РЕЗОНАНСНЫЙ ВИБРАТОР Российский патент 2002 года по МПК B06B1/04 

Изобретение относится к области вибрационной техники и технологии. Вибраторы широко используются в промышленности для получения механических колебаний, применяемых в вибротехнологиях, например, для утряски бетонных и др. смесей, вибротранспортировки сыпучих и вязких веществ, активизации химических процессов в жидких и сыпучих средах и т. д.

Наиболее эффективными по преобразованию энергии, потребляемой из источника в энергию механических колебаний, являются резонансные вибраторы. Они содержат следующие основные части: упругий элемент (пружина), инертную массу и источник периодической возбуждающей силы. Частота изменения силы приближенно равна собственной частоте колебательного контура вибратора. Источником периодической силы (вибровозбудитель) могут быть разные по принципу действия устройства - гидравлические, пневматические, центробежные, электромагнитные и т. д. [1, стр. 230] .

Известен однотактный резонансный вибратор [2, стр. 8, рис. 1] , который содержит электромагнитный источник периодической силы, размещенный внутри корпуса, и упругую систему из двух витых пар цилиндрических пружин. Электромагнитный источник силы состоит из статора, жестко соединенного с корпусом, и ферромагнитного якоря, закрепленного между пружинами. Пружины находятся в поджатом состоянии с помощью специальных элементов крепления. По катушке электромагнита пропускают переменный или пульсирующий электрический ток [2, стр. 70] , который создает электромагнитную силу, притягивающую якорь к статору. В исходное положение якорь возвращается под действием пружин. При работе вибратора якорь и корпус вместе со статором совершают колебательные движения. Корпус вибратора соединен с рабочим органом. При совпадении собственной частоты колебательной системы вибратор - рабочий орган - нагрузка с частотой электромагнитной силы возникает резонансный режим.

Недостатком такого устройства является невозможность плавного и оперативного изменения собственной частоты колебаний, что приводит при работе устройства к уходу от режима резонанса на заданной частоте и снижению эффективности работы вибратора при изменении нагрузки.

Признаками рассматриваемого аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются наличие источника повторяющейся силы (электромагнита), жесткого корпуса, подвижной относительно корпуса инертной массы и механических пружин, которые соединяют инертную массу и корпус вибратора.

Наиболее близким к заявляемому устройству является резонансный вибратор [3] , содержащий жесткий корпус, подвижную относительно корпуса инертную массу, соединяющие их механические пружины, источник периодически повторяющейся силы и дополнительный электромагнит, выполненный в виде двух цилиндрических соосных магнитопроводов с зазором между сопрягающимися поверхностями. Один из магнитопроводов жестко присоединен к корпусу, а второй магнитопровод - к инертной массе. Посередине высоты Н сопрягающихся поверхностей выполнены пазы шириной а, образующие на каждом магнитопроводе два полюса шириной b= (Н-а)/2 больше максимального относительного перемещения магнитопроводов в аксиальном направлении, в одном из пазов помещена обмотка возбуждения постоянного тока. Обмотка возбуждения может быть подключена к источнику постоянного напряжения через реактор. Дополнительный электромагнит выполняет функции магнитной пружины с регулируемой жесткостью, что позволяет плавно изменять собственную частоту вибратора.

Недостатками такого вибратора является нелинейная зависимость восстанавливающей силы, развиваемой дополнительным электромагнитом в зависимости от перемещения, что приводит к нелинейным эффектам при работе устройства, т. е. появлению дополнительных гармонических составляющих в механических колебаниях.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является существенное уменьшение нелинейности колебательной системы вибратора.

Техническим результатом достижения данной задачи является расширение возможностей применения резонансных вибраторов с регулируемой частотой собственных колебаний, a также резонансных вибраторов со стабилизацией собственной частоты колебаний.

Решение этой задачи достигается тем, что резонансный вибратор снабжен вторым дополнительным электромагнитом, выполненным в виде двух цилиндрических соосных магнитопроводов с зазором между сопрягающимися поверхностями, причем один из магнитопроводов жестко присоединен к корпусу, а другой к инертной массе. Посередине высоты H₁ сопрягающихся поверхностей первого магнитопровода выполнен паз шириной а, образующий два полюса шириной b больше максимального относительного перемещения магнитопроводов в аксиальном направлении. В паз помещена обмотка возбуждения, подключаемая к источнику постоянного напряжения через реактор, на сопрягающейся поверхности второго магнитопровода напротив одного из полюсов первого магнитопровода выполнен паз шириной b, причем высота второго магнитопровода Н₂ больше или равна H₁+2b.

На фиг. 1 изображена конструктивная схема заявляемого резонансного вибратора со вторым дополнительным электромагнитом; на фиг. 2-5 приведены различные варианты конструкций второго дополнительного электромагнита; фиг. 6 содержит диаграммы развиваемых первым и вторым электромагнитом сил, а также суммарную силу от действия этих электромагнитов в зависимости от перемещения якоря.

Резонансный вибратор (фиг. 1) содержит жесткий цилиндрический корпус 1, подвижную относительно него инертную массу 2 и механические пружины 3, например рессорного типа. Источник периодической силы содержит ферромагнитный статор 4, жестко закрепленный в корпусе 1 с двумя обмотками возбуждения 5, и ферромагнитный якорь 6, расположенный соосно со статором 4. Первый дополнительный электромагнит содержит жестко закрепленный в корпусе ферромагнитный статор 7 с обмоткой 8 и соосно расположенный с ним ферромагнитный якорь 9. Статор 10 второго дополнительного электромагнита жестко закреплен в корпусе 1 и содержит обмотку возбуждения 11. Соосно со статором 10 располагается якорь 12. Элементы 6, 9, 12 и 2 жестко соединены друг с другом, их крепление может осуществляться, например, при помощи присоединения к стержню 13. Нижняя и верхняя части стержня 13 жестко соединены соответственно с нижними и верхними пружинами 3. Элементы 4, 7, 10 жестко зафиксированы в корпусе 1, например, с помощью опорных колец 14, 15, 16, 17. Концы пружин 3 разделены по краям прокладками 18, 19, а по центру - прокладками 20, 21. Крепление стержня 13 к рессорам 3 осуществляется с помощью гаек 22, 23. Сверху и снизу к корпусу 1 крепятся крышки 24 и 25. Обмотки 8, 11 через реакторы 26, 27 присоединены, соответственно, к источникам постоянного напряжения 28 и 29. Питание обмоток 5 вибровозбудителя осуществляется от источника переменного напряжения 30.

На фиг. 2 изображена конструкция второго дополнительного электромагнита с указанием основных геометрических размеров: магнитопровода 10 - H₁, высота магнитопровода 12 - H₂, высота полюсов в магнитопроводе 10 и ширина паза в магнитопроводе 12 - b, ширина паза под обмотку 11 - а. Эта конструкция в силу массивности якоря позволяет уменьшить инертную массу 2.

Конструкция по фиг. 3 отличается от предыдущей тем, что напротив нижнего полюса магнитопровода 10 в магнитопроводе 12 выполнен паз шириной b. Применение такого электромагнита позволяет за счет увеличения активных зазоров в два раза увеличить силу, развиваемую электромагнитом. Следующая конструкция (фиг. 4) содержит по сравнению с предыдущей обмотку 11, размещенную в пазу магнитопровода 12 шириной, меньшей или равной а-2b, что позволяет уменьшить инертную массу 2 и увеличить развиваемую электромагнитом силу.

Описанные выше конструкции могут быть обращенными, т. е. внутренние профили магнитопроводов 10 новых конструкций будут повторять профили магнитопроводов 12 по фиг. 2 - 4, а профили магнитопроводов 12 соответственно внутренние профили магнитопроводов 10 по фиг. 2 - 4, при этом размещение обмотки может быть в любом из магнитопроводов. Пример обращенной конструкции для электромагнита по фиг. 3 с обмоткой в магнитопроводе 12 изображен на фиг. 5.

Резонансный вибратор работает следующим образом. По обмоткам 8 и 11 пропускают постоянные токи, а по секциям обмоток 5 вибровозбудителя импульсы тока от источника 30. Под воздействием импульсов тока, протекающих по обмоткам 5 в возбуждающем электромагните возникает электромагнитная сила, которая стремится вывести из состояния равновесия колебательную систему вибратора, при этом взаимное перемещение стержня 13 и связанных с ним частей 2, 6, 9, 12 относительно корпуса 1иводит к деформации пружин 3. Возврат в исходное положение с последующим перемещением стержня 13 и связанных с ним частей в другую сторону происходит под действием потенциальной энергии, накопленной в пружинах 3. Возбуждающий электромагнит лишь восполняет энергию потерь за каждый такт колебаний. В результате этого колебания вибратора являются не затухающими. Колебательная система вибратора, состоящая из двух подвижных относительно друг друга частей, производит колебания, при которых центр масс системы стремится сохранить свое положение, т. к. нагрузка жестко закреплена с одной из этих частей, то колебания передаются непосредственно нагрузке.

Собственная частота колебательного контура ω₀

где
m₁ - суммарная масса подвижных частей 2, 6, 9, 12, 13 вибратора;
m₂ - суммарная масса неподвижных частей 1, 4, 7, 10 вибратора и нагрузки;
k - результирующая жесткость пружин вибратора;
k= k_МП+k_П,
где k_П - жесткость механических пружин 3;
k_МП - результирующая жесткость дополнительных электромагнитов (магнитных пружин).

Второй дополнительный электромагнит развивает между полюсами магнитопроводов 10 и 12 электромагнитную силу (фиг. 6) 31, направленную противоположно силе, развиваемой первым (нелинейным) электромагнитом между полюсами магнитопроводов 9 и 7. Результирующая сила 32 от действия обоих электромагнитов в зависимости от перемещения якоря близка к линейной. Развиваемая первой дополнительной пружиной сила при х*≥0 [3]

где L_н1 - начальная индуктивность обмотки 8 при симметричном расположении магнитопровода 9 относительно магнитопровода 7;
I_н1 - начальный ток в обмотке возбуждения 8 при симметричном расположении магнитопровода 9 относительно магнитопровода 7;
α₁ = L_в1/L_H1- относительная индуктивность первого дополнительного электромагнита;
L_d1 - индуктивность дросселя 26;
x* = x/b - относительное перемещение.

Развиваемая второй дополнительной пружиной сила

где L_н2 - индуктивность обмотки 11 при полном перекрытии полюсов магнитопроводов 12 и 10;
I_н2 - ток в обмотке возбуждения 11 при полном перекрытии полюсов магнитопроводов 10 и 12;
α₂ = L_d2/L_H2- относительная индуктивность второго дополнительного электромагнита;
L_d2 - индуктивность дросселя 27.

Результирующая характеристика при х*≥0 из (2) и (3)

Для обеспечения условия Р₃(0)= 0, т. е. равенства нулю результирующей восстанавливающей силы от действия обеих магнитных пружин при нулевом смещении из (4)

Тогда (4) с учетом (5)

или в относительных единицах, принимая за максимальное значение силу Р₃(1)

Для случая когда α₁= 1 и α₂= 1 из (3), (6) и (7), зависимость Р*₂(х*) - 31 и P*₃(x*) - 32 (фиг. 6)


Для сравнения характеристик линеаризованной и нелинеаризованной пружин целесообразно привести последнюю к нормализованному по Р₃(1) виду, т. е. по максимальному значению силы Р₃, при этом Р₁*(1)= 1. Тогда после соответствующих преобразований из (2) и (6)

а в нормализованном виде - 33 (фиг. 6)

Рассмотренные на фиг. 6 графики построены при положительном смещении якорей. Очевидно, что для х , меньших нуля, картина будет аналогична, отличия заключаются лишь в знаке сил 31, 32, 33.

По фиг. 6 видно, что применение второго дополнительного магнита приводит к существенной линеаризации упругих свойств магнитной пружины.

Как видно из (6), изменяя I_н1 и соответственно I_н2 по закону (5), можно изменять наклон кривой Р₃(х*) к оси х и т. о. регулировать жесткость пружинной части. Последнее позволяет регулировать собственную частоту вибратора и поддерживать резонансный режим работы.

Источники информации
1. Вибрации в технике: Справочник. В 6-ти т. /Ред. совет: В. Н. Челомей (пред. ). - М. : Машиностроение, 1981. - Т. 4. Вибрационные процессы и машины / Под ред. Э. Э. Лавендела. 1981. 509 с.

2. Хвингия М. В. Динамика и прочность вибрационных машин с электромагнитным возбуждением. - М. : Машиностроение, 1980. - 144 с.

3. Ивашин В. В. , Медведев В. А. , Позднов М. В. Магнитная пружина как элемент резонансного вибратора. // Наука, техника, образование города Тольятти и Волжского региона: Межвуз. сб. научн. трудов. - Тольятти, 1999. - Ч. 2.

Изобретение относится к вибрационной технике и технологии. Сущность: устройство содержит жесткий корпус, подвижную относительно корпуса инертную массу, установленную между ними механическую пружину и источник периодически повторяющейся силы для возбуждения вибрации. Устройство также содержит два дополнительных электромагнита, выполняющих роль магнитной пружины с управляемой жесткостью. Второй электромагнит выполнен в виде двух цилиндрических соосных магнитопроводов с зазором между сопрягающимися поверхностями. Один из магнитопроводов жестко присоединен к корпусу, а другой к инертной массе. Посередине высоты Н₁ сопрягающихся поверхностей первого магнитопровода выполнен паз шириной a, образующий два полюса шириной b больше максимального относительного перемещения магнитопроводов в аксиальном направлении. Технический результат: расширение возможностей применения резонансных вибраторов с регулируемой частотой собственных колебаний. 2 з. п. ф-лы, 6 ил.

1. Резонансный вибратор, содержащий жесткий корпус, подвижную относительно корпуса массу и установленную между ними механическую пружину, источник повторяющейся силы и первый электромагнит - магнитную пружину, отличающийся тем, что он снабжен вторым электромагнитом, выполненным в виде двух цилиндрических соосных магнитопроводов с зазором между сопрягающимися поверхностями, причем один из магнитопроводов жестко присоединен к корпусу, а другой к инертной массе, посередине высоты H₁ сопрягающихся поверхностей первого магнитопровода выполнен паз шириной a, образующий два полюса шириной b больше максимального относительного перемещения магнитопроводов в аксиальном направлении, в паз помещена обмотка возбуждения, подключенная к источнику постоянного напряжения через реактор, на сопрягающейся поверхности второго магнитопровода напротив одного из полюсов первого магнитопровода выполнен паз шириной b, причем высота второго магнитопровода Н₂ больше или равна H₁ + 2b. 2. Резонансный вибратор по п. 1, отличающийся тем, что напротив второго полюса первого магнитопровода выполнен паз шириной b. 3. Резонансный вибратор по п. 1 или 2, отличающийся тем, что обмотка помещена в паз шириной не более a - 2b, выполненный на сопрягающейся поверхности посредине высоты второго магнитопровода Н₂.