ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ РЕГУЛИРУЕМЫЙ ВИБРАТОР Российский патент 2007 года по МПК B06B1/16 

Изобретение относится к вибрационной технике, а именно к электромеханическим центробежным инерционным вибраторам (вибровозбудителям), используемым в строительстве, в производстве строительных материалов и других отраслях промышленности.

Инерционные центробежные вибраторы с дебалансами просты, надежны, относительно недороги и широко используются для вибрационной обработки.

Условимся считать регулируемым вибратором устройство в целом, включая электродвигатель и преобразователь частоты, когда он имеется, а вибровозбудителем - часть вибратора с вращающимися дебалансами, непосредственно создающую колебания; электродвигатель, если дебалансы закреплены на его валу, можно конструктивно отнести к вибровозбудителю.

Центробежная вынуждающая (возмущающая) сила F_в=k·m·R·n²=k·M_ст·n², где k - коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора единиц измерения; m - масса дебаланса; R - радиус центра тяжести дебаланса; n - частота вращения; M_ст=m·R - статический момент дебаланса.

Для вибровозбудителя со сплошным дебалансом M_ст=Const характеристика F_в(n)=k·m·R·n² изображается параболой, максимальная частота вращения и вынуждающая сила ограничены сочетанием (n_max, F_{в max}) по условиям долговечности подшипников.

В последние десятилетия требования к вибраторам возросли; с точки зрения эффективности виброобработки идеальным можно было бы считать вибратор (вибровозбудитель) с плавной независимой регулировкой частоты вращения и вынуждающей силы (или статического момента) в требуемых технологических пределах, по оптимальной программе.

С появлением на рынке полупроводниковых преобразователей частоты регулировка скорости вращения не представляет сложности и соответствует уровню техники.

Известны отдельные частичные решения задачи регулирования статического момента, например некоторые вибраторы ярославского завода «Красный Маяк» и зарубежных фирм комплектуются составными дебалансами; в них величина статического момента задается предварительной перестановкой упоров (аналог).

К достоинству этого решения следует отнести практически прежние габариты дебалансов, что позволяет модернизировать существующие типы вибраторов и адаптировать их к работе с преобразователями частоты.

Недостатки - минимальные регулировочные возможности, т.к. работа происходит на одной характеристике F_в(n), кроме того, перестановка упоров требует остановки и частичной разборки вибратора, что увеличивает трудозатраты, снижает производительность.

Известен электромеханический регулируемый вибровозбудитель по JP 2311619, реферат (прототип), содержащий приводной вал с переменной частотой вращения, зафиксированный на валу (неподвижный) дебаланс, установленный эксцентрично относительно вала подвижный дебаланс, противодействующую пружину и перестраиваемые упоры.

В этом вибровозбудителе при достижении заданной частоты вращения эксцентрическая составляющая центробежной силы преодолевает усилие противодействия пружины и переводит подвижный дебаланс в рассогласованное положение, уменьшая тем самым величину статического момента. Настройка усилия срабатывания пружины производится путем предварительной перестановки упоров в отключенном состоянии.

Характеристика F_в(n) для такого вибровозбудителя состоит из двух смежных параболических участков F_в1(n) и F_в2(n):

где n - текущее значение частоты вращения;

n_пер - частота вращения при переключении;

n_max - максимально допустимая частота вращения;

M_ст1 - большой статический момент;

M_ст2 - малый статический момент.

Работа на малой скорости n<n_пер с малым M_ст2 и на большой скорости n>n_пер с большим M_ст1 для прототипа принципиально невозможна. Первое обстоятельство, по-видимому, значения не имеет, второе обстоятельство является функциональным недостатком прототипа потому, что по технологическим причинам часто требуется форсированный режим с кратковременной перегрузкой подшипников, который в прототипе недостижим.

Основным конструктивным недостатком прототипа является наличие пружины:

- пружина является нестабильным и малонадежным звеном в условиях вибрационных знакопеременных нагрузок;

- повышение надежности пружины возможно за счет снижении в ней механических напряжений, но при этом увеличиваются размеры и металлоемкость конструкции;

- в дебалансном отсеке выпускаемых серийно вибраторов, например типа ИВ, нет свободного места для установки противодействующей пружины между дебалансами, и вариант с пружиной требует увеличения габаритов, что не позволяет модернизировать существующие вибраторы и не устраивает ряд потребителей, снижая тем самым конкурентоспособность.

Задача создания изобретения может быть разделена на две части: функциональную и конструкторскую.

Функционально заявляемый вибратор имеет расширенные, по сравнению с прототипом, возможности управления технологическим процессом, а именно обеспечивает возможность работы по выбору с любым из двух, большим или малым, значением статического момента, независимо от частоты вращения, и перевод подвижного дебаланса в процессе работы по команде оператора или программного устройства, в требуемый момент времени, т.е. гибкое управление.

Конструктивно задача решена в габаритах серийных вибраторов без увеличения их металлоемкости и без применения пружин, снижающих надежность, благодаря использованию сил инерции (динамического момента), возникающих вследствие резкого ускорения и торможения вала двигателя, т.е. в принципе, управление положением подвижного дебаланса осуществляется импульсами положительного и отрицательного углового ускорения вала.

Реализация принципа потребовала взаимной конструктивной адаптации звеньев вибратора для их скоординированной совместной работы; задачу удалось решить без больших переделок на базе серийных вибраторов, что создает благоприятные предпосылки для модернизации выпускаемых и находящихся в эксплуатации нерегулируемых вибраторов путем добавления преобразователей частоты и замены дебалансных узлов.

Сущность изобретения заключается в том, что для перевода подвижного дебаланса из положения с большим статическим моментом (согласованного) в положение с малым статическим моментом (рассогласованное) и обратно использованы силы инерции (динамический момент), возникающие вследствие резкого ускорения и торможения вала электродвигателя, т.е. управление переключением производится импульсами положительного и отрицательного углового ускорения вала.

Для получения импульсов углового ускорения вала приводной асинхронный электродвигатель запитан от регулируемого преобразователя частоты, выполненного с возможностью резкого изменения частоты и амплитуды выходного напряжения, управление преобразователем частоты осуществляется по команде оператора или программного устройства.

Цикл работы вибратора состоит из следующих фаз:

- «легкий» пуск, когда в движение приходит только зафиксированный дебаланс и, совершив более половины оборота, входит в контакт с подвижным дебалансом;

- фиксирование подвижного дебаланса в согласованном положении;

- работа с большим статическим моментом;

- перевод подвижного дебаланса в рассогласованное положение импульсом отрицательного ускорения;

- удержание его в этом состоянии;

- работа с малым статическим моментом;

- торможение импульсом отрицательного углового ускорения;

- перевод подвижного дебаланса в положение для «легкого» пуска;

- остановка.

Известно из уровня техники (см. пат. RU 2184623), что при вращении эксцентрик развивает устанавливающий момент M_уэ, который стремится установить центр тяжести эксцентрика в наиболее удаленное от оси вращения положение с радиусом R_max.

Теоретический анализ, выполненный авторами, выявил некоторые особенности работы эксцентрикового механизма, которые, по мнению заявителя, не следуют из уровня техники:

- при наименьшем расстоянии центра тяжести эксцентрика от оси вращения О, равном R_min, устанавливающий эксцентрический момент равен нулю;

- состояние эксцентрика при R_min является неустойчивым, малейшее отклонение от него вызывает появление M_уэ, направленного на дальнейшее увеличение этого отклонения;

- при переходе центра тяжести через прямую, соединяющую ось эксцентрика О_э и ось вращения вала О (нейтраль N-N′), момент M_уэ меняет знак; направление вращения вала принято за положительное, а противоположное - за отрицательное.

Выявленные особенности эксцентрика положены в основу управляемого фиксирующего узла, удерживающего подвижный дебаланс в совмещенном положении.

При пуске упор на закрепленном дебалансе входит в контакт с подвижным дебалансом с отрицательным углом рассогласования 5°...10°, отрицательный M_уэ прижимает подвижный дебланс к упору.

Под воздействием командного импульса отрицательного ускорения закрепленный дебаланс вместе с валом двигателя притормаживается, подвижный дебаланс по инерции переходит нейтраль N-N′, устанавливающий момент M_уэ меняет знак с отрицательного на положительный, и подвижный дебаланс устремляется к устойчивому состоянию с R_max, достигает его; в этом положении происходит работа с малым значением M_ст2 до следующего командного импульса на торможение, который переводит подвижный дебаланс в положение подготовки к «легкому» пуску, затем следует остановка двигателя.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена функционально-структурная схема вибратора, на фиг.2 показан продольный разрез вибровозбудителя, на фиг.3 - дебалансы находятся в согласованном положении (большой статический момент), на фиг.4 - дебалансы рассогласованы (малый статический момент), фиг.5 иллюстрирует изменение частоты вращения во времени, на фиг.6 показаны импульсы положительного и отрицательного ускорения за время цикла, на фиг.7 изображена циклограмма работы вибратора в координатах «частота вращения» - «вынуждающая сила».

Вибратор содержит программно-командное устройство 1, управляемый преобразователь частоты 2, электродвигатель 3 с валом 4, к которому посредством, например, шпоночного соединения присоединен зафиксированный дебаланс 5. Торец приводного вала 4 имеет эксцентриковый хвостовик 8, на котором установлен подвижный дебаланс 6, например, с помощью игольчатого подшипника 9. На плоской поверхности зафиксированного дебаланса 5 закреплен составной упор (7, 10, 12), состоящий из штыря (шпильки) 12, амортизирующего элемента 10 и наружной втулки 7.

Наружный радиус втулки 7 и глубина криволинейной выемки на боковой поверхности дебаланса 6, контактирующей с упором, выбраны таким образом (расстояние O₃-ЦТ₂), чтобы в начале совместного движения дебалансов устанавливался угол рассогласования 5°...10° против направления вращения.

Программно-командное устройство (ПКУ) 1 выдает команды в реальном времени на все фазы работы вибратора: пуск, разгон, работу с большим значением статического момента, перевод и работу подвижного дебаланса в положении малого статического момента, торможение с подготовкой последующего «легкого» пуска, остановку двигателя 3.

ПКУ может быть смонтировано в отдельном корпусе, либо быть совмещенным с преобразователем частоты 2.

Регулируемый преобразователь частоты (РПЧ) 2 запитан от сети переменного тока с напряжением U₁ и частотой f₁; преобразователь выполнен с возможностью резкого изменения выходной частоты (f₂±Δf₂) и напряжения (U₂±ΔfU₂) благодаря чему приводной асинхронный электродвигатель 3 создает управляющие импульсы положительного и отрицательного углового ускорения вала 4 в виде (n₂±Δn), которые используются для перевода подвижного дебаланса из одного положении в другое.

Вибратор работает по следующему циклу. После включения РПЧ по команде оператора или ПКУ на выходе РПЧ появляется напряжение U₂ с частотой f₂, двигатель начинает вращение с положительным ускорением, (см. участок о-а на фиг.5, 6, 7). Зафиксированный дебаланс 5 упором 7 контактирует с выемкой на боковой поверхности подвижного дебаланса 6 и приводит его в совместное движение, при этом угол между прямой, проведенной через центр тяжести ЦТ2 подвижного дебаланса и ось O_э эксцентрика, и прямой, проходящей через ось О приводного вала 4 и ось O_э эксцентрика 8, составляет 5°...10° (угол рассогласования). Образующийся вследствие ускорения динамический момент прижимает подвижный дебаланс 6 к упору 7, по мере роста частоты вращения развивается центробежная сила, эксцентрическая составляющая которой, обусловленная углом рассогласования 5°...10° (устанавливающий эксцентрический момент), также прижимает подвижный дебаланс 6 к упору 7; после завершения разгона угловое ускорение равно нулю (точка а фиг.5, 6, 7), динамический момент исчезает, но устанавливающий эксцентрический момент продолжает удерживать дебалансы 5, 6 в совмещенном состоянии.

Следующая фаза (участок а-b фиг.5, 6, 7) - работа с большим значением статического момента в соответствии с технологической программой.

Для перевода подвижного дебаланса в рассогласованное положение (малого статического момента) по команде оператора или ПКУ резко снижается выходная частота преобразователя f₂ и напряжение U₂, импульс отрицательного углового ускорения замедляет вращение вала, подвижный дебаланс по инерции проходит нейтраль O-О_э, устанавливающий эксцентрический момент меняет знак и продвигает подвижный дебаланс в устойчивое состояние при наибольшем удалении от оси вращения (b-с на фиг.5, 6, 7).

Далее следует разгон до требуемой частоты вращения (участок c-d), и фаза работы с малым статическим моментом (участок d-e).

Торможение двигателя (участок e-f-g-o) по команде ПКУ происходит за счет снижения выходного напряжения U₂ и частоты f₂ преобразователя 2.

Вследствие отрицательного ускорения частота вращения падет, в точке f динамический момент преодолевает устанавливающий эксцентрический момент, по инерции подвижный дебаланс 6 надвигается своей передней гранью на упор 7 со стороны, противоположной той, с которой начиналось движение, точка g. После остановки под действием силы тяжести оба дебаланса 5, 6 занимают крайнее нижнее положение для «легкого» пуска, точка o.

Следующий цикл начинается с того, что вращаться начинает только зафиксированный дебаланс (так называемый «легкий» пуск).

Совершив около 3/4 оборота зафиксированный дебаланс 5 своим упором входит в выемку на подвижном дебалансе, и далее происходит цикл, рассмотренный выше. Для смягчения ударных нагрузок упор 7 снабжен амортизирующим элементом 10.

Вибраторы предлагаемой конструкции изготовлены на Ярославском заводе «Красный Маяк», прошли испытания, малая серия находится в эксплуатации на одном из заводов ЖБИ; таким образом, промышленная применимость данного технического решения налицо.

Изобретение относится к вибрационной технике, а именно к электромеханическим регулируемым вибраторам (вибровозбудителям), используемым в строительстве, в производстве строительных материалов и других отраслях промышленности. Техническим результатом изобретения является расширение возможности управления технологическим процессом и повышение надежности. Электромеханический регулируемый вибратор с двумя значениями статического момента и возможностью их переключения в процессе работы содержит приводной вал с переменной частотой вращения, зафиксированный на приводном валу дебаланс, установленный эксцентрично относительно вала подвижный дебаланс и ограничивающий упор. Питание вибратора осуществляется через преобразователь частоты. Угол между прямой, проведенной через ось вращения эксцентрика и геометрическую ось вала, и прямой, соединяющей ось вращения эксцентрика и центр тяжести подвижного дебаланса, составляет 5°...10° против направления вращения вала. Перевод в любое из двух значений статического момента по команде оператора или программного устройства происходит за счет сил инерции (динамического момента), возникающих вследствие резкого ускорения и торможения приводного вала. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Электромеханический регулируемый вибратор с двумя значениями статического момента и возможностью их переключения в процессе работы, содержащий приводной вал с переменной частотой вращения, зафиксированный на приводном валу дебаланс, установленный эксцентрично относительно вала подвижный дебаланс и ограничивающий упор, отличающийся тем, что питание вибратора осуществляется через преобразователь частоты, подвижный дебаланс выполнен с возможностью перевода в любое из двух значений статического момента по команде оператора или программного устройства за счет сил инерции (динамического момента), возникающих вследствие резкого ускорения и торможения приводного вала, а также с возможностью удержания в положении большого статического момента посредством контакта с упором, установленным на зафиксированном дебалансе, и возможностью удержания в положении малого статического момента только за счет центробежной силы, при этом угол между прямой, проведенной через ось вращения эксцентрика и геометрическую ось вала, и прямой, соединяющей ось вращения эксцентрика и центр тяжести подвижного дебаланса, составляет 5...10° против направления вращения вала.2. Электромеханический регулируемый вибратор по п.1, отличающийся тем, что упор снабжен амортизирующим элементом.3. Электромеханический регулируемый вибратор по п.1 или 2, отличающийся тем, что статический момент подвижного дебаланса меньше статического момента зафиксированного дебаланса в 1,5-3 раза.