RU2631011C1

RU2631011C1 - Device for generating directional inertial force

Info

Publication number: RU2631011C1
Application number: RU2016128385A
Authority: RU
Inventors: Виталий Викторович Михеев; Сергей Валерьевич Савельев; Александр Сергеевич Белодед
Priority date: 2016-07-12
Filing date: 2016-07-12
Publication date: 2017-09-15

Abstract

FIELD: machine engineering.

SUBSTANCE: device for generating a directional inertial force has a housing (1), crank (2), two axes - loose (3) and fixed (4), a rocker arm, designed as a connecting rod (5). At the end of the connecting rod (5) there is an eccentric weight (6). The connecting rod (5) is connected with the crank via a rotatable sleeve (7).

EFFECT: increased energy efficiency of the process of mechanical vibration excitation, simplified design, elimination of an external power source connection to the movable parts of the device.

3 dwg

Description

Изобретение относится к техническим средствам возбуждения механических колебаний, используемым для осуществления циклического динамического воздействия различного типа.The invention relates to technical means for exciting mechanical vibrations used to effect cyclic dynamic effects of various types.

Вибрация как частный случай результата циклического динамического воздействия широко используется в различных областях техники. При этом решается задача передачи механической энергии от источника колебаний объекту воздействия наиболее эффективным образом для качественного изменения его структуры. Основным источником возбуждения механических колебаний является сила инерции, возникающая при вращательном движении несбалансированных систем вокруг осей, не совпадающих с их центрами масс.Vibration as a special case of the result of cyclic dynamic action is widely used in various fields of technology. In this case, the problem of transferring mechanical energy from the source of oscillations to the object of influence in the most effective way for a qualitative change in its structure is solved. The main source of excitation of mechanical vibrations is the inertia force arising from the rotational motion of unbalanced systems around axes that do not coincide with their centers of mass.

Особое место среди технических средств для возбуждения вибрации занимают вибровозбудители кривошипно-шатунного типа как позволяющие получать выраженные направленные колебания импульсного характера при существенной простоте конструкции. Также стоит отметить возможность использования источников направленных колебаний в качестве основы для создания инерционных двигателей.A special place among the technical means for exciting vibration is occupied by the vibration exciters of the crank type, which make it possible to obtain pronounced directional oscillations of a pulsed nature with a significant simplicity of design. It is also worth noting the possibility of using sources of directed oscillations as the basis for creating inertial engines.

Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности является устройство для получения силы инерции по полезной модели RU 83550 U1, МПК F03H 99/00 (2009.01), опубликовано 10.06.2009.Of the known technical solutions, the closest in technical essence is a device for obtaining inertia forces according to the utility model RU 83550 U1, IPC F03H 99/00 (2009.01), published on 06/10/2009.

Устройство для получения силы инерции, направленной преимущественно в одну сторону, действующей без силового взаимодействия с окружающей средой и без потери массы, содержит корпус, центробежный вибровозбудитель направленного действия с приводом вращения дебалансов и устройством принудительной синхронизации их вращения, коромысло, шарнир, устройство удержания коромысла в заданном секторе его вращательных колебаний, устройство регулирования величины силы инерции, при этом коромысло соединено с одной стороны через шарнир с корпусом, а с противоположной стороны оно соединено жестко с корпусом вибровозбудителя. Направленная сила инерции на оси шарнира, генерируемая устройством, возникает в результате качаний (вращательных колебаний) коромысла под действием силы направленных колебаний закрепленного на конце коромысла дебалансного вибровозбудителя. Амплитуда вращательных колебаний при этом регулируется с помощью дополнительного устройства.A device for obtaining an inertia force directed mainly in one direction, acting without force interaction with the environment and without mass loss, comprises a housing, a directional centrifugal vibration exciter with an unbalance rotation drive and a device for forced synchronization of their rotation, a rocker, a hinge, a rocker holding device in a given sector of its rotational vibrations, a device for controlling the value of the inertia force, while the beam is connected on one side through a hinge to the body, and on the opposite side, it is connected rigidly to the exciter housing. The directed inertia force on the hinge axis generated by the device arises as a result of rocking (rotational vibrations) of the rocker arm under the action of the force of the directed vibrations of the unbalanced vibration exciter fixed at the end of the rocker arm. The amplitude of rotational vibrations in this case is regulated using an additional device.

Недостатками прототипа являются сложность конструкции и высокие механические напряжения, возникающие в его узлах при работе, в особенности в шарнире, необходимость подключения источника внешней энергии к совершающим значительные перемещения элементам конструкции, принудительный характер возвращения коромысла в исходное положение при его вращательных колебаниях, а также значительные потери мощности при преобразовании энергии источника в энергию направленных колебаний.The disadvantages of the prototype are the design complexity and high mechanical stresses arising in its nodes during operation, in particular in the hinge, the need to connect an external energy source to the structural elements that make significant movements, the forced nature of the rocker returning to its original position during its rotational vibrations, as well as significant losses power when converting the energy of a source into the energy of directed oscillations.

Техническим результатом изобретения является повышение энергоэффективности процесса возбуждения направленных механических колебаний, упрощение конструкции, устранения необходимости подключения внешнего источника энергии к движущимся деталям устройства.The technical result of the invention is to increase the energy efficiency of the process of exciting directed mechanical vibrations, simplifying the design, eliminating the need to connect an external energy source to the moving parts of the device.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для получения силы инерции, направленной преимущественно в одном направлении, действующем без силового взаимодействия с окружающей средой, содержащем корпус с возможностью подключения привода, коромысло, с одной стороны связанное с корпусом через ось с возможностью возбуждения вращательных колебаний относительно этой оси с установленным на одном конце коромысла дебалансом, согласно заявляемому изобретению коромысло выполнено в виде шатуна, устройство содержит также кривошип, неподвижно закрепленный на дополнительной оси, установленной с возможностью вращения относительно корпуса, связанного с шатуном посредством подвижной втулки с отверстием, установленной с возможностью вращения относительно кривошипа и возможностью передачи вращательного движения шатуну для возбуждения его вращательных колебаний.The specified technical result is achieved by the fact that in the device for obtaining inertia, directed mainly in one direction, acting without force interaction with the environment, comprising a housing with the ability to connect a drive, a beam, on the one hand connected to the housing through an axis with the possibility of exciting rotational vibrations relative to this axis with an unbalance installed at one end of the beam, according to the claimed invention, the beam is made in the form of a connecting rod, the device also contains a crank fixedly mounted on an additional axis mounted for rotation relative to the housing connected to the connecting rod by means of a movable sleeve with an opening mounted for rotation relative to the crank and the possibility of transmitting rotational motion to the connecting rod to excite its rotational vibrations.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображено устройство для получения силы инерции (вид спереди), на фиг. 2 - его вид сбоку и на фиг. 3 представлен график функции зависимости генерируемой устройством направленной силы инерции от времени на одном периоде вращения кривошипа.The invention is illustrated in the drawing, where in FIG. 1 shows a device for generating inertia (front view), FIG. 2 is a side view thereof and in FIG. Figure 3 shows a graph of the function of the dependence of the directed inertia force generated by the device on time over one period of crank rotation.

Устройство для получения силы инерции содержит корпус 1, кривошип 2, две оси - подвижную 3 и неподвижную 4, коромысло, выполненное в виде шатуна 5 с возможностью закрепления на его конце дебаланса 6, шатун 5 связан с кривошипом при помощи втулки 7, установленной с возможностью вращения.A device for obtaining inertia forces comprises a housing 1, a crank 2, two axles - a movable 3 and a fixed 4, a rocker arm made in the form of a connecting rod 5 with the possibility of fixing at its end of the unbalance 6, the connecting rod 5 is connected to the crank using a sleeve 7, mounted with the possibility rotation.

Рабочий режим устройства осуществляется следующим образом. Вращение кривошипа 2 на подвижной оси 3 посредством коромысла, выполненного в виде шатуна 5, передается установленному на нем дебалансу 6, осуществляющему маятниковые вращательные колебания вокруг оси 4. При этом шатун 5 скользит относительно подвижной втулки 7, вращающейся вокруг оси, перпендикулярной поверхности кривошипа 2.The operating mode of the device is as follows. The rotation of the crank 2 on the movable axis 3 by means of the rocker arm, made in the form of a connecting rod 5, is transmitted to the unbalance 6 installed on it, which performs pendulum rotational vibrations around the axis 4. In this case, the connecting rod 5 slides relative to the movable sleeve 7, rotating around an axis perpendicular to the surface of the crank 2.

При равномерном вращении кривошипа с угловой скоростью ω, угол отклонения коромысла-шатуна с закрепленным на нем дебалансом от вертикальной оси у определится какWith a uniform rotation of the crank with an angular velocity ω, the deviation angle of the connecting rod-arm with the unbalance fixed on it from the vertical axis y is defined as

где введены обозначения:where the notation is introduced:

R - радиус вращения втулки кривошипа;R is the radius of rotation of the crank sleeve;

h - расстояния между центрами осей 3 и 4;h - the distance between the centers of the axes 3 and 4;

Тогда центростремительное ускорение, определяющее силу инерции, может быть вычислено какThen the centripetal acceleration, which determines the force of inertia, can be calculated as

где r - радиус вращения центра масс системы «коромысло-дебаланс» величины m относительно оси 4.where r is the radius of rotation of the center of mass of the rocker-unbalance system of magnitude m relative to axis 4.

Соответствующая сила инерции, генерируемая устройством и приложенная к оси качания кривошипа 4, естьThe corresponding inertia force generated by the device and applied to the swing axis of the crank 4 is

а ее проекция на вертикальную ось, положительное направление которой соответствует направлению от центра оси 3 к центру оси 4, определится какand its projection onto the vertical axis, the positive direction of which corresponds to the direction from the center of the axis 3 to the center of the axis 4, is defined as

График функции F(ωt,ε), определяющей зависимость величины силы (4) от времени на одном периоде вращения кривошипа, изображен на фиг. 3. Значение параметра ε=1/3 соответствует при этом конфигурации устройства, изображенной на фиг. 1 и фиг. 2. График на фиг. 3 и элементарный анализ формулы (4) показывают, что сила имеет выраженно направленный характер и величина силы не принимает отрицательных значений, так что энергия, сообщаемая устройству для возбуждения колебаний коромысла, выполненного в виде шатуна, не расходуется на генерирование колебаний в направлении, противоположном требуемому.The graph of the function F (ωt, ε), which determines the dependence of the magnitude of the force (4) on time for one period of crank rotation, is shown in FIG. 3. The value of the parameter ε = 1/3 corresponds in this case to the configuration of the device shown in FIG. 1 and FIG. 2. The graph in FIG. 3 and an elementary analysis of formula (4) show that the force has a clearly directed character and the magnitude of the force does not take negative values, so that the energy transmitted to the device for exciting the rocker arm, made in the form of a connecting rod, is not spent on generating oscillations in the opposite direction to that required .

Положительное направление вертикальной оси соответствует направлению от центра оси 3 к центру оси 4.The positive direction of the vertical axis corresponds to the direction from the center of the axis 3 to the center of the axis 4.

Сила, генерируемая устройством, возникает как сила инерции дебаланса 6, прикладываемая к оси 4, неподвижно закрепленной на основании 1 в результате маятниковых колебаний коромысла с установленным на нем дебалансом. Отсутствие у силы инерции на оси 4 составляющей, направленной вверх, является отличительной особенностью заявляемой конструкции, позволяющей повысить энергоэффективность процесса генерирования направленных колебаний и уменьшить высокие механические напряжения в элементах конструкции, характерные для традиционных вибровозбудителей кривошипно-шатунного типа, а также устраняет приведенные выше недостатки устройства, выбранного в качестве прототипа.The force generated by the device arises as the inertia force of the unbalance 6, applied to the axis 4, fixedly mounted on the base 1 as a result of pendulum oscillations of the beam with the unbalance installed on it. The absence of an upward component on the axis 4 axis is a distinctive feature of the claimed design, which allows to increase the energy efficiency of the process of generating directed vibrations and reduce high mechanical stresses in the structural elements characteristic of traditional vibration exciters of the crank type, and also eliminates the above-mentioned disadvantages of the device selected as a prototype.

Исследования, проведенные по источникам патентной и научно-технической информации, свидетельствуют об отсутствии источников, содержащих описание устройства для получения направленной силы инерции, обладающего заявляемой совокупностью признаков, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна».Studies conducted on the sources of patent and scientific and technical information indicate the absence of sources containing a description of the device for obtaining directed inertia, which has the claimed combination of features, which allows us to conclude that the criterion of "novelty" is met.

Сила инерционного воздействия, генерируемая заявляемым устройством, имеет одно преимущественное направление и теряет импульсный характер, свойственный традиционным вибровозбудителям кривошипно-шатунного типа. Повышение энергоэффективности процесса возбуждения направленных механических колебаний обеспечивается полным устранением части периода, в котором генерируемая сила имеет направление, отличное от требуемого. Достижение этого технического результата при одновременном упрощении конструкции и устранении необходимости подключения внешнего источника энергии к движущимся деталям устройства позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию «изобретательский уровень».The inertial force generated by the claimed device has one advantageous direction and loses the pulsed character inherent to traditional vibration exciters of the crank type. Improving the energy efficiency of the process of excitation of directed mechanical vibrations is ensured by the complete elimination of the part of the period in which the generated force has a direction other than required. Achieving this technical result while simplifying the design and eliminating the need to connect an external energy source to the moving parts of the device allows us to conclude that the technical solution meets the criterion of "inventive step".

Claims

A device for obtaining inertia, directed mainly in one direction, acting without force interaction with the environment, comprising a housing with the ability to connect a drive, a beam, on the one hand connected to the housing through an axis with the possibility of exciting rotational vibrations relative to this axis with one mounted on one end rocker arm balance, characterized in that the rocker arm is made in the form of a connecting rod, the device also contains a crank, fixedly mounted on the additional axis, is installed rotatable relative to the housing associated with the connecting rod by means of a movable sleeve with a hole mounted for rotation relative to the crank and the possibility of transmitting rotational motion to the connecting rod to excite its rotational vibrations.