RU2686518C1 - Способ создания колебаний - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в процессах при сортировке, измельчении, кристаллизации, разрушении фракций материала и других устройствах. Предложен способ создания колебаний на валу рабочего органа силами инерции вращающихся эксцентрично расположенных масс, согласно которому совместным изменением положения в пространстве совокупности двух параллельно и синхронно вращающихся валов возбуждения колебаний регулируют и преобразовывают режимы колебания по модулю, направлению и количеству одновременно действующих разнонаправленных колебаний за один цикл. Технический результат - обеспечение оптимальной величины направления и комбинации вибровоздействия на материалы в различных технологических процессах, повышение долговечности и надежности работы. 5 ил.

Description

Область техники, которой относится изобретение

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в процессах при сортировке, измельчении, кристаллизации, разрушении фракций материала и других устройствах.

Проблемы перемешивания, сортировки и транспортировки материалов при совмещении с другими процессами являются актуальными во многих промышленных областях. Для решения этих проблем созданы устройства с различными принципами и методами работы, такие как: винтовые, ленточные, пластинчатые конвейеры, вибрационные сита и др. В устройствах с вращающимся рабочими органами используются динамические, кинематические, электрические и другие возбудители колебаний.

Уровень техники

Известны приводы рабочих органов, включающие двигатель, редуктор, возбудитель крутильных колебаний (а.с. №1458178, класс В24В 23/04, опубликован 15.02.89, бюлл. №6; а.с. СССР №1802112, класс МПК Е21С №31/04, опубликован 15.03.1993, бюлл. №10; патент РФ на изобретение №2413831, класс МПК Е21В 3/02, Е21В 6/08, опубликован 10.03.2011, бюлл. №7), где детали привода равномерно вращаются электродвигателем и в конце кинематической цепи равномерное вращение суммируются с возбудителем крутильных колебаний на валу рабочего органа.

Недостатком известных устройств является неизменяемая кинематическая связь вращательного и колебательного движений, не позволяющая независимо регулировать параметры возбудителя крутильных колебаний и равномерного вращения.

Направление усилия колебаний задается конструктивным решением, расположено только в одной плоскости и не может изменять положение при эксплуатации устройств.

Кроме этого, в известных устройствах не предусмотрена организация колебаний в нескольких плоскостях одновременно с различными характеристиками возмущающей силы и момента.

Известен конвейер для транспортировки материалов (патент на полезную модель №141931, класс МПК В65G 33/34, опубл. 20.06.2014, бюлл. №17), где динамическое воздействие определено технологической потребностью.

Недостатком этой конструкции для тихоходных процессов является необходимость установки специального понижающего редуктора привода вращения и механизма повышения скорости вращения возбудителей крутильных колебаний, что существенно увеличивает металлоемкость конструкции, эксплуатационные расходы, снижает надежность и долговечность работы привода. Кроме этого характер динамического воздействия крутильных колебаний ограничен конструктивными особенностями устройства.

Известны способы создания крутильных колебаний (патент РФ на изобретение №2018618, класс МПК Е21В 3/02, опубликован 30.03.1994, бюлл. №18; патент РФ на изобретение №2335676, класс МПК Е21В 3/02, опублик 10.10.2008, бюлл. №28).

Недостатком этих способов является наложение крутильных колебаний на весь рабочий орган в одной плоскости, что не всегда соответствует оптимальной потребности обрабатываемого материала в этом направлении возмущающей силы (момента), и поэтому требует повышенных энергозатрат, вызывающих излишние динамические нагрузки на те части рабочего органа, которые не требуют динамического воздействия такой направленности и не способны эффективно использовать подведенную энергию динамического способа воздействия в другом направлении.

Известен также «Способ определения прочности материалов» (а.с. №1368705, класс Е21В 49/00, опубликован 23.01.88, бюлл. №31), в котором возбудитель крутильных колебаний выполнен аналогично предлагаемому способу в виде масс эксцентрично расположенных на вращающихся сателлитах второй ступени привода вращения (а.с. «Устройство для определения механических характеристик материалов» №1509667, класс G01N 3/40, опубликован 23.09.89, бюлл. №35) и способен изменять амплитудно-частотные характеристики при изменении потоков мощности на элементах привода возбудителя колебаний.

Недостатком этого способа является изменение амплитудно-частотные характеристики по закономерностям выбранной кинематической цепи, что не всегда соответствует потребностям технологического процесса, характеру вибровоздействия в других условиях эксплуатации и возможностью создания только одного вида колебаний.

Известен «Способ создания крутильных колебаний» (патент РФ на изобретение №2541560, класс МПК F16H 25/16, опубликован 20.02.2015, бюлл. №5), выбранный в качестве прототипа, где ведомый вал приводится в колебательное движение путем взаимодействия одной кинематической пары, образованной поверхностями зубьев ведомой и ведущей шестерен только в заданном направлении.

Недостатком этого способа является постоянная плоскость действия возмущающей силы (момента), заданная конструктивным исполнением различных кинематических схему устройств по данному способу, что исключает применение вибровоздействия на обрабатываемый материал в случае потребности технологического процесса изменять направление силы (момента) возмущения для организации оптимального направления вибраций или даже применения комбинированного вибровоздействия по нескольким направлениям.

В основу заявленного изобретения положена задача создания экономичного, эффективного и многоцелевого способа регулирования и преобразования вибровозмущения по модулю, направлению и количеству совокупности вибраций в различных плоскостях за один оборот вращения двух параллельных вибровалов при одновременном повороте их с рамой в пространстве во время рабочего процесса или наладке при монтаже.

Техническим результатом, достигаемым в процессе реализации данного способа, является изменение динамических факторов колебания при изменении ориентации вибровозбудителя, повышение использования подведенной энергии путем выбора направления и комбинации импульсов, увеличение производительности, эксплуатационной надежности и долговечности, снижение нагрузок в кинематических парах, уменьшение металлоемкости за счет рационального использования энергопотребления.

Технический результат достигается тем, что возбудитель колебаний с эксцентрично расположенными массами на шкивах двух синхронно вращающихся параллельных валах выполненных на одной платформе с возможностью изменять ее положение в пространстве поворотом вокруг осей и получать различные сочетания моментов и сил возмущения колебаний. Предлагается способ создания колебаний на валу рабочего органа силами инерции вращающихся эксцентрично расположенных масс, в котором совместным изменением положения в пространстве совокупности двух параллельно и синхронно вращающихся валов возбуждения колебаний регулируют и преобразовывают режимы колебания по модулю, направлению и количеству одновременно действующих разнонаправленных колебаний за один цикл.

В известном способе создания крутильных колебаний возмущающая сила всегда направлена в одной плоскости и создает крутильные колебания заданной амплитудно-частотной характеристики в выбранной плоскости и не способна изменить динамическое воздействие по технологической потребности обрабатываемого материала.

Изменение положения устройства создания колебаний поэтому не предусмотрено и не рационально в своем применении при выбранном расположении эксцентрично расположенных масс возбудителей колебаний.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявленный способ отличается от известного тем, что изменение положения возбудителя крутильных колебаний с двумя параллельно вращающимися валами сохраняет задаваемые крутильные колебания с возможностью изменения амплитудно-частотной характеристики и создания дополнительной динамической нагрузки в других плоскостях.

Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию «новизна».

Известны технические решения, в которых применяются вибрационные воздействия на обрабатываемый материал. В сложных производственных процессах сортировки, перемешивания, транспортировки возможны налипание материала, уплотнение и т.п., при которых необходимо изменить режимы вибрации. В таких случаях целесообразно применить предлагаемый способ для активизации вибровоздействия. Применение способа в сложных условиях технологического процесса соответствует критерию «промышленное применимость».

Эффективность предлагаемого способа создания колебаний обусловлена принципиально новыми возможностями регулирования и преобразования режимов вибрационного воздействия, изменение формы, направления и количества импульсов по технологической потребности обрабатываемого материала; организация комбинированного вибровоздействия с одновременным использованием вибрации в двух взаимно перпендикулярных плоскостях; возможность выбора оптимального технологического процесса с минимальными потерями подведенной энергии с улучшением технико-экономических показателей.

Организация воздействия на обрабатываемый материал соответствует потребности материала в оптимальном динамическом воздействии по модулю, направлению и количеству вибраций разных вариантов за один оборот вала.

Авторами впервые сформулирован способ изменения вибровоздействия на обрабатываемые материалы по модулю, направлению и количеству вибровозмущений за один поворот валов вибратора, что соответствует критерию «изобретательский уровень».

Кроме этого крутильные колебания при ограничении отрицательного вращения могут использоваться для вращения рабочего органа с малой частотой, чем исключается редуктор равномерного вращения с большим передаточным числом, уменьшается число кинематических пар в приводе и потери на трение.

Заявленный способ создания колебаний отличается от прототипа тем, что за счет ориентации в пространстве двух параллельных валов вращения с эксцентрично расположенными массами на шкивах валов или изменение направления вращения одного из валов обеспечиваются технологические потребности обрабатываемого материала:

- изменением направления и силы возмущения;

- применением только осевых колебаний;

- применением крутильных колебаний;

- применением комбинированных радиальных и крутильных колебаний за один цикл;

- применением крутильных колебаний за один цикл в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

Признаки, отличающие заявленное решение от прототипа поясняются с помощью устройства, представленного на фигуре 1. Устройство содержит привод 1 возбудителя колебаний, вал 2 верхней части, подшипники 3 вращения, вал 4 нижней части, эксцентрично расположенные на ближних шкивах массы 5 нижней части, и массы 6 верхней части, на дальних шкивах массы 7 нижней части и массы 8 верхней части, шкивы 9 вращения масс, синхронизатор 10 вращения валов, раму 11 корпуса, ось поворота 12, подшипники поворота 13, фиксаторы положения 14.

При положении масс, указанном на фигуре 1 за счет сил инерции возникает крутящий момент относительно оси OY.

Момент сил инерции можно изменять расстоянием (1) по оси валов между шкивами 9.

Примеры изменения характера колебаний поясняются на фигурах 2-5, где рама 11 корпуса, вал верхней части вибратора 2, вал нижней части 4, подшипники вала 3, шкивы 9, масса ближней верхней части 6, масса дальней нижней 7 и верхней 8 частей, вал нижней части 4.

На фигуре 2 показано положение эксцентрично расположенных масс 6, 7, 8 за один цикл (один оборот валов 2 и 4 через 90 градусов), при расположении валов 2 и 4 перпендикулярно валу рабочего органа, и при их вращении в разные стороны с одинаковой скоростью. За один цикл происходит синусоидальное изменение момента вибровозмущения.

В первом положении (см. фигуру 2) действует максимальный момент сил инерции, принятый за положительный, во втором и четвертом положении момент равен нулю, в третьем положении действует отрицательный момент.

Во втором положении на фигуре 2 при том же расположении рамы вибратора 11 и валы 2 и 4 в подшипниках 3 повернулись со шкивами 9 и эксцентрично расположенными массами 5, 6, 7, 8 на угол 90 градусов. Силы инерции масс 5, 6, 7, 8 параллельны оси OZ и не создают крутящего момента. Сумма совокупности сил инерции эксцентрично расположенных масс равна нулю. Таким образом, на рабочий орган силы инерции масс не действуют. На фигуре 2 в третьем положении валы 2 и 4 повернулись еще на 90 градусов (180 градусов по отношению к первому положению). Силы инерции масс создают крутящий момент на валу рабочего органа противоположный первому положению. Четвертое положение аналогично второму.

На фигуре 3 показано положение эксцентрично расположенных масс 5, 6, 7, 8 на шкивах 0 (обозначение позиций аналогично фигуре 2). При изменении направления вращения вала 4 (указано стрелкой) со шкивами с эксцентрично расположенными массами 7 и 8, вибропривод за один цикл создает два возмущающих момента относительно оси OZ и относительно оси ОХ. В известных нам механических виброприводах такого изменения действия вибрации не обнаружено.

На фигуре 4 изменено положение валов 2 и 4 со шкивами 9 и эксцентрично расположенными массами на них 5, 6, 7, 8. Оси вращения этих валов совпадают с направлением оси вращения вала рабочего органа. В данном случае крутильные колебания изменили свою величину в сравнении со схемой фигуры 2 за счет изменения расстояния от оси вращения вала рабочего органа до эксцентрично расположенных масс.

На фигуре 5 показаны положения эксцентрично расположенных масс по одну сторону от оси вращения валов 2 и 4 вибратора. Положение масс может быть изменено как при наладке оборудования, так и во время эксплуатации. При таком расположении масс 5, 6, 7, 8 на шкивах валов 2 и 4 происходит комбинированное последовательное вибровоздействие за один цикл. В первом положении действует сила по оси ОХ, во втором и четвертом положениях действуют крутящие моменты относительно оси OZ с разными знаками. В третьем положении действует сила по оси ОХ противоположная по знаку силе в первом положении.

Такого способа комбинации действующих возмущений нами не обнаружено в существующих механических вибраторах. По нашему мнению, совокупность двух разнонаправленных возмущений целесообразно применять при склонности материала к образованию уплотнений и слеживаемости.

В рассмотренном способе создания колебаний вращение валов вибратора принято равномерным, силы инерции вращающихся масс направлены противоположно нормальным ускорениям. При переносе сил инерции по линии их действия и, учитывая инвариантность момента сил к точке приведения, можно провести предварительный анализ усилий возмущения. Момент вибровозбуждения для случаев на фигуре 2 Mz и момент My на фигуре 4 по модулю равны М=2mal, где m - эксцентрично расположенная на шкивах масса; а - ускорение нормальное; l - расстояние между шкивами по оси валов вибраторов.

Для случая на фигуре 5 Mz=2mad, где d - диаметр вращения валов вибраторов относительно оси вала рабочего органа. Кроме этого, на фигуре 5 колебания возмущаются силой Рх=4 ma.

Возможны и другие варианты организации колебаний.

Варьирование возмущающей силой и моментом позволяет обеспечить оптимальные технологические потребности обрабатываемого материала с минимальными энергозатратами на возмущение колебаний за счет максимального использования подведенной энергии. При этом усилия возмущения уменьшаются, снижается нагрузка в кинематических парах, повышается надежность и долговечность работы оборудования за счет применения двух параллельных валов вибратора.

Claims (1)

1. Способ создания колебаний на валу рабочего органа силами инерции вращающихся эксцентрично расположенных масс, отличающийся тем, что совместным изменением положения в пространстве совокупности двух параллельно и синхронно вращающихся валов возбуждения колебаний регулируют и преобразовывают режимы колебания по модулю, направлению и количеству одновременно действующих разнонаправленных колебаний за один цикл.

Images