КВАЗИУДАРНЫЙ ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ ВИБРОВОЗБУДИТЕЛЬ Российский патент 1998 года по МПК B06B1/16 E01C19/38 

Изобретение относится к области вибрационного технологического оборудования и может быть использовано в различных отраслях промышленности и, в частности, в строительной, где наблюдается дефицит сверхмощных приводов для вибрационного уплотнения бетонных смесей при формировании массивных строительных конструкций.

Известны центробежные вибраторы ударного действия (Вибрационные машины в строительстве и производстве строительных материалов., под редакцией В.А.Баумана и др., М.: Машиностроение, 1970 г., стр.461, рис.227), при котором в каждом такте по подпружиненному рабочему органу машины осуществляется удар бойком центробежного вибратора, в результате чего как сам вибратор, так и рабочий орган машины совершают асимметричное вибрационное движение, однако для того чтобы данная система оставалась работоспособной необходимо, чтобы параметры как вибратора, так и рабочего органа машины соотносились между собой определенным образом и оставались неизменными, а, главное, для организации вибрации больших масс требуются сверхмощные приводы. Кроме того, недостатком этих вибраторов является ограниченность применения его из-за недопустимо большого шума и наличие значительных разрушающих нагрузок.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является традиционный (безударный) центробежный вибровозбудитель для вибровозбуждения больших масс (Вибрационные машины в строительстве и производстве строительных материалов. , под редакцией В.А.Баумана и др., М.: Машиностроение, 1970 г., стр.377, рис.165), содержащий основание, приемную раму, установленную на упругих подвесках основания, дисбалансы с входным валом, установленные на приемной раме, привод дисбалансов с выходным валом, установленный на основании, карданный вал, соединяющий вышеобозначенные входной и выходной валы, и систему управления. Причем для увеличения амплитуды вибрации больших масс частоту вращения дисбалансов обычно настраивают на резонансную частоту колебательной системы. Недостатком вибровозбудителя является малая его эффективность из-за квазигармонического характера движения рабочего органа и несмотря на то, что вибрационную систему настраивают на резонансную частоту, однако при этом получают малые ускорения, и потому эффективность системы остается небольшой. Многократно увеличивая потребляемую мощность и частоту вибрационного движения рабочего органа, можно увеличить величину его ускорения, однако при этом требуется, как правило, уникальный сверхмощный привод дисбалансов.

В предлагаемом устройстве указанные недостатки устраняются тем, что привод дисбалансов выполнен с такой частотой вращения выходного вала, которая обеспечивала бы вращение дисбалансов с частотой на определенную величину большей, чем резонансная частота вибрационной системы, в систему управления введен сигнализатор "зарезонанса", формирующий выходной сигнал, как только частота вращения дисбалансов превысит на заданную величину частоту резонанса вибрационной системы, выходной вал привода дисбалансов соединен с карданным валом через управляемую нормально замкнутую муфту, управляемый вход которой соединен с выходом сигнализатора "зарезонанса", или выходной вал привода дисбалансов соединен с карданным валом последовательно через управляемую нормально замкнутую муфту и управляемую нормально расторможенную муфту, причем управляемые входы муфт соединены с выходом сигнализатора "зарезонанса", или выходной вал привода дисбалансов соединен с карданным валом последовательно через моментную муфту, маховик, управляемую нормально замкнутую муфту и управляемую нормально расторможеную муфту, причем управляемые входы двух последних муфт с выходом сигнализатора "зарезонанса", а моментальная муфта настроена на момент меньший или равный номинальному моменту привода, в то время как маховик выполнен с начальным инерционным моментом вращения, превыщающим максимальный момент привода. Сигнализатор "зарезонанса" может быть выполнен в виде сигнализатора, фиксирующего заданный предельный момент на входном валу дисбалансов. В частности, он может быть выполнен в виде сигнализатора, фиксирующего при заданной величине сцепляющего момента управляемой муфты начало проскальзывания ее полумуфт.

Известно применение маховика совместно с управляемыми муфтами (Н.В.Гулиа, Маховичные двигатели, М. : Машиностроение, 1976, стр.71, рис.45) в кузнечно-прессовом оборудовании с целью аккумулирования энергии и защиты двигателя от пиковых нагрузок. Но не известно применение представленной совокупности отличительных признаков с целью реализации центробежных вибровозбудителем квазиударного вибрационного движения, когда центробежный вибровозбудитель, постоянно изменяя частоту своего воздействия, остается в выбранном узком диапазоне околорезонансных частот вибрационной системы, в котором последняя максимально чувствительна к изменению частоты побудительной силы.

На фиг.1 представлен квазиударный центробежный вибровозбудитель, выполненный в виде вибрационной рамы (рама совершает вибрационное движение в направлении перпендикулярном плоскости рисунка) для формирования бетонных плит.

На фиг.2 представлены кривые, характеризующие следующие зависимости вибрационной системы:
"а" - амплитудно-частотная характеристика A = ϕA(ω);
"б" - зависимость нагрузки M на валу дисбалансов от частоты ω их вращения;
"в" - изменение частоты вращения дисбалансов во время их периодического переключения на разгон и торможение.

Устройство (см. фиг.1) содержит основание 1, приемную раму 2, установленную на упругих подвесках 3 основания 1, дисбалансы 4 с входным валом 5, установленные на приемной раме 2, привод 6 дисбалансов с выходным валом 7, карданный вал 8, передающий крутящий момент от выходного вала привода на входной вал дисбалансов, и систему управления (на фиг.1 не показана). Привод 6 дисбалансов выполнен с такой частотой вращения выходного вала 7, которая обеспечивала бы (см. фиг.2) вращение дисбалансов 4 с частотой ω_н, на определенную величину большей чем резонансная часть ω_р вибрационной системы, в систему управления введен сигнализатор "зарезонанса" (на фиг.1 не показан), формирующий выходной сигнал как только частота вращения дисбалансов превысит частоту резонанса ω_р вибрационной системы на заданную величину Δω.Выходной вал привода дисбалансов соединен с карданными валом через управляемую нормально замкнутую муфту 9, управляемый вход которой соединен с выходом сигнализатора "зарезонанса", или выходной вал привода дисбалансов соединен с карданным валом последовательно через управляемую нормально замкнутую муфту 9 и управляемую нормально расторможенную муфту 10, причем управляемые входы муфт соединены с выходом сигнализатора "зарезонанса", или выходной вал привода дисбалансов соединен с карданным валом последовательно через моментную муфту 11, маховик 12, управляемую нормально замкнутую муфту 9 и управляемую нормально расторможенную муфту 10, причем управляемые входы двух последних муфт соединены с выходом сигнализатора "зарезонанса" (на фиг.1 изображен последний вариант соединения выходного вала привода дисбалансов с карданным валом), а моментная муфта настроена на момент, меньший или равный номинальному моменту привода, в то время как маховик выполнен с начальным инерционным моментом вращения, превышающим максимальный момент привода. Сигнализатор "зарезонанса" может быть выполнен в виде сигнализатора, фиксирующего при заданной величине сцепляющего момента управляемой нормально замкнутой муфты начало проскальзывания ее полумуфт.

Сигнализатор "зарезонанса" формирует выходной сигнал в момент превышения частоты вращения дисбалансов относительно собственной частоты ω_р вибрационной системы на заданную величину Δω. Этот момент, как правило, фиксируют по параметру системы, который удобно измерять, но, главное, необходимо, чтобы этот параметр однозначно и интенсивно изменялся с изменением частоты вращения дисбалансов в интересующем нас диапазоне частот вибрационной системы. Этим параметром может быть, либо амплитуда вибрационной системы (см. фиг. 2, кривая "а"), либо нагрузка (момент) на выходном валу дисбалансов (кривая "б"), а возможно какой-либо иной параметр, находящийся в строгой зависимости от частоты вибрационной системы.

В первом случае сигнализатор "зарезонанса" можно выполнить в виде амплитудного датчика с логическим блоком, формирующим выходной сигнал как только (после перехода системой резонанса) амплитуда колебания системы уменьшится до определенной заданной величины A_п (см. фиг.2). Во втором случае роль сигнализатора "зарезонанса" может исполнять сигнализатор, фиксирующий проскальзывание полумуфт управляемой нармально-замкнутой муфты, при условии, что в последней предусмотреть регулирование силы сцепления ее полумуфт, определяющей предельный передаваемый ею момент M_п. Как амплитуда переключения A_п, так и предельный момент M_п однозначно определяют конец характерного узкого диапазона "d" частот, на которых система наиболее чувствительна с их изменению. Вернуться в начало этого характерного участка диапазона частот можно за счет уменьшения частоты вращения дисбалансов. Последнее можно осуществлять путем отключения на заданный отрезок времени Δt дисбалансов от двигателя с дополнительным их притормаживанием, либо без притормаживания.

Суть изобретения рассмотрим на примере работы квазиударного центробежного вибровозбудителя, представленного на фиг.1.

После включения устройства в работу частота вращения дисбалансов 4 постепенно приближается к собственной частоте системы ω_р. Скорость набора оборотов дисбалансами зависит от момента инерции маховика 12 и настройки предающего момента моментной муфты 11. Чем меньше передающий момент моментальной муфты (больше проскальзывание) и больше инерционной момент маховика, тем меньше скорость нарастания частоты вращения дисбалансов. По мере приближения частоты вращения дисбалансов к собственной частоте системы, амплитуда вибрации последней увеличивается и при резонансе (с целью упрощения изложения будем считать, что резонансная и собственная частоты системы одинаковы) достигает максимума. При подходе к резонансной частоте (см. фиг.2, кривая "б") нагрузка на входном валу дисбалансов несколько увеличивается, но затем уменьшается и при резонансе достигает своего минимума. При дальнейшем увеличении частоты вращения дисбалансов (по причине начала работы дисбаланс в квазиударном режиме) нагрузка на их входном валу начинает резко возрастать (система, в силу своей инерционности, стремится сохранить собственную частоту колебания и поэтому дисбалансы вынуждены работать в противофазе с ней). Вот именно этот скоротечный динамический режим, когда система еще "цепляется" за собственную частоту, а побудитель неуклонно опережает (или активно отстает) систему по частоте своего воздействия, и будет неоднократно воспроизводиться системой управления как наиболее эффективный режим вибрации для проведения вибрационных технологических процессов. В частности, при достижении потребляемой нагрузки M величины M_п (при определенных параметрах системы) может наступить установившийся режим работы системы, когда за счет проскальзывания полумуфт частота вращения дисбалансов может стабилизироваться. Однако этот режим нас интересует в меньшей степени, поскольку здесь с окончанием переходного процесса "пики" ускорений при вибрации системы все равно будут притупляться. Поэтому, как только полумуфты управляемой нормально замкнутой муфты 9 начнут проскальзывать относительно друг друга, сразу же система управления на заданный промежуток времени размыкает муфту 9 и одновременно замыкает тормозную муфту 10. При этом маховик 12 начинает более интенсивно набирать обороты (запасаться дополнительной кинетической энергией), а дисбалансы 4, наоборот, резко изменяют скорость в сторону понижения частоты своих оборотов, возобновляя работу системы в противофазе, но уже в режиме торможения, реализуя тем самым так же квазиударный режим работы. По истечении заданного времени Δt вибрационная система оказывается в начале характерного узкого диапазона "d" частот, на которых амплитуда вибрации системы резко возрастает. Теперь уже система запасается дополнительной кинетической энергией, при этом муфта 10 растормаживает дисбалансы, а муфта 9 соединяется с их маховиком 12, в результате чего дисбалансы начинают интенсивно наращивать частоту своего воздействия и реализуют таким образом квазиударный режим работы системы в режиме разгона и т.д.

Реализуемый таким образом периодический квазиударный вибрационный режим позволяет в значительной степени интенсифицировать технологический процесс, в первую очередь, за счет "обогащения" вибрационного движения пиковыми ускорениями (благодаря замене квазигармонического вибрационного движения квазиударным). Следует заметить, что организация вибрации очень больших масс иногда вообще становится не разрешимой из-за отсутствия необходимых для этого супермощных приводов. Предложенное же решение позволяет решить этот вопрос за счет организации накапливания энергии и не в холостом, а в рабочем режиме работы системы за счет реализации предложенного, так называемого, "постоянно переходного" режима, который характеризуется "пиковыми" ускорениями и, как следствие, обеспечивает повышение КПД технологического вибрационного оборудования.

В том случае, когда для реализации вибрационного технологического процесса мощность двигателя является вполне достаточной и когда, взамен некоторого снижения интенсивности проведения процесса, желательно упростить систему, тогда можно отказаться от маховика 12 и моментной муфты 11, но в этом случае желательно использовать асинхронный двигатель с повышенным скольжением. В плане дальнейшего упрощения системы, естественно при некотором понижении интенсивности проведения процесса, возможно отказаться и от тормозной муфты 10.

При отказе от маховика 12 и моментной муфты 11 иногда удобно в качестве сигнализатора "зарезонанса" использовать амплитудный датчик с логическим блоком, формирующим выходной сигнал как только (после перехода системой резонанса) амплитуда колебания системы уменьшится до определенной заданной величины A_п (см. фиг.2, кривая "a"), причем, в данном случае, выходной сигнал сигнализатора уже может обнуляться не по условию истечения заданного отрезка времени, а как только амплитуда колебания системы увеличится до определенной заданной величины A'_п. При таком исполнении сигнализатора "зарезонанса" муфта 9, кроме основной своей функции (соединять-разъединять), дополнительно может выполнять функцию моментной муфты.

Рассмотрим работу устройства, когда выходной вал привода дисбалансов соединен с карданным валом только через управляемую нормально замкнутую муфту, управляемый вход которой соединен с выходом сигнализатора "зарезонанса", выполненного в виде амплитудного датчика с логическим блоком.

После включения устройства в работу частота вращения дисбалансов 4 постепенно (по причине использования асинхронного двигателя с повышенным скольжением, а также за счет проскальзывания полумуфт муфты 9 при заданной величине ее сцепляющего момента, если на нее дополнительно возлагается функция моментной муфты) приближается к собственной частоте системы ω_р. Скорость набора оборотов дисбалансами зависит от момента инерции дисбалансов 4 и настройки передающего момента муфты 9. Чем меньше передающий момент муфты (больше проскальзывание) и больше инерционный момент дисбалансов, тем меньше скорость нарастания частоты из вращения. По мере приближения частоты вращения дисбалансов к резонансной частоте амплитуда вибрации системы увеличивается, а после прохода резонанса - уменьшается, при этом логический блок сигнализатора должен зафиксировать факт первичного перехода системой резонансной частоты. После перехода резонанса при дальнейшем непрерывном увеличении частоты вращения дисбалансов последние вынуждены работать в противофазе с системой, которая, в силу своей инерционности, стремится сохранить собственную частоту колебания, при этом амплитуда колебания системы начинает интенсивно уменьшаться и как только она уменьшится до определенной заданной величина A_п (см. фиг.2) система управления размыкает муфту 9. Частота вращения дисбалансов в силу естественных тормозных сил и остаточного противофазного характера своего воздействия начинает уменьшаться, приближаясь к резонансу системы. При этом амплитуда вибрации системы резко возрастает, противофазный характер работы системы затухает и система запасается дополнительной кинетической энергией. Как только вибрационная система оказывается в начале характерного узкого диапазона "d" частот, соответствующем амплитуде A'_п (см. фиг.2, кривая "a"), система управления посредством муфты 9 соединяет входной вал дисбалансов с двигателем 6, в результате чего частота вращения дисбалансов начинает неуклонно возрастать, побуждая работать их в противофазе с ведомой системой и т.д.

Изобретение может быть использовано в отраслях промышленности, где наблюдается дефицит сверхмощных приводов для вибрационного уплотнения бетонных смесей при формировании массивных строительных конструкций. Квазиударный вибрационный режим организован центробежным вибровозбудителем за счет интенсивного изменения частоты воздействия вибропобудителя в характерном зарезонансном узком диапазоне собственных частот системы. Указанный режим осуществляется введением в устройство сигнализатора "зарезонанса", управляемых сцепной и тормозной муфт, позволяющих интенсивно изменять частоту воздействия в характерном диапазоне собственных частот системы, и маховика с моментной муфтой. Описываемое устройство позволяет интенсифицировать технологический процесс. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Квазиударный центробежный вибровозбудитель, содержащий основание, приемную раму, установленную на упругих подвесках основания, дисбалансы с входным валом, установленные на приемной раме, привод дисбалансов с выходным валом, установленный на основании, карданный вал, соединяющий входной вал дисбалансов с выходным валом их привода, и систему управления, отличающийся тем, что привод дисбалансов выполнен с частотой вращения выходного вала, обеспечивающей вращение дисбалансов с частотой на определенную величину большей, чем резонансная частота вибрационной системы, в систему управления введен сигнализатор "зарезонанса", формирующий выходной сигнал, как только частота вращения дисбалансов превысит на заданную величину частоту резонанса вибрационной системы, выходной вал привода дисбалансов соединен с карданным валом через управляемую нормально замкнутую муфту, управляемый вход которой соединен с выходом сигнализатора "зарезонанса", или выходной вал привода дисбалансов соединен с карданным валом последовательно через управляемую нормально замкнутую муфту и управляемую нормально расторможенную муфту, причем управляемые входы муфт соединены с выходом сигнализатора "зарезонанса", или выходной вал привода дисбалансов соединен с карданным валом последовательно через моментную муфту, маховик, управляемую нормально замкнутую муфту и управляемую нормально расторможенную муфту, причем управляемые входы двух последних муфт соединены с выходом сигнализатора "зарезонанса", а моментная муфта настроена на момент, меньший или равный номинальному моменту привода, в то время как маховик выполнен с начальным инерционным моментом вращения, превышающим максимальный момент привода. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сигнализатор "зарезонанса" выполнен в виде сигнализатора, фиксирующего заданный предельный момент на входном валу дисбалансов.