Устройство настройки, корректировки и формирования динамического состояния вибрационной технологической машины и способ для его реализации
DEVICE FOR SETTING, ADJUSTING AND FORMING THE DYNAMIC STATE OF A VIBRATING TECHNOLOGICAL MACHINE AND A METHOD FOR ITS IMPLEMENTATION

Предлагаемое изобретение относится к вибрационной технике и может быть применено при совершенствовании вибрационных технологических машин различного назначения.
Вибрационные технологии, особенно в последние годы, получили широкое распространение в горнодобывающих отраслях промышленности, химических производствах, строительной индустрии, предприятиях металлургии и машиностроения. Особенное внимание уделяется технологиям и оборудованию для обработки сложных изделий в вибрирующей рабочей среде, обеспечивающей ударные и вибрационные взаимодействия гранулированных и сыпучих смесей с поверхностями изделий. Вибрационные взаимодействия рабочей среды, взаимодействия с поверхностями деталей, проявляют эффекты упрочнения механических свойств и другие эффекты модификации свойств поверхностей, что обеспечивает надежность и долговечность работы деталей в условиях интенсивного динамического нагружения.
Во многих случаях основным узлом в технологических вибрационных комплексах является вибростенд, совершающий однонаправленные колебательные движения гармонической формы или более сложных видов, что достигается усложнением и созданием управляемых средств возбуждения вибрационных полей.
Наибольшее распространение в реализации технологических процессов получили вибростенды с одной и двумя степенями свободы, хотя в специальных случаях используются и более сложные вибростенды, создающие пространственные вибрации.
Вопросам динамических взаимодействий сыпучих средств с вибрирующими поверхностями уделяется достаточно серьезное внимание, что нашло отражение в работах Бабичева А.П., Блехмана И.И., Гончаревича Н.Ф. и др.; особенности учета неудерживающего характера связей в контактах рабочей среды с поверхностями рабочих органов вибрационных технологических машин нашли отражение в работах отечественных специалистов [1 - 3].
Многообразие задач вибрационных технологий инициировало разработки соответствующих технических средств в виде вибрационных стендов, вибропитателей, вибрационных грохотов и других средств, каждое из которых предопределило определенные возможности формирования вибрационных полей рабочих органов машин, а также и реализации определенных режимов движения рабочих органов, в том числе, условия поддержания устойчивости рабочих режимов и их корректировки.
Во многих случаях вибрационные технологические машины, особенно на стадиях ее проектирования, предварительных исследований, расчета, создания и эксплуатации рассматриваются как механические колебательные системы с одной или несколькими степенями свободы, в которых рабочий орган в виде протяженного твердого тела, совершает соответствующие движения (по одной, двум, трем или более координатам). Создаваемые вибрационные технологические комплексы содержат в своей структуре упругие и массоинерционные элементы, диссипативные устройства, а также механизмы и устройства, реализующие функции дополнительных динамических связей.
Такие динамические связи обеспечивают целостность структуры вибростенда, возможности настройки, корректировки и формирования динамических состояний, в том числе и возможностей управления параметрами технологического комплекса в ручном, полу- или автоматическом режимах.
Возможности адаптации вибростенда к условиям технологических регламентов требуют соответствующих подходов и учета возможностей расширения функций взаимодействия с рабочими средами или объектами.
В этом плане большой интерес вызывает расширение возможностей вибрационных машин в плане реализации различных режимов работы, которые достигаются формированием распределения амплитуд колебаний точек рабочего органа или возможностями формирования структуры и особенностей вибрационного поля рабочих органов.
В этом направлении имеется ряд разработок, в которых заложены определенные возможности расширения функционального набора вибрационных стендов, ориентированных на реализации технологических процессов взаимодействия рабочих гранулированных сред с обрабатываемыми изделиями.
В процессе патентного поиска выявлен ряд изобретений аналогов.
Известен способ [Елисеев С.В., Елисеев А.В., Большаков Р.С., Выонг К.Ч., Миронов А.С., Николаев А.В. «Способ изменения и настройки динамического состояния вибрационной технологической машины и устройство для его осуществления», 2710314, МПК В06В 1/14, приоритет 25.12.2019], включающий возбуждение колебаний рабочего органа вибрационной технологической машины и регистрацию смещений координат движения вибрационной технологической машины. Согласно первому изобретению регистрируют амплитуды колебаний крайних точек вибрационной машины, полученная с датчиков контроля динамического состояния информация поступает в блок управления, регулируют соотношение между этими амплитудами до получения режима их синхронной работы по двум координатам, причем регулируют соотношение путем изменения приведенной жесткости системы. Устройство для реализации способа настройки и изменения динамического состояния технологической машины состоит из рабочего органа, упругих связей, шарнирно прикрепленных к рабочему органу и опорной поверхности, а также блока управления и датчиков контроля вибрационного состояния рабочего органа. Согласно второму изобретению устройство снабжено дополнительными связями в виде двух рычажных механизмов, которые содержат попарно шарнирно соединенные стержни, снабженные в месте соединения стержней каждой пары пригрузом, и зубчатые секторы, установленные на нижних концах стержней, расположенных внизу, при этом зубчатые секторы связаны с зубчатыми блоками и тормозными колодками, взаимодействующими с цилиндрическими поверхностями зубчатых блоков для влияния на движение зубчатых секторов.
Недостатками данного изобретения являются сложность конструкции и системы управления динамическим состоянием вибрационной машины.
Известна полезная модель [Скрипка Д.О. «Вибрационная установка», 95574, МПК В22С 15/00, приоритет 10.07.2007], представляющее собой вибрационную установку включает раму, установленную на опоре, и вибровозбудитель колебаний с электродвигателем, отличающаяся тем, что в качестве рамы используют металлический блок-каркас с резиновой прокладкой по его краям, обшитый стальным тонколистовым прокатом и выполненный в форме параллелепипеда, при этом вибровозбудитель колебаний выполнен в виде рабочей машины с валом, имеющим измененный центр тяжести и установленным на подшипниках скольжения, причем вал рабочей машины и электродвигатель связаны между собой муфтой и жестко закреплены через опоры к пластине из железа через резиновую прокладку к каркасу рамы.
Недостатки представленного аналога: отсутствие математического описания работы вибрационной машины и средств регулирования динамического состояния.
За прототип принимается вибрационная машина [Румянцев Ю.С., Ананьин И.К., Галяпин Д.В., Конюхова М.Н. «Вибрационная машина», 153829, МПК В24В 31/06, приоритет 10.08.2015], содержащая основание в виде нижней рамы, на которой смонтированы электродвигатель привода дебалансов, стойки для крепления промежуточных подшипниковых опор и упругих опор в виде пневмобаллонов, и верхнюю подвижную раму, предназначенную для установки контейнеров для обрабатываемых деталей, на которой смонтированы валы дебалансов, соединенные с валами привода через гибкие муфты, при этом верхняя подвижная рама связана с нижней рамой через упругие пневмоопоры, стойки которых связаны с пневмосистемой, содержащей амортизаторы, отличающаяся тем, что пневмосистема разветвлена на две независимые одинаковые по составу элементов линии, каждая из которых включает последовательно связанные между собой реле давления, пневмоклапан и регулятор уровня верхней подвижной рамы, содержащий рычаг, при этом рычаги упомянутых регуляторов уровня присоединены к верхней подвижной раме, каждый со своей стороны, а входы регуляторов связаны с пневмосистемой.
К основным недостаткам прототипа можно отнести отсутствие детализированного математического описания работы вибрационной машины и внимания к вращательной составляющей движения.
Задачей предлагаемого изобретения является настройка динамического состояния вибрационной технологической машины при помощи регулирования параметров упругой-рычажной структуры.
Устройство настройки, коррекции и формирования динамического состояния вибрационной технологической машины, включающее опорную поверхность, компрессор, вибратор, рабочий стол, упругий элемент, отличающийся тем, что дополнительно вводятся рычажные элементы с обеих сторон рабочего стола, упругодемпферные блоки, расположенные в корпусе, содержащие два блока управления, при помощи которых регулируются управляемые дроссели.
Способ настройки, коррекции, формирования и управления динамическим состоянием вибрационной технологической машины, включающий создание и регулирование вибрацией рабочего стола по п. 1, отличающийся тем, что колебания рабочего стола регулируют изменением давления в пневмобаллонах и соединенных с ними жестких упруго-демпферных блоках по информации, полученной при помощи вибродатчиков.
Суть изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 показана принципиальная схема вибрационной технологической машины с дополнительными связями при реализации специфических режимов, содержащая опорную поверхность 1, жесткие стержни 2, 17, 18, 23, направляющие стержни 3, 16, упруго-кордные элементы 5, 15, управляемые дроссели 6, 7, 10, 11, 12, демпфирующие пневмоблоки 8, 9, пневмокомпрессор 13, упругие элементы 19, 24, вибродатчики 20, 22, рабочий орган 21, блоки обработки информации и управления 4, 14.
На фиг. 2 представлена расчетная схема технологической вибрационной машины, принципиальная схема которой приведена на фиг. 1.
На фиг. 3 приведена структурная математическая модель (структурная схема) исходной механической колебательной системы по фиг. 2.
На фиг. 4 представлены Возможные варианты форм распределения отношения амплитуд колебаний точек рабочего органа (структуры вибрационных полей).
Изобретение работает следующим образом.
Предлагаемое изобретение осуществляется механической колебательной системой, состоящей из рабочего органа в виде протяженного твердого тела 16, обладающего массой М и моментом инерции J, опирающегося на упругие элементы (пружина) 19, 24, контактирующие с опорной поверхностью 1. Параллельно упругим элементам 19, 24 введены дополнительные рычажную связи, состоящие из жестких стержней 2, 17, 18, 23 с длинами  и  и создающие внутренний настроечный контур, получаемый соединением через направляющие стержни 3, 16 с системой пневмоблоков, которые состоят из упруго-кордных элементов 5 и 15, связанных с демпфирующими (жесткими) пневмоблоками 8, 9, создающими жесткую опору для деформационных движений этих элементов по горизонтальным направлениям. Образованное последовательными соединениями пневмоблоков структурное образование обладает возможностями формирования приведенных жесткостных свойств при использовании дросселей 6, 7, 10, 11, 12. Компрессор 13 через систему дросселей обеспечивает необходимый уровень давления в пневмоблоках и, тем самым, и их упругие характеристики.
1
2
Для обеспечения взаимодействия элементов системы, положение которой контролируется датчиками 20, 22, предусматривается передача информации в блоки управления 4, 14 через соответствующие коммуникация. Через блоки управления 4, 14 идет также регулирование работы дросселей лепесткового типа, что позволяет в ручном режиме, используя показания датчиков, выходить на желаемые режимы работы. При необходимости такая работа может быть реализована на основе микропроцессора. Особенность предлагаемого подхода заключается в использовании особенностей динамического взаимодействия элементов системы, ее динамических связей, которые позволяют формировать необходимые эффекты связанностей колебаний по координатам у, у в определенных частотных диапазонах, что достигается через варьирование динамической жесткости, создаваемой управляемыми пневмоблоками в рамках простой системы на основе компрессора.
Теоретическое обоснование
1
2
1
2
0
1
1
2
1
0
Принципиальная схема вибрационной технологической машины (фиг. 1) может быть интерпретирована механической колебательной системой с двумя степенями свободы, как показано на фиг. 2. Предполагается, что твердое тело массой М и моментом инерции J, опирающееся на пружины с жесткостями k и k, отражает свойства рабочего органа. Система обладает линейными свойствами всех составляющих элементов и совершает малые колебания относительно положения статического равновесия. Движение системы рассматриваются в координатах у, у и y, ϕ, где у - является смещением точки А, у - смещение точки В, у - смещение центра масс, расположенного в т. О; ϕ - угол поворота твердого тела (М, J) относительно горизонтали.
1
1
1
0
1
0
pr1
pr2
pr1
pr2
Центр масс (т. О, фиг. 1) расположен на расстоянии  и  от тт. А, В соответственно. Внешнее воздействие, создающие колебания рабочего органа (твердого тела М, J) приложено в т. Е на расстоянии  от центра масс (т. О). Точки А и А, также как тт. В, В соединены двухстержневыми структурами рычажного типа с длинами  для обеспечения движение тт. А и В, которые связаны с работой упругих элементов с приведенными коэффициентами жесткости, k, k. Прижимы одним концом связаны с тт. А и В соответственно, а другие - упираются в вертикально стоящие ограничитель. Расчетная схема носит условный характер, что создает возможности аналитических расчетов; более сложная интерпретация системы приводится на фиг. 1. Приведенные жесткости упругих элементов k, k отображаются достаточно сложные взаимодействие пневмоблоков, упругих и диссипативных типов, что, в существенной мере, зависит от параметров дросселей, соединяющих пневмоблоки, объемов устройств и давления воздуха, создаваемого специальным компрессором. При выводе уравнения движения используется упрощенный подход.
Для вывода дифференциальных уравнений системы во временной области для схемы на фиг. 2 используется формализм Лагранжа [4].
Запишем выражения для кинетической и потенциальной энергии, что составит
В выкладках используются следующие соотношения:
1
2
I. Система дифференциальных уравнений движения в координатах у, у принимает вид:
Полученная система уравнений (4), (5) может быть представлена в операторном виде после интегральных преобразований Лапласа при нулевых начальных условиях [4]:
где р=jω - комплексная переменная  значок «-» над переменной означает ее изображение по Лапласу [4].
На основе дифференциальных уравнений (6), (7) в операторной форме может быть построена структурная математическая модель исходной системы, приведенной на фиг. 2.
Структурная математическая модель представляет собой структурную схему эквивалентной в динамическом отношении системы автоматического управления. Структурная модель представлена на фиг. 3 и состоит из двух парциальных блоков, соединенных между собой звеном, отражающим массо-инерционные динамические связи, характерные для механических колебательных систем, содержащих в своем составе твердые тела, совершающие плоские колебания, как сумму поступательных вертикальных и угловых вибрационных движений.
II. Структурная математическая модель позволяет получить передаточные функции системы. Физический смысл этих понятий связан с оценкой динамической податливости смещения координат от частоты возмущения при приложении его в заданной точке на определенной частоте. Графическое представление такой зависимости называется амплитудно-частотной характеристикой системы (АЧХ); аналитические выражения для передаточных функций системы имеют вид:
где
- является частотным характеристическим уравнением.
Из уравнения (10) следует, что система имеет две частоты собственных колебаний. Кроме частот собственных колебаний принимаются во внимание парциальные частоты, что составляет по первому блоку:
по второму парциальному блоку:
Значение парциальных частот могут использоваться в оценке динамических свойств систем и возможностей использования в формировании динамических состояний рабочего органа.
III. В оценке динамических состояний существенное значение имеют также значения частот динамического гашения колебаний. Специфика изобретения заключается в том, что динамическое состояние системы в координатах  и  формируются под одновременным действием двух силовых факторов  и  приложенных на входах первого и второго парциальных блоков, соответственно, как показано на структурной схеме (фиг. 3).
Значения частот динамического гашения колебаний определяются выражениями:
Эффекты динамического гашения в анализе динамических состояний рабочего органа системы имеют особое значение, поскольку «обнуление» координат  или  связано с возникновением так называемых узлов колебаний или локальных центров вращения рабочего органа относительно центра вращения. Если, например,  то твердое тело на частоте динамического гашения будет совершать угловые колебания относительно т.  тогда амплитуда колебаний точек твердого тела примет линейное распределение, поскольку  Аналогичная ситуация возникает при динамическом гашении колебаний по координате  когда
IV. Авторами изобретения предлагается оригинальный подход для обобщенной оценки возможностей проявления динамических состояний других видов, что расширяет представление о возможностях построения структуры вибрационных полей и ее адаптации под регламенты технологического процесса.
Вводится понятие передаточной функции не системы, а передаточной функции межпарциальных связей. Вводимое понятие отражает особенности формирования динамических рычажных связей, создаваемых колебаниями рабочего органа и оцениваемых отношением ; в дальнейших расчетах принимается, что
Передаточная функция межпарциальных связей также имеет амплитудно-частотную характеристику, но ее физическое содержание будет иным по сравнению с АЧХ системы.
В рассматриваемом случае передаточная функция межпарциальных связей имеет вид:
Полученное выражение (15) учитывает формы и особенности взаимодействия элементов расчетной схемы (фиг. 2), которая отображает лишь основные свойства исходного технического объекта, имеющего в своем составе ряд структурных образований, построенных на использовании системы пневмоблоков, которые могут объединяться соответствующим набором задействованных регулируемых дросселей; при этом система имеет возможности регулирования давления в пневмоблоках, что, в целом, создает достаточно большой потенциал решений, которые могут быть применены для построения рациональных технологических решений.
Ниже рассматривается технология построения математических моделей, отражающих возможности выбора стратегии и тактики управления динамическими состояниями, отображаемыми передаточными функциями межпарциальных связей (или коэффициентов связанности движения по координатам ).
Специфические режимы динамических состояний.
12
1. Если при использовании выражение (16) исследуется режим, когда W(p)=1, то можно найти частоту колебаний, при которой такой режим реализуется. В этом случае:
тогда
I
При частоте ω, определенной из (18), рабочий орган будет совершать поступательное вертикальные колебания; при этом угловые колебания «обнуляются». Если этот эффект объяснять, привлекая понятие о центре колебаний, то можно утверждать, что такая точка находится за пределами рабочего органа на продолжении линии рабочего органа параллельно опорной поверхности).
12
2. Для случая W(p)=-1 используются выражения (16) можно получить, что:
12
В случае W(p)=-1 центр колебаний находится посредине рабочего органа (твердого тела); при этом совершаются только угловые колебания (вертикальные поступательные колебания отсутствуют). Отношение амплитуд колебании точек твердого тела отражает ту особенность движения рабочего органа, которая заключается только в симметричных угловых колебаниях относительно центра колебаний при отсутствии вертикальных колебательных движениях.
1
pr1
2
pr2
1
3. Изменяя параметры (имеются в виду массо-инерционные параметры системы М, J; упругие свойства k, k, k, k или параметры, определяемые значениями а, b, с, с, можно изменять положение центра колебаний на твердом теле.
Если соотношение амплитуд колебаний  будет изменяться, то взять за исходную позицию положение центра колебаний при  можно отменить, что принимая  значения -0.9; -0,8…-0.1; -0.001 центр колебаний будет смещаться и совпадет с т. А, когда возникнет режим динамического гашения колебаний по координате
1
При движении вправо от положения,  предельным случаем будет совпадение центра колебаний с точкой В, когда по координате  реализуется режим динамического гашения.
4. При выборе соотношений в пределах:
Центр колебаний будет находиться за пределами рабочего органа; это будет точка, лежащая на продолжении линии поверхности рабочего органа, параллельно опорной поверхности. Движение рабочего органа, определяемое координатами  или  может интерпретироваться как вращательное движение.
На фиг. 4 представлены варианты возможные варианты форм распределения отношения амплитуд колебаний точек рабочего органа в зависимости от расположения центров колебаний.
Выше приведенное отображает возможные варианты влияния на распределение параметров колебательных систем, которые могут быть достиг ты при введении в конструктивные схемы вибрационных технологических машин дополнительных динамических связей, создаваемых упругими элементам с регулируемыми параметрами; в данном случае упругими элементами на основе пневмоблоков, соединенных между собой через управляемые дроссели с возможностями изменения параметров жесткости системы в целом при изменении давления в пневмоблоках с помощью компрессора. Формирование динамических состояний может обеспечиваться простейшими средствами изменения параметров вибрации двух точек рабочего органа и простейшими алгоритме расчета.
Предлагаемые подходы могут быть реализованы и в ручных режима настройки.
Используемая литература.
1. Копылов Ю.Р. Динамика процессов виброударного упрочнения: монография / Воронеж: ИПЦ «Научная книга», 2011. - 569 с.
2. Пановко Г.Я. Лекции по основам теории вибрационных машин и технологий. М.: МГТУ им. Баумана, 2008. - 192 с.
3. Вайсберг Л.А. Вибрационное грохочение сыпучих материалов. Моделирование процессов и технологический расчет грохотов / Л.А. Вайсберг, Л.Г. Рубисов // Механобр. СПБ. 1994. - 45 с.
4. Елисеев С.В. Прикладной системный анализ и структурное математическое моделирование (динамика транспортных и технологических машин: связность движений, вибрационные взаимодействия, рычажные связи): монография - Иркутск: ИрГУПС, 2018. - 692 с.