СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ РЕЗОНАНСНЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
PROCEDURE FOR EXCITATION OF RESONANCE MECHANICAL OSCILLATIONS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION (VERSIONS)

Изобретение относится к вибрационной технике и может быть использовано во всех отраслях промышленности для возбуждения механических колебаний на резонансных частотах.
Один из наиболее перспективных способов создания высокопроизводительных энергосберегающих вибрационных машин основан на явлении резонанса. В резонансном состоянии колебательная система машины совершает движение, близкое к собственному, при котором упругие и инерционные силы взаимно уравновешиваются, а энергия возбудителя колебаний расходуется только на преодоление диссипативных сил.
Недостатком резонансных схем в существующих вибрационных машинах при обычном резонансе вынужденных колебаний является низкая стабильность работы и сложность настройки и по этой причине они не получили широкого распространения в промышленности (Гончаревич И.Ф. Вибрация - нестандартный путь. - М.: Наука, 1986. С.7-8. Вибрации в технике: Справочник в 6 томах. Т 4. Вибрационные процессы. М.: Машиностроение, 1981, с. 139-141, с.351).
Максимальная производительность и эффективность вибрационных машин может быть достигнута путем создания резонансных колебательных систем, обладающих техническим интеллектом. Разработка таких систем возможна на основе использования принципов самоорганизации (синергетики).
0
Известен способ возбуждения резонансных механических колебаний и устройство для его осуществления по патенту РФ №2335356, B06B 1/16, опубл. 10.10.2008. Способ заключается в том, что резонансные колебания массы на упругой связи возбуждают путем принудительного периодического перемещения противоположного конца упругой связи и настраивают резонансные колебания заданной амплитуды, принудительное периодическое перемещение концу упругой связи сообщают инерционным вибратором, инерционный вибратор удерживают в пространстве виброизолирующей упругой связью с основанием, изменяют жесткость упругой связи и массу и возбуждают резонансные колебания в области периода Т колебаний, который выбирают по формуле
,
0
0
0
где Т - период колебаний, с; С - жесткость упругой связи, Н/м; m - колеблющаяся масса, кг; при этом выдерживают соотношение С>>С, где С - жесткость виброизолирующей упругой связи.
Устройство для возбуждения резонансных механических колебаний содержит массу, соединенную с упругим элементом, противоположный конец которого присоединен к механизму принудительного периодического перемещения, в качестве механизма принудительного периодического перемещения применен инерционный вибратор, соединенный с основанием через виброизолирующую упругую подвеску, упругий элемент выполнен с жесткостью, определяемой по формуле
0
2
С=m(2π/T)
0
0
0
где С - жесткость упругого элемента Н/м; m - колеблющаяся масса, кг; Т - период колебаний, с; виброизолирующая упругая подвеска выполнена с жесткостью С, связанной с жесткостью упругого элемента соотношением С>>С, при этом упругий элемент и масса выполнены с возможностью его подстройки.
Это решение имеет следующие недостатки.
Резонансные режимы рабочего органа вибрационной машины при указанном способе возбуждения практически нереализуемы из-за высокой чувствительности к изменению технологической нагрузки.
Всегда существует возможность срыва резонансного режима колебаний из-за нелинейности технологической нагрузки вследствие неконтролируемых возмущений.
Именно нелинейность технологической нагрузки приводит к неэффективности применения традиционных средств автоматического поддержания резонансного состояния вибромашины. В качестве прототипа приняты параметрический вибровозбудитель и способ его работы по патенту РФ №2072660 (заявка №94008295), B06B 1/16, опубл. 27.01.1997.
Параметрический вибровозбудитель содержит корпус, приводной вал, упругие элементы и тела качения; на приводном валу жестко закреплен один инерционный элемент в виде уравновешенного маховика, снабженного двумя парами, незамкнутых беговых дорожек, которые расположены симметрично относительно двух взаимно перпендикулярных диаметров, а их центры смещены от оси вращения маховика в диаметрально противоположных направлениях, причем круговые беговые дорожки одной пары повернуты вокруг оси маховика на угол 90° относительно другой, на круговых беговых дорожках размещены тела качения с возможностью обкатки в виде четырех одинаковых уравновешенных бегунков.
Рабочий орган (плита, к которой крепится, например, лоток вибротранспортера), вибровозбудитель (уравновешенный маховик с телами. качения) и упругие связи образуют колебательную систему. Маховик представляет собой монолитную деталь с беговыми дорожками на обеих его плоскостях.
Возбуждаются резонансные механические колебания в направлении оси ОХ за счет периодического принудительного изменения инерционных параметров колебательной системы.
Физическая сущность известного способа возбуждения колебаний состоит в том, что в зоне параметрического резонанса автоматически образуется неуравновешенность маховика, которая и приводит к появлению возмущающей силы. Вместе с тем маховик играет роль аккумулятора кинетической энергии. В нерезонансной зоне маховик полностью уравновешен.
Недостатки прототипа следующие:
- предназначен для возбуждения однонаправленных (по оси ОХ) прямолинейных механических колебаний, что существенно ограничивает области его применения;
- невозможность возбуждения круговых и эллиптических колебаний рабочего органа.
Эти недостатки устраняются предлагаемым решением.
Решается задача создания принципиально нового энергосберегающего способа и устройства для возбуждения резонансных механических колебаний с расширением эксплуатационных возможностей и производительности.
Технический результат - возбуждение многократного комбинационного резонанса с возникновением коллективного взаимодействия тел вращения с рабочим органом, связанным с основанием упругими связями, за счет неустойчивости положения равновесия с достижением эффекта самоорганизации системы без вмешательства извне.
Этот технический результат достигается тем, что в способе возбуждения резонансных механических колебаний, заключающемся в том, что резонансные колебания возбуждают за счет периодического принудительного изменения инерционных параметров колебательной системы, образованной рабочим органом на упругой подвеске и параметрическим вибровозбудителем, включающим ротор с беговыми дорожками и телами качения в них, осуществляют упругую подвеску рабочего органа в двух взаимно перпендикулярных направлениях по осям X, Y, производят настройку колебательной системы, задавая жесткость упругой подвески и частоту вращения ротора, определяемую по формуле
1
2
ω=λ+λ,
1
2
х
у
х
у
2х
2у
2
х
у
где λ - эффективная частота тела качения во вращающейся системе, λ - парциальная собственная частота рабочего органа; для возбуждения круговых колебаний жесткость упругой подвески выбирают изотропной в плоскости вращения вибровозбудителя с равными коэффициентами жесткости С=С=С; для возбуждения поступательных колебаний по эллиптическим траекториям коэффициенты жесткости упругой подвески С, С выбирают различными, но так, чтобы парциальные собственные частоты λ, λ были близкими и располагались в резонансной зоне, причем частоту λ определяют по усредненной жесткости подвески С=(С+С)/2, в устройстве по первому варианту для возбуждения резонансных механических колебаний, содержащем колебательную систему в виде соединенного с основанием упругими связями рабочего органа 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 одного диска с двумя одинаковыми телами качения в беговых дорожках, а колебательная система выполнена с возможностью поступательного перемещения рабочего органа по осям Х и Y; во втором варианте выполнения устройства ротор выполнен из набора одинаковых дисков, в смежных дисках оси обкатки тел качения повернуты вокруг оси вращения ротора на одинаковый угол γ=π/S, где S - число дисков одного ротора, а колебательная система выполнена с возможностью перемещения рабочего органа по осям Х и Y; для реализации и стабилизации резонансных колебаний диски установлены на консольных концах приводного вала с угловым смещением γ=π/2S.
Таким образом, создается колебательная система со многими степениями свободы, предлагаемая настройка которой приводит к самоорганизованному возбуждению стабильных резонансных колебаний при высокой добротности системы (с малым трением).
На фиг.1, 2, 3 приведена схема предлагаемого устройства для реализации способа.
На приводном валу 1 электродвигателя установлен рабочий орган 2, соединенный с основанием 3 упругими связями 4, обеспечивающими возможность поступательного перемещения рабочего органа по любым направлениям плоскости, задаваемой осями Х и У. Одновременно обеспечивается и перемещение вибровозбудителя, включающего ротор 5, имеющий пару незамкнутых беговых дорожек 6, расположенных симметрично относительно двух взаимно перпендикулярных диаметров. Центры беговых дорожек 6 смещены от оси вращения ротора на одинаковые расстояния АВ=l в сторону соответствующей беговой дорожки.
В беговых дорожках 6 размещены одинаковые уравновешенные тела качения 7 с возможностью обкатки дорожек 6. Ротор может быть выполнен из одного диска или в виде набора одинаковых дисков, в каждом из которых имеются беговые дорожки и тела качения. В смежных дисках оси обкатки тел качения повернуты вокруг оси вращения ротора на одинаковый угол γ=π/S, где S - число дисков. Диски двух одинаковых роторов могут быть закреплены на консольных концах приводного вала 1. В этом случае угловое смещение γ=π/2S.
k
k
Положение осей обкатки определяется углами ψ=ω t+2πk/N, а положение тел качения - углами φ, k=1, 2, … N (фиг.2), где t - время, N - число тел качения.
В варианте исполнения ротор может быть однодисковым с двумя телами качения в двух беговых дорожках, как указано выше.
Способ осуществляется следующим образом.
х
у
Устанавливают рабочий орган на упругих связях 4 с обеспечением его движения в любом направлении плоскости ОХУ, производят настройку колебательной системы, задавая жесткость упругой подвески С и С, частоту вращения ротора ω и параметры ν, ε, которые определяют по формулам
1
2
2
ω=λ+λ при  или ω*=λ/(1-ν),
*
2
1
c
B
c
0
0
B
0
x
y
где ω - резонансная частота вращения ротора, λ=νω,  - парциальные собственные частоты тел качения во вращающейся системе координат и рабочего органа соответственно,  ε=σνNmρ/(2Ml) - коэффициент, пропорциональный отношению общей массы тел качения к массе всей системы,  - относительные коэффициенты линейного демпфирования тел качения и рабочего органа. Здесь m - масса тела качения, М - масса всей системы, J - момент инерции тела качения относительно оси обкатки, ρ=ВС, σ - число роторов, n=b/2J, n=b/2M, b, b=b=b - коэффициенты вязкого трения.
x
у
x
у
2х
2у
2
x
у
Жесткость упругой системы выбирают изотропной (С=C=С) в плоскости вращения вибровозбудителя для обеспечения поступательного движения рабочего органа по круговым траекториям, а для возбуждения поступательных колебаний по эллиптическим траекториям коэффициенты жесткости C и С выбирают различными, но так, чтобы парциальные собственные частоты λ и λ рабочего органа были близкими и располагались в резонансной зоне, причем частота λ определяется по усредненному значению коэффициента жесткости С=(C+С)/2.
Устройство работает следующим образом.
Энергия к колебательной системе вибромашины подводится посредством вращающегося ротора. При равномерном вращении ротора с частотой ω периодически меняются во времени инертные свойства колебательной системы вибромашины вследствие наложения на движение тел качения нестационарных связей, что приводит к периодическому изменению коэффициентов в выражении кинетической энергии системы с периодом 2π/ω и самовозбуждению многократного комбинационного параметрического резонанса с возникновением синергетического эффекта (эффекта самоорганизации системы), причем справедливо соотношение
1
2
ω=ω+ω,
1
2
1
2
где ω, ω - соответственно частоты генерации тел качения и рабочего органа, близкие к собственным частотам λ, λ.
1
2
2
2
В результате колебаний тел качения с частотой ω их центр масс описывает окружность в системе координат AX′Y′. При этом автоматически образуется неуравновешенность ротора вибровозбудителя и возникает невидимый дебаланс, причем этот дебаланс вращается с угловой скоростью ω. Поскольку ω≅λ, то центробежная сила инерции будет возбуждать резонансные колебания рабочего органа.
1
2
1
2
1
2
В колебательной системе машины еще до выхода на резонансный режим вследствие неконтролируемых малых возмущений существуют собственные колебания с частотами λ=νω и λ. Колебания с этими частотами значительно превышают все другие шумовые колебания по среднеквадратичной амплитуде. Вхождение машины в резонансную зону приводит к росту амплитуды шумовых компонент с частотами λ, λ и самовозбуждению многократного комбинационного параметрического резонанса. При этом колебательная система машины синхронизируется на частотах ω=ω+ω.
Пример осуществления способа
Для проверки возможности практического осуществления способа и устройства была изготовлена по вариантам 1, 2 действующая модель.
0
1
д
Р
д
Р
x
y
Составной двухдисковый ротор изготовлен из стали марки 40 без закалки. Модель имела следующие параметры: масса рабочего органа (плиты с регулировочными грузами) m=4,1 кг, масса параметрического вибровозбудителя без тел качения, закрепленного на плите, m=m+m=5,7 кг (m=4 кг - масса электродвигателя постоянного тока мощностью 77 Вт, m=1,7 кг - масса ротора), масса тела качения m=0,105 кг, ν=0,25, ε=0,005 (для однодискового ротора), C=239971,1 Н/м, C=230341,33 Н/м.
Вариант 1. Однодисковый ротор закреплялся на конце вала электродвигателя. Система имела параметры:
0
1
2
*
-1
M=m+m+2m=10,01 кг, резонансная частота вращения ротора ω=λ/(1-ν)=204,36 с. Частота вращения ротора и частота колебаний рабочего органа измерялись строботахометром.
2
-1
Эксперимент показал, что по мере приближения ω к ω* возбуждаются резонансные колебания рабочего органа по эллиптическим траекториям с частотой ω=149,15 с, которые наблюдались в стробоскопическом освещении при незначительном рассогласовании частоты вспышек лампы. При этом большая полуось эллипса ориентирована по оси Y. Амплитуда колебаний измерялась ручным вибрографом ВР-1.
2
0
1
-1
*
-1
*
Вариант 2. В этом случае ротор собирался из двух дисков с угловым смещением осей обкатки на угол γ=π/2, которые закреплялись на валу электродвигателя. Параметры системы: λ=151,69 с, σε=2×0,005=0,01, ω=202,25 c, M=m+m+4m=0,22 кг. При ω→ω возбуждаются резонансные колебания рабочего органа по эллиптическим траекториям с удвоенной амплитудой.
x
у
Резонансные колебания по круговым траекториям получаются как частный случай при C=С.
Предложенный способ возбуждения обладает важными достоинствами, которые наделяют машину новыми качествами.
*
2
1. Комбинационный параметрический резонанс возбуждается в широких частотных интервалах (областях параметрической неустойчивости), лежащих в окрестности частоты ω=λ/(1-ν), 0<ν<1. При этом обеспечивается практически абсолютная устойчивость резонансного режима работы машины при высокой добротности ее колебательной системы.
2. Установочная мощность привода вибромашины снижается более чем в два раза по сравнению с используемыми в промышленности инерционным (центробежным) или кинематическим вибровозбудителями. Это дает возможность применить электродвигатель меньшей мощности, чем в существующих машинах с зарезонансной настройкой, то есть способ и устройство являются новыми энергосберегающими технологиями.
3. Возможность возбуждения колебаний большой амплитуды (0,05-0,1 м) и низкой частоты (2-5 Гц), что является оптимальным для работы, например, в зерноперерабатывающей и пищевой промышленности. Используемые инерционные центробежные вибровозбудители, работающие при этих параметрах, являются громоздкими и металлоемкими и требуют специальных пусковых устройств, а при настройке на оптимальный технологический режим самопроизвольно выходят из резонансного режима.
4. Реализуется синергетический эффект, то есть взаимное стимулирование колебаний рабочего органа и тел качения.
5. При работе проявляется эффект расширения резонансной зоны при значительном увеличении линейного демпфирования рабочего органа относительно уровня демпфирования тел качения. Во всех других случаях резонансная машина при увеличении демпфирования «глохнет», а при уменьшении идет в «разнос». Этот эффект может быть реализован на практике, так как тела качения не подвержены действию технологической нагрузки.
6. Имеется возможность работать в широком диапазоне амплитуд колебаний.
7. Возможность создания вибропривода непосредственно от ротора электродвигателя, что существенно упрощает конструкцию, снижает массоемкость машины, а главное открывает перспективы оптимального управления технологическим процессом.
Испытания опытных образцов параметрически возбуждаемых вибрационных устройств показали их высокую эффективность при сравнительно небольших габаритах и массе привода.
Анализ показывает, что предлагаемое решение соответствует критериям "новизна", "изобретательский уровень" и "промышленная применимость".