скорости, затем, опять же, вся масса, тормозится до нулевой скорости. Ранее набранная кинетическая энергия рассеивается в элементах конструкции, возврат ее в систему (рекуперация) здесь невозможен, так как при жесткой кинематике это привело бы, например, к увеличению скорости вращения якоря асинхронного электродвигателя (в приводе), что невозможно. То есть в каждом новом цикле привод вынужден возобновлять кинетическую энергию в полной мере, отсюда и завышенная потребная мощность привода.
Целью предлагаемого технического решения является снижение динамических нагрузок и мощности привода путем рекуперации кинетической энергии участвующих в движении масс. Это достигается путем (способом) разделения подвижных частей на две примерно равновеликие приведенные массы и придания каждой из них перемещений, согласованных между собой таким образом, что максимальному значению модуля скорости одной части соответствует нулевая скорость другой части и наоборот. То есть, части движутся в «противофазе» по ускорению. Когда массе с минимальной (нулевой) скоростью «пришло время разгоняться», то второй массе в это же время «пришло время замедляться», и, ставшая «лишней» часть кинетической энергии замедляемой массы переходит к разгоняемой массе. При этом привод на участвует в процессе перераспределения энергии, он только восполняет энергию, израсходованную на продвижение грохотимого материала. Происходит процесс, известный в технике как «рекуперация», динамическое уравновешивание обеспечивается на протяжении всего цикла колебания и будет воспроизводится в каждом цикле.
На Фиг. 1 изображен один цикл характерной зависимости скорости (v) от времени (t) для случая вынужденного циклического движения массы под действием привода с замкнутой (фиксированной) кинематикой. Из теоретической механики известно, что такая кривая близка к синусоиде. Привод может быть, например, эксцентриковый. Характерными элементами этой кривой являются:
- точки 1, в которых скорость равна нулю, так называемые «мертвые точки»;
- точки 2, точки максимального значения модуля скорости;
- отрезок 3, максимальное значение модуля скорости;
- участки 4 (восходящая ветвь между точками 1 и 2), на которых модуль скорости растет от нуля до максимума (участки разгона);
- участки 5 (нисходящая ветвь между точками 2 и 1), на которых модуль скорости падает от максимума до нуля (участки торможения).
Особенностями циклического движения являются:
- в точках 1 происходит изменение направления движения массы на противоположное;
- вне зависимости от характера изменения скорости (растет или падает) участки кривой, расположенные над осью абсцисс (отложено значение времени), указывают на условно положительное направление движения, а участки под осью абсцисс - противоположное направление движения.
На Фиг. 2 изображены характерные зависимости скорости (кривые 6 и 7) от времени для случая, когда снижение динамических нагрузок осуществляется по способу движения двух частей в «противофазе по скорости» (прототип). При этом все характерные элементы (точки нулевой скорости «1», максимальной скорости «2», участки разгона «4», участки торможения «5») подвижные части проходят одновременно. То есть скорости всегда противоположно направлены и равны между собой по модулю. Кривые «6» и «7» всегда находятся по разные стороны оси абсцисс, то есть части масс всегда движутся в противоположных направлениях. Следует заметить, что максимальное значение модуля скорости (отрезки 3) также наступает одновременно. Это и обуславливает основной недостаток такого способа: за одну четвертую часть полного цикла движения подвижные массы меняют кинетическую энергию от нуля в («мертвой точке») до максимальной. Нагрузка на привод не равномерна, ее максимальное значение определяет необходимую мощность привода.
На Фиг. 3 изображены кривые 6 и 7: зависимости скорости от времени для случая, когда снижение динамических нагрузок осуществляется по предлагаемому способу: «движение двух частей в противофазе по ускорению». При этом все характерные элементы (участки разгона, торможения, точки максимальной и нулевой скорости) части проходят не одновременно, а по согласованному между собой закону таким образом, что их ускорения всегда находятся в противофазе. Части как бы «отталкиваются» друг от друга. В течение цикла, например, участку разгона 4 кривой 6 соответствует участок торможения 5 кривой 7, затем такие участки кривых меняются ролями. Максимальное значение модуля скорости (отрезки 3) достигается поочередно. Это позволяет значительно снизить динамические нагрузки на элементы конструкции и фундамент. За цикл такие перемены происходят четыре раза. В «мертвых» точках 1 происходит изменение направления движения одной из частей, и, как следствие, меняется на противоположное их относительное движение. В результате относительное движение частей приобретает переменный характер: времена попутного движения чередуются с временами встречного движения. То есть, когда участки кривых находятся с одной стороны оси абсцисс, части движутся попутно, а когда по разные стороны оси абсцисс -встречно. Следует заметить, что кинетическая энергия подвижных масс находится на некотором среднем уровне, причем значительная часть ее циркулирует между подвижными частями - происходит рекуперация энергии. Причем циркуляция энергии происходит по кратчайшему пути и только между движущимися частями. Это обстоятельство позволяет обойтись менее мощным приводом. Если предположить, что КПД рекуперации 50%, то на движение обеих частей потребуется  энергии от движения по способу «противофаза по скорости». В самом деле: при ускорении  массы общей подвижной массы (ускоряется только одна часть из двух), 50% энергии на это ускорение «приходит» по рекуперации. Основная мощность привода будет использована для выполнения полезной работы.
Конструкция устройства (грохота), работающего по предлагаемому способу, изображена на Фиг. 4.
Блоки сит 1' и привод 2' размещены на общей раме 3'. Блоки сит подвешены к раме на подвесках 4', имеющих шарнирные соединения с рамой и блоком сит. Каждый блок сит снабжен шаровым шарниром 5', объединенным с шатуном 6'. Каждый шатун противоположной стороной установлен посредством самоустанавлиющегося подшипника 7' на эксцентриковом валу 8, который, в свою очередь, вращается в радиальных подшипниках 9, установленных на общей раме 3. Вращение на вал передается от электродвигателя, например, клиноременной передачей. На Фиг. 5 представлен вид с торца на эксцентриковый вал 8. По краям вал имеет два соосных диаметра 10 (под радиальные подшипники) и диаметры 11 и 12 для размещения самоустанавливающихся подшипников. Диаметры 11 и 12 смещены от общей оси диаметров 10 на величины е и e1 соответственно, причем плоскости эксцентриситетов развернуты относительно друг друга на 90 градусов.(Радиусы R1 и R2 показаны для конкретизации оси смещенной поверхности). В общем случае величины эксцентриситетов могут назначаться исходя из уравнивания величин приведенных масс, приводимых в движение. В большинстве случаев величины эксцентриситетов могут быть одинаковыми.
При вращении вала 8 (см. Фиг 4.) шатуны 6' вызывают циклические перемещения блоков сит 1' изменяющиеся близко к закону синуса, причем, эти перемещения взаимоопределены жесткой кинематической связью. Разность в 90 градусов ( цикла) в прохождении коробами одноименных фаз постоянно обеспечивает ситуацию разгон-торможение, то есть всегда разгону одного из блоков сит соответствует торможение второго блока. А поскольку, кривошипношатунный механизм обратим, то часть энергии торможения будет передаваться разгоняемому блоку. Следует отметить, что циркулирующая энергия не проходит через неподвижные элементы конструкции, то есть никак не нагружает их. То обстоятельство, что ускоряется только половина подвижных частей, да еще с помощью циркулирующей энергии, делает очевидным снижение (в разы) потребляемой приводом мощности.