ЗУБЧАТЫЙ ИНЕРЦИОННЫЙ САМОБАЛАНСНЫЙ МЕХАНИЗМ Российский патент 2009 года по МПК F16H33/00 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к зубчатым инерционным самобалансным механизмам, направлено на расширение их технологических возможностей и эффективности применения их в инерционных приводных, преобразовательных и исполнительных устройствах, а также в нагрузочных и испытательных машинах и может быть использовано в гражданском, промышленном, энергетическом и дорожном строительстве.

Известны зубчатые инерционные самобалансные механизмы, состоящие из одной, двух, трех и даже четырех пар равнозначных дебалансных звеньев, включающих жестко связанные друг с другом дебалансные зубчатые колеса и валы, создающие при вращении дебалансных звеньев в противоположные стороны направленные инерционные силы, периодически и симметрично изменяющиеся по величине по гармоническому закону, предназначенные для возбуждения колебаний и широко применяемые в различных вибрационных устройствах и машинах.

[А.О.Спиваковский, И.Ф.Гончаревич, «Вибрационные конвейеры, питатели, вспомогательные устройства», М., Машиностроение, 1972, стр.77-88; С.С.Добронравов. Справочник «Строительные машины и оборудование». М., Высшая школа, 1991, стр.218-219; В.Н.Ермоленко, П.Н.Нестеренко, патент РФ №2051851 от 22.09.1993 г. на изобретение «Виброконвейер», SU 1780539, по заявке №93045465; В.Н.Ермоленко, П.Н.Нестеренко, Б.С.Одинг, патент РФ №48333 от 27.12.2004 г. на полезную модель «Вибропробивное инъекционное устройство», RU 48333 U1, по заявке №2004138460].

Указанные механизмы обладают притягательной возможностью кажущимися простыми средствами (изменением частоты вращения, радиуса инерции и массы дебалансов) создания значительных направленных инерционных сил.

Однако при этом быстрый рост центробежных сил, периодичность и симметричность их изменения по величине в заданном направлении, пригодные для возбуждения колебаний, делают эти механизмы малоэффективными, например в приводах погружающих устройств или тяжелых вибромашин (вследствие потребности значительных привесов, больших энергозатрат и динамических воздействий на окружающую среду) и совсем непригодными в силовых устройствах, требующих односторонне направленных сил.

Известен также зубчатый инерционный самобалансный механизм (взятый нами в качестве прототипа), предназначенный для возбуждения колебаний и использования в качестве вибропривода виброконвейеров, вибросепараторов и т.п. вибромашин, состоящий из двух пар попарно равнозначных синхронно вращающихся в противоположные стороны дебалансных звеньев, причем, в целях повышения скорости вибротранспортирования за счет создания в направленном колебательном процессе разных ускорений в противоположные стороны, одна из этих равнозначных пар соединена с другой равнозначной парой зубчатыми колесами с передаточным отношением 1:2 и вращается с удвоенной скоростью по отношению к первой, при этом данный инерционный самобалансный механизм создает возмущающую направленную инерционную силу, изменяющуюся по величине периодически, но несимметрично, по «бигармоническому» закону [Patente schrift №955756 (DFR) kl. 8/e, Gr. 53, 10.1.1957 г.; Prospekt «Dhe Deister Koncentrator Kompani», 1960 г.; И.И.Блехман, Г.Ю.Джанелидзе «Вибрационные перемещения». М., Наука, 1964, стр.262-264, стр.319; А.О.Спиваковский, И.Ф.Гончаревич «Вибрационные конвейеры, питатели, вспомогательные устройства», М., Машиностроение, 1972, стр.89-99].

По нашему мнению технологические возможности данного механизма ограничены вследствие недостаточной величины несимметрии, коей является отношение наибольшего значения суммарной направленной инерционной силы к наименьшему и для зубчатого самобалансного бигармонического механизма равное двум. Достичь же больших величин несимметрии, требующихся для создания, например, высокопроизводительных конвейеров, нагрузочных, безударных вдавливающих и выдергивающих, и многих других силовых устройств направленного действия, при помощи бигармонического механизма невозможно, и потому практическое применение его ничтожно мало.

Таким образом, задачей создания предлагаемого технического решения и его техническим результатом является дальнейшее повышение эффективности зубчатых инерционных самобалансных механизмов путем устранения указанных недостатков, расширения технологических возможностей и уменьшения энергоресурсопотребления.

Названный технический результат достигается тем, что зубчатый инерционный самобалансный механизм выполнен полигармоническим, причем попарно равнозначные дебалансные звенья последовательно в мультиплицирующем порядке соединены друг с другом посредством зацепления своих зубчатых колес в два равнозначных ряда и смонтированы в подшипниковых опорах несущих стенок корпуса так, что зубчатые колеса начальных звеньев рядовых соединений кинематически также связаны друг с другом. При этом предусмотрено, что количество дополнительных равнозначных пар звеньев, присоединяемых к начальной паре, порядок частоты вращения каждой из них по отношению к начальной, углы сдвига фаз каждой дополнительной пары относительно начальной, а также статических моментов дебалансов каждой дополнительной пары звеньев выбраны из условия наибольшей несимметрии суммарной направленной инерционной силы и условия получения необходимого рабочего квазистатического усилия.

Предлагаемое техническое решение имеет существенные преимущества перед аналогами и прототипом и, обладая представленными конструктивными элементами и связями между ними, создает широкие перспективы использования расширенных функциональных и технологических возможностей зубчатых инерционных самобалансных полигармонических механизмов. В силу присущих им возможностей, а именно:

формирования любых, в том числе и необходимых, односторонне направленных квазистатических инерционных сил, предназначенных для создания различных силовых устройств; формирования любых, в том числе и необходимых, направленных несимметричных инерционных сил, предназначенных для возбуждения несимметричных колебаний;

преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное;

комбинированного использования в качестве как приводного, так и исполнительного устройства,

- разработать унифицированные ряды новых высоконадежных зубчатых инерционных полигармонических самобалансных механизмов как для приводных, так и для исполнительных устройств, а также для решения различных технологических задач;

- разработать унифицированные ряды новых высокопроизводительных виброконвейеров, вибропогружающих и вдавливающих устройств, с одновременным значимым уменьшением удельных показателей энергоресурсопотребления.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена схема зубчатого инерционного самобалансного полигармонического механизма, на фиг.2 - диаграмма инерционной силы четырехступенчатого зубчатого инерционного самобалансного полигармонического механизма.

Механизм содержит корпус, подшипниковые опоры и попарно равнозначные дебалансные звенья, включающие жестко связанные друг с другом попарно равнозначные дебалансные зубчатые колеса и валы.

В едином корпусе 1 попарно равнозначные дебалансные звенья - 2 и 2', 5 и 5', 8 и 8',..., 11_i и 11 _i' с определенными расчетными параметрами зубчатых колес - 4 и 4', 7 и 7', 10 и 10',...,13_i и 13_i' и определенными расчетными статическими моментами дебалансов - 3 и 3', 6 и 6', 9 и 9',..., 12_i и 12_i' (начальные - 2 и 2', и дополнительные - 5 и 5', 8 и 8',..., 11_i и 11_i') размещены в два равнозначных ряда - а) и б). При этом названные дебалансные звенья последовательно в мультиплицирующем порядке кинематически, с помощью зацепления своих зубчатых колесных пар 4 и 4', 7 и 7', 10 и 10',..., 13_i и 13_i' связаны между собой и смонтированы в подшипниковых опорах с возможностью попарно синхронно и синфазно вращаться в противоположных направлениях, для чего равнозначные ряды кинематически связаны между собой зацеплением зубчатых колес 4 и 4' своих начальных дебалансных звеньев 2 и 2'. (Наличие или отсутствие кинематической связи дополнительных попарно-равнозначных звеньев между собой в горизонтальной плоскости не влияет на функциональные возможности механизма.)

Такое построение образует замкнутую кинематическую цепь и согласно теории механизмов и машин представляет собой зубчатый инерционный самобалансный полигармонический механизм.

Механизм работает следующим образом.

Посредством механической передачи (например, ременной или цепной) крутящий момент от двигателя подается на любое из дебалансных звеньев любого из равноценных рядов (не показаны). Мультиплицирующий порядок построения механизма, в свою очередь, позволяет выбрать наиболее целесообразное звено подключения привода с точки зрения энергоресурсосбережения и внешней рабочей компановки изделия. При вращении равнозначных пар дебалансных звеньев 2 и 2', 5 и 5', 8 и 8',..., 11_i и 11'i в противоположные стороны каждая из них, являясь самостоятельной гармоникой, создает суммарную направленную инерционную силу , весь механизм создает в результате геометрического сложения общую суммарную направленную инерционную силу , периодически изменяющуюся по величине по несимметричному полигармоническому закону (фиг.2).

Формирование необходимой направленной инерционной силы и ее наибольшей несимметрии производится изменением количественного и качественного набора дополнительных попарно равнозначных дебалансных звеньев i, их порядка P_i (отношение частоты вращения каждого дополнительного звена к начальному), статических моментов дебалансов каждой дополнительной пары и углов сдвига фаз ε_i между ними и начальными звеньями. Задача подбора и определения параметров дополнительных попарно-равнозначных дебалансных звеньев - увеличить направленную «положительную» часть инерционной силы и уменьшить противоположную - «отрицательную», т.е. увеличить ее несимметрию и одновременно получить необходимую рабочую величину направленной инерционной квазистатической силы.

Предварительные расчеты показывают (фиг.2), что уже при четырехступенчатом зубчатом инерционном самобалансном полигармоническом механизме можно малыми средствами получить четырехкратное для приводных и пятикратное для исполнительных устройств увеличение несимметрии направленных инерционных сил (соответственно). Это можно эффективно использовать при создания несимметричных возмущающих сил для вибропогружателей или квазистатических сил для вдавливающих устройств, что подтверждает возросшие функциональные технологические возможности зубчатых инерционных самобалансных механизмов.

Технико-экономический эффект от использования предлагаемого технического решения выражается в создании на основе полученного технического результата новых высокопроизводительных энергоресурсосберегающих технологий и устройств в первую очередь для строительной отрасли.

На сегодняшний день на основе полученного технического результата предлагаемого технического решения выполнены:

расчетно-конструкторские работы безударных вдавливающих устройств для бесшумного погружения железобетонных свай всех типоразмеров в соответствии с ГОСТ 19804.0-78, и в стадии изготовления в ОАО "РУССО-БАЛТ ТЯЖЭКС" находится экспериментальный образец этого устройства;

расчетно-конструкторские работы вибропробивных и вибропробивных инъекционных устройств для изготовления без выемки грунта высококачественных набивных свай повышенной несущей способности.

В стадии эскизной проработки находятся виброприводы для виброконвейеров и квазистатические усилители давления на грунт для дорожных катков.

Изобретение относится к области машиностроения, предназначено для приводных, преобразовательных и исполнительных устройств и может быть использовано в гражданском, промышленном, энергетическом и дорожном строительстве. Механизм содержит корпус (1), подшипниковые опоры и попарно равнозначные дебалансные звенья. Указанные звенья - начальные (2, 2') и дополнительные (5 и 5', 8 и 8',..., 11i и 11_i') размещены в едином корпусе (1) в два равнозначных ряда (а и б). При этом названные дебалансные звенья последовательно в мультиплицирующем порядке кинематически с помощью зацепления своих зубчатых колесных пар (4 и 4', 7 и 7', 10 и 10',..., 13i и 13_i′) связаны между собой и смонтированы в подшипниковых опорах. Равнозначные ряды (а и б) кинематически связаны между собой зацеплением зубчатых колес (4 и 4') своих начальных дебалансных звеньев (2 и 2'). Количество дополнительных равнозначных пар звеньев, присоединяемых к начальной паре, порядок частоты вращения каждой из них по отношению к начальной, углы сдвига фаз каждой дополнительной пары относительно начальной, а также статических моментов дебалансов каждой дополнительной пары звеньев выбраны из условия наибольшей несимметрии суммарной направленной инерционной силы и условия получения необходимого квазистатического рабочего усилия. Такое выполнение расширяет технологические возможности механизма и уменьшает энергоресурсопотребление. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Зубчатый инерционный самобалансный механизм, содержащий корпус, подшипниковые опоры, попарно равнозначные дебалансные звенья в виде жестко связанных друг с другом попарно равнозначных дебалансных зубчатых колес и валов, отличающийся тем, что он выполнен полигармоническим, при этом попарно равнозначные дебалансные звенья последовательно в мультиплицирующем порядке соединены друг с другом посредством зацепления своих зубчатых колес в два равнозначных ряда и смонтированы в подшипниковых опорах несущих стенок корпуса, причем зубчатые колеса начальных звеньев рядовых соединений кинематически также связаны друг с другом.2. Зубчатый инерционный самобалансный механизм по п.1, отличающийся тем, что количество дополнительных равнозначных пар звеньев, присоединяемых к начальной паре, порядок частоты вращения каждой из них по отношению к начальной, углы сдвига фаз каждой дополнительной пары относительно начальной, а также статических моментов дебалансов каждой дополнительной пары звеньев выбраны из условия наибольшей несимметрии суммарной направленной инерционной силы и условия получения необходимого рабочего квазистатического усилия.