Способ возбуждения колебаний и устройство для его осуществления
METHOD OF EXCITATION OF VIBRATIONS AND DEVICE THEREFOR

Изобретение относится к вибрационной технике и может быть использовано в машиностроении для механических испытаний и реализации вибрационных технологий виброупрочнения деталей летательных аппаратов, а также и в других областях современной техники, работающей в условиях интенсивного динамического нагружения. В связи с этим, имеет значение создание вибрационных технологических машин, способствующих улучшению характеристик деталей на стадии их изготовления.
В частности, предлагается ряд конструктивно-технических решений.
1. Известен способ решения задач возбуждения стабильных резонансных колебаний на основе инерционного возбуждения, создающего условия для самоорганизации процессов устойчивых колебаний, происходящих в сложных системах динамического равновесия [Антипов В.И. Использование комбинационного параметрического резонанса для усовершенствования вибрационных машин // Проблемы машиностроения и надежности машин. 1998. №4, с. 16-21].
В данном способе максимальная производительность и энергоэффективность вибрационных машин достигается путем создания резонансных колебательных систем, обладающих техническим интеллектом, то есть способностью автоматической адаптации машины к постоянно действующим возмущениям при протекании технологического процесса без вмешательства из вне. Изобретение решает задачу возбуждения стабильных резонансных колебаний с обкаткой тел вращения на основе использования процессов самоорганизации, происходящих в сложных системах вдали от равновесия.
Недостатком данного изобретения является то, что для самовозбуждения обкатки тел вращения требуется сообщить несущему телу круговые колебания достаточно большой амплитуды и высокой частоты, что связано с увеличением дебалансных масс вибровозбудителя. Создаваемые при вращении дебалансов большие центробежные силы нагружают подшипники. Это снижает их ресурс и влечет большой непроизводительный расход энергии на преодоление сопротивлений вращения вала.
2. Известен способ возбуждения механических колебаний и вращательных движений системы твердых тел, схема которой приведена в работе [Блехман И.И. Что может вибрация? О «Вибрационной механике» и вибрационной технике. М: Наука, 1988, с. 134, рис. 12.2, в]. Система состоит из одного инерционного дебалансного вибровозбудителя, закрепленного на мягко виброизолированном твердом теле (несущем теле), в котором размещены два тела вращения (ролик и кольцо). Под действием вибрации ролик обкатывается по внутренней поверхности цилиндрической полости, а кольцо своей внутренней поверхностью обкатывается по внешней поверхности оси, закрепленной на несущем теле. При этом система функционирует в далеко зарезонансном режиме колебаний. Здесь реализуется эффект вибрационного поддержания вращения. Тела вращения (ролик, кольцо) совершают сложные движения: вращение вокруг собственной оси и планетарное движение вокруг центра цилиндрической полости или оси. Передаточное отношение угловой скорости обкатки к угловой скорости собственного вращения определяется выражением i=r/(r-R), где R -радиус беговой дорожки, r - радиус тела вращения. Оно отрицательно при наружной обкатке.
К основному недостатку следует отнести то обстоятельство, что при зарезонансной настройке для преодоления области интенсивных резонансных колебаний нужно иметь двигатель, мощность которого в 5-6 раз первышает мощность, необходимую для работы в зарезонансном режиме.
3. Известно устройство, в котором при обкатке тела вращения оказывают на несущее тело действие, подобное действию инерционного дебалансного вибровозбудителя. В вибротехнике тела вращения используются не как возбудители колебаний, а в качестве рабочих органов машины. Например, в конусных дробилках «Механобр-Техника» рабочий орган представляет собой конусообразное тело, которое под действием вибраций обкатывается по конусообразной полости в корпусе машины [Блехман И.И. Что может вибрация? O«Вибрационной механике» и вибрационной технике. М.: Наука, 1988, с. 128-129, рис. 11.3, а].
К недостаткам следует отнести: в зарезонансном режиме работы машины энергия вибровозбудителя расходуется не только на преодоление сил трения и поддержание обкатки, но и на преодоление сил инерции масс системы, тогда как в резонансном состоянии упругие и инерционные силы взаимно уравновешиваются.
В качестве прототипа принят способ возбуждении резонансных механических колебаний и устройство для его осуществления [Антипов В.И., Антипова Р.И., Руин А.А. «Способ возбуждении резонансных механических колебаний и устройство для его осуществления», патент РФ №2486017, В06В 1/16, приоритет 29.12.2011]. Способ заключается в том, что резонансные колебания возбуждают за счет периодического принудительного изменения инерционных параметров колебательной системы, образованной рабочим органом общей массой на упругой подвеске и параметрическим вибровозбудителем, включающим ротор с беговыми дорожками в нем и телами качения в них, осуществляют упругую подвеску рабочего органа в двух взаимно перпендикулярных направлениях по двум осям и производят настройку колебательной системы, задавая жесткость упругой подвески и частоту вращения ротора. Дополнительно вводят реактивную массу, соединенную с общей массой при помощи упругой системы, и возбуждают поступательные резонансные противофазные колебания обоих масс с реализацией синергетического эффекта системы в целом. Настройку колебательной системы производят, задавая жесткость упругой системы между обеими массами, угловые скорости ротора вибровозбудителя и обкатки, собственную частоту колебаний тел качения. Устройство содержит колебательную систему в виде соединенного с основанием упругими связями рабочего органа общей массой и установленного на нем параметрического вибровозбудителя, в котором на валу электродвигателя закреплен уравновешенный ротор с парой незамкнутых круговых беговых дорожек, расположенных симметрично относительно двух взаимно перпендикулярных его диаметров, их центры смещены от оси вращения ротора на одинаковые расстояния в сторону беговой дорожки, а в беговых дорожках размещены одинаковые уравновешенные тела качения.
Ротор выполнен из набора одинаковых дисков, в смежных дисках оси обкатки тел качения повернуты вокруг оси вращения ротора на одинаковый угол, а колебательная система выполнена с возможностью перемещения рабочего органа по двум осям. Дополнительно оно содержит реактивную массу, соединенную с рабочим органом и основанием упругими связями. Рабочий орган снабжен по меньшей мере двумя полыми цилиндрами, которые размещены на нем симметрично относительно оси вращения ротора, а в полости цилиндров свободно вложены цилиндрические ролики с возможностью обкатки внутри полостей.
Данное изобретение имеет следующие недостатки:
- сложность конструкции (а именно двухуровневая система упругих подвесок и рабочего органа), вследствие чего необходимо затрачивать значительное количество времени и материала на ее изготовление;
- вибрация передается не только на рабочий орган, но и на вибровозбудитель, что приводит к его более быстрому износу и сокращению срок эксплуатации.
Цель предлагаемого изобретения заключается в том, чтобы упростить способ возбуждения резонансных колебаний, при этом уменьшить неблагоприятные воздействия на элементы вибрационного стенда.
Способ возбуждения колебаний, заключающийся в том, что устанавливают жесткость упругих элементов колебательной системы в зависимости от заданной частоты и амплитуды колебаний рабочего стола, возбуждают колебания системы вибровозбудителя и передают колебания на рабочий стол, отличающийся тем, что жесткость колебательной системы регулируют с помощью компенсатора, установленного на жестком элементе натяжного устройства, путем изменения длины жесткого элемента, соединяющего рабочий стол с вибровозбудителем, а резонансные колебания возбуждают при помощи вибровозбудителя, работающего в режиме, определяемом по формуле:
0
где р=jω (j - комплексная переменная, ω - частота внешнего возмущения), ω -угловая скорость вращения дисбаланса, параметры а, b и с обозначаются  М - суммарная масса обеих парциальных систем; m - масса дебалансов, которые устанавливают на вибровозбудителе;
эксцентриситет вибровозбудителя (R - радиус эксцентрика).
Устройство для возбуждения колебаний, состоящее из рабочего стола, вибровозбудителя и упругих элементов, отличающееся тем, что рабочий стол и вибровозбудитель соединены компенсатором и жестким элементом с возможностью изменения длины, а также соединены упругими элементами с основанием и гибкими элементами с вертикальными стенками, причем гибкий элемент, соединяющий вибровозбудитель с вертикальной стенкой, имеет натяжное устройство.
На фиг. 1 показана схема для настройки режимов работы вибростенда.
На фиг. 2 показаны зависимости амплитуд колебаний и отношение амплитуд колебаний рабочих частей вибростенда от частоты внешнего воздействия и изменения инерционных параметров системы.
На фиг. 3 показаны зависимости частот собственных колебаний парциальных систем от жесткостей упругих опор и инерционных параметров системы.
На фиг. 1 показаны: гибкий элемент 1; опорный диск 2 и площадка 3, объединенные в рабочий стол для установки контейнера, в котором происходит вибрационная обработка деталей, объединенные в рабочий стол; жесткий элемент 4; вибровозбудитель 5; натяжное устройство 6; гибкий элемент 7; компенсатор продольных колебаний 8; упругие элементы 9, 10; основание 11.
01
1
1
1
2
1
2
2
2
1
2
02
Приняты следующие обозначения: т. А - точка шарнирного крепления гибкого элемента 1 с основанием 11; l - длина гибкого элемента 1; у - амплитуда колебаний рабочего стола; т. В - точка крепления рабочего стола к упругому элементу 9; m - масса рабочего стола; k - жесткость упругого элемента 9; k - жесткость упругого элемента 10; т. О - центр тяжести жесткого элемента; l - расстояние от центра тяжести жесткого элемента 4 до т. В опорного диска 2; ϕ - угол поворота рабочего органа 4; J, М - момент инерции и масса жесткого элемента 4; т. С - точка крепления жесткого элемента 4 к вибровозбудителю 5; l - расстояние от центра тяжести жесткого элемента 4 до точки крепления с вибровозбудителем 5; Q - силовое гармоническое воздействие вибровозбудителя 5; m - масса вибровозбудителя 5; k - жесткость упругого элемента 10; т. С - точка крепления гибкого элемента 7 к вибровозбудителю 5; y - амплитуда колебаний вибровозбудителя 5; l - длина гибкого элемента 7; т. D-точка шарнирного крепления гибкого элемента 7 к основанию 11.
Способ осуществляется следующим образом. Выделяют две парциальные системы: первая состоит из диска и рабочей площадки, объединенных в рабочий стол, а вторая - инерционный возбудитель, которые соединяют с помощью жесткого элемента. При возникновении гармонической силы Q на вибровозбудителе создаются вертикальные колебания жесткого элемента, а также рабочего стола, амплитуда которого определяется соотношением:
,
0
1
2
1
2
где у - колебания вибровозбудителя; m - масса дебалансов, которые устанавливают на вибровозбудителе;  эксцентриситет вибровозбудителя (R - радиус эксцентрика); k, k - жесткости упругих элементов; ω - частота внешнего возмущения; М- суммарная масса парциальных систем; J- момент инерции; , l - расстояние от центра тяжести жесткого элемента до рабочего стола; l - расстояние от центра тяжести жесткого элемента до точки крепления с вибровозбудителем; р=jω,  - комплексная переменная.
2
В то же время, на вибровозбудителе возникают колебания с амплитудой у, определяемой
1
2
Выполнив преобразование р=jω, получают следующие выражения амплитуд y и у:
1
2
Производят настройку колебательной системы, задавая жесткости упругих опор k и k, регулируя силу натяжения гибкого элемента, изменяя положение центра тяжести жесткого элемента, а также парциальные частоты систем, определяемые как:
1
2
При создании явлений, близких к резонансных в парциальных системах, жесткости упругих опор k и k, а также положение центра тяжести жесткого элемента задают таким образом, чтобы внутри интервала частот собственных колебаний:
располагались парциальные частоты.
1
2
В данном вибрационном стенде также находят проявление рычажные связи. Суть явлений заключается в том, что жесткости упругих опор k и k, а также положение центра тяжести рабочего органа задают таким образом, что при частоте  соотношение амплитуд колебаний , что свидетельствует о работе рабочего органа как рычага второго рода, а при частоте  - как рычага первого рода.
Вибрационное устройство работает следующим образом.
2
При воздействии гармонической силы Q, возникающей на вибровозбудителе 5, установленном на упругой опоре 10, закрепленной на основании 11, создаются вертикальные колебания, передающиеся через жесткий элемент 4 на площадку для вибрационной обработки 3 и диска 2, объединенных в рабочий стол, расположенных на упругой опоре 9, закрепленной на основании 11; для устранения продольных колебаний используются гибкий элемент 1, закрепленный неподвижным шарниром в точке А, компенсатор 8, а также ограничитель в виде гибкого элемента 7; сила натяжения гибкого элемента 7 и значение статической нагрузки на жесткий элемент 4 осуществляются с помощью регулировочного устройства 6. В этом случае в процессе работы вибрационного стенда на опорном диске 2 и площадке для вибрационной обработки 3, объединенных в рабочий стол, возникают явления, близкие к резонансу, а на вибровозбудителе 5 амплитуда колебаний у стремится к нулю.
Предлагаемый способ возбуждения колебаний в вибростенде с рычажными связями, по сравнению с известными способами, позволяет передавать энергию вибрации практически полностью на рабочий орган, а не распределять ее и на вибровозбудитель, что позволяет обеспечивать в нем динамическое гашение колебаний и его надежную работу.
1
2
0
1
2
0
1
2
2
2
5
5
2
2
5
5
По результатам математического моделирования были рассчитаны амплитуды колебаний у и у, отношение амплитуд колебаний в зависимости от частоты внешнего воздействия, представленные на графиках фиг. 2, а также зависимость собственных частот парциальных систем от жесткостей упругих опор, приведенных на фиг. 3. На графиках фиг.2 было рассмотрено два случая. В первом - соотношение R=Jc - Mab=4 кг⋅м, а=0,1 м, b=0.9 м, с=0,25 м, М=150 кг, m=3.5 кг; r=23,343 см; k=4⋅10 Н/м; k=12⋅10 Н/м. Во втором - R=Jc-Mab=-6,4 кг⋅м, а=0,2 м, b=0.8 м, с=0,25 м М=150 кг, m=3.5 кг; r=23,343 см; k=12⋅10 Н/м; k=16⋅10 Н/м, что соответствует параметрам реальных конструктивных решений, реализованных при виброупрочнении лопастей вертолета. Было установлено следующее:
1) парциальные частоты систем близки к собственным частотам, но не выходят за их пределы;
2
2
2) на парциальной частоте n наблюдается значение амплитуды колебаний у=0, т.е. обеспечивается режим динамического гашения на вибровозбудителе;
3) в зависимости от соотношения параметров а, b и J изменяются положения частот, при которых рабочий орган выполняет функции рычагов первого и второго родов: при R>0 рабочий орган ведет себя как рычаг первого рода в зарезонансной области, а как рычаг второго рода - в межрезонансной области; при R<0 рабочий орган ведет себя как рычаг первого рода в межрезонансной области, а как рычаг второго рода - в зажрезонансной области;
На фиг. 3 также были рассмотрены зависимости собственных частот парциальных систем от жесткостей и инерционных параметров рабочего органа для двух случаев. На основании математических расчетов можно сделать следующие выводы:
1
2
1) при увеличении жесткостей упругих опор k и k собственные и парциальные частоты увеличиваются согласно квадратичной зависимости;
1
2
2) при настройке вибрационного стенда от жесткости k зависят значения верхних границ парциальных и собственных частот рабочих частей, а от жесткости k - нижние границы парциальных и собственных частот;
3) при изменении инерционного параметра R в меньшую сторону уменьшаются и значения собственных и парциальных частот;
4) асимптотическое приближение кривых на некоторых графиках объясняется близостью собственных и парциальных частот;
соб.2
2
5) прямолинейность зависимости ω (k) для каждого из случаев R объясняется полученными значениями собственных частот и расположением кривых на одном графике.
Список использованной литературы
1. Антипов В.И. Использование комбинационного параметрического резонанса для усовершенствования вибрационных машин // Проблемы машиностроения и надежности машин. 1998. №4, с. 16-21
2. Блехман И.И. Что может вибрация? О «Вибрационной механике» и вибрационной технике. М.: Наука, 1988, - 208 с.