RU2116951C1

RU2116951C1 - Vibration displacement mechanism

Info

Publication number: RU2116951C1
Application number: RU96102971A
Authority: RU
Inventors: Д.М. Белый; Ю.А. Ляхов
Original assignee: Ульяновский государственный технический университет
Priority date: 1996-02-15
Filing date: 1996-02-15
Publication date: 1998-08-10

Abstract

FIELD: mechanical engineering. SUBSTANCE: vibration displacement mechanism has rough plane installed for vibration and body with physical pendulum suspended from body and installed on roughed plane. Surface of body in contact with roughed plane has two sections with different friction coefficients. Sections border line coincides with projection of pendulum suspension axis on plane of contact. EFFECT: reduced consumption of energy vibration displacement, enlarged operating capabilities of mechanism. 2 dwg

Description

Изобретение относится к вибрационному транспортированию и может быть использовано в различных областях народного хозяйства. The invention relates to vibration transportation and can be used in various fields of national economy.

Известен механизм вибрационного транспортирования штучных предметов, включающий данный предмет, установленный на грузонесущем органе, соединенном с источником возмущающих колебательных воздействий, при этом возмущающие воздействия должны быть либо ориентированы под заданным углом к грузонесущей поверхности, либо содержать постоянную составляющую, носить круговой характер, быть одновременно ориентированными вдоль разных осей (Спиваковский А. О. и др. Вибрационные конвейеры, питатели и вспомогательные устройства. - М.: Машиностроение, 1972, с. 8). There is a known mechanism of vibrational transportation of piece items, including this item mounted on a load-bearing body connected to a source of disturbing vibrational effects, while the disturbing effects must either be oriented at a given angle to the load-bearing surface, or contain a constant component, be circular, be simultaneously oriented along different axes (Spivakovsky A. O. et al. Vibration conveyors, feeders and auxiliary devices. - M.: Mechanical Engineering, 1972, p. 8).

Однако данный механизм характеризуется значительной сложностью, высокими энергозатратами, ограниченными функциональными возможностями. However, this mechanism is characterized by significant complexity, high energy consumption, limited functionality.

Известен также механизм вибрационного перемещения, включающий объект с верхней и нижней опорами и вибровозбудитель, установленный со смещением относительно опор (авт. св. СССР N 1392004, кл. B 65 G 27/00, 1988). There is also a known mechanism of vibrational movement, including an object with upper and lower supports and a vibration exciter installed with an offset relative to the supports (ed. St. USSR N 1392004, class B 65 G 27/00, 1988).

Однако данный механизм обеспечивает только микроперемещения объекта и для вибротранспортирования практически не пригоден. Кроме того, за счет специфичности конструкции механизм имеет предельно ограниченные функциональные возможности. However, this mechanism provides only micromotion of the object and is practically not suitable for vibrotransport. In addition, due to the specificity of the design, the mechanism has extremely limited functionality.

Известен также механизм вибрационного транспортирования штучных предметов, содержащий транспортируемый предмет, упруго защемленный между двумя грузонесущими вибрирующими поверхностями, освобождающими предмет от защемления в моменты достижения им максимальной скорости (авт. св. СССР N 659473, кл. B 65 G 27/04, 1979). There is also a known mechanism for the vibrational transportation of piece items, containing a transportable item, elastically pinched between two load-bearing vibrating surfaces that release the item from being pinched when it reaches maximum speed (ed. St. USSR N 659473, class B 65 G 27/04, 1979) .

Однако данный механизм характеризуется значительной сложностью как конструкции, так и схемной реализации, регулировки и эксплуатации, а также сравнительно малой эффективностью и имеет специфическое применение. However, this mechanism is characterized by significant complexity of both the design and circuit implementation, adjustment and operation, as well as relatively low efficiency and has specific application.

Наиболее близким к изобретению устройством того же назначения по совокупности признаков является механизм вибрационного перемещения, состоящий из расположенной с возможностью совершения колебаний под действием вибраций шероховатой плоскости и установленного на шероховатой плоскости тела с подвешенным на нем физическим маятником (Блехман И.И., Джанелидзе Г.Ю. Вибрационное перемещение. - М.: Наука, 1964, с. 294 - 299). При этом плоскость наклонена под углом α к горизонту и имеет возможность совершать прямолинейные гармонические колебания, направленные под углом β к плоскости. Механизм данного типа актуален, например, в питателях, служащих для равномерной подачи ориентированных деталей в станках-автоматах. Closest to the invention, a device of the same purpose for a combination of features is a vibrational displacement mechanism, consisting of a rough plane located with the possibility of vibrations under the influence of vibrations and mounted on a rough plane of the body with a physical pendulum suspended on it (Blekhman I.I., Dzhanelidze G. Yu. Vibrational displacement. - Moscow: Nauka, 1964, p. 294 - 299). Moreover, the plane is inclined at an angle α to the horizontal and has the ability to perform rectilinear harmonic oscillations directed at an angle β to the plane. This type of mechanism is relevant, for example, in feeders that serve for uniform supply of oriented parts in automatic machines.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относятся малоэффективность механизма, требование значительных энергозатрат. Для приведения тела с физическим маятником в движение относительно вибрирующей плоскости при прочих равных условиях необходимо значительно более интенсивные вибрации с многократно увеличенными амплитудами виброускорения плоскости, чем для осуществления той же задачи в случае одного тела без маятника. Кроме того, необходимость сообщения вибраций под углом к плоскости ограничивает возможности использования известного механизма. The reasons that impede the achievement of the technical result indicated below when using the known device adopted as a prototype include the inefficiency of the mechanism, the requirement of significant energy consumption. Other things being equal, bringing a body with a physical pendulum into motion relative to a vibrating plane requires significantly more intense vibrations with greatly increased amplitudes of vibrational acceleration of the plane than for the same task in the case of a single body without a pendulum. In addition, the need to communicate vibrations at an angle to the plane limits the use of the known mechanism.

Сущность изобретения заключается в том, что вибрационное перемещение тела осуществляется путем создания однонаправленной тяги за счет смещения равнодействующей сил нормального давления контактирующих поверхностей в течение периода вибрации в зоне с различными коэффициентами трения. Это дает возможность создания механизма перемещения по горизонтали и вверх по наклонной вибрирующей плоскости при действии элементарных прямолинейных гармонических колебаний сравнительно малой амплитуды в любом направлении, в том числе - и в плоскости движения тела. Кроме того, появляется возможность использования для виброперемещения случайных паразитных вибраций, возникающих, например, при работе двигателей, станков и т.п., что приводит к значительной экономии энергии. The essence of the invention lies in the fact that the vibrational movement of the body is carried out by creating unidirectional traction due to the displacement of the resultant normal pressure forces of the contacting surfaces during the period of vibration in the zone with different friction coefficients. This makes it possible to create a mechanism for moving horizontally and up along an inclined vibrating plane under the action of elementary rectilinear harmonic oscillations of relatively small amplitude in any direction, including in the plane of motion of the body. In addition, it becomes possible to use for vibration displacement random spurious vibrations that occur, for example, during the operation of engines, machines, etc., which leads to significant energy savings.

Технический результат изобретения - уменьшение энергозатрат на виброперемещение и расширение функциональных возможностей механизма. The technical result of the invention is the reduction of energy consumption for vibration displacement and the expansion of the functionality of the mechanism.

Технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном механизме вибрационного перемещения, включающем расположенную с возможностью совершения колебаний под действием вибрации шероховатую плоскость, установленное на шероховатой плоскости тело с подвешенным на нем физическим маятником, особенность заключается в том, что контактирующая с плоскостью поверхность тела выполнена в виде двух участков с различными коэффициентами трения, при этом линия границы раздела участков совпадает с проекцией оси подвеса маятника на плоскость контакта. The technical result in the implementation of the invention is achieved by the fact that in the known mechanism of vibrational movement, including a rough plane located with the possibility of vibrations under the action of vibration, a body mounted on a rough plane with a physical pendulum suspended on it, the feature is that the body surface in contact with the plane made in the form of two sections with different coefficients of friction, while the line of the interface between the sections coincides with the projection of the suspension axis and the pendulum on the plane of contact.

На фиг. 1 схематично изображен предлагаемый механизм виброперемещения; на фиг. 2 - центральный поперечный разрез механизма. In FIG. 1 schematically shows the proposed vibration displacement mechanism; in FIG. 2 - a central cross section of the mechanism.

Механизм вибрационного перемещения состоит из шероховатой плоскости 1, расположенной под углом α к горизонту с возможностью совершения колебаний под действием вибраций, установленного на наклонной плоскости 1 тела 2 с подвешенным на оси 3, параллельной плоскости 1, физическим маятником 4. При этом контактирующая с плоскостью 1 поверхность тела 2 выполнена в виде двух участков 5 и 6 с различными коэффициентами трения f₁ и f₂ так, что линия границы раздела участков 5 и 6 совпадает с проекцией оси подвеса 3 маятника 4 на плоскость контакта. В частном случае, как показано на фиг. 2, тело 2 выполнено коробчатой конструкции для возможности транспортировки в нем грузов и имеет ограничители 7 поперечного смещения тела 2 относительно плоскости 1 в направлении, перпендикулярном движению. В наиболее общем случае плоскость 1 (как и в устройстве-прототипе) совершает прямолинейные гармонические колебания с амплитудой A и частотой ω , направленные под углом β к плоскости 1. На фиг. 1 физический маятник 4 показан в положении статического равновесия (вертикальном положении).The mechanism of vibrational movement consists of a rough plane 1, located at an angle α to the horizon with the possibility of vibrations, mounted on the inclined plane 1 of the body 2 with a physical pendulum 4 suspended on an axis 3 parallel to plane 1, while in contact with plane 1 the surface of the body 2 is made in the form of two sections 5 and 6 with different friction coefficients f ₁ and f ₂ so that the boundary line of the sections 5 and 6 coincides with the projection of the suspension axis 3 of the pendulum 4 onto the contact plane. In the particular case, as shown in FIG. 2, the body 2 is made box-shaped for the possibility of transporting goods in it and has limiters 7 for lateral displacement of the body 2 relative to the plane 1 in the direction perpendicular to the movement. In the most general case, plane 1 (as in the prototype device) performs rectilinear harmonic oscillations with amplitude A and frequency ω directed at an angle β to plane 1. FIG. 1, a physical pendulum 4 is shown in a state of static equilibrium (vertical position).

Механизм вибрационного перемещения работает следующим образом. The mechanism of vibrational movement works as follows.

Считаем для определенности, f₁ < f₂ и (для упрощения пояснения принципа работы) что колебания плоскости 1 происходят в той же плоскости, т.е. угол β = 0. В этом случае в устройстве-прототипе перемещения тела 1 вверх происходить не будет, так как там принцип виброперемещения тела вверх основан именно на наличие угла β ≠ 0 . В предлагаемом механизме при отсутствии маятника 4 (при β = 0) также не будет происходить поступательного перемещения тела 2, а будут лишь колебания тела 2 относительно исходного положения (за счет действия силы тяжести тело будет двигаться вниз по наклонной плоскости). В полупериод внешней вибрации A sin ω t, когда вибрация действует вправо, на тело 2 действует сила трения

, направленная влево и равная F_тр = f₁N₁ + f₂N₂, где N₁ и N₂ - нормальные реакции, вызванные весом участков тела 2 с коэффициентами трения f₁ и f₂ соответственно. В другой полупериод, когда вибрация действует влево, на тело 2 будет действовать такая же по величине сила трения

, направленная вправо. Однако при наличии маятника 4 и разных коэффициентах трения f₁ и f₂ ситуация коренным образом меняется. В полупериод, когда вибрация действует вправо и тело 2 естественно смещается также вправо, маятник 4 смещается относительно тела 2 влево в зону участка с коэффициентом трения f₁. При этом на тело 2 действует направленная влево суммарная сила трения

= f₁N₁ + f₂N₂ + f₁N_M, где N_M - нормальная реакция, вызванная весом маятника 4. При этом очевидно, что при действии во второй полупериод вибрации влево маятник смещается относительно тела вправо в зону участка с коэффициентом трения f₂, и суммарная сила трения, действующая вправо, равна

= f₁N₁ + f₂N₂ +f₂N_M. Так как f₁ < f₂, то очевидно, что F_тр<

на величину (f₂ - f₁)N_M, т.е. тело за каждый период действия внешних вибраций получает постоянную составляющую внешней силы, направленную вправо и при определенной интенсивности внешних вибраций, соотношении коэффициентов трения f₁ и f₂, массе маятника m_M тело будет двигаться вверх по наклонной плоскости. Наличие как в устройстве-прототипе угла β ≠ 0 ничего принципиально не изменяет, а только усиливает вышеуказанный эффект виброперемещения.For definiteness, we assume that f ₁ <f ₂ and (to simplify the explanation of the principle of operation) that the vibrations of plane 1 occur in the same plane, i.e. the angle β = 0. In this case, the prototype device will not move the body 1 upward, since there the principle of vibrational upward movement of the body is based on the presence of the angle β ≠ 0. In the proposed mechanism, in the absence of a pendulum 4 (with β = 0), there will also be no translational movement of body 2, but only oscillations of body 2 relative to the initial position (due to the action of gravity, the body will move down an inclined plane). In the half-period of external vibration A sin ω t, when the vibration acts to the right, the friction force acts on the body 2

directed to the left and equal to F _Tr = f ₁ N ₁ + f ₂ N ₂ , where N ₁ and N ₂ are normal reactions caused by the weight of parts of the body 2 with friction coefficients f ₁ and f _2, respectively. In another half-period, when vibration acts to the left, the same amount of friction force will act on body 2

directed to the right. However, in the presence of a pendulum 4 and different friction coefficients f ₁ and f _{2, the} situation changes radically. In the half-period, when the vibration acts to the right and the body 2 naturally also shifts to the right, the pendulum 4 shifts relative to the body 2 to the left in the area of the section with the friction coefficient f ₁ . At the same time, the total left friction force acts on the body 2

= f ₁ N ₁ + f ₂ N ₂ + f ₁ N _M , where N _M is the normal reaction caused by the weight of the pendulum 4. Moreover, it is obvious that when the second half-cycle vibrates to the left, the pendulum shifts relative to the body to the right in the area of the section with the coefficient friction f ₂ , and the total friction force acting to the right is

= f ₁ N ₁ + f ₂ N ₂ + f ₂ N _M. Since f ₁ <f ₂ , it is obvious that F _Tr <

by the value of (f ₂ - f ₁ ) N _M , i.e. the body for each period of external vibrations receives a constant component of the external force directed to the right and with a certain intensity of external vibrations, the ratio of the friction coefficients f ₁ and f ₂ , the mass of the pendulum m _{M the} body will move upward along an inclined plane. The presence of an angle β ≠ 0 as in the prototype device does not fundamentally change anything, but only enhances the above effect of vibration displacement.

Таким образом, одновременное наличие на контактирующей с плоскостью поверхности тела участков с различными коэффициентами трения и подвижного элемента (маятника 4), перемещающего в течение периода действия внешних вибраций положение своего центра масс в зоны с различными коэффициентами трения, позволяет полностью изменить принцип работы механизма вибрационного перемещения и сделать его отличающимся от принципов действия всех известных механизмов данного назначения. Работа предлагаемого механизма не зависит от характера вибрации, возможны любые по направлению вибрации, в том числе расположенные в плоскости движения тела. Если в устройстве-прототипе наличие маятника только увеличивает энергозатраты на виброперемещение вверх по наклонной плоскости, то в предлагаемом механизме присутствие маятника наоборот необходимо для реализации предлагаемого нового принципа действия. Механизм предельно прост и не предъявляет практически никаких требований к возмущающим воздействиям по амплитуде, частоте, фазности, направлениям действия относительно плоскости транспортирования, не требует одновременности действия вибраций по разным осям. Thus, the simultaneous presence of sections with different friction coefficients and a movable element (pendulum 4) on the body surface in contact with the plane, which moves the position of its center of mass to zones with different friction coefficients during the period of external vibrations, allows you to completely change the principle of operation of the vibrational displacement mechanism and make it different from the operating principles of all known mechanisms for this purpose. The work of the proposed mechanism does not depend on the nature of the vibration; any in the direction of vibration is possible, including those located in the plane of motion of the body. If in the prototype device the presence of the pendulum only increases the energy consumption for vibration upward along an inclined plane, then in the proposed mechanism the presence of the pendulum, on the contrary, is necessary to implement the proposed new principle of operation. The mechanism is extremely simple and poses virtually no requirements for disturbing influences in amplitude, frequency, phase, directions of action relative to the transport plane, does not require simultaneous action of vibrations on different axes.

При этом очевидно, что наличие участков поверхности с разными коэффициентами трения f₁ и f₂ позволяет при той же амплитуде A и частоте ω возмущающих вибраций резко увеличить скорость перемещения тела вверх по наклонной плоскости, что значительно уменьшает энергозатраты на виброперемещение. Кроме того, возможность виброперемещения тела при любом направлении действующих вибраций, в том числе при действии вибраций в плоскости перемещения и при случайных паразитных вибрациях, резко расширяет функциональные возможности предлагаемого механизма.It is obvious that the presence of surface sections with different friction coefficients f ₁ and f ₂ allows for the same amplitude A and frequency ω of disturbing vibrations to sharply increase the speed of the body moving up the inclined plane, which significantly reduces the energy consumption for vibration displacement. In addition, the possibility of vibrational displacement of the body in any direction of acting vibrations, including under the action of vibrations in the plane of movement and random spurious vibrations, dramatically expands the functionality of the proposed mechanism.

В результате подробных математических выкладок исследована динамика предлагаемого вибрационного механизма как системы с двумя степенями свободы. При этом были получены аналитические зависимости для ускорения, скорости и поступательного перемещения тела на плоскости при прямом ходе - в те полупериоды возмущающих вибраций, когда тело движется вверх по наклонной плоскости, обратном ходе и результирующего движения. As a result of detailed mathematical calculations, the dynamics of the proposed vibrational mechanism as a system with two degrees of freedom is investigated. In this case, analytical dependences were obtained for the acceleration, speed and translational movement of the body on the plane during the forward stroke - during those half-periods of disturbing vibrations when the body moves upward along the inclined plane, the reverse motion and the resulting motion.

Далее приводится итоговая зависимость для разности амплитудных значений ускорений тела при прямом

и обратном

ходе, характеризующая результирующее направленное вверх по плоскости ускорение тела

где
m_T и m_M - соответственно массы тела 2 и маятника 4.The following is the final dependence for the difference in the amplitude values of the body accelerations with direct

and vice versa

the course characterizing the resulting upward acceleration of the body

Where
m _T and m _M are body mass 2 and pendulum 4, respectively.

Значения A, β,ω f51 и f₂ теоретически и экспериментально подбираются такими, чтобы тело двигалось вверх по наклонной плоскости, преодолевая силу тяжести и силу трения. Как видно из зависимости, первое слагаемое обуславливает движение тела вверх по плоскости за счет наличия угла β между направлением вибраций и плоскости (принцип прототипа). Второе слагаемое иллюстрирует предложенный принцип и характеризует дополнительное увеличение ускорения за счет разности коэффициентов трения, обуславливающее снижение энергозатрат на виброперемещение за счет возможности его осуществления с той же интенсивностью при меньших значениях A и ω . Виброперемещение тем интенсивнее, чем больше разность коэффициентов трения и больше масса маятника по отношению к массе тела. Даже при колебаниях в плоскости движения тела β = 0, sin β = 0 движение вверх все равно будет происходить, что резко расширяет функциональные возможности предлагаемого механизма.The values of A, β, ω f51 and f _{2 are} theoretically and experimentally selected such that the body moves upward along an inclined plane, overcoming the force of gravity and the force of friction. As can be seen from the dependence, the first term determines the movement of the body up the plane due to the presence of an angle β between the direction of vibration and the plane (prototype principle). The second term illustrates the proposed principle and characterizes an additional increase in acceleration due to the difference in the friction coefficients, which leads to a decrease in energy consumption for vibration displacement due to the possibility of its implementation with the same intensity at lower values of A and ω. Vibrational movement is the more intense, the greater the difference in the coefficients of friction and the greater the mass of the pendulum in relation to the mass of the body. Even with fluctuations in the plane of motion of the body β = 0, sin β = 0, upward movement will still occur, which dramatically expands the functionality of the proposed mechanism.

В изготовленном опытном образце механизма виброперемещения тело 2 выполнено в виде коробчатой металлической тары для расположения в ней транспортируемых грузов, при этом левая на фиг. 1 половина нижней поверхности тары, размещенная ниже на наклонной плоскости, оставлена металлической без покрытия, а на правую половину нанесено тонкое резиновое покрытие, при этом достигнуто требуемое условие f₂ > f₁.In the manufactured prototype of the vibration displacement mechanism, the body 2 is made in the form of a box-shaped metal container for arranging transported goods in it, while the left one in FIG. 1 half of the lower surface of the container, placed lower on an inclined plane, is left uncoated metal, and a thin rubber coating is applied to the right half, while the required condition f ₂ > f ₁ is reached.

Claims

The mechanism of vibrational movement, including a rough plane located with the possibility of vibrations due to vibration, a body mounted on a rough plane with a physical pendulum suspended on it, characterized in that the surface of the body in contact with the plane is made in the form of two sections with different friction coefficients, the line the boundary of the sections coincides with the projection of the axis of suspension of the pendulum on the plane of contact.