Способ генерирования направленных инерционных асимметричных колебаний рабочего оборудования вибрационных машин Российский патент 2021 года по МПК E02D7/18 

Изобретение относится к строительному мультивибрационному оборудованию, генерирующему асимметричные колебания рабочего оборудования строительных и дорожных машин, применяемых, например, для погружения в грунт строительных элементов, таких как: свай, свай-оболочек, шпунтов и их извлечения; может найти применение в гражданском, промышленном, энергетическом и дорожном строительстве.

Мультивибрационные устройства, генерирующие асимметричные колебания, дебалансного типа известны.

Известны способы генерирования асимметричных колебаний путем сложения [Герасимов М.Д. Сложение колебаний в вибровозбудителях. Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. Белгород. 2016. №3. С. 116-121], [1] нескольких синфазных механических гармонических колебаний и мультивибрационные устройства дебалансного типа для их реализации, состоящие из ряда, по крайней мере не менее двух, ступеней дебалансных валов с направленными колебаниями, с кратной величиной угловых скоростей дебалансных валов по отношению к первичному валу. Способ [1] основан на том, что кусочно-гладкую функцию изменения вынуждающей силы асимметричных колебаний представляют с помощью ряда Фурье суммой нескольких функций, моделирующих элементарные гармонические колебания. При реализации этого способа задаются некоторой периодической функцией у=ƒ(x), моделирующей гармонические колебания. Величина асимметрии получаемых колебаний оценивается коэффициентом асимметрии суммарной вынуждающей силы где F_п.р. и F_x.x. - величина составляющей суммарной вынуждающей силы, действующей в направлении выполнения полезной работы (п.р.) и в противоположном направлении - в направлении выполнения холостого хода (х.х.), соответственно. Эффект асимметрии вынуждающей силы в [1] получают сложением нескольких гармонических колебаний, ступеней, с кратным соотношением угловых скоростей дебалансных валов: ω₁; ω₂=2⋅ω_; ω₃=3⋅ω₁; ω₄=4⋅ω₁; …; ω_n=n⋅ω₁. Так как влияние каждой дополнительной ступени многоступенчатого вибрационного устройства, при увеличении числа ступеней, снижается, то и снижается рост величины коэффициента асимметрии вынуждающей силы. Этот эффект служит основанием выбора рационального числа ступеней многоступенчатого вибрационного устройства с асимметричными колебаниями.

Недостатком является:

- не обоснован выбор базовой математической функции у=ƒ(x), моделирующей асимметричные колебания;

- не указан принцип формирования условий выбора необходимого коэффициента асимметрии;

- нет рекомендаций по выбору наиболее эффективного значения величины коэффициента асимметрии каждой ступени в отдельности и всего вибрационного устройства в целом,

- величина коэффициента асимметрии суммарной вынуждающей силы снижается с ростом числа ступеней вибрационного устройства с асимметричными колебаниями.

Известно изобретение [Патент RU на изобретение №2523045 С1. Опубл. 20.07.2014. Бюлл. №20], [2], принятое в качестве прототипа, в котором режим генерирования вынуждающей силы в направлении выполнения полезной работы F_п.р. осуществляется по закону, определенному функцией F=F(t)=Acos^2p(ω⋅t/2), где A - амплитуда изменения вынуждающей силы F; 2р - число дебалансных валов, p - число ступеней; ω - угловая скорость дебалансного вала. Разложение функции в ряд Фурье содержит гармоники, определяющие соотношение F_п.р. c F_x.x. и необходимый коэффициент асимметрии k_a вынуждающей силы при приемлемом количестве элементарных вибровозбудителей с направленными колебаниями, то есть, при приемлемом количестве ступеней. Численное решение задачи вычисления коэффициентов асимметрии вынуждающей силы, используя уравнение F(t)=10cos¹²(ω⋅t/2), для вибрационного устройства с шестью ступенями при заданной величине вынуждающей силы, равной 10 кН, позволяет получить следующий ряд значений коэффициента асимметрии вынуждающей силы:

где k_a2…k_a6 - коэффициент асимметрии второй и последующих ступеней.

Графическое изображение этой зависимости, фиг. 1, показывает динамику снижения коэффициента асимметрии вынуждающей силы при заданных условиях.

Изобретение [2], принимаемое за прототип, позволяет, на основе выбранной базовой функции ƒ(х) после разложения ее в ряд Фурье, получить последовательность составляющих величин суммарной вынуждающей силы и выбрать число ступеней вибрационного устройства с асимметричными колебаниями для получения некоторой величины k_a.

С существенными признаками изобретения совпадает следующая совокупность признаков прототипа:

- многоступенчатое вибрационное устройство с асимметричными колебаниями создается по способу сложения по крайней мере не менее двух гармонических колебаний направленного действия вдоль одной прямой линии;

- величина угловой скорости дебалансных валов каждой ступени изменяется кратно, ω₁; ω₂=2⋅ω₁; ω₃=3⋅ω₁; ω₄=4⋅ω₁; …; ω_n=n⋅ω₁, начиная со второй ступени, по отношению к угловой скорости дебалансных валов с наименьшим значением угловой скорости первой ступени;

- величина асимметрии вынуждающей силы каждой последовательной пары ступеней и вибрационного устройства с асимметричными колебаниями в целом, оценивается коэффициентом асимметрии вынуждающей силы, равной отношению величины составляющей вынуждающей силы, действующей в направлении выполнения полезной работы

- величина асимметрии асимметричных колебаний оценивается коэффициентом асимметрии суммарной вынуждающей силы

где F_п.р. и F_x.x. - величина составляющей суммарной вынуждающей силы, действующей в направлении выполнения полезной работы и в противоположном направлении - в направлении выполнения холостого хода, соответственно.

Недостатками [2] являются те же недостатки, присущие аналогу [1].

Изобретение направлено на создание способа генерирования направленных асимметричных колебаний рабочего оборудования вибрационных машин, обеспечивающего наибольший коэффициент асимметрии вынуждающей силы как отдельных, элементарных, ступеней так и многоступенчатого вибрационного устройства с асимметричными колебаниями в целом при произвольном количестве (n) ступеней с направленными колебаниями.

Это достигается тем, что способ генерирования направленных инерционных асимметричных колебаний рабочего оборудования вибрационных машин, включающий получение результирующей асимметричной вертикально направленной вынуждающей силы, действующей попеременно в направлении выполнения полезной работы F_п.р. и в направлении выполнения холостого хода F_x.x., составляющие F_i которой одновременно генерируют с помощью n элементарных вибровозбудителей направленного действия при кратном в виде натурального ряда чисел от 1 до n отношении угловых скоростей ω_i вращения валов i-x элементарных вибровозбудителей к угловой скорости ω₁ вала первого элементарного вибровозбудителя и уменьшении величины статических моментов m_ir_i масс m_i дебалансов с эксцентриситетами r_i при увеличении угловых скоростей ω_i, отличающийся тем, что режим генерирования составляющих F_i суммарной вынуждающей силы F_п.р., осуществляют по закону обеспечивающему заданное соотношение величин F_i обеспечивающему максимальный коэффициент асимметрии, k_a.n=n, вынуждающей силы, как отношение максимального модуля величины составляющей вынуждающей силы, действующей в направлении выполнения полезной работы F_п.р. к величине составляющей вынуждающей силы, действующей в направлении выполнения холостого хода F_x.x., при принятом или рекомендованном количестве n элементарных вибровозбудителей направленного действия.

Технический результат достигается, если для вибрационного устройства с асимметричными колебаниями, состоящего из произвольного числа, например - n, ступеней с направленными колебаниями, по крайней мере не менее двух ступеней, устанавливается или задается, максимально возможный коэффициент асимметрии вынуждающей силы, равный: k_a=n, а соотношение величин составляющих сил F₁, F₂, F₃ …F_n отдельных ступеней, составляющих суммарную вынуждающую силу, действующую в направлении выполнения полезной работы F_п.р. подчиняется закону:

где n - число ступеней в вибрационном устройстве с асимметричными колебаниями, n=2, 3, 4 …;

i - порядковый номер ступени, i=1, 2, 3 …n;

a_i - наибольшее значение порядкового номера ступени при i=n; например, при трехступенчатом вибрационном устройстве a_i=3, при пятиступенчатом - a_i=5.

a_i-1, a_i-2, …, a_i-n - убывающие значения порядкового номера ступени.

- сумма всех значений порядковых номеров, 1+2+3+…+i.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где

на фиг. 1 изображен график изменения коэффициента асимметрии (1) вынуждающей силы прототипа [2] от числа ступеней вибрационного устройства;

на фиг. 2 - то же, график изменения коэффициента асимметрии (3) вынуждающей силы по заявляемому способу от числа ступеней вибрационного устройства.

Способ генерирования асимметричных колебаний включает последовательное создание условий гарантированного обеспечения максимального значения коэффициента асимметрии вынуждающей силы с фиксированным соотношением статических моментов дебалансов каждой ступени многоступенчатого вибрационного устройства с асимметричными колебаниями.

Последовательность реализации способа заключается в выполнении следующих операций.

1. Величина суммарной вынуждающей силы, направленной в сторону выполнения полезной работы F_п.р. определяют известными методами, изложенными в технической литературе, или в соответствии с техническими параметрами конкретной вибрационной машины.

2. Выбирают число ступеней с направленными колебаниями для создания асимметричных колебаний, учитывая, что максимальный коэффициент асимметрии суммарной вынуждающей силы количественно может быть равен числу ступеней в вибрационном устройстве с асимметричными колебаниями.

3. Принимают угловые скорости вращения дебалансных валов, кратными угловой скорости вращения первого, с наименьшей угловой скоростью, дебалансного вала.

4. Вынуждающую силу каждой ступени описывают известным уравнением:

5. Суммарную величину вынуждающей силы, действующую в направлении выполнения полезной работы F_п.р. разбивают на составляющие по количеству принятого числа ступеней в соответствии с выражением условия (1).

6. При выполнении условия (2) автоматически получают максимальное значение коэффициента асимметрии вынуждающей силы и оптимальное соотношение статических моментов дебалансов ступеней с направленными колебаниями.

7. При нарушении условия (2) происходит снижение коэффициента асимметрии вынуждающей силы каждой ступени в отдельности и всего вибрационного устройства в целом.

8. Управление расчетом вибрационной системы с асимметричными колебаниями выполняют в два этапа: на первом этапе - изменением величины угловой скорости вращения первого, наименьшего по величине, дебалансного вала; на втором этапе, в пределах величины статического момента дебалансов, каждой последующей ступени, величиной массы и радиуса смещения центра тяжести дебаланса соответствующей ступени.

Пример А. Проверка способа генерирования направленных асимметричных колебаний рабочего оборудования вибрационных машин и получение асимметричных колебаний на примере четырехступенчатого вибрационного устройства с суммарной вынуждающей силой в направлении выполнения полезной работы, равной 10 кН.

1. Принимаем величину суммарной вынуждающей силы, действующей в направлении выполнения полезной работы F_п.р.=9 кН.

2. Принимаем число ступеней вибрационного устройства с асимметричными колебаниями n=4. Наибольшее значение коэффициента асимметрии вынуждающей силы составит: k_a=4.

3. Принимаем частоты вращения (об/мин) дебалансных валов соответствующих ступеней: n₁=500, n₂=1000, n₃=1500, n₄=2000, тогда величины угловых скоростей дебалансных валов ступеней, соответственно: ω₁=52,36; ω₂=104,72; ω₃=157,08; ω₄=209,44 с^-1.

4. Разбиваем величину суммарной вынуждающей силы в соответствии с (3), имеем:

Исходные данные для расчета сводим в таблицу 1. В таблице 1 принято: π=3,1416, время одного периода - Т=0,12 с, расчетный интервал времени в пределах периода колебаний - dt=0,006 с.

Результаты расчета приведены в табл. 2.

Таким образом, получен результат, при котором коэффициент асимметрии суммарной вынуждающей силы (1) составляет:

Очевидно, что при четырех ступенях по заявляемому способу получают величину коэффициента асимметрии суммарной вынуждающей силы больше, чем при шести ступенях по прототипу.

При этом, величину статического момента дебалансов, в пределах каждой ступени, можно моделировать изменением соотношения массы и радиуса центра тяжести дебаланса, оставляя неизменной величину составляющей вынуждающей силы, генерируемой данной ступенью.

Пример Б. Выполнить сравнительный расчет параметров предложенного способа с использованием семи ступеней многоступенчатого вибрационного устройства с асимметричными колебаниями и величиной суммарной вынуждающей силы, направленной на выполнение полезной работы F_п.р.=10 кН

Полученные результаты расчета сведены в табл. 4.

Коэффициент асимметрии суммарной вынуждающей силы вибрационного устройства составляет k_a=7,0. График изменения величины асимметрии вынуждающей силы, фиг. 2, показывает, что величина коэффициента асимметрии двух соседних ступеней составляет k_a~2,0, а коэффициент асимметрии всего механизма k_а=7,0. Отклонения в пределах 0,2…0,5% могут отражать пределы округления расчетных единиц (3).

Таким образом, получен результат, при котором коэффициент асимметрии вынуждающей силы (3) составляет: Это значение коэффициента асимметрии вынуждающей силы, которое может быть достигнуто при семи ступенчатом вибрационном устройстве с асимметричными колебаниями.

Разработанный способ и полученные результаты изобретения могут быть реализованы в промышленных образцах отечественных и зарубежных вибрационных строительных и дорожных машинах.

Изобретение относится к строительному мультивибрационному оборудованию, генерирующему асимметричные колебания рабочего оборудования строительных и дорожных машин, применяемых, например, для погружения в грунт строительных элементов, таких как: свай, свай-оболочек, шпунтов и их извлечения; может найти применение в гражданском, промышленном, энергетическом и дорожном строительстве. Способ генерирования направленных инерционных асимметричных колебаний рабочего оборудования вибрационных машин включает получение результирующей асимметричной вертикально направленной вынуждающей силы, действующей попеременно в направлении выполнения полезной работы F_п.р. и в направлении выполнения холостого хода F_x.x., составляющие F_i которой одновременно генерируют с помощью n элементарных вибровозбудителей направленного действия при кратном в виде натурального ряда чисел от 1 до n отношении угловых скоростей ω_i вращения валов i-x элементарных вибровозбудителей к угловой скорости ω₁ вала первого элементарного вибровозбудителя и уменьшении величины статических моментов m_ir_i масс m_i дебалансов с эксцентриситетами r_i при увеличении угловых скоростей ω_i. Режим генерирования составляющих F_i суммарной вынуждающей силы F_п.р. осуществляют по закону, обеспечивающему заданное соотношение величин F_i, обеспечивающему максимальный коэффициент асимметрии, k_a.n=n, вынуждающей силы, как отношение максимального модуля величины составляющей вынуждающей силы, действующей в направлении выполнения полезной работы F_п.р., к величине составляющей вынуждающей силы, действующей в направлении выполнения холостого хода F_x.x., при принятом или рекомендованном количестве n элементарных вибровозбудителей направленного действия. Технический результат состоит в обеспечении генерирования направленных асимметричных колебаний рабочего оборудования вибрационных машин, обеспечивающего наибольший коэффициент асимметрии вынуждающей силы как отдельных элементарных ступеней, так и многоступенчатого вибрационного устройства с асимметричнами колебаниями в целом, при произвольном количестве ступеней с направленными колебаниями. 1 з.п. ф-лы, 4 табл., 2 ил.

1. Способ генерирования направленных инерционных асимметричных колебаний рабочего оборудования вибрационных машин, включающий получение результирующей асимметричной вертикально направленной вынуждающей силы, действующей попеременно в направлении выполнения полезной работы F_п.р. и в направлении выполнения холостого хода F_x.x., составляющие F_i которой одновременно генерируют с помощью n элементарных вибровозбудителей направленного действия при кратном в виде натурального ряда чисел от 1 до n отношении угловых скоростей ω_i вращения валов i-x элементарных вибровозбудителей к угловой скорости ω₁ вала первого элементарного вибровозбудителя и уменьшении величины статических моментов m_ir_i масс m_i дебалансов с эксцентриситетами r_i при увеличении угловых скоростей ω_i, отличающийся тем, что режим генерирования составляющих F_i суммарной вынуждающей силы F_п.р. осуществляют по закону, обеспечивающему заданное соотношение величин F_i, обеспечивающему максимальный коэффициент асимметрии, k_a.n=n, вынуждающей силы, как отношение максимального модуля величины составляющей вынуждающей силы, действующей в направлении выполнения полезной работы F_п.р., к величине составляющей вынуждающей силы, действующей в направлении выполнения холостого хода F_x.x., при принятом или рекомендованном количестве n элементарных вибровозбудителей направленного действия.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что режим генерирования вынуждающей силы F_п.р. осуществляют по закону, подчиняющемуся правилам арифметической прогрессии, каждый член которой определяет фиксированные значения составляющих F_п.р.i в величине суммарной вынуждающей силы F_п.р.:

где a_i - наибольшее значение порядкового номера ступени при i=n;

a_i-1, a_i-2, …, a_i-n - убывающие значения порядкового номера ступени;

- сумма всех чисел порядковых номеров ступеней, 1+2+3+…+i.