Устройство коррекции динамического состояния рабочего органа вибрационной технологической машины и способ для его осуществления Российский патент 2021 года по МПК F16F15/02 B06B1/00 

Изобретение относится к вибрационной технике и может быть использовано при проектировании и модернизации существующего технологического оборудования.

Вибрации сопровождают реализации большинства производственных процессов, связанных обработкой деталей, их транспортированием и классификацией. Это характерно для различных отраслей промышленности: горное дело, строительство, химические производства и т.д. При эксплуатации промышленного оборудования возникает необходимость контроля и изменения его динамического состояния, связанного с изменением условий работы и динамических состояний.

Существующие технологии в основном рассчитаны создание одного режима работы с регулированием частоты или направления транспортирования. Однако вопросам коррекции динамического состояния уделяется меньшее внимания. Предлагаемый способ позволяет контролировать динамическое состояние вибрационной технологической машины при помощи упругих блоков.

В процессе патентного поиска выявлен ряд изобретений-аналогов.

Известен способ настройки динамического состояния вибрационной технологической машины [Елисеев С.В., Большаков Р.С., Елисеев А.В., Миронов А.С., Николаев А.В. «Способ настройки динамического состояния вибрационной технологической машины и устройство для его осуществления», 2718177 С1, МПК F16F 15/02, приоритет 31.03.2020], включающий возбуждение колебаний рабочего органа вибрационной технологической машины и регистрацию смещений координат движения вибрационной технологической машины, отличающийся тем, что для получения режима стабилизации колебательного движения при обнулении угловых вибраций рабочего органа вводят в систему дополнительный вибровозбудитель и пневматический упругий элемент, причем при помощи изменения положения пневматического упругого относительно центра масс системы элементов блока и давления в нем регулируют приведенную жесткость системы. Устройство содержит твердое тело на упругих опорах, вибровозбудитель, датчики и дополнительный регулируемый упругий элемент, отличающееся тем, что дополнительный упругий элемент представляет собой пневмобаллон, регулирование параметров которого осуществляется за счет автоматической системы поднастройки, основанной на применении встроенного компрессора, системы управляемых дросселей и возможностей перемещения вертикальной оси блока относительно центра масс за счет движения опорных элементов по направляющим, закрепленным как на опорной поверхности, так и на рабочем органе с возможностями равномерного перемещения вертикальной оси пневмобаллона на определенное ей расстояние относительно центра масс системы с помощью синхронно работающих сервоприводов и ходовых винтов.

К недостаткам данного изобретения можно отнести необходимость силовых установок для перемещения средства, обеспечивающего контроль динамического состояния вибрационной машины.

Известно изобретение [Елисеев С.В., Большаков Р.С., Елисеев А.В., Выонг К.Ч., Николаев А.В., Миронов А.С. «Способ корректировки распределения амплитуд колебаний рабочего органа вибрационного технологического стенда и устройство для его реализации», 2716368 С1, МПК F16F 15/04, приоритет 11.03.2020], представляющее собой способ корректировки распределения амплитуд колебаний рабочего органа вибрационного технологического стенда, включающий создание двумя вибровозбудителями, установленными на концах рабочего органа, совершения рабочим органом вибрационного стенда плоского колебательного движения, отличающийся тем, что вводят по обе стороны рабочего органа рычажные механизмы второго рода, имеющие неподвижные точки опоры и пригрузы с изменяющимися массами на концах, а также упругие элементы, причем регулируют длины рычажных механизмов и жесткость упругих элементов, тем самым изменяют приведенную жесткость системы для достижения необходимого уровня амплитуд рабочего органа. Устройство для реализации способа отличается тем, что рабочий орган снабжен двумя симметрично расположенными рычажными механизмами второго рода, имеющими на свободных концах дополнительные пригрузы, массы которых могут целенаправленно изменяться, а также устройства для изменения длин плеч рычагов, позволяющих настраивать передаточные отношения рычагов при имеющейся возможности изменять жесткость упругого элемента между пригрузом и опорной поверхностью, что, в целом, обеспечивает для рабочего органа вибростенда работу с безрезонансной и не зависящей от частоты внешнего возбуждения амплитудно-частотной характеристикой.

Недостатками данного технического решения являются сложность влияния корректирующих поправок на динамическое состояние технологической машины, а также их подверженность рабочего органа вибрациям.

Известен способ управления динамическим состоянием технологической вибрационной машины [Елисеев С.В., Большаков Р.С., Елисеев А.В., Выонг К.Ч., Николаев А.В., Миронов А.С. «Способ управления динамическим состоянием технологической вибрационной машины и устройство для его осуществления», 2711832 С1, МПК F16F 15/04, приоритет 22.01.2020], включающий возбуждение колебаний рабочего органа вибрационной технологической машины и регистрацию параметров ее динамического состояния, отличающийся тем, что производят настройку соотношения амплитуд колебаний между координатами движения вибрационной машины для получения единичного значения согласно информации, поступающей с датчиков контроля динамического состояния в блок управления, и производят настройку соотношения между этими амплитудами до получения режима синхронной работы вибрационной технологической машины по двум координатам, причем регулируют приведенную жесткость системы за счет изменения длины рычажного механизма. Устройство отличается тем, что на опорной поверхности располагается упругая система рабочего органа, состоящая из двух перпендикулярно расположенных и опирающихся в точке соединения на пружину шарнирно-рычажных механизмов, один из которых соединен со стойкой и пружиной, также расположенными к нему перпендикулярно, а на другом конце к нему присоединена пружина, соединенная с рабочим органом, причем изменение длины рычага осуществляется на основе данных, поступающих в блок управления и обработки информации от датчиков контроля динамического состояния, находящихся на рабочем органе, и позволяет регулировать приведенную жесткость системы и обеспечивать для рабочего органа вибрационной технологической машины согласованную работу двух координат движения

К недостаткам рассматриваемого способа можно отнести влияние вибраций на средства корректировки динамического состояния, а также сложность регулирования системы конструктивно-технических характеристик.

За прототип принимается изобретение [Елисеев С.В., Большаков Р.С., Елисеев А.В., Выонг К.Ч., Миронов А.С., Николаев А.В. «Способ изменения и настройки динамического состояния вибрационной технологической машины и устройство для его осуществления», 2710314 С1, МПК В06В 1/14, приоритет 22.01.2020], представляющее собой способ изменения и настройки динамического состояния вибрационной технологической машины, включающий возбуждение колебаний рабочего органа вибрационной технологической машины и регистрацию смещений координат движения вибрационной технологической машины, отличающийся тем, что регистрируют амплитуды колебаний крайних точек вибрационной машины, полученная с датчиков контроля динамического состояния информация поступает в блок управления, регулируют соотношение между этими амплитудами до получения режима их синхронной работы по двум координатам, причем регулируют соотношение путем изменения приведенной жесткости системы. Устройство состоит из рабочего органа, упругих связей, шарнирно прикрепленных к рабочему органу и опорной поверхности, блока управления и датчиков контроля вибрационного состояния рабочего органа, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительными связями в виде двух рычажных механизмов, которые содержат попарно шарнирно соединенные стержни, снабженные в месте соединения стержней каждой пары пригрузом, и зубчатые секторы, установленные на нижних концах стержней, расположенных внизу, при этом зубчатые секторы связаны с зубчатыми блоками и тормозными колодками, взаимодействующими с цилиндрическими поверхностями зубчатых блоков для влияния на движение зубчатых секторов.

Недостатки прототипа заключаются в сложности конструктивно-технического исполнения устройства для реализации способа, что напрямую влияет на регулирование параметров системы, подверженность средств контроля вибрациям рабочего органа.

Задачей предлагаемого изобретения является управление динамическим состоянием вибрационной технологической машины при помощи регулирования параметров пневмобаллона за счет изменения диаметра управляемых дросселей.

Устройство коррекции динамического состояния рабочего органа вибрационной технологической машины, состоящее из блока с последовательно соединенных упругими связями двух масс, обеспечивающего через стержневые связи коррекцию параметров вертикальных движений рабочего органа, контролируемых вибродатчиками, отличающееся тем, что блок помещается в ложемент, что исключает влияние вибрации элементов блока в вертикальном направлении, причем массы имеют возможности продольных движений внутри ложемента, а жесткость центрального упругого элемента, выполненного в виде резинокордного пневмобаллона, изменяется за счет подачи через дроссель сжатого воздуха от компрессора, что при подготовке вибрационной технологической машины к работе обеспечивает необходимую структуру вибрационного поля и контроль динамического состояния рабочего органа.

Способ коррекции динамического состояния рабочего органа вибрационной технологической машины по п. 1, включающий возбуждение колебаний рабочего органа вибрационной технологической машины, регистрацию и смещение координат движения вибрационной технологической машины, отличающийся тем, что дополнительно устраняют вибрацию элементов блока в вертикальном направлении, а также меняют жесткость центрального упругого элемента, тем самым обеспечивая необходимую структуру вибрационного поля рабочего органа.

Суть изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема вибрационной технологической машины, содержащая опорную поверхность 1, дополнительные массы 2, 14, упругие элементы 3, 5, 9, 11, 15, стержни 4, 10, рабочий орган 6, дроссель 12, компрессор 13, датчики вибрационного состояния 7, 8, корпус корректора 16.

На фиг. 2 показана расчетная схема вибрационной технологической машины.

На фиг. 3 представлена структурная схема эквивалентной в динамическом отношении системы автоматического управления.

Изобретение работает следующим образом.

Предлагаемое изобретение осуществляется механической колебательной системой, состоящей из рабочего органа 6 в виде протяженного твердого тела, обладающего массой М и моментом инерции J относительно центра масс (т. О на фиг. 1). Рабочий орган опирается с помощью упругих элементов 5 и 9, с коэффициентами жесткости k₁ и k₂ (соответственно), на опорную поверхность или станину 1. Упругие элементы 5 и 9 шарнирно закреплены в тт. A₀, В₀ с опорной поверхностью, а в тт. А₁ и В₁ с рабочим органом 6.

Движение системы может рассматриваться в системах координат у₁, y₂ или y₀, ϕ, связанных с неподвижным базисом. Вибрационное состояние системы в целом формируется инерционным вибровозбудителем, который на принципиальной схеме (фиг. 1) условно обозначен как гармоническая внешняя сила Q, приложенная в т. Е рабочего органа 6 на расстоянии от центра масс (т. О). В свою очередь положение центра масс от тт. А и В определяется соответственно длинами и

Измерение параметров динамического состояния рабочего органа 6 фиксируется вибродатчиками 7 и 8, связанными с блоком управления 12 коммуникационными связями и дающими для настройщика информацию о его движении по координатам у₁, у₂.

Особенностью предлагаемого изобретения является создание дополнительного настроечного колебательного контура, представляющего собой ложемент (или специального корпус с направляющими устройствами), обозначенный позицией 1. Ложемент жестко связан с опорной поверхностью и обеспечивает взаимное перемещение элементов 2 и 14, обладающих массами m₁ и m₂. Массо-инерционные элементы 2 и 14 соединены между собой упругими элементами 3, 15 и 11 с жесткостями k₁₀, k₂₀ и k₃₀ соответственно. Вся совокупность элементов защищена корпусов корректора 16.

Упруго-инерционная система в ложементе 1 в тт. А₁ и В₁ через стержни 4 и 10, имеющих соответственно длины и образуют рычажную связь между движением рабочего органа и элементами дополнительной связи 2 и 14 с массами m₁ и m₂.

Наличие дополнительных связей, реализуемых специальным устройством предопределяет структуру колебательной системы, допускающей возможности коррекции и настройки вибрационного поля рабочего органа технологической машины без ее остановки, путем изменения жесткости элемента 15, имеющего конструкцию резино-кордного пневматического баллона. Это дает возможность в соответствующих пределах изменять для целей настройки приведенную жесткость k₂₀ с помощью компрессора 13 и дросселя 12. Соответствующие коррекции и настройка динамических состояний может осуществляться вручную через изменение давления в пневмобаллоне 14 с отслеживанием показаний датчиков вибрационного состояния 7, 8 путем визуального считывания.

Переход к созданию технологического комплекса для работы в автоматическом режиме может быть реализован на основе микропроцессора, настроенного на проведение расчетов с простыми алгоритмами.

Теоретическое обоснование

Принципиальная схема технологического объекта, представленная на фиг. 1, может быть после некоторых упрощений приведена к виду расчетной схемы механической колебательной системе с двумя степенями свободы, как показано на фиг. 2.

Система состоит из твердого тела массой М и моментом инерции относительно центра масс (т. О, фиг. 2), обозначенным как J. Центр масс находится на расстояниях и до концов твердого тела (тт. А, В).

Возбуждение колебаний относится к силовому типу и реализуется приложением гармонической силы Q в т. Е, смещенной относительно центра масс на плечо

Твердое тело опирается на опорную поверхность через упругие элементы с коэффициентами жесткости k₁ и k₂. Пружины закреплены в тт. А, A₀ и В, В₀. Дополнительная цепь, вводимая в исходную систему (фиг. 2) состоит из двух массоинерционных элементов с массами m₁ и m₂ соответственно.

Система (фиг. 2) под действием силы Q совершает малые колебания относительно положения статического равновесия. Движение системы, в целом, рассматривается в системе координат у₁, у₂, связанной с неподвиным базисом. Для промежуточных выкладок используется система координат у₀, ϕ. Между системами координат имеются соотношения

где

Механическая цепь внутреннего блока (m₁, m₂, k₁₀, k₂₀, k₃₀) соединяется с рабочим органом, как уже упоминалось, через рычажную связь, в рамках которой перемещение вертикальной точки А имеет связь с перемещением точки А₁. Используя понятия о мгновенном центре скоростей можно установить, что

где S_A1, S_B1 - перемещение точек А₁ и В₁ при движении точек А и В соответственно. Отметим, что

Принимая, что L₀₁ и L₀₂ являются расстояниями от тт. А и В до опорной поверхности в положении статического равновесия. Поскольку рассматриваются колебания рабочего органа, то в целом можно полагать, что L₀₁≈L₀₂. Что касается величин L₁₀ и L₂₀, то они определяют расстояние от т. А до мгновенного центра скоростей, который, в силу выше сделанных предположений в малости движения, будет расположен на прямой АВ. Аналогично L₂₀ может рассматриваться как расстояние от т. В до мгновенного центра скоростей на прямой АВ. Таким образом можно определить, что

Для составления математической модели в соответствии с подходами Лагранжа [1] необходимо составить выражение для кинетической и потенциальной энергий, что составит

Математическая модель исходной системы (фиг. 2) с учетом (6), (7) примет вид

где

Таким образом математическая модель исходной системы в сделанных предположениях о малости упругих колебаний, а также в предположении, что рычажные связи не создают условий самоторможения для перемещений S_A1, S_A2 (то есть по отношению к элементам с массами m₁ и m₂), имеет вид системы обыкновенных дифференциальных уравнений 2-го порядка с постоянными коэффициентами. При этом система имеет силовое синфазное гармоническое возмущение одновременно по двум координатам.

Для оценки динамических свойств системы рациональным представляется переход к структурным математическим моделям. В этом случае механической колебательной системе (фиг. 2) сопоставляется структурная схема эквивалентной в динамическом отношении системы автоматического управления. Для этого необходимо уравнения (7), (8) провести через преобразования Лапласа при нулевых начальных условиях. Используя подходы и технологию, изложенную в [1, 2], трансформируем (7), (8) в систему в операторной форме:

где p=jω - комплексная переменная (j=√-1); значок <-> над переменной означает ее изображение по Лапласу [1, 2].

Наглядное представление о динамических свойствах системы дает структурная математическая модель (структурная схема), приведенная на фиг. 3.

Переход к операторной форме позволяет для оценки динамических свойств использовать аналитический аппарат теории автоматического управления.

Запишем выражения для передаточной функции системы по координатам и :

где - является характеристическим частотным уравнением.

Из анализа передаточных функций (11), (12) можно получить информацию о частотах динамического гашения колебаний и специфических динамических режимах при частоте, определяемой из уравнения

Система имеет две частоты собственных колебаний, определяемых из характеристического частотного уравнения системы.

Детализированная информация о структуре рабочего органа вибрационной машины может быть получена из анализа так называемой [1, 2] передаточной функции межпарциальных связей, которая имеет вид

Выражение (14) может быть использовано как основа алгоритма для решения задач корректировки, настройки и формирования динамического состояния рабочего органа в плане выбора и отслеживания определенных параметров вибрационного поля при реализации технологического процесса. Эта же алгоритмическая основа может быть использована для создания системы автоматического управления работой машины. Однако, это будет связано с соответствующими дополнительными затратами.

В качестве изменяемых параметров, используемых для коррекции, настройки и формирования динамических состояний рабочего органа могут быть выбраны значения жесткостей k₂₀, а также параметры a₀₁, a₀₁ и величины дополнительных масс.

Список использованных источников

1. Елисеев С.В. Прикладной системный анализ и структурное математическое моделирование (динамика транспортных и технологических машин: связность движений, вибрационные взаимодействия, рычажные связи): монография - Иркутск: ИрГУПС, 2018. - 692 с.

2. Елисеев С.В., Артюнин А.И. Прикладная теория колебаний в задачах динамики линейных механических систем. Новосибирск: Наука, 2016. 459 с.

Предлагаемые изобретения относятся к вибрационной технике и могут быть использованы при проектировании и модернизации существующего технологического оборудования. При осуществлении способа происходит взаимодействие элементов механической колебательной системы, состоящей из протяженного твердого тела (рабочего органа), обладающего массой и моментом инерции относительно центра масс, находящегося на опорной поверхности (станине) с помощью двух пружин с жесткостями k₁ и k₂ (как стационарных звеньев), а также взаимодействующего с дополнительным контуром через рычажные связи, создаваемые стержнями, соединяющими крайние точки рабочего органа (твердого тела) с колебательной дополнительной структурой, включающей в себя промежуточные массы и упругие элементы. Это позволяет формировать соответствующие динамические состояния рабочего органа путем перераспределения амплитуд колебаний его точек и генерации специфических динамических режимов через подбор параметров элементов систем в соответствии с определенным алгоритмом и использованием дополнительной связи, реализуемой устройством. Устройство состоит из цепи, включающей в свой состав последовательно соединенные между собой промежуточные массоинерционные элементы с массами m₁ и m₂, соединенные упругими звеньями с жесткостями k₁₀, k₂₀, k₃₀, помещенными в ложемент (или специальные направляющие) для возможностей взаимных движений и создания управляющих сил, передаваемых через стержни постоянной длины на рабочий орган. Динамические эффекты, реализуемые в рамках предлагаемого изобретения, достигаются за счет ручной настройки, связанной с выбором параметров с применением определенного алгоритма. Изобретения обеспечивают управление динамическим состоянием вибрационной технологической машины. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство коррекции динамического состояния рабочего органа вибрационной технологической машины, состоящее из блока с последовательно соединенными упругими связями двумя массами, обеспечивающего через стержневые связи коррекцию параметров вертикальных движений рабочего органа, контролируемых вибродатчиками, отличающееся тем, что блок помещается в ложемент, что исключает влияние вибрации элементов блока в вертикальном направлении, причем массы имеют возможности продольных движений внутри ложемента, а жесткость центрального упругого элемента, выполненного в виде резинокордного пневмобаллона, изменяется за счет подачи через дроссель сжатого воздуха от компрессора, что при подготовке вибрационной технологической машины к работе обеспечивает необходимую структуру вибрационного поля и контроль динамического состояния рабочего органа.

2. Способ коррекции динамического состояния рабочего органа вибрационной технологической машины по п. 1, включающий возбуждение колебаний рабочего органа вибрационной технологической машины, регистрацию и смещение координат движения вибрационной технологической машины, отличающийся тем, что дополнительно устраняют вибрацию элементов блока в вертикальном направлении, а также меняют жесткость центрального упругого элемента, тем самым обеспечивая необходимую структуру вибрационного поля рабочего органа.