Устройство формирования вибрационного поля технологической машины и способ для его реализации Российский патент 2024 года по МПК G01M7/02 

Предлагаемое изобретение относится к вибрационной технике и может быть использовано при модернизации и проектировании вибрационного технологического оборудования.

Технологические вибрационные машины в последние годы находят широкое применение в различных отраслях промышленности и строительной индустрии. Вибростенды и вибрационные технологические комплексы представляют собой достаточно сложные технические объекты, рабочие органы которых совершают колебательные движения с целью интенсификации технологических процессов, повышению производительности процессов вибрационного транспортирования, перемешивания, обработки поверхностей деталей через контакты с вибрирующими рабочими сыпучими связями и др. Вопросам динамики вибрационных машин и обеспечения надежности, а также повышению безопасности эксплуатации посвящены научно-технические разработки отечественных специалистов Бабичева А.П., Блехмана И.И., Пановко Г.Я., Копылова Ю.Р. и др. Большое внимание уделяется разработке специальных технических средств, обеспечивающих вибрационные взаимодействия сыпучих гранулированных сред для упрочнения деталей современной авиационной промышленности.

В принципиальных аспектах рассмотрения возможностей создания, коррекции и управления динамическими состояниями рабочих органов вибрационных машин ориентируются на использование расчетных схем в виде механических колебательных систем, совершающих малые колебания относительно положения статического равновесия.

Многие вопросы динамики колебательных структур, содержащих в своем составе твердые тела (как модели рабочего органа), рассмотрены в работах Галиева И.И., Блехмана И.И., Коловского М.З., Вайсберг Л.А. и др.

Внимание к вопросам динамики механических колебательных систем связано с необходимостью разработки эффективных способов и средств формирования вибрационных полей рабочих органов, поскольку структура вибрационного поля обеспечивает возможности взаимодействия сыпучей среды с обрабатываемыми поверхностями деталей. При этом возникают проблемы учета неудерживающих связей рабочей среды с поверхностью деталей, а также возможностей создания определенных движений рабочей среды.

В процессе патентного поиска выявлен ряд изобретений-аналогов.

Известно изобретение [Марченко А.Ю., Серга Г.В., Иванов А.Н. «Машина вибрационная для выделения семян», 2580433, МПК A23N 4/12, приоритет 10.04.2016], представляющее собой вибрационную машину для выделения семян, содержащую корпус и установленный в нем полый перфорированный ротор, узел подачи воды, загрузочное и разгрузочное приспособления. Корпус выполнен в виде закрытого со всех сторон короба с расположенными поярусно, друг под другом, и соединенными жестко в единую технологическую цепочку тремя винтовыми пустотелыми перфорированными роторами, вибровозбудителем и упругими элементами. При этом каждый винтовой пустотелый перфорированный ротор смонтирован, по меньшей мере, из одной, свернутой в цилиндрические витки, соединенные друг с другом по продольным кромкам, перфорированной полосы, согнутой по размещенным под углом к ее продольным кромкам линиям сгиба, с образованием по наружной и внутренней поверхностям направленных в одну сторону винтовых линий и винтовых поверхностей в виде перфорированных карманов многоугольной формы. Причем расстояние между линиями сгиба равно длине каждого элемента многоугольника, при этом перфорированные карманы по внутренней поверхности могут отличаться от формы и размеров перфорированных карманов по наружной поверхности и по периметру барабана могут быть различными не только, но и по форме и направление винтовых линий каждого из поярусно нижеустановленныхпустотелых винтовых перфорированных роторов противоположно направлению винтовых линий пустотелых перфорированных роторов, смонтированных выше. Узел подачи воды включает смонтированные внутри корпуса над каждым винтовым пустотелым перфорированным ротором три коллектора и шесть патрубков, по два из которых введены через стенки корпуса внутрь каждого из трех винтовых пустотелых перфорированных роторов, а разгрузочные приспособления изготовлены в виде склизов, смонтированных внутри корпуса под углом к горизонту и с перфорациями на участках склизов, размещенных внутри корпуса. Устройство позволяет упростить конструкцию и расширить его технологические возможности, сократить габариты по длине и повысить эффективность отделения семян.

Основным недостатком является отсутствие средств для настройки режимов работы.

Известно изобретение [Пановко Г.Я., Шохин А.Е., Бармина О.В., Еремейкин С.А. «Способ управления амплитудой при автоматической настройке на резонансный режим колебаний вибрационной машины с приводом от асинхронного двигателя», 2653961, МПК В06 В1/14, приоритет 15.05.2018], представляющее собой способ управления амплитудой при автоматической настройке на резонансный режим колебаний вибрационной машины с приводом от асинхронного двигателя, заключающийся в том, что колебания рабочего органа вибрационной машины с демпфером с заданными диссипативными характеристиками возбуждают периодической силой за счет вращения дебаланса инерционного вибровозбудителя с приводом от асинхронного двигателя, частоту вращения которого настраивают на резонансный режим колебаний механической системы вибрационной машины по заданному алгоритму, для чего одновременно измеряют перемещение рабочего органа и угловое положение дебаланса. Затем измеряют рассогласование амплитуды колебаний рабочего органа с наперед заданным ее значением, изменяют величину диссипации энергии колебаний в демпфере, сводя величину рассогласования амплитуды колебаний рабочего органа кнулю, при этом изменение величины диссипации вычисляют по заданному алгоритму, который связывает амплитуду колебаний рабочего органа и диссипативные характеристики демпфера. Технический результат заключается в поддержании требуемой амплитуды при автоматической настройке на резонансный режим колебаний рабочего органа вибрационной машины.

К недостаткам можно отнести отсутствие вибрационного режима с нулевыми колебаниями по концам рабочего органа.

Известно изобретение [Елисеев С.В., Большаков Р.С., Елисеев А.В., Николаев А.В., Мозалевская А.К., Миронов А.С. «Устройство управления вибрационным полем технологической машины», 2689901, МПК F16F 15/02, F16F 7/10, приоритет 29.05.2019], представляющее собой устройство управления, выполненное в виде системы контроля над параметрами вибрационного поля с подвижным устройством уменьшения колебаний. На рабочем органе технологической машины установлен управляемый динамический гаситель колебаний. Гаситель колебаний выполнен в виде рычажного механизма. Рычажный механизм с одного конца жестко прикреплен к рабочему органу, а с другого содержит на конце дополнительную массу и прикреплен через упругий элемент. Перемещение осуществляется посредством управляющего блока в каретке. Каретка выполнена в виде ласточкина хвоста. Достигается расширение арсенала технических средств.

К недостаткам можно отнести сложность получения требуемого вибрационного режима.

За прототип принимается изобретение [Елисеев С.В., Трофимов Ю.А., Орленко А.И., Елисеев А.В., Нгуен Д.Х. «Устройство управления динамическим состоянием вибрационной технологической машины», 2693711, МПК В24В 31/067, приоритет 04.07.2019], представляющее собой устройство, содержащее опирающийся на упругие элементы рабочий стол с размещенными на нем вибровозбудителями и траверсу с расположенным наней динамическим гасителем колебаний. Каретка установлена с возможностью перемещения вдоль рабочего стола с помощью сервоприводов и ходовых винтов, расположенных с обеих сторон рабочего стола, а динамический гаситель колебаний закреплен на траверсе с помощью упругого элемента. В результате расширяются технологические возможности вибрационных машин за счет распределения амплитуд колебаний точек рабочего стола по его длине.

К недостаткам можно отнести сложность конструкции и ограниченные возможности изменения, коррекции и формирования вибрационного поля вибрационного поля рабочего органа.

Задачей предлагаемого изобретения является формирование динамического состояния вибрационной технологической машины при помощи изменения положения вибровозбудителя.

Устройство формирования вибрационного поля технологической машины, включающее вибратор, установленный в каретке, причем каретка установлена снизу рабочего органа технологической машины и имеет возможность перемещения вдоль его поверхности, упругие элементы, на которые опирается рабочий орган, виброметры, соединенные с блоком управления, причем при помощи настройки блока управления на необходимые режимы динамического состояния формируют вибрационное поле за счет смещения вибратора вдоль поверхности рабочего органа для формирования и поддержания необходимого распределения амплитуд колебаний по его длине.

Способ формирования вибрационного поля технологической машины, включающий создание вибраций технологической машины по п. 1, регулирование их изменения, отличающийся тем, что создают с помощью вибратора с регулируемым местом расположения снизу рабочего органа распределение амплитуд колебаний, обеспечивающее на нем контролируемое вибрационное поле. Суть изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема вибрационной технологической машины с подвижным вибратором, содержащая опорную поверхность 1, коммуникации 2, 3, 5, 6, 17, 18, блок управления 4, виброметры 7, 16, упругие элементы 8, 15, приводы 9, 14, рабочий орган 10, вибратор 11, каретка 12, ходовой винт 13.

На фиг. 2 приведена расчетная схема вибрационной технологической машины с подвижным вибратором.

На фиг. 3 представлена структурная математическая модель механической колебательной системы.

Изобретение работает следующим образом.

Предлагаемое изобретение отличается использованием нового подхода в формировании структуры и параметров вибрационного поля рабочего органа. Эффекты коррекции и формирования динамического состояния вибрационной технологической машины могут быть реализованы с помощью одного вибровозбудителя, который обладает возможностями изменять свое положение на рабочем органе, расположенном под вибростолом, что создает возможности более эффективного использования вибростенда и формирования динамических состояний рабочего органа.

Предлагаемое изобретение в своей основе рассматривается как механическая колебательная система, состоящая из рабочего органа 10 в виде твердого тела, обладающего массой М, сосредоточенной в инерции J и опирается на упругие элементы 8 и 15.

Упругие элементы опираются на опорную поверхность 1 в тт. А₀, В₀; кроме того, пружины связаны с рабочим органом 10. Упругие элементы 8 и 15 обладают коэффициентам жесткости - соответственно k₁ и k₂. Вибратор 11 может перемещаться по каретке 12, имеющей с ним соединение типа «ласточкин хвост». Перемещение вибровозбудителя 11 по каретке 12 осуществляется ходовым винтом 13, приводимым в движение приводами 9 и 14. Для оценки динамического состояния используются виброметры 7 и 16.

Коммуникации 2, 3 5 и 6, соединяют виброметры с блоком управления 4, расположенном на опорной поверхности 1. Блок управления 4 имеет коммуникационные связи 17, 18 с вибровозбудителем 11.

Подготовка вибрационной технологической машины производится предварительно с последующей корректировкой динамического состояния рабочего органа 10 с учетом информации, получаемой от виброметров 7 и 16. В случае необходимости блок управления может снабжаться вычислительным устройством для управления процессом в реальном масштабе времени.

Теоретическое обоснование работы системы

1. Расчетная схема вибрационной технологической машины приведена на фиг. 2 и представляет собой механическую колебательную систему с двумя степенями свободы, содержащую твердое тело (М, J), опирающееся на два упругих элемента с коэффициентами жесткости k₁ и k₂. Возмущающее воздействие приложено в т. О (сила Q), где расположен центр тяжести системы. При этом OO₁=l₀, положение т. О определяется длинами плеч l₁ и l₂ (фиг. 2).

Движение системы может быть рассмотрено в системах координат у₁ и у₂ и у и ϕ, связанных с неподвижным базисом.

Между системами координату, у₁ и у₂ и у и ϕ имеются связи, определяемые выражениями:

Составление математической модели оценки динамических состояний исходной системе производится на основе использования уравнений Лагранжа 2-го рода. В этом случае может быть построена система линейных дифференциальных уравнений движения в координатах у₁, у₂ [1, 2].

Для реализации такого подхода запишем выражения для кинетической и потенциальной

энергий

Сила Q, приложенная в т. O₁ на расстоянии l₀ от т. О, может быть преобразована в эквивалентную систему внешних возмущений, отнесенных к координатам y₁, у₂, что составит

Используя формализм вывода уравнений Лагранжа и последующие интегральные преобразования Лапласа при нулевых начальных условиях [3], получим систему уравнений в операторной форме:

где р=jω - комплексная переменная значок⇔над переменной означает изображение по Лапласу [1].

На основе системы уравнений (5), (6) в операторной форме может быть построена структурная математическая модель исходной системы по фиг. 2 в виде структурной схемы, эквивалентной в динамическом отношении системы автоматического управления [3], как показано на фиг. 3.

Рассматриваемая структурная схема состоит из двух парциальных блоков, на соответствующие входы которых действуют внешние синфазные гармонические возмущения

Используя структурную схему (фиг. 3), можно для оценки динамических свойств системы построить передаточные функции, которые принимают вид:

является частотным характеристическим уравнением системы.

2. Из анализа (7), (8) следует, что рабочий орган под действием возмущения имеет два режима динамического гашения колебаний на частотах, определяемых по формулам

Таким образом, изменяя значения с (т.е. положение точки приложения вибратора), можно менять значения создавая нужную структуру вибрационного поля рабочего органа вибрационной технологической машины.

3. Имея структурную схему (фиг. 3), можно ввести в рассмотрение передаточную функцию межпарциальных связей, которая имеет вид

Отношение амплитуд колебаний можно представить

что позволяет механическую колебательную систему рассматривать как виртуальный рычажный механизм. Если / является отрицательной величиной, то на рабочем органе (твердом теле) между точками крепления упругих элементов образуется центр вращения (или узел колебаний). При этом механическая колебательная система, если иметь в виду особенности движения твердого тела, может рассматриваться как рычажный механизм 2-го рода [4].

Если i=1, то рабочий орган совершает движения, характерные для инерционного типа в структуре механической колебательной системы с одной степенью свободы. При этом формируется однородное вибрационное поле. Параметры настройки, имеется в виду величина l₀ (или с), определяются на заданной частоте из выражения (12).

Если передаточное отношение а соответствует условию i<1, но i≠0, то твердое тело (рабочий орган) приобретает центр вращения за пределами твердого тела (левее точки, движение которой определяется координатой а механическая колебательная система может быть интерпретирована как рычажный механизм с точкой опоры в центре вращения (или узле колебаний).

Аналогичная ситуация возникает при выполнении условия i>1. В этом случае точка опоры виртуального рычага (центр вращения или узел колебаний твердого тела) будет размещаться правее точки твердого тела, как определяет координата

Таким образом предлагаемый алгоритм определения положения точки вращения (т.е. определение l₀) позволяет решать задачи формирования вибрационного поля, соответствующего требованиям эффективной реализации вибрационного технологического процесса.

Список использованных источников

1. Лурье А.И. Операционное исчисление и его приложения к задачам механики. М.; Л.: Гос. изд-во техн.-теор. лит., 1950. - 431 с.

2. Eliseev S.V., Eliseev A.V. Theory of oscillations. Structural mathematical modeling in problems of dynamics of technical objects. Cham: Springer Nature Switzerland AG, 2019. 521 p.

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

4. Крейнин П.Г. Справочник по механизмам. - М.: Машиностроение. 1986.-512 с.

Использование: для формирования вибрационного поля технологической машины. Сущность изобретения заключается в том, что устройство формирования вибрационного поля технологической машины включает вибратор, установленный в каретке, причем каретка установлена снизу рабочего органа технологической машины и имеет возможность перемещения вдоль его поверхности, упругие элементы, на которые опирается рабочий орган, виброметры, соединенные с блоком управления, причем при помощи настройки блока управления на необходимые режимы динамического состояния формируют вибрационное поле за счет смещения вибратора вдоль поверхности рабочего органа для формирования и поддержания необходимого распределения амплитуд колебаний по его длине. Технический результат: обеспечение возможности формирования динамического состояния вибрационной технологической машины. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство формирования вибрационного поля технологической машины, включающее вибратор, установленный в каретке, причем каретка установлена снизу рабочего органа технологической машины и имеет возможность перемещения вдоль его поверхности, упругие элементы, на которые опирается рабочий орган, виброметры, соединенные с блоком управления, причем при помощи настройки блока управления на необходимые режимы динамического состояния формируют вибрационное поле за счет смещения вибратора вдоль поверхности рабочего органа для формирования и поддержания необходимого распределения амплитуд колебаний по его длине.

2. Способ формирования вибрационного поля технологической машины, включающий создание вибраций технологической машины по п. 1, регулирование их изменения, отличающийся тем, что создают с помощью вибратора с регулируемым местом расположения снизу рабочего органа распределение амплитуд колебаний, обеспечивающее на нем контролируемое вибрационное поле.