аспирант с 01.01.2019 по настоящее время
Белгородская область, Россия
сотрудник с 01.01.2007 по настоящее время
Россия
Белгород, Белгородская область, Россия
, Россия
студент
Белгородская область, Россия
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
ГРНТИ 55.13 Технология машиностроения
ОКСО 15.03.01 Машиностроение
ББК 30 Техника и технические науки в целом
ТБК 50 Технические науки в целом
Вибрационные устройства занимают большой кластер в строительной и дорожно-строительной индустрии. Усовершенствование всех вибрационных машин начинается, прежде всего, с вибрационного устройства, как основного рабочего органа машины. В основном, в качестве вибрационных устройств для всей дорожно-строительной техники рабочим органом выступал вибраторов. Изначально, использовались вибраторы с круговыми колебаниями, которые не настолько эффективны и не всегда достаточны для выполнения специальных работ по погружению свай в грунт и также извлечению их из почвы. Вибрационные установки с асимметричными колебаниями все чаще начали находить своё применение в строительном производстве. К примеру, при забивке свай используют копровые установки. Их принцип работы аналогичен по своему действию работе вибрационной установке с асимметричными колебаниями. Однако, вибрационная установка с асимметричными колебаниями при повороте направления действия вынуждающей силы в противоположном направлении, не вниз, а вверх, позволяет также извлекать из грунта отработавшие свой срок сваи и шпунты. Исходя из выше перечисленного, мы предлагаем описание, методику расчетов оптимальных значений коэффициента асимметрии, вынуждающей силы и излагаем принцип работы физической модели вибрационной установки с двумя ступенями генерирования асимметричных колебаний, состоящей из типового вибрационного оборудования: первая ступень: стол марки ЭВ-341 и вторая ступень: вибратор направленных колебаний марки ИВ-99Б, выпускаемых «ООО Ярославский завод «Красный маяк».
вибратор, вибростол, колебания круговые, направленные, асимметричные, коэффициент асимметрии
Введение. Конструкции вибрационных устройств с асимметричными колебаниями уже достаточно широко освещаются в технической литературе и периодических технических изданиях [1–5]. В общем случае, простое вибрационное устройство с асимметричными колебаниями представляет собой два последовательно установленных вибратора с направленными колебаниями, образующими единый механизм. Каждый, из двух, вибраторов имеет свою неуравновешенную массу дебаланса, 
, и эксцентриситет, 
. Угловые скорости дебалансных валов первого и второго вибратора находятся в соотношении 
. В технической литературе, однако, не в полной мере освещены вопросы натурных экспериментальных исследований. Имеются некоторые публикации [6–7], относящиеся к экспериментальным исследованиям асимметричных колебаний, проведенные на лабораторном оборудовании. Внедрение вибрационных устройств с асимметричными колебаниями в конструкции строительных и дорожно-строительных машин является сложным техническим и психологическим процессом. Поэтому, представляет интерес проведение экспериментальных исследований получения асимметричных колебаний на штатном вибрационном оборудовании, выпускаемом как отечественными, так и зарубежными промышленными предприятиями.
Материалы и методы. Попытки по реализации вибрационных установок с асимметричными колебаниями предпринимались ранее рядом инженеров и исследователей. Эти результаты нашли отражение в ряде работ [3–6]. В настоящее время идут процессы формирования методики расчёта и проектирования вибрационных устройств с асимметричными колебаниями. Также, продолжается формирование терминов и определений, относящихся к вибрационным устройствам с асимметричными колебаниями. Некоторые исследования интересны тем, что в них полученные результаты и рекомендуемые параметры колебаний не формулируют поставленную задачу получения асимметричных колебаний, но подразумевают получение несимметричных колебаний, которые также могут называться асимметричными. В научных работах [1, 2] ещё не вводится численного значения параметра, которым можно оценивать величину соотношения составляющих максимальной вынуждающей силы, действующей в одном, например, положительном, направлении (
) и в противоположном, например, отрицательном направлении (
). В трудах [4–6] четко дано определение, характеризующее величину несимметрии вынуждающей силы, которая называется коэффициентом динамичности вибрационной установки (
) или коэффициент асимметрии вынуждающей силы (
), при этом:
=
(1)
Равенство 
характерно для равнонаправленных, симметричных относительно нейтральной линии, колебаний.
Основная часть. Практика проектирования, создания и выпуска промышленных вибраторов имеет несколько вариантов и образцов вибрационных устройств с направленными, симметричными, колебаниями. Особый интерес представляет создание условий получения, генерирования, асимметричных колебаний с использованием штатного вибрационного оборудования с направленными колебаниями.
В качестве штатного вибрационного оборудования экспериментальной установки для получения асимметричных колебаний приняты: нижняя, первая, ступень – вибрационный стол марки ЭВ-341, укомплектованный двумя вибраторами ИВ-05-50 и верхняя, вторая, – вибратор марки ИВ-99Б ООО Ярославский завод «Красный маяк». (табл. 1) и (табл. 2).
Таблица 1
Технические характеристики вибростола ЭВ-341 [8]
|
Наименование показателей, единицы измерения |
Значение |
|
Амплитуда колебаний (расчетная), мм |
0,2…0,4 |
|
Грузоподъемность (max), кг |
150 |
|
Частота колебаний, мин-1 |
3000 |
|
Мощность потребляемая, кВт |
1,0 |
|
Тип вибратора |
ИВ-05-50 |
|
Количество вибраторов, шт |
2 |
|
Мощность потребляемая вибратором, кВт |
0,5 |
|
Напряжение вибратора, В |
380, 42, 220 |
|
Частота тока вибратора, Гц |
50 |
|
Габаритные размеры вибратора, мм Длина Ширина Высота |
730 480 720 |
|
Масса вибростола, кг |
145 |
Таблица 2
Паспортные значения параметров вибраторов ИВ-05-50 и ИВ-99Б [9]
|
|
ИВ-05-50 |
ИВ-99Б |
|
Наименование показателей |
Значение |
|
|
Частота колебаний, Гц (кол/мин): синхронная холостого хода, не менее |
50 (3000) 46,3 (2775) |
50 (3000) 46,3 (2775) |
|
Максимальная вынуждающая сила, кН при синхронной частоте колебаний |
5,0 |
5,0 |
|
Максимальный статический момент дебаланса, кг∙см |
5,1 |
5,1 |
|
Мощность, кВт: номинальная номинальная потребляемая, не более |
0,25 0,50 |
0,25 0,50 |
|
Номинальное напряжение, В |
18; 42; 220; 380 |
18; 42; 220; 380 |
|
Номинальный ток, А |
20,0; 9; 1,9; 1,1 |
20,0; 9; 1,9; 1,1 |
|
Частота тока, Гц |
50 |
50 |
|
Тип вибрационного механизма |
дебалансный регулируемый |
дебалансный регулируемый |
|
Тип электродвигателя |
асинхронный трехфазный с короткозамкнутым ротором |
асинхронный трехфазный с короткозамкнутым ротором |
|
Класс изоляции |
F |
F |
|
Масса вибратора, кг |
15 |
15 |
|
Степень защиты по ГОСТ 17494-87 |
IP66 |
IP66 |
В конструкции вибраторов ИВ-05-50 и ИВ-99Б предусмотрена возможность получения шести значений вынуждающей силы при различных установках составных дебалансов, (рис. 1).
Величина вынуждающей силы пары дебалансов, при постоянном значении массы, изменяется с изменение эксцентриситета, который зависит от величины угла установки между центром вращения и центрами массы дебалансов. Так, наименьшее значение вынуждающей силы соответствует положение I, а наибольшее – положение VI. Данное условие позволяет формировать двухступенчатое вибрационное устройство с асимметричными колебаниями.
Рис. 1. Схема установки дебалансов вибраторов ИВ-05-50 и ИВ-99 для получения заданной величины вынуждающей силы
В зависимости от схемы установки дебалансов, (рис. 1), получают шесть значений статического момента, 
, (табл. 3).
Таблица 3
Статические моменты дебалансов
|
Положение дебалансов согласно рис. 1 |
ИВ-05-50, ИВ-99Б |
||
|
Статический момент дебалансов |
Вынуждающая сила при синхронной частоте колебаний |
||
|
Вынуждающая сила при частоте колебаний холостого хода |
|||
|
кг∙см |
кН |
||
|
Схема по рис. 1. |
I |
2,55 |
2,5/1,9 |
|
II |
3,45 |
3,4/2,6 |
|
|
III |
4,2 |
4,1/3,2 |
|
|
IV |
4,6 |
4,51/3,5 |
|
|
V |
4,9 |
4,8/3,7 |
|
|
VI |
5,1 |
5,0/3,9 |
|
В зависимости от схемы установки дебалансов, (рис. 1), получают шесть значений статического момента, 
(кг·см): 
, 
, 
, 
, 
, 
.
Величина вынуждающей силы, 
(кН), при синхронном вращении дебалансных валов составляет: 
, 
, 
, 
, 
, 
кН.
Конструктивная модель вибрационной установки с двумя ступенями для генерирования асимметричных колебаний состоит, (рис. 2), из вибростола 1 с вибраторами ИВ-05-50 2, вибратора ИВ-99Б 3, установленного на вибростоле с использованием монтажной плиты 4.
Рис. 2. Физическая модель двухступенчатой вибрационной установки для генерирования асимметричных колебаний
1 – вибростол; 2 – вибраторы вибростола ИВ-05-50; 3 – вибратор направленных колебаний ИВ-99Б; 4 –монтажная плита
Данная компоновочная схема вибрационной установки позволяет достичь идеальных значений и характеристик, которые определены техническими параметрами завода изготовителя. Дополнительным устройством является монтажная плита, жестко закреплённая на вибростоле. На монтажной плите жёстко закреплён вибратор ИВ-99Б. Вибрационное устройство, рис. 2, позволяет работать по отдельности вибраторы первой, нижней, и второй, верхней ступени. Причём, частота вращения дебалансных валов может регулироваться в достаточно широком диапазоне.
Для пуска в работу и управления частотой вращения дебалансных валов вибраторов служат шкафы управления (рис. 3).
Конструкция физической модели позволяет осуществлять регулирование или управление следующими параметрами: частотой вращения, (n, об/мин); угловой скоростью, (ω, рад/с), дебалансных валов, величиной вынуждающей силы, (F, кН), плавно и величиной статического момента дебаланса, ( , кг·м), ступенчато.
Рис. 3. Шкаф управления вибраторами вибростола (а) и вибратора ИВ-99Б (б)
Целью проведения экспериментальных исследований является определение влияния параметров вибрации на коэффициент асимметрии вынуждающей силы, 
[8–11]
(2)
где 
– модуль величины вунуждающей силы на положительной стороне графика изменения в пределах периода колебаний, кН; 
– тоже, на отрицательной стороне, кН.
Таким образом, определяем взаимосвязь коэффициента асимметрии вынуждающей силы , в зависимости от основных параметров колебаний и их комбинаций [12–15]:
(3)
где 
– начальные фазы колебаний дебалансов первой и второй ступени, соответственно.
Технически, изменение параметров осуществляется следующим образом. Частота вращения дебалансов вибростола и вибратора ИВ-99Б регулируется преобразователями частоты IEK ONI A150 и ВЕСПЕР E2-8300 с пультов управления.
Величина статического момента дебалансов устанавливается перед началом эксперимента путём изменения схемы установки дебалансов на роторе, (рис. 4).
Рис. 4. Схема установки дебалансов первой (а) и второй (б) ступени двухступенчатого вибратора с асимметричными колебаниями
Для получения асимметричных колебаний с наибольшим значением величины коэффициента асимметрии вынуждающей силы, =2,0 необходимо выполнить следующие условия: кратное соотношение угловых скоростей вибрационных валов первой и второй ступени, . Соотношение величины суммарных статических моментов первой и второй ступени рекомендуется принимать [3] в пределах: 
. Такое соотношение вынуждающих сил позволяет получить коэффициент асимметрии силы близкий к 2.0. Это значение достигается необходимым перебором исходных параметров, таких как масса и эксцентриситет дебалансов. Мы рекомендуем [16] использовать не соотношения величин статических моментов, а величин максимальных вынуждающих сил. Так, для двухступенчатого вибрационного устройства с асимметричными колебаниями, сначала определяется или принимается величина вынуждающей силы, определяемая по требованиям технологических расчётов, 
. Затем технологическая вынуждающая сила разбивается на две составляющие: 
и 
, каждая в заданном соотношении:
Для вынуждающей силы 
кН, соотношение вынуждающих сил первой и второй ступени составят, соответственно: 
кН, 
кН. Принимая частоты вращения дебалансных валов, соответственно: 
об/мин и 
об/мин, получаем расчётные значения искомых величин вынуждающих сил и график их изменения в пределах одного периода, рис. 5.
Рис. 5. График изменения асимметричной вынуждающей силы (
) в пределах одного периода колебаний
Для фиксирования и измерения параметров вибрации установка оснащена виброизмерительной аппаратурой.
Выводы
- В данной работе получены новые результаты научных исследований по созданию физической модели двухступенчатой вибрационной установки для генерирования асимметричных колебаний, позволяющей на штатных образцах промышленного вибрационного оборудования провести сравнительные эксперименты по оценке теоретических выводов, полученных ранее.
- Описана методика расчёта оптимальных значений коэффициента асимметрии вынуждающей силы при сложении двух и более направленных механических колебаний.
- Изложен принцип работы физической модели для забивки или извлечения свай в строительном производстве.
1. Челомей В.Н. Вибрации в технике: Справочник Т. 4. М., 1981. 509 с.
2. Primož O., Janko S., Miha B. Harmonic equivalence of the impulse loads in vibration fatigue // Journal of Mechanical Engineering. 2019. Vol. 65. Pp. 631–640. DOI:10.5545/sv-jme.2019.6197
3. Пат. 7804211, США, МПК В06В1/166. Вибровозбудитель / А. Клеибл, К. Хейлель; заявитель и патентообладатель ABI GmbH. № 20080218013; заявл. 07.03.2007; опубл. 06.10.2009 Бюл. №1. 4 с.
4. Анахин В.Д. Графоаналитический метод моделирования динамики систем с асимметричными колебаниями // Вестник бурятского государственного университета. 2018. № S2. Том 1. С. 223–228.
5. Gerasimov M.D., Romanovich M.A., Vorobiev N.D., Amini E. Results of research to improve efficiency of vibrating machines // International Conference “Complex equipment of quality control laboratories”. IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series. 2018. No. 1118. 012015. doi:10.1088/1742-6596/1118/1/012015
6. Gerasimov M., Vorobiov N., Romanovich M., Amini E. The dynamic factor determination of the vibration mechanism with asymmetric vibrations // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019. No. 698. 066039. doi:10.1088/1757-899X/698/6/066039
7. Lubimyi, N.S., Annenko, D.M., Chepchurov, M.S., Kostoev, Z.M. The research of the temperature effect on a metal polymer during flat grinding of a combined metal polymer part // Australian Journal of Mechanical Engineering. 2020. Vol. 80. Pp. 1–13.
8. Герасимов М.Д., Любимый Н.С., Рязанцев В.Г. Методика проектирования вибропогружателей с асимметричными колебаниями // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2020. № 5. С. 135–142. DOI:10.34031/2071-7318-2020-5-5-135-142
9. Lubimyi N., Chetverikov B., Chepchurov M., Odobesko I. A method of determination of average plane of taps of pipes by a triangulation method using an anthropomorphic robot // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019. Vol. 709. Issue 3. Pp. 1–8.
10. Герасимов М.Д. Способ получения направленных механических колебаний для практического применения в технологических процессах // Строительные и дорожные машины. 2014. №1. С. 35–38.
11. Бауман В.А. Вибрационные машины в строительстве и производстве строительных материалов. Справочник. М.: Машиностроение, 1970. 632 с.
12. Герасимов М.Д. Сложение колебаний в вибропогружателях // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2016. №3. С. 116–121.
13. Андриевский Б.Р., Гузенко П.Ю., Фрадков А.Л. Управление нелинейными колебаниями механических систем методом скоростного градиента // Автоматика и телемеханика. 1996. №4. С. 4–17
14. Fidlin A. Nonlinear oscillations in mechanical engineering. Berlin, Heidelberg. Springer-Verlag, 2006. 358 p.
15. Лавандела Э.Э. Вибрации в технике: Справочник. М.: Машиностроение, 1981. Т.4. 509 с.
16. Пат. 2740282, Российская Федерация, МПК Е02D 7/18. Способ генерирования направленных инерционных асимметричных колебаний рабочего оборудования вибрационных машин/ М.Д. Герасимов; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова». №2020121504; заявл. 05.08.2020; опубл. 12.01.2021, Бюл. №2. 12 с.
