PL222808B1 - Urządzenie do napędu, zwłaszcza elementów roboczych maszyn oraz sposób napędu, zwłaszcza maszyn - Google Patents

Abstract

Wynalazek dotyczy sposobu polegającego na tym, że podczas wzbudzania drgań masy1 (4) oscylatora przez element wymuszający drgania, następuje zjawisko rezonansu mechanicznego, w czasie którego zwiększa się amplituda drgań masy1 (4) a tym samym rośnie energia tych drgań, którą wykorzystuje się do napędu elementów roboczych maszyny. Warunkiem koniecznym jest by częstotliwość siły wymuszającej była zbliżona do częstotliwości drgań własnych masy1 oscylatora. Dodatkowo, w przypadku oscylatora zawierającego dwie masy, częstotliwość siły wymuszającej powinna być zbliżona do częstotliwości drgań układu dwumasowego, przy której obydwie masy drgają w zgodnej fazie. Tym samym zwiększa się energia drgań masy2, która poprzez układ współpracującej listwy zębatej (8) z kołem zębatym (9) przekazywana jest do układu napędowego elementów roboczych maszyny.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do napędu, zwłaszcza elementów roboczych maszyn oraz sposób napędu, zwłaszcza maszyn. Wynalazek może znaleźć zastosowanie w maszynach o niższym poborze mocy oraz w urządzeniach stacjonarnych, pracujących ze stałą prędkością ruchu. W urządzeniach mobilnych jego wykorzystanie byłoby szczególnie celowe w fazie ruchu ze stałą prędkością poruszania się, podczas której potrzebna jest energia do pokrycia strat związanych z oporami ruchu.

Podczas drgań układu mechanicznego amplituda drgań zależy od stosunku częstości siły wymuszającej do częstości drgań własnych układu. Jeśli częstotliwość siły wymuszającej jest równa częstotliwości drgań własnych następuje zwielokrotnienie amplitudy drgań i zjawisko to nazywa się rezonansem mechanicznym. Dla układu jedno-masowego składającego się z masy i sprężyny (posiadającego 1 stopień swobody) występuje jedna częstotliwość drgań własnych, która wynika ze współczynnika sztywności sprężyny oraz z masy. Ponieważ w praktyce zawsze występuje tłumienie drgań, współczynnik zwielokrotnienia amplitudy osiąga skończone wartości. Wartość amplitud drgań w warunkach rezonansu jest silnie zależna od tłumienia występującego w układzie mechanicznym. Występowanie rezonansu w układach mechanicznych jest zazwyczaj niekorzystne i prowadzi często do zwiększenia zmiennych obciążeń i uszkodzenia konstrukcji mechanicznych (most Tacoma, kładki dla pieszych, drgania krytyczne wałów, itp.).

Znanych jest wiele rozwiązań mających na celu wyeliminowanie zjawiska rezonansu zarówno w maszynach jak i w budowlach inżynierskich. Dla redukcji amplitud drgań w maszynach w warunkach rezonansowych stosuje się zazwyczaj zwiększenie tłumienia. W budowlach inżynierskich, stosowane są między innymi tzw. eliminatory Frahma (tuned mass dampers), w których efekt tłumienia uzyskuje się poprzez zastosowanie masy dodatkowej zawieszonej na sprężynie dostrojonej w taki sposób, że częstotliwość własna masy głównej jest zbliżona do częstotliwości masy dodatkowej a jej drgania odbywają się w fazie przeciwnej do drgań masy głównej. W ten sposób drgania rezonansowe masy głównej zostają w znacznym stopniu wytłumione.

Wiadomym jest, że energia dostarczana do układu wynika z prędkości obrotowej masy m. Energię kinetyczną masy m znajdującej się w ruchu obrotowym oraz posuwisto-zwrotnym można określić z zależności:

Ekm =1ΐ·ω²+ gdzie / masowy moment bezwładności masy m:

I = m · r² r - promień na którym zamocowana jest masa w ruchu obrotowym ω - częstość kątowa obrotu masy m v - prędkość masy m w ruchu posuwisto zwrotnym

Energię kinetyczną masy M poruszającej się ruchem posuwisto-zwrotnym określa się z wzoru:

E_kM =\M δ gdzie:

v - prędkość liniowa masy M

Energia potencjalna masy M wynikająca z ugięcia sprężyn jest następująca:

EpM —k x gdzie:

k - współczynnik sztywności układu sprężyn x - ugięcie sprężyn

Energia całkowita masy M jest sumą energii kinetycznej i potencjalnej:

E_cM = ^k-A² gdzie:

A - amplituda drgań masy M

E_cM - jest to skumulowana energia, która może być odebrana z układu.

PL 222 808 B1

Energia układu znajdującego się w warunkach rezonansu, której część może być odebrana z układu, jest wielokrotnie wyższa od energii dostarczanej. Rezonans mechaniczny w skali makro jest postrzegany jako zjawisko negatywne. Znany jest jednak sposób odzyskiwania energii z drgających elementów do wytwarzania prądu i zasilania czujników czy urządzeń elektronicznych (vibrational energy harvesting). Elementem wytwarzającym prąd jest generator prądu działający na zasadzie oscylatora harmonicznego, którym jest poruszający się rdzeń prądnicy. Odzyskiwanie energii drgań jest stosowane dotychczas wyłącznie w skali mikro, pozwala na uzyskanie mocy rzędu kilku miliwat. Zakres częstotliwości wykorzystywanej przy tego typu urządzeniach jest na poziomie powyżej 50 Hz przy masach sejsmicznych rzędu miligramów.

Nie są znane rozwiązania, które wykorzystują zjawisko rezonansu mechanicznego jako źródło napędu, zwłaszcza elementów roboczych maszyn albo urządzeń mobilnych.

Celem wynalazku jest wykorzystanie efektu wzrostu energii mechanicznej podczas rezonansu do napędu maszyn i urządzeń o ruchomych elementach roboczych.

Istotą wynalazku jest, że oscylator zawiera co najmniej jedną masę₁, urządzenie wzbudzające drgania ze sterownikiem oraz listwę zębatą współpracującą z kołem zębatym. Koło zębate łożyskowane jest na ramie, zaś listwa połączona jest na stałe z masą₁. Masa₁ umieszczona jest na wózku prowadnicy liniowej zamocowanej na ramie, oraz połączona z co najmniej jedną ściskająco-rozciągającą sprężyną. Możliwe również jest zamocowanie masy₁, między dwiema rozciągającymi sprężynami, przymocowanymi na stałe do ramy albo do elementu konstrukcyjnego maszyny. Urządzenie wzbudzające drgania, umocowane jest w ten sposób, że powoduje wymuszenie drgania masy₁. Jeśli oscylator zawiera dodatkowo masę₂ to masa ta połączona jest na stałe z listwą zębatą współpracującą z kołem zębatym, przy czym koło zębate łożyskowane jest na ramie i dodatkowa masa₂, połączona jest z masą₁ dodatkową rozciągającą albo ściskająco-rozciągającą sprężyną, przy czym do ramy albo do elementu konstrukcyjnego maszyny przymocowana jest którakolwiek masa za pomocą ściskającorozciągającej sprężyny. Możliwe jest również, że to obie masy przymocowane są dwiema rozciągającymi sprężynami do przeciwległych krańców ramy albo elementu konstrukcyjnego maszyny.

Korzystnie jest, gdy za kołem zębatym i na jego osi, znajduje się sprzęgło jednokierunkowe.

Korzystnie także jest, gdy masa₂ jest wielokrotnie mniejsza od masy₁.

Dodatkowo, korzystnie jest, gdy układ składa się z co najmniej dwóch oscylatorów połączonych ze sobą i z maszyną albo urządzeniem równolegle oraz elektroniczny sterownik, w taki sposób, że umożliwia pracę sekwencyjną oscylatorów.

Korzystnie również jest, gdy urządzeniem wzbudzającym drgania jest silnik elektryczny o zmiennej prędkości obrotowej, przy czym na wałku silnika elektrycznego, mimośrodowo zamocowana jest masa wirująca.

Korzystnie jest, gdy urządzeniem wzbudzającym drgania jest siłownik pneumatyczny albo siłownik hydrauliczny.

Istotą sposób według wynalazku jest to, że podczas wzbudzania drgań masy1 oscylatora przez element wymuszający drgania, następuje zjawisko rezonansu mechanicznego, w czasie którego zwiększa się amplituda drgań masy1 a tym samym rośnie energia tych drgań, którą wykorzystuje się do napędu elementów roboczych maszyny. Warunkiem koniecznym jest by częstotliwość siły wymuszającej była zbliżona do częstotliwości drgań własnych masy1 oscylatora. Dodatkowo, w przypadku oscylatora zawierającego dwie masy, częstotliwość siły wymuszającej powinna być zbliżona do częstotliwości drgań układu dwumasowego, przy której obydwie masy drgają w zgodnej fazie. Tym samym zwiększa się energia drgań masy2, która poprzez układ współpracującej listwy zębatej z kołem zębatym, przekazywana jest do układu napędowego elementów roboczych maszyny.

Korzystnie jest, gdy co najmniej dwa oscylatory równolegle połączone poprzez układ sterownia, ze sobą i z maszyną, wykonują pracę sekwencyjną, przy czym energia drgań w poprzednim oscylatorze, ulega odnowieniu w czasie pracy kolejnego oscylatora.

Zakres częstotliwości rezonansowych dla tego typu urządzenia zawiera się od 0,5 Hz do 5,0 Hz. Moc wytwarzana przez urządzenie wynika z mocy urządzenia wzbudzającego drgania, z oporów ruchu elementów tocznych, z wielkości masy i sztywności sprężyn oscylatora.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania jest uwidoczniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat napędu jednomasowego wykorzystującego wzrost energii drgań podczas rezonansu, fig. 2 - schemat napędu dwumasowego wykorzystującego wzrost energii drgań podczas rezonansu.

PL 222 808 B1

P r z y k ł a d 1: Urządzenie (oscylator) składa się z masy! 4 umieszczonej na elemencie tocznym poruszającym się na prowadnicy liniowej 1 zamocowanej na ramie 7. Z obu stron masa! 4 została połączona z rozciągającymi sprężynami 6a i 6c przymocowanymi do ramy 7 urządzenia. Dla wzbudzania drgań w tym układzie zastosowano jako element wzbudzający 2, sterowany elektronicznie silnik elektryczny o zmiennej prędkości obrotowej z niewyważoną masą wirującą 3. Silnik ten wraz z masą wirującą 3, umieszczony jest centralnie na masiei 4. Dodatkowo, masai 4, połączona jest na stałe z listwą zębatą 8 w taki sposób, że ruch posuwisto-zwrotny masy₁ 4 po prowadnicy liniowej 1, wymusza ruch obrotowy współpracującego z listwą zębatą 8, koła zębatego 9. Ruch obrotowy koła zębatego 9, przekazywany jest na element roboczy maszyny za pośrednictwem sprzęgła jednokierunkowego 10.

P r z y k ł a d 2: Oscylator jak w przykładzie 1, z tym, że masa₁ 4 połączona jest z jednej strony, poprzez ściskająco-rozciągającą sprężynę 6b z masą₂ 5, która to masa z drugiej strony połączona jest z obudową oscylatora poprzez ściskająco-rozciągającą sprężynę 6c. W tym przypadku to masa₂ 5, połączona jest na stałe z listwą zębatą 8 w taki sposób, że ruch posuwisto-zwrotny masy₂ 5 po prowadnicy liniowej 1, wymusza ruch obrotowy współpracującego z listwą zębatą 8, koła zębatego 9.

P r z y k ł a d 3: Dla wymuszenia drgań w tym układzie zastosowano element wzbudzający drgania 2, którym jest sterowany elektronicznie silnik prądu stałego powodujący powstawanie okresowej siły wymuszającej, związanej z obrotem niewyważonej masy wirującej 3. Prędkość obrotowa silnika 2 jest zmieniana poprzez zmianę napięcia doprowadzanego do silnika 2. Zwiększając prędkość obrotową silnika 2 można stwierdzić zdecydowane zwiększenie amplitudy drgań masy M przy częstości rezonansowej.

Odbiór energii drgań odbywa się za pomocą listwy zębatej 8 z kołem zębatym 9 z mechanizmem zębatkowo-zapadkowym, tzw. sprzęgłem jednokierunkowym 10, które zapewnia przenoszenie napędu tylko w jednym kierunku obrotów.

Porównując energię dostarczoną do elementu wymuszającego drgania 2, którym może być obrotowy silnik elektryczny o zmiennej prędkości obrotowej, wynikającą z energii kinetycznej masy wirującej 3, z sumą energii kinetycznej i potencjalnej masy1 4, poruszającej się ruchem posuwistozwrotnym, można stwierdzić, że w warunkach rezonansu całkowita energia drgającej masy1 4 jest wielokrotnie wyższa niż energia potrzebna do obrotu masy wirującej 3. Wynika to ze zdolności akumulowania energii przez układ drgający podczas rezonansu. Warunkiem koniecznym występowania rezonansu jest by wymuszenie wynikające z obrotu masy wirującej 3, wyprzedzało o 90 stopni przesunięcie drgającej masy₁ 4. Efekt zwielokrotnienia amplitudy zależy od sztywności sprężyn 6a i 6c, i jest tym większy im mniejsze jest tłumienie drgań w układzie.

Wariantem wynalazku jest zwielokrotnienie układu do 2 lub 3 oscylatorów połączonych ze sobą równolegle i sukcesywna ich praca w urządzeniu, przy zachowaniu synchronizacji pracy poszczególnych oscylatorów, za pomocą synchronizatora. Następuje wówczas praca przerywana tj. wykorzystanie energii drgań masy w jednym module i przejście do następnego a w tym czasie energia drgań masy w module pierwszym masy ulegnie odnowieniu.

P r z y k ł a d 4: Do realizacji sposobu napędu maszyny, możliwe jest również zastosowanie oscylatorów dwumasowych, w których występują dwie masy: masa₁ 4 i masa₂ 5 wraz z układem sprężyn 6a, 6b, 6c jak na fig. 2. Postępuje się wówczas jak w przykładzie 3, z tym, że sterownik silnika zapewnia dopasowanie częstotliwości wymuszenia do częstotliwości własnej drgań układu mas 4 i 5, przy której obie masy poruszają się w zgodnej fazie, co jest warunkiem rezonansu. Wymuszenie działa na masę₂ 5 poprzez masę₁ 4, która jest wielokrotnie mniejsza od masy₂ 5.

Skumulowana energia masy₂ 5 zamieniana jest z ruchu posuwisto-zwrotnego na ruch obrotowy za pomocą układu listwa zębata 8, - koło zębate (9), i przekazywana/odbierana przez element roboczy maszyny. Praca urządzenia może odbywać się wówczas gdy tłumienie wynikające z jego obciążenia będzie mniejsze od tzw. tłumienia krytycznego tj. tłumienia, przy którym nie występują oscylacje. Podobnie jak w przypadku układu jednomasowego możliwe jest również zwielokrotnienie do 2 lub 3 oscylatorów dwumasowych i sukcesywna ich praca w urządzeniu, przy zachowaniu synchronizacji pracy poszczególnych oscylatorów, na przykład za pomocą synchronizatora.

Przedmiotowe rozwiązanie cechuje się prostą konstrukcją i jest stosunkowo proste do zastosowania w różnego typu maszynach.

Claims (8)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Urządzenie do napędu, zwłaszcza elementów roboczych maszyn, znamienne tym, że jest oscylatorem zawierającym co najmniej jedną masę₁ (4), element wymuszający drgania (2) ze sterownikiem oraz listwę zębatą (8) współpracującą z kołem zębatym (9), przy czym koło zębate (9) łożyskowane jest na ramie (7), zaś listwa zębata (8) połączona jest na stałe z masą₁ (4), która to masa₁ (4) umieszczona jest na wózku prowadnicy liniowej (1) zamocowanej na ramie (7) oraz połączona z jedną ściskająco-rozciągającą sprężyną (6a), albo dwiema rozciągającymi sprężynami (6a) i (6c), przymocowanymi na stałe do ramy (7) albo do elementu konstrukcyjnego maszyny, natomiast element wymuszający drgania (2), umocowany jest w ten sposób, że powoduje wymuszenie drgania masy₁ (4) i sterowany tak, że częstotliwość drgań wymuszenia jest równa częstotliwości rezonansowej oscylatora, natomiast jeśli oscylator zawiera dodatkowo drugą masę₂ (5), to masa₂ (5) połączona jest na stałe z listwą zębatą (8) współpracującą z kołem zębatym (9), przy czym koło zębate (9) łożyskowane jest na ramie (7) i masa ta (5), połączona jest z masą₁ (4) dodatkową rozciągającą albo ściskającorozciągającą sprężyną (6b), przy czym do ramy (7) albo do elementu konstrukcyjnego maszyny przymocowana jest którakolwiek masa (4 albo 5) za pomocą ściskająco-rozciągającej sprężyny (6a), bądź obie masy (4 i 5) dwiema rozciągającymi sprężynami (6a) i (6c) mocującymi te masy do przeciwległych krańców ramy (7) albo elementu konstrukcyjnego maszyny.
2. 2. Urządzenie, według zastrz. 1, znamienne tym, że za kołem zębatym (9) i na jego osi, znajduje się sprzęgło jednokierunkowe (10).
3. 3. Urządzenie, według zastrz. 1, znamienne tym, że masa₂ (5) jest wielokrotnie mniejsza od masy1 (4).
4. 4. Urządzenie, według zastrz. 1 albo 3, znamienne tym, że składa się z co najmniej dwóch oscylatorów połączonych ze sobą i z maszyną albo urządzeniem równolegle oraz elektroniczny sterownik, w taki sposób, że umożliwia pracę sekwencyjną oscylatorów.
5. 5. Urządzenie, według zastrz. 1 albo 3, znamienne tym, że urządzeniem wzbudzającym drgania (2) jest silnik elektryczny o zmiennej prędkości obrotowej, przy czym na wałku silnika elektrycznego, mimośrodowo zamocowana jest masa wirująca (3).
6. 6. Urządzenie według zastrz. 1 albo 3, znamienne tym, że urządzeniem wzbudzającym drgania (2) jest siłownik pneumatyczny albo siłownik hydrauliczny.
7. 7. Sposób napędu, zwłaszcza maszyn, znamienny tym, że podczas wzbudzania drgań masy₁ (4) oscylatora przez element wymuszający drgania (2), przy czym częstotliwość siły wymuszającej jest zbliżona do częstotliwości drgań własnych masy₁ (4) oscylatora, następuje zjawisko rezonansu mechanicznego, w czasie którego zwiększa się amplituda drgań masy1 (4) a tym samym rośnie energia tych drgań, którą wykorzystuje się do napędu elementów roboczych maszyny, dodatkowo, w przypadku oscylatora zawierającego dwie masy (4) i (5), częstotliwość siły wymuszającej powinna być zbliżona do częstotliwości drgań układu dwumasowego, przy której obydwie masy (4) i (5) drgają w zgodnej fazie, a tym samym zwiększa się energia drgań masy₂ (5), która poprzez układ współpracującej listwy zębatej (8) z kołem zębatym (9), przekazywana jest do układu napędowego elementów roboczych maszyny.
8. 8. Sposób, według zastrz. 7, znamienny tym, że co najmniej dwa oscylatory równolegle połączone poprzez układ sterownia, ze sobą i z maszyną, wykonują pracę sekwencyjną, przy czym energia drgań w poprzednim oscylatorze, ulega odnowieniu w czasie pracy kolejnego oscylatora.