Волновой виброконвейер Советский патент 1991 года по МПК B65G27/00 

Изобретение относит о к вчбрлцио - ным конвейерам и может Оьпь использовано для транспортирования малогабаритных деталей, сыпучих материалов и д;п обеспечения возвратно-пос /панельною движ:- мня объектов.

Цель изобретения - умонь шнж; ia6-,РИТОС ВИбрОКОНВеЙЗре. ПО ЬЬ СО;е

На фи.1 изображен волногой в 6п:-- чсноейер, общий вид; i г биг. - )-, рез АЛ на фиг.1; из фиг.З - рясм 1 мал сч.глз возоуж- деяия стоялой полны в з;.лнопсде од,, л зг мопмческой силой; ня 6мг/1 рг счетнат схемс возбуждени 1 бегущей олпы юп я о воле двумя гарл/оническ ми силами, на фи 5 - зона соединения . трржнэй чспчьоопг; s фиг.б - иолновой rj. jpoo зейер оопноиоч которого склеен из двух пьезикс.оаммческпх брусков, на фиг.7 - волновой зп ороконве/- ер с металлическим волноводом о строен- пыми пьезопреобразоватепя и; чз Фиг.8 - разрез Б-Б на фиг.7, на фпг9 - ройстно для осуществления возвратно поступате.- ного движения транспортируемо о оПъектм: на фиг. 10 - разрез В-В на фиг 9

Волновой виброконвриер состоит из

ВОЛНОВОДа , ОЫРСЛНС HHOI С ПОЛНССГМО К

располсженного элн-о ш езочерамь- ческпго прямоу.ол,.но с блуске (пь -зомаге риала гипа ЦГьС J, ЦТС-22, ПКР-8)

ПОЛЯрИЗОВачНОЮ ПС / j., BblCOlO 6pVск& значительно e.HVJje его длины, В Q л- ногаоде 1 для ебразоогчич двух стегхней выполнена продольная лэ кнугмя проресь 2, изготовление которой например, ствлсно при помощи улпрсК вуково- обработки ил аэроабрпзивным спогобог

Длина ЗОПНОБОДЙ 1 кратна длины продольной волны Поте-щио. оП1 -. электроды 3 и 4, расположенные рядим д т с другом на одном из стержней волново, 1, имеют продольное размерь, )авные чем верти волны (//4), примем ррс. оя- ние между серединами электродов 3 и 4 также равно Я / , Общий1 (заоемленн1- 1) электрод 5 расположен с гречивополож. и стороны стержня, Электрод 3 мидключем к ультразвуковом1 ,1 источн 1/ 6 питания /о ; ратору гзрмо и еского напрпжеиия), зло г род 4 подключен к нему же, но через фазосдвигающий механизм 7. Тоа ч.лортл- руемые детали 8 нэкод-.т.ч на поверхности золновода и ограничены ы neix-мсщении бортиками 9, причлеен ьми, Hanpt,icp, к волноводу I. Волновод 1 находится нгч jnbp ,- рующем основании 1C, еыполненныг., например, из резины, фетра ф.ороьласгз и т,и волновой виброкоь эч/seo работ- «| еле дующим образом

При подаче напряжения на злокт;:: ;. , 3 и 4 со сдвиг) фаз на нь резонансной частоте (когда дл /нч оолчпвсда 1 кратная половине дли ни во,мы) а волноводе фор 1ируетг 1 режим мрцу/.мрхгощей продольной бегущей золпы, псе точки лочер/чост1 сюл овпда О эллип- 1ическИ|.1 о/и ончпр вгл 1ряе торилм, Поперечное пещение сбпрзуется за счет чф рекга rivoi CjiiЈ, экпе rppoKrop.iii по- i jixiiocr-i полноьодг, f1 ;а модсмсгвующей г, то нс ортпоуемои рс .,лью 8, о с почина- oi переменную о вре нормальною ре- , i г.iOi ir CTLaj чг, силу трения, ко Сргя го,,гот папр ленное лвихение ,0 али.

Фо|.)М /1 амие рг, N .-Ч i ;: ; опьнсй бе- гущси Чолны в (лер/г О впп овслй, пс которому транс) ортчруются . AI и прочс/одит следуь-juiri обргзом. Волновод можно трецсгавиг, слоду щс изс-2Tiiof. схемой (фиг.З), две параллег - ныу стержня I и I скреплены обеи по кинцам п)и помощи друх п инакор сососдо( масс М (( сг, М харакгприаует зону соединения двух с ерчней). Ось координат X па- СЗЛЛРГ ЬП ( гержнлм II н чспч11 ипеют

К ОрДМНс I1 И У ,у. li К-П. НЮ i

обложена и точке с i ,j/ ыкг-1 п одна n j з/дрльноя армо нимС 1 см ;

(j кл), ,- - a,in ir,уда dun;

w - vrлjBas ac.oi к -Ьан.й i,i,.br

j - мчимол ед/ьиич

При догт, гоччо 6о т L- г частоте в стер «не I возбуждаются л , /г е продольг е астяжен1 я сжатия; которые передаю u-я чер эз мгссм i ь в II, где гачже ьозНуждаются г оодояьире колеба- пин Будем считать, то M-CLLI М движутся «олько возвратно-1 осгупате 1ьно и -чзгиб ные колеБаш я в стер кне lie зсзникают

Упругий продо/ib ii- е ко- icbai а стер жнях к 1 стисыеают -7 зд озерным вслно- c-biv уравнением продслы- ь1,; для тонких сг гжие1, ( , .эпе1 Tiu ,iM размер стержня меньше/, /А)

ili . i.2)/J2 ,2,3 1)

ГДС |i - КОЛСбоГПЛЬПОЗ i PO ibc-SHCf . 1С 4С

ние стержн.ги I и 1 1 )op.hHH-T ;.п

Г - фазовая с корсг ь олн(1ч .осн звуко) индексы 1 и .--2 соогветсгвую) слеЬонюям 1,теож - i coci JCTCi .е1 HV с, ;ия и

С pinа ОТ 1C4KL, АрИЛ ОЖЬ oils ЛЫ F-(),

И Д5кс 3 оответств е тетч н О it Гр;ц 1Ч-Ц е vt ловг );, 1 er. -см. а) рэеенсгво г.) чм ч s ц- -г-ч1 о

мгс ах OT KODKh v1 .о с. f r -,елоч /е не

jj OOi-uxHoc iH г,о

ji()J3(),

)a(),

2() |з();

б) выполнение второго и третьего закона Ньютона в тех же точках:

М |()5(ЭГ1()+ Зз(),

MЈ())+Cu(xH),(3)

Ј5(с6()-31(),

где Oj - механическое нормальное напряжение;

S - площадь поперечного сечения стержней I и II.

Решение волнового уравнения (1) для участков ,2,3 можно искать в виде суммы двух бегущих навстречу волн:

fl Ajexp j(uJt-kx)+Blexp j(jy t+kx), (4) где К (о /С - волновое число:

AiBi - комплексные амплитуды бегущих волн.

Закон Гука в дифференциальной форме имеет вид:

(7| ЕЭЈ|/Эх, ,2,3(5)

где Е - модуль упругости;

Е -р С2, где р- плотность материала волновода.

Подставив (4) и (5) в граничные условия (2) и (3), получим систему линейных неоднородных уравнений: /А1+Вг- Аз+Вз,

Aim+Bim Ai-Bi+A3-B3,

AiP 1+BiP A2P 1+B2P, A2P 1-B2P AiP 1+BiP f, A2L 1+B2L A3L 1+B3L, VA2L 1m+B2Lm A2L -B2L+A3L 1-B3L rn jftjM/pCS , f F/j/o S-u,

где L expQkl)/ (jkp).

Решая систему (6), определим неизвестные комплексные амплитуды:

A3 fL2/PfL2-1)(2-m),(7)

B3-fP/(L2-1)2-m)(8)

Представив Аз и Вз из (7) и (8) в (4). найдем колебательные смещения на участке 3(т.е. на свободном от внешней силы F стержне II):

(2)

(6)

1

+ x) +

eKP + )

Анализируя формулу (9), можно сделать вывод, что бесконечное возрастание амплитуды колебаний (без учета затухания) возникает в резонансе, когда , т.е. или А/2, где ,2,... и образуется стоячая волна. В данной колебательной системе координаты пучностей и. узлов зависят от координаты приложения силы Т : (в формуле (9) есть члены expft jk(p+x), что является необходимым условием для фор

ко(3)

еерлямы

(4)

их

ме

5)

ия ност(7)

(8)

(4). ст, F

ать 50 линили , ая коко(в то ормирования в резонансе режима бегущей (2) волны.

Для доказательства возможности формирования режима бегущей волны при ре5 зонансе в стержне II рассмотрим ту же колебательную систему, которая возбуждается двумя продольными гармоническими силами r FaexpU u t) и в Рвехр|(у7 +ca t), расположенными соответственно в точках с

10 координатами и на стержне I, где р- сдвиг фаз между силами (фиг.4).

Так как волновое уравнение(1) - линейное, то колебательный процесс в волноводе является суперпозицией колебаний от дей15 ствия каждой из сил и FB в отдельности, для стержня II получим:

III |за + 5b (Аза + Азь) ) +

+ (В3а+Взь)е|И-| х)(10)

Для определения условий формирования бегущей волны в стержне II, распространяющейся только в положительном или отрицательном направлении оси X. приравняем нулю второй или первый член в формуле (10):

Вэа+В3в 0 ИЛИ Аза+А3в 0

При равенстве амплитуд возбуждающих сил Fa-Fs F подставив (7) и (8) в (11) получим соотношение

(Ра/Рь)(12)

где (jkpa}, (крр), ),

верхний знак соответствует условию Формирования бегущей волны, распространяющейся в положительном направлении оси X, нижний знак - в отрицательном направлении оси X.

Подставив (7 8 и 12) в (10) получим колебательный процесс в стержне II в виде одной бегущей волны:

К - + 21 fp 1s nO -4)-. Р)И ± )

lj(2±m) (1-173

(13)

где Ар рз-рв.

Максимум амплитуды бегущей волны в стержне II достигается, как видно из (13), при

kAp Ј + тт.т.е.ра - рь Л(2п - 1 )/4,

,2...(14)

Подставив (14) и (12) получим, что сдвиг фаз сил в этом случае 90°.

Для определения амплитуды бегущей волны в резонансе учтем затухание в волно- 55 воде. 8 этом случае представим волновое число в комплексном виде:

(1-J/2Q), rflek u)/C.- (15)

Q- добротность материала волновода, которую можно определить экспериментально по Ач% Для пьезокерамических ма6)

20

25

30

35

40

45

(9)

териалов ...40000, для металлов ...1000. Подставим k из (15) в (13) и найдем приближенно действительную амплитуду бегущей волны:

где ,2„..- число полуволн, укладывающихся по длине стержня в резонансе. Амплитуда колебаний прямо пропорциональна амплитуде силы и добротности и обратно пропорциональна волновому сопротивле- нию (р CS), частоте колебаний, соотношению массы М к волновому сопротивлению.

Исходя из выше сказанного, для повышения амплитуды волны необходимо иметь рабочую частоту наиболее низкой, для ульт- развуковой техники - 18-20 кГц.

По амплитуде бегущей волны можно оценить скорость транспортирования:

V kvЈnmu , где ,3...0-6.

При возбуждении алюминиевого волновода гармоническими силами с амплитудой /Ни при следующих параметрах колебательной системы: ,6 10 J кг/м3; ,12 103м/с; М-2-10 3кг; QK300, п-2, кГц получим .б 10 6м. ...6 ,

Определим ограничения на параметры волновода, при которых данное устройство работоспособно, исходя из следующих со- ображений;

1.8 стержнях волновода должна распространяться плоска) продольная волна, т.е. Фронт оолны - плоский. Условие выполняется при соблюдении неравенств {фиг,5):

Ь/2 А/4 ,d А/4(17)

2.Зоны соединения стержней волновода должны вести себя при распространении продольной волны в стержнях на рабочей частоте как сосредоточенные массы, Усяо- Bv«e выполняется при соблюдении нераве.-- ства:

а А/16(18)

3.В зонах соединения стержней волновода не должны возбуждаться паразитные изгибные колебания под действием продольных колебаний а стержнях, иначе в них также возникнут паразитные нагибные колебания. Условие выполняется, если

b AM/8,

где Аи - дойна изгмбной волны на рабочей частоте продольных колебаний стержней,

Длину волны АИ можно оценить по формуле

А, 27isa/vST,

где о4 EJ/pSi С2а2/12;

I,S - момент инерции сечений зоны соединения стержней к его площадь.

Используя j(V7) и (18), получим условия b Av5F/i/3 -32 или приблизительно Ь 0.05А.

4. Для уменьшения амплитуд паразитных колебаний в стержнях необходимо, чтобы обе зоны соединения стержней были идентичны (т.е. эквивалентные им сосредоточенные массы М были одинаковыми). .

Возможно выполнение волновода из двух пьезокерамических брусков 11 и 12, склеенных эпоксидным компаундом 13 через тонкие (0,1-0,3 мм) металлические прокладки 14 для формирования прорези (фиг.6). Электроды 3-5 могут быть расположены горизонтально. Такая конструкция более технологична в изготовлении, чем на фиг.1, однако механическая прочность ее ниже.

Более перспективен другой пример конструктивного выполнения волнового вибротранспортера, изображенный на фиг.7 и 8. Волновод 1 вибротранспортера выполнен металлическим с вклеенными в один из стержней волновода пьезокерамическими пластинами 15 и 16, поляризованными по толщине и имеющими по два потенциальных электрода 3 и 4 на каждой пластине. Для возбуждения бегущей волны необходимо, чтобы длина металлического стержня I была кратна половина длины волны Амт.е.1 пАм/2 ; длина составного преобразователя И, содержащего пьезопластины была раана (кратна) половине длины волны Ас, т.е. его длина должна быть также резонансной: Н Ас/2; длина стержня 12, содержащего пьезопреобразователи была равна:

12 Ас/2Нп-1)Ам/2.

В связм с разной скоростьюзвука в металле и составном преобразователе в волноводе должны быть выполнены уступы д :

5 (Ам-Ас)/4,

Для уменьшения д необходимо выбирать пьезокерамический материал, скорость звука в котором была бы близка к скорости звука в металлическом стержне (например, пьезокерамика типа ТБК-3, у которой скорость звука Сп 4700м/с), желательно по возможности уменьшать толщину пьезопластин dn по сравнению с тол шиной металлической перемычки oV Длина составного преобразователя И находится исходя из заданной частоты w по формуле:

2dntg() + dMtg(H) - 0.

Полностью ликвидировать уступы (т.е. ) можно, если такие же пьезопластины будут вклеены и в другой стержень. В отличие от широко распространенных низкочастотных (50Гц) вибролотков с электромагнитным виброприводом стержня волновода могут быть выполнены изогнутыми, т.е. транспортирующая дорожка волнового вибротранспортера может быть криволинейной, радиус кривизны R которой ограничен неравенством R А/2. Такие криволинейные транспортеры могут найти широкое применение для подачи миниатюрных деталей в машинах-автоматах. Для создания возвратно-поступательного движения объекта, например, каретки 15 в приборе может служить устройство, волновод 1 которого состоит из трех параллельных стержней, скрепленных по концам (фиг.9 и 10).

Электроды 3 и 4 пьезопреобразовате- лей находятся на среднем стержне. Принцип действия такого устройства аналогичен

принципу действия волнового виброконвейера.

Формула изобретения Волновой виброконвейер, содержащий

рабочий орган в виде расположенного вертикально замкнутого волновода с двумя параллельными стержнями, закрепленные на нем пьезопреобразователи, связанные с ультразвуковым источником питания и фазосдвигающим механизмом, отличающийся тем, что, с целью уменьшения габаритов виброконвейера по высоте, волновод выполнен прямоугольной формы в плоскости, перпендикулярной плоскости

транспортирования, при этом длина каждого стержня кратна половине длины волны, а размер волновода по вертикали меньше его размера по горизонтали.

Изобретение относится к вибрацион ным конвэйерам и м 6 использовано дтч транспортирования малогабаритны дета лей сыпучих материалов и для обеспечения возвратио-попугательного движения обь- ектов Цель - уменьшение габаритов виброконвейера по высоте Волновой виброконвейер содержит волновод (ВВ) 1, выполненный полностью из расположенного вертикального пьезокерамического прямоугольного брускэ, поляризованною по толщине. Ьысота В В 1 значительно меньше его длины Дня образования двух стер чей в ВЗ 1 выполнена „ i , r-iпрорезь 2 Дни a f- длины предельно г чы (- - жнеи ВВ 1 растр ( ТОМ ЭЛСт ТПСТЬ1 3 li 4 прод тьные pa ivicij1-1 рчч t ьы вол«-0| Общш- 3 озспо/ г nO .OX hOU CTCOOHt п 1 к уль- разву( ово v -1 подк/ к чсн к et ч чг лес г ощи1 мехаь м - п с гати находятся а гозэг i O-т ог огичень в пс ч1 Пр 1 подаие нэп1)1- -u « -i сrOVi it I о уГО о i то з БР . j 1.- тс циокулир ющер 1рг цольнсм е НЬ Пр ЭТОМ ВГ ) Т(С - ич к. П . - ,, р I И - н , (Г-т ,0- (j I о 5 v i« f i l 9 -1И I CCC, f ,t%- ПР, j pp„r, , pfi u j- - I- t3B ДВИЖЕТСЯ ГП ОЛ1 l О К i И С 5 С г ленным траектория Г|г е; MI L см е ние образуется зд с - к, стек SHL но Такие траектооич п-игррль сти BL 1 взаг модействуощей с аетзлью 8 оеспечивяют переменную эо врсмр и норл п/i ную реакцию и соответс ьен-о СИЛУ,,Х -, котооат создает чапр йпс: -)-ое 4Ь с ие/ р ати 10 и/. л/)/; Л/2 - ь о ю о U JS f Vk // d г 7

А-А

фиг. 2

I I

фне.З

x-t

i

X

«o

ч -«м

u.

ii

1-J x §

-&

ъ x

I

X

i a

Uj

к

t

У 7&

Фиг. 7

13

и s

-Z/5

-Ч

и

v

7 3 А

(Риг. 9

Cp/jsJO