employee from 01.01.2007 until now
Russian Federation
employee
, Russian Federation
student
, Russian Federation
VAC 05.17.00 Химическая технология
VAC 05.23.00 Строительство и архитектура
UDK 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
The mechanisms with asymmetric vibrations is the priority direction of development and creation of vibration devices for technological processes in the coming years. Mechanisms with asymmetric vibrations are constructively created on the basis of vibrators with directional vibrations in the form of steps, which differ from each other in the mass of unbalances, the radius of displacement of the center of mass from the axis of rotation and the frequency of rotation of the unbalanced shaft. The simplest device with asymmetric oscillations is a two-stage mechanism. Optimization of parameters of vibrators of each stage can be carried out according to the coefficient of dynamism of the oscillatory system. Rational parameters of the mechanism are consistent with the highest value of the coefficient of dynamism of the system. Currently, there is no method of design calculation for the translation of circular, elliptical and equally directed oscillations into asymmetric ones. The article presents the method of calculation associated with the translation of the parameters of vibration devices with circular, elliptical and equally directed vibrations into asymmetric ones with the highest coefficient of dynamism.
unbalance vibrator, asymmetrical vibrations, vibration mechanism steps, dynamic coefficient, driving force
Методология. При проведении исследований использовалась программа для персонального компьютера, разработанная авторами для исследования влияния параметров каждой ступени вибраторов устройства с асимметричными колебаниями на коэффициент динамичности системы.
Основная часть. Вибрационные технологии, которые используются в целом ряде технологических процессов, основаны на использовании вибраторов с гармоническими колебаниями [1, 2, 3, 4]. Большинство вибраторов, занятых в промышленности генерирует вынуждающую силу F (Н), которая создаёт круговые (или эллиптические) колебания. Реже, но достаточно часто, применяются направленные, вдоль некоторой прямой линии, гармонические колебания, конструктивно согласуя два круговых колебания со встречным вращением дебалансных валов. На повестке дня технического и технологического проектирования вибрационных механизмов для производственных процессов стоит задача применения вибрационных устройств с асимметричными колебаниями [5, 6, 7, 8, 9, 10]. Асимметричные колебания генерируются вынуждающей силой, которая является, с одной стороны направленной, однако, имеющей разные по величине значения составляющих вынуждающую силу, действующих в противоположных направлениях.
F(+) =kд·F(-)
где F(+) – величина составляющей вынуждающей силы, направленная в одну сторону, например в направлении выполнения полезной работы, в положительном направлении вдоль некоторой оси, и т.п.; F(-) – величина составляющей вынуждающей силы, направленная в противоположную от F(+) сторону, например в направлении выполнения холостого хода, в отрицательном направлении вдоль некоторой оси, и т.п.; kд – коэффициент динамичности, величиной которого оценивается соотношение величин составляющих вынуждающей силы, направленных в разные стороны в пределах одного периода. Всегда kд ≥ 1,0. Чем больше значение kд тем более выражен эффект асимметрии таких колебаний.
Характер асимметричных колебаний можно представить графиком, рис. 1.
Рис. 1. Схема рабочего цикла вибратора с наличием асимметрии вынуждающей силы
На рис. 1. введены следующие обозначения: 0-t – временная ось в пределах одного периода действия вынуждающей силы F; Fпогр=F(+) – величина рабочей составляющей вынуждающей силы, направленной на погружение, например, сваи; Fпод=F(-) – величина холостой составляющей вынуждающей силы, направленной в сторону подъёма сваи; t1, t2 – время действия, в пределах одного периода, составляющих вынуждающей силы Fпогр и Fпод, соответственно.
В настоящее время созданы предпосылки конструктивных решений создания вибрационных механизмов с асимметричными колебаниями [9]. Однако, остаётся вопрос расчёта параметров каждой ступени вибрационного устройства, которые бы обеспечили, с одной стороны, суммарную вынуждающую силу равную величине вынуждающей силы, уже используемого механизма в технологическом процессе. С другой стороны, состоящее из двух и более ступеней вибрационное устройство, должно обеспечивать наибольшее значение коэффициента динамичности kд = F(+)/F(-).
Величина суммарной вынуждающей силы принята равной Fсумм=0,55 кН.
Рис. 2. График изменения суммарной вынуждающей силы, Fсумм, в пределах одного периода, t=0,12 с,
разбитого на 20 значимых точек
Результаты расчёта внесены в таблицу 1.
Основным параметром для проектирования вибрационного устройства с асимметричными колебаниями является величина суммарной вынуждающей силы направленной в сторону выполнения полезной работы, F, кН. При одной ступени вибратора такая величина вынуждающей силы достигается при массе дебаланса m1 = 10 кг. При двухступенчатой схеме вибрационного устройства с асимметричными колебаниями и соотношением статических моментов 6:1 величина вынуждающей силы равная 0,55 кН достигается при соотношении массы дебалансов m1/m2 = 6 и 1 кг, соответственно. Каждая ступень вибрационного устройства вкладывает некоторое значение в суммарную вынуждающую силу. В нашем случае, первая ступень генерирует силу F1=0,33 кН, а вторая, F2=0,22 кН, так что F =0,55 кН.
Коэффициент динамичности по средней точке периода составит kд0,06 = 0,55/0,11=5,0. Однако, в пределах периода на отрицательных значениях в моменты времени 0,36 и 0,84 имеется значение, равное (-0,28 кН).
Тогда kд0,036 = kд0,084 = 0,55/0,28 = 1,96. Очевидно, что в этом случае целесообразно пользоваться значением коэффициента динамичности kд0,036 =1,96. Следует обратить внимание, что в пределах рекомендуемых соотношений статических моментов первой и второй ступени в пределах 6:1…..10:1 имеется участок соотношения с наибольшим значением коэффициента динамичности.
В нашем случае, для двухступенчатого вибрационного устройства с асимметричными колебаниями [8,10] m1r1/m2r2 = 7,14. При этом kд = 2,05. В случае, если боле важным условием для реализации процесса является не величина коэффициента динамичности, а более гладкий характер изменения величины вынуждающей силы на отрицательных значениях ветви графика, то можно использовать другие значения соотношений статических моментов первой и второй ступени.
На рис. 3. Приведен график изменения величины вынуждающей силы при соотношении значений статических моментов m1r1/m2r2 = 11,0. Вклад каждой ступени составляет: 0,4 и 0,15 кН соответственно. А коэффициент динамичности составляет kд = 1,95.
Таблица 1
Результаты расчёта для проектирования двухступенчатого вибрационного механизма
с асимметричными колебаниями
|
1 |
Заданная суммарная величина вынуждающей силы, F, кН |
0,55 |
0,55 |
0,55 |
0,55 |
0,55 |
0,55 |
|
2 |
Соотношение статических моментов двух ступеней дебалансов |
6:1 |
7:1 |
8:1 |
9:1 |
10:1 |
11:1 |
|
3 |
Частота вращения дебалансного вала, n1/n2, об/мин |
500/1000 |
500/1000 |
500/1000 |
500/1000 |
500/1000 |
500/1000 |
|
4 |
Продолжительность периода колебаний, t, c. |
0.12 |
0.12 |
0.12 |
0.12 |
0.12 |
0.12 |
|
5 |
Радиус центра массы дебаланса, r1/r2, см |
1/1 |
1/1 |
1/1 |
1/1 |
1/1 |
1/1 |
|
6 |
Масса дебаланса, m1/m2, кг |
6:1 |
6,37:0,91 |
6,72:0,84 |
6,93:0,77 |
7,17:0,717 |
7,38:0,67 |
|
7 |
Модуль величины суммарной вынуждающей силы в средней точке периода, F0.06, кН |
0,11 |
0,15 |
0,18 |
0,21 |
0,24 |
0,26 |
|
8 |
Коэффициент динамичности системы в средней точке периода, kд0,06 |
5,0 |
3,67 |
3,0 |
2,6 |
2,33 |
2,14 |
|
9 |
Модуль величины суммарной вынуждающей силы в точке с наибольшим значением составляющей в отрицательном направлении периода, F0,036,0,042, 0,048, кН*. |
0,28 |
0,27 |
0,27* |
0,28* |
0,28* |
0,28** |
|
10 |
Коэффициент динамичности системы в точках периода, kд*, |
1,96 |
2,04 |
2,02 |
1,99 |
1,97 |
1,95 |
Рис. 3. График изменения суммарной вынуждающей силы при соотношении величины статических моментов вибраторов первой и второй ступени m1r1/m2r2 = 11,0
Вывод. Разработана методика расчёта параметров двухступенчатого вибрационного устройства с асимметричными колебаниями. В качестве исходного параметра принимается величина вынуждающей силы, рассчитанной по известным методикам. Далее разбивается суммарный статический момент дебалансов в соответствии с рекомендациями в пределах 6:1…..10:1. Для реализации наибольшего значения коэффициента динамичности это соотношение рекомендуется принимать равным – 7,14. Любые другие соотношения ведут к снижению коэффициента динамичности вибрационного устройства.
Источник финансирования. Работа выполнена в рамках гранта А-16/17 от 24.01.2018 г. «Разработка оборудования и технологических узлов для выполнения операций современных технологий получения строительных материалов и строительного производства», действующей с 24.01.2018 г. по 31.12.2019 г.
1. Vibrating machines in the construction and production of building materials. Directory [Vibracionnye mashiny v stroitel'stve i proizvodstve stroitel'nyh materialov]. Ed. V.A. Bauman. Engineering. M.: 1970. (rus)
2. Blekhman I.I. Theory of vibration processes and devices. Vibration mechanics and vibration technology [Teoriya vibracionnyh processov i ustrojstv. Vibracionnaya mekhanika i vibracionnaya tekhnika]. SPb., Ore and Metals Publishing House, 2013. 640 p. (rus)
3. Weisberg, LA, Zagoratsky, L.P., Turkin, V.Ya. Vibrating crushers. Fundamentals of calculation, design and technological applications [Vibracionnye drobilki. Osnovy raschyota, proektirovanie i tekhnologicheskogo primeneniya]. Ed. L. A. Vaisberg SPb.: Publishing House VSEGEI. 2004. 306. (rus)
4. Gerasimov M.D. The method of obtaining the directed mechanical vibrations for practical application in technological processes [Sposob polucheniya napravlennyh mekhanicheskih kolebanij dlya prakticheskogo primeneniya v tekhnologicheskih processah]. Construction and road machines. 2014. No. 1. Pp. 35–38. (rus)
5. Gerasimov M.D., Stepanishchev V.A. Theoretical studies of asymmetric driving force of vibratory pile drivers [Teoreticheskie issledovaniya polucheniya asimmetrichnoj vynuzhdayushchej sily vibropogruzhatelej]. Fundamental research. 2014. No. 5. Part 3. Pp. 473–476. (rus)
6. Gerasimov M.D., Mkrtychev O.V., Glagolev S.N., Gerasimov D.M., Latyishev S.S. Method of Determination of Vibrating Screens Oscilation's Amplitude in a Characteristic Point for Plane MotioN. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. 2016. Vol.11, No 20, October. Pp. 12295-12301.
7. Gerasimov M.D., Glagolev S.N., Gerasimov D.M., Mkrtychev O.V. Determination Of The Driving Force's Asymmetry Factor And The Vibrostand's Work's Analysis. International Journal of Applied Engineering Research, 2015. Vol. 10. No. 24. Pp. 45392–45398.
8. Gerasimov M.D. Addition of oscillations in vibration exciters [Slozhenie kolebanij v vibrovozbuditelyah]. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2016. No.3. Pp. 116–122 (rus)
9. Kleibl A., Heichel Ch. Patent US 7,804,211. B06B 1/16. 2010. Vibration Generator. Prior Publication Data US2009/0243410A1, 1.10.2009.
10. Gerasimov M.D., Vorobev N.D., Gerasimov D.M., Stepanishchev V.A. Study of a multi-stage vibration mechanism with directional oscillations of each step [Issledovanie mnogostupenchatogo vibracionnogo mekhanizma s napravlennymi kolebaniyami kazhdoj stupeni]. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2017. No.3. Pp. 88–93.(rus)
