Вінницький державний технічний університет

Берник Максим Павлович

УДК 62-868

ЕНЕРГОЗБЕРІГАЮЧИЙ ВІБРОПРИВОД НОВОГО ЗМІШУВАЧА ДЛЯ ПЕРЕРОБНИХ ВИРОБНИЦТВ

Спеціальність 05.02.03 - системи приводів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового

ступеня кандидата технічних наук

Вінниця – 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Вінницькому державному технічному університеті

Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Іскович-Лотоцький Ростислав Дмитрович, Вінницький державний технічний університет, завідувач кафедри металорізальних верстатів та обладнання автоматизованого виробництва.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Сердюк Леонід Іванович, Полтавський державний технічний університет ім. Ю. Кондратюка, завідувач кафедри теоретичної механіки;

кандидат технічних наук Гунько Ірина Василівна, Вінницький державний аграрний університет, доцент кафедри експлуатації машинно-тракторного парку та ремонту машин.

Провідна установа: Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, кафедра конструювання верстатів та машин, Міністерство освіти і науки України, м. Київ.

Захист відбудеться “_11_” __07__ 2001 р. о _14_-й годині

на засіданні спеціалізованої вченої ради К 05.052.03

у Вінницькому державному технічному університеті за адресою:

21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ВДТУ

за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.

Автореферат розісланий “_08_” ___06___ 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Дерібо О.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Технологічні процеси багатьох переробних виробництв включають операцію змішування, мета якої – рівномірне розподілення компонентів суміші в заданому об'ємі. Для забезпечення однорідного розподілу компонентів необхідно створити в цьому об'ємі зсуваючі деформації, що викликаються обертанням лопатей, шнеків або інших робочих органів змішувачів. Для інтенсифікації операції змішування використовують накладання вібраційного поля на компоненти, що змішуються, це дозволяє більш ефективно управляти структурними та фізико-механічними властивостями оброблюваної суміші, досягти найбільшої однорідності зі значно меншими енерговитратами за рахунок зниження опору зсуваючих деформацій. Принципові переваги вібраційного впливу, як основного фактору інтенсифікації процесу змішування, дозволили ефективно вирішити ряд технологічних задач у переробних виробництвах машинобудівної, фармацевтичної, харчової та інших галузях промисловості, серед яких можна виділити такі операції, як приготування шихти на заводах порошкової металургії, гірничо-збагачувальних комбінатах, отримання кормових або інших високопоживних сумішей у сільськогосподарському виробництві та харчовій промисловості, для приг отування фарб, хімічно активних речовин та ряду сумішей типу змащувально охолоджувальних рідин, олив, мастил, присадок та інших.

Вібраційне змішування є одним з найбільш перспективних і високо-ефективних засобів, що використовують також при змішуванні компонентів з високою вологістю та спроможністю до налипання, для скорочення тривалості усього технологічного циклу обробки, сприяє вдосконаленню даної і ряду насту-пних операцій, наприклад формуванню, сушці і випічці. Але витрати енергії в існуючих схемах вібраційних змішувачів нераціонально великі, тому актуальною проблемою є розробка енергозберігаючого вібропривода для нового змішувача.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота проводилась згідно з Координаційним планом держбюджетних робіт Міністерства освіти і науки України “Високоефективні технологічні процеси в машинобудуванні” за темою №19Д-184 “Розробка теорії розрахунку та проектування процесів та обладнання сучасних вібротехнологій” протягом 1996-2000 р.

Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є розробка енергозберігаючого вібропривода нового вібраційного змішувача для переробних виробництв.

Для досягнення цієї мети поставлено та вирішено такі задачі:– 

проведення аналізу відомих конструктивних схем змішувачів, з метою виявлення найбільш раціонального виконання їх вібраційного приводу;– 

експериментальне визначення енергетичних характеристик вібраційного привода у змішувачах і дослідження закономірностей витрат енергії при різних умовах навантаження;– 

розробка нових конструктивних схем вібраційних змішувачів із енергозберігаючим віброприводом;– 

розробка математичної моделі системи вібропривода нового змішувача та проведення її аналітичного дослідження;– 

перевірка теоретично отриманих залежностей та експериментальне дослідження робочих характеристик енергозберігаючого вібропривода змішувача;– 

розробка методики проектного розрахунку параметрів енергозберігаючого віпропривода і визначення подальших шляхів розвитку та впровадження вібраційних змішувачів.

Об'єкт дослідження – вібраційне змішування.

Предмет дослідження – енергозберігаючий вібропривод перемішуючого робочого органа змішувача у вигляді маятникового механізму вільного ходу.

Методи дослідження. В роботі використовувались теоретичні та експериментальні методи досліджень. Диференціальні рівняння руху математичної моделі було складено з використанням методу Лагранжа ІІ-го роду, а їх аналіз виконувався на основі теорії коливань механічних систем. При проведенні експериментів використовувались методи електронно-тензометричних досліджень руху ланок експериментально-дослідного зразка вібраційного змішувача. Результати досліджень опрацьовувались на ПК за допомогою спеціального програмного забезпечення.

Наукова новизна одержаних результатів:– 

вперше, шляхом експериментальних досліджень енергетичних характеристик вібраційного змішувача із окремим приводом лопатевого вала, було виявлено діапазон значень віброшвидкості коливань контейнера для досліджуваних змішуваних матеріалів, при якому сумарне значення витрат енергії на привод лопатевого вала і коливання контейнера мінімальне;–

вперше запропоновано використати енергію вібруючої системи змішувача разом із масою завантаженої суміші в приводі руху перемішуючого робочого органа, що дозволило розробити новий вібраційний змішувач із енергозберігаючим віброприводом лопатевого вала;– 

вперше розроблено математичну модель системи вібропривода змішувача з дебалансним віброзбуджувачем та маятниковим перетворювачем руху у вигляді динамічної системи з п'ятьма ступенями вільності та проведено її дослідження за допомогою спеціально розробленого програмного забезпечення;– 

вперше науково обгрунтовано вибір положення маятникового механізму вільного ходу, його геометричні та масові параметри в залежності від розташування осі дебалансного віброзбуджувача для отримання заданого обертового моменту та кутової швидкості вала перемішуючого органа.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено нові конструктивні схеми вібраційних змішувачів із приводом лопатевого вала у вигляді маятникового механізму вільного ходу, із неколивним лопатевим валом, із двохмасовим віброімпульсним приводом неколивного лопатевого вала, які забезпечують зниження витрат енергії. Розроблено методику та створено програмне забезпечення для проектного розрахунку параметрів енергозберігаючого вібропривода створених змішувачів.

Розроблено і виготовлено експериментальний зразок вібраційного змішувача із окремим приводом лопатевого вала для внесення преміксів у комбікорми, який впроваджено у птахорадгоспі “Кирсанівський” Тульчинського району Вінницької області. Це забезпечило значне підвищення інтенсивності процесу змішування та зменшення енерговитрат на привод змішувача. Технічну документацію на запропонований енергозберігаючий привод змішувача передано для використання на переробні підприємства Вінницької області.

Особистий внесок здобувача. Основні наукові результати дисертації одержано автором самостійно. Проведено експериментальні дослідження енергетичних характеристик вібраційних змішувачів, запропоновано методику визначення навантаження приводу вібраційного змішувача [1, 9, 10, 11, 12]. Проаналізовано модель динаміки маятникового механізму вільного ходу [2]. Запропоновано схему вібраційного змішувача із двохмасовим маятниковим віброприводом [5]. Розроблено відмінні ознаки конструктивних схем вібраційних змішувачів із приводом лопатевого валу у вигляді маятникового механізму вільного ходу [6, 11, 12] та з неколивним валом [7, 13]. Запропоновані методи запобігання сегрегації при вібраційному змішуванні [15].

Апробація результатів дисертації. Основні наукові матеріали та результати досліджень доповідались на міжнародних науково-технічних конференціях:Austrian Symposium “Agriculture: Science and Practice”, Lviv-1996; “Прогрессивные технологии машиностроения и современность”, Донецк-1997;ptmts “Modelowanie w mechanice”, Gliwice 1997; IV Міжнародній НТК “Теория и практика процессов измельчения, разделения и уплотнения”, Одесса-1996; ІІІ міжнародній НТК “Вібрації в техніці та технологіях”, Евпатория-1998, на науково-технічних конференціях ВДТУ (м. Вінниця, 1997- 2000), а також на наукових семінарах кафедри МРВ та ОАВ ВДТУ.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 15 робіт, серед яких 5 статей у наукових журналах, 8 матеріалів та тез конференцій і отримано 2 патенти України на винаходи.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Основний зміст викладено на 158 сторінках, дисертація містить 70 рисунків. Список використаних джерел, який містить 127 найменування, подано на 14 сторінках. Додатки містять 31 сторінку. Повний обсяг дисертації 203 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність проблеми, сформульовано мету, задачі досліджень, наукову новизну та практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі визначено місце, розглянуто особливості технології вібраційного змішування у сучасному виробництві. Розглянуто основні принципові схеми та види приводів, що використовуються при вібраційному змішуванні. Проведено аналіз і наведено класифікаційну таблицю конструктивних схем та приводів вібраційних змішувачів. Сформульовано задачі досліджень.

Значний внесок у розвиток вібраційної техніки і зокрема приводів вібраційних змішувачів внесли І.С. Афтаназів, А.П. Бабічев, П.С. Берник, І.Х. Гончаревич, П.Д. Денісов, Е.С. Запара, Р.Д. Іскович-Лотоцькиий, В.В. Кафаров, П.П. Овчінніков, В.О. Повідайло, В.М. Потураєв, Г.В. Серга, Л.І. Сердюк, В.П. Франчук та інші.

Ефективність процесів змішування визначається параметрами вібраційного поля, прикладеного до робочих органів змішувача, що значно активізує розглянуті процеси. Так, дія коливного робочого органа призводить до виникнення як загального циркуляційного руху суміші, так і відносного хаотичного переміщення малих елементів середовища, що зумовлює рівномірне руйнування надмолекулярних в'язей структури матеріалу та модифікацію його характеристик: в'язкості, модуля зміщення, ефективного коефіцієнту тертя та інших. Таким чином, у процесах змішування формується структура суміші і визначається якість готової продукції.

При вібраційному впливі знижується опір технологічного середовища та значно збільшується активна поверхня взаємодіючих компонентів. Внаслідок надання взаємодіючим частинкам хаотичного руху і підвищення їхнього енергетичного потенціалу в вібраційному полі, для технологічної системи характерно значне зростання мікро- і макрооднорідності об'єкту обробки. При цьому більш ефективна обробка має місце при використанні регульованих віброприводів, що дозволяють змінювати параметри вібрацій.

Поєднання вібраційного впливу з обертанням місильних органів у контейнері створює зону інтенсивного змішування по всьому робочому об'ємі. Разом з тим, можливість переведення системи, що обробляється, у стан віброкіпіння з відповідним зниженням технологічного опору середовища дає можливість у 10-15 раз збільшити частоту обертання робочих органів без підвищення температури маси продукції понад допустиму, а короткотривалість обробки та зниження потужності привода зумовлює значне зниження загальних витрат електроенергії. Крім того, в умовах вібраційного поля значно зменшується вплив деяких факторів, що перешкоджають рівномірному розподілу компонентів у загальному об'ємі: тертя матеріалу по стінці робочої камери, вплив геометричних параметрів зони обробки і відмінність фізико-механічних властивостей компонентів системи.

Проведено огляд конструктивних схем, технічних можливостей і характеристик вібраційних перетворювачів руху, які використовують енергію вібруючої системи змішувача разом із масою завантаженої суміші і не потребують додаткових джерел енергії.

Динаміка кінетично збуджуваного маятника при впливі на точку його підвісу плоского та просторового вібраційного поля, який є ведучою ланкою вібраційних перетворювачів руху, досліджувалась у роботах М.А. Айзермана, С.С. Арутюнова, Б.Д. Білоуса, І.І. Блехмана, М.М. Боголюбова, А.Я. Гадіоненко, П.Л. Капіци, А.Е. Кобрінського, К.М. Рагульскіса та інших.

Вібраційні перетворювачі руху складаються із ведучої та веденої систем, зв'язок між якими здійснюється за допомогою механізму вільного ходу. Ведуча система частіше представляє собою фізичний маятник, кінетично збуджуваний від приводу збудження коливань робочого органа вібромашини. Ведена система включає вихідний вал перетворювача та виконавчий механізм, що приводиться до руху за допомогою перетворювача. Можливо також об'єднання ведучої і веденої структур в одну систему, пов'язану через механізм вільного ходу з робочим органом вібромашини (в даному виконанні при зворотному ході механізм вільного ходу жорстко з'єднує робочий орган вібромашини та перетворювач руху). В якості механізму вільного ходу можливе застосування храпових, фрикційних, електромагнітних механізмів односторонньої дії.

У другому розділі наведено результати попередніх експериментальних досліджень енергетичних характеристик вібраційного змішувача із окремим приводом лопатевого вала. В якості основних параметрів, що досліджувались, було прийнято:– 

енергетичні характеристики машини, а саме, потужності приведення лопатевого вала NЛ і віброзбуджувача NВ;– 

силові параметри, серед яких можна виділити величину збуджуючої сили F і пускового моменту М на лопатевому валі;– 

робочі параметри вібрації, зокрема, амплітуда коливань А контейнера, частота обертання лопатевого вала nЛ і приводного вала віброзбуджувача nВ;– 

технологічні параметри процесу: ступінь рівномірності змішування і час обробки t.

Рис. 1. Схема віброзмішувача із незалежним приводом лопатевого вала

Експериментальний змішувач (рис. ) містить зварну раму 1, на якій за допомогою спіральних пружин 2 встановлено корпус 3 ємністю 200 літрів. До нижньої частини корпусу 3 приєднано віброзбуджувач 4 дебалансного типу, а в середній частині змонтовано вал 6 з лопатями 7, що обертається від приводного двигуна 9. Вібраційне поле, що створюється в розглядуваному змішувачі, дозволяє не тільки інтенсифікувати процес обробки, але і зменшити енерговитрати на приведення лопатевого механізму за рахунок зменшення структурної в'язкості і, відповідно, технологічного опору змішуваного матеріалу.

При здійсненні експериментальних досліджень даного віброзмішувача було поставлено задачу отримання інтерполяційних залежностей витрат енергії на привод збудження коливань та на привод лопатевого вала в процесі вібраційного змішування. Після реалізації експерименту були отримані залежності, які представлені в графічному вигляді (рис. 2).

Рис. 2. Залежність енергетичних параметрів віброзмішувача від величини віброшвидкості (АwВ) для даного робочого режиму (nЛ=30 об/хв, nВ=940 об/хв); NS=NЛ+NВ - сумарні енерговитрати в змішувачі

Зі зростанням величини збуджуючої сили F амплітуда коливань корпуса змішувача А і потужність, що споживається віброзбуджувачем NВ, збільшуються практично пропорційно. З підвищенням ступеню завантаженості робочої камери амплітуда коливань контейнерна зменшується, а витрати потужності на вібропривод зростають. У той же час зростання амплітуди коливань А супроводжується майже квадратичним підвищенням потужності NВ, що зумовлює все більше розсіювання енергії в технологічному середовищі.

Величина пускового моменту на валі привода лопатевого механізму залежить як від ступеню завантаження контейнера, так і від напрямку його обертання відносно циркуляційного руху маси завантаження. Зі збільшенням маси завантаження змішувача момент, необхідний для приведення лопатевого вала, також збільшується. Циркуляційний рух або макропереміщення технологічного середовища у вібраційному полі створює певний тиск на лопаті, що зумовлює додатковий опір маси завантаження при обертанні лопатей назустріч даному руху.

Енергетичні характеристики також показують, що зростання кутової швидкості обертання лопатевого вала супроводжується різким збільшенням потужності привода лопатевого вала та незначним (у межах 10%) зменшенням потужності привода віброзбуджувача. Разом з тим, підвищення амплітуди коливань контейнерна з 1,4 до 4,0 мм призводить до значного зменшення (приблизно в 3ё5 раз) енерговитрат на приведення лопатевого механізму при одночасному підвищенні потужності вібропривода в 2ё3 рази.

Зростання віброшвидкості Аw супроводжується незначним підвищенням потужності привода віброзбуджувача та досить різким зменшенням енерговитрат на привод лопатевого вала. Це зумовлює появу яскраво вираженого мінімуму сумарних енерговитрат NS на роботу лопатевого механізму при віброшвидкості Аw=0,6ё0,8 м/с.

У ході проведення експериментальних досліджень було виявлено наступне. Як видно з рис. , існує залежність між потужностями привода лопатевого вала NЛ і віброзбуджувача NВ та величиною віброшвидкості Аw, а саме:– 

при споживанні мінімальної потужності віброзбуджувачем – на лопатевому валі споживається максимальна потужність;– 

при споживанні максимальної потужності віброзбуджувачем – на лопатевому валі споживається мінімальна потужність;

Це пояснюється зміною опору змішуваної суміші при переведенні її із стану спокою у вібруючий (“віброкиплячий”) стан.

Головне, що було виявлено в ході експе-рименту – це те, що існує такий режим навантаження віброзбуджувача та лопатевого вала, при якому сумарне використання потужностей на обох приводах є мінімальним.

Виходячи із проблеми мінімізації витрат енергії в процесі вібраційного змішування було поста-влено задачу зменшення витрат потужності на привод вібраційного змішувача. Як вирішення цієї задачі, виходячи із виявлених залежностей, було запропоновано замість окремого двигуна на приводі лопатевого вала використати вібраційний перетворювач руху, який би, використовуючи енергію вібруючої системи змішувача разом із масою завантаженої суміші, дозволяв отримати необхідний крутний момент та кутову швидкість на лопатевому валі. Крім значного зниження витрат енергії у процесі змішування, таке конструктивне рішення дозволяє не використовувати додатковий двигун для приводу лопатевого вала, що знижує собівартість вібраційного змішувача та збільшує його надійність в роботі.

Запропоновано ряд конструктивних схем, в яких привод лопатевого вала реалізується за допомогою маятникового механізму вільного ходу, який використовує енергію вібруючої системи змішувача разом із масою завантаженої суміші.

На рис. подано схему розробленого віброзмішувача. Корпус 1, встановлено на пружинах 2, всередині якого розміщено вал 3 з лопатями 4. Положення вала в корпусі і можливість його обертання забезпечується підшипниками 5. До кінців вала, виведених за межі торцевих стінок контейнерна, жорстко прикріплено ведені ланки 6 механізмів вільного ходу. До ведучих ланок 7 механізмів вільного ходу прикріплено маятники 8 з вантажем 9. Маятники з вантажем з'єднані з корпусом змішувача пружинами 10. До днища корпуса прикріплено віброзбуджувач 11, а вся конструкція через пружини 2 спирається на раму 12. При включенні віброзбуджувача 11 корпус 1 починає виконувати кругові коливання в вертикальній площині, розташованій перпендикулярно повздовжній осі змішувача. Генеруємі віброзбуджувачем гармонійні коливання викликають крутильні коливання маятника 8. Власні частоти коливань маятників з вантажем вибирають приблизно рівними частоті коливань корпуса, але відмінними між собою, щоб створити їхні протифазні коливання. Коливання маятників 8, близькі до резонансних і через з'єднані з ними ведучі ланки 7 механізмів вільного ходу перетворюються в обертальний рух вала 3 з лопатями 4. Напрямок обертання вала задають зворотнім циркуляційному обертанню завантаження, щоб процес змішування відбувався найбільш інтенсивно.

Рис. 3. Схема віброзмішувача з маятниковим механізмом вільного ходу в якості привода лопатевого вала

Змінюючи масу вантажів 9, їхню відстань до осі вала, а також жорсткість пружин 10, можливо керувати швидкістю обертання та величиною крутного моменту лопатевого вала.

Маятниковий механізм необхідно встановити таким чином, щоб максимально використати потенційну енергію вантажу 9 при русі вниз і момент сили ваги вантажу відносно осі лопатевого валу. Крім того, жорсткість пружин 10, маса вантажу і відстань від центра мас до осі вала 3 підбираються з умови забезпечення резонансного режиму роботи механізму вільного ходу. При цьому амплітуда коливань маятників виявляється в 8-15 раз більша за амплітуду коливань контейнерна, що дозволяє останньому провернутися на 5-15о за один оберт дебалансного вала. При масі вантажу 30..50 кг і відстані до осі вала 0,5 м виникає значний крутний момент на лопатевому валі величина якого досягає 1,5 кНЧм.

У третьому розділі наведено результати досліджень динаміки руху системи вібропривода нового змішувача з дебалансним віброзбуджувачем та маятниковим перетворювачем руху в якості привода лопатевого вала.

Цикл роботи маятникового механізму в розглянутій машині можна поділити на робочий хід, коли маятник з вантажем провертається разом з лопатевим валом і холостий хід, під час якого відбувається рух, що відновлює положення механізму вільного ходу.

Основним елементом вібраційних перетворювачів руху є підпpужинений маятник (рис. ), встановлений на ведучій обоймі механізму вільного ходу. В залежності від потреб, для приводу допоміжних технологічних механізмів вібраційного обладнання з плоским вібраційним полем, використовують вібраційні перетворювачі руху, що конструктивно об'єднують декілька підпpужинених маятників. Ці маятники, виходячи з міркувань зменшення габаритних розмірів перетворювачів і забезпечення необхідних механічних характеристик, розміщують у площині вібраційного поля навколо однієї осі з певним кутовим кроком.

Рис. 4. Розрахункова схема системи вібропривода змішувача: 1– контейнер; 2– пружні опори; 3– дебалансний вібропривод; 4– вісь лопатевого вала; 5– механізм вільного ходу; 6– маятник із вантажем; 7– пружини маятника.

Модель динаміки руху системи вібропривода змішувача з дебалансним віброзбуджувачем та маятниковим перетворювачем руху в якості привода лопатевого вала має п'ять ступенів вільності, тому рух машини буде описаний п'ятьма диференціальними рівняннями другого порядку.

(1)

(2)

(3)

(4)

, (5)

де x1, y1– координати центра мас контейнера, які є одночасно координатами осі обертання лопатевого валу;

j1– кут повороту контейнера;

m1– маса контейнера разом із завантаженням, , де k – коефіцієнт приєднаної маси (0,2ё0,8);

I1– момент інерції контейнера відносно центра мас із врахуванням приєднаної маси;

j2– кут повороту маятника механізму вільного ходу відносно положення статичної рівноваги;

m2– маса маятника;

a – початковий кут нахилу маятника до горизонтальної площини;

j3 – кут повороту дебаланса відносно контейнера;

m3– маса дебаланса;

b – кут, що визначає положення дебалансного віброзбуджувача відносно контейнера;

m4– маса лопатевого вала та механізму вільного ходу;

I4– момент інерції лопатевого вала та механізму вільного ходу відносно осі обертання;

b1x, b1y, b1j– коефіцієнти лінійного та кутового в'язкого опору;

с1x, с1y, с1j– коефіцієнти лінійного та кутового пружного опору;

с2j– кутова жорсткість пружин маятника;

BC=R=l1– відстань від осі обертання лопатевого валу до осі обертання дебаланса;

AC=l2– відстань від центра мас маятника до осі обертання;

BD=l3– ексцентриситет дебаланса.

Отримані диференціальні рівняння руху (1-5) являють собою нелінійну систему рівнянь зі змінними коефіцієнтами, що значно ускладнює її розв'язок і аналіз. Дані рівняння було розв'язано аналітичним і чисельним методами. Спеціально розроблене програмне забезпечення на мові програмування Delphi 5.5 дає змогу оцінити вплив окремих параметрів вібраційного змішувача на поведінку механічної системи та отримувати відповідні графіки переміщень (рис. ), виконати якісний і кількісний аналіз динаміки процесу вібраційного змішування, отримати закон руху осі лопатевого вала.

Рис. 5. Отримані за допомогою розробленого програмного забезпечення графіки переміщень точки підвісу маятника вздовж осі X, Y, та зміна кута повороту контейнера Fi та кута повороту маятника Fim

Виходячи з умови складання диференціальних рівнянь руху та прийнятих припущень, центр мас контейнера, який лежить на осі лопатевого вала є точкою підвісу маятника, який є ведучою ланкою в приводі лопатевого вала. Тому для аналізу роботи привода лопатевого вала у вигляді маятникового механізму вільного ходу необхідно використовувати отримані закони руху осі лопатевого вала.

У четвертому розділі проведено експериментальні дослідження вібраційного змішувача з маятниковим механізмом вільного ходу. При порівнянні теоретично отриманої траєкторії руху точки підвісу маятника (рис.6, а) з експериментальною (рис.6, б), виявлено, що розбіжність складає – 7,4%, що є допустимим для прийняття запропонованої математичної моделі динаміки як такої, що має чинність.

Рис. 6. Траекторія руху точки підвісу маятника: а) отримана математичним моделюванням за допомогою розробленого програмного забезпечення; б) отримана експериментально за допомогою цифрового фотопристрою EpsonPC500.

У експериментально-дослідному зразку змішувача був застосований маятник m2=40 кг, механізм вільного ходу від пускового двигуна СМД, l2=450 мм, b=0, a=p. Результати експериментальних досліджень представлені на рис.7, підтверджують зниження енерговитрат у порівнянні зі змішуванням з двома окремими приводами лопатевого вала та дебалансного віброзбуджувача на 80ё85%, при цьому досягається необхідна технологічна швидкість обертання та момент на лопатевому валу.

Рис. 7. Експериментально знайдені залежності потужності споживання віброприводом Nв, частоти обертання лопатевого вала n і крутного моменту на лопатевому валі M від віброшвидкості Aw, Nвл– споживання потужності віброприводом при наявності окремого привода лопатевого вала

У п'ятому розділі розроблено практичні рекомендацій щодо застосування та розвитку процесу вібраційного змішування. Розглянуто варіанти розташування маятникового механізму вільного ходу по відношенню до віброзбуджувача, що дозволило виявити його геометричні та масові параметри для отримання максимального обертового моменту на лопатевому валі. Розроблено методику визначення конструктивних параметрів маятникового механізму; розроблено засоби підвищення продуктивності процесу змішування.

Розрахункову схему підпpужиненого маятника, розміщеного під довільним кутом jс до горизонтальної осі ОХ нерухомої системи координат ОХУZ, представлено на рис. 8, а його вимушені коливання з врахуванням моменту інерції лопатевого вала та опору середовища описуються диференціальними рівняннями вигляду:

Холостий хід

(6)

Робочий хід

(7)

де Iм, Iв – моменти інерції маятника і лопатевого валу відносно осі підвісу О`;

а – відстань від осі підвісу маятника до точки кріплення пружин;

l – коефіцієнт опору;

Mо.с.– момент опору середовища.

Рис. 8. Розрахункова схема підпружиненого маятника, вільно розміщеного у плоскому вібраційному полі

Розглядаючи малі коливання маятника, як завгодно розміщеного в плоскому вібраційному полі (sіnj=j; cosj=1), і розв'язуючи диференціальне рівняння руху, знаходимо положення маятника в просторі, при якому момент на лопатевому валі буде максимальний. На підставі розв'язку цього рівняння в роботі визначено, що амплітуда коливань маятника буде максимальною, коли лінія, що з'єднує вісь підвісу і центр мас у стані рівноваги, буде перпе-ндикулярна до великої осі еліпса траєкторії руху лопатевого вала. При закріпленні віброзбуджувача під кутом b=0 по відношенню до корпусу вібраційного змішувача більша вісь еліпса траєкторії руху лопатевого вала буде розташована вертикально, тому доцільно встановлювати маятник горизонтально (a=p), причому так, щоб робочий хід маятника відбувався при ході маятника донизу.

З отриманих результатів було сформульовано основні тенденції розвитку процесу вібраційного змішування як технологічні, так і конструктивні. Запропоновано перспективні засоби змішування.

У процесах вібраційного змішування матеріалів із великою різницею питомої ваги може відбуватись таке негативне явище, як сегрегація. У роботі розглянуто та систематизовано основні методи боротьби із сегрегацією.

Висновки

У дисертації вирішено важливу проблему створення енергозберігаючого вібропривода нового змішувача для переробних виробництв, що дає можливість у подальшому розвивати та удосконалювати системи приводів у вібраційній техніці та технологіях.

1. В результаті проведеного аналізу існуючих конструктивних схем вібраційних змішувачів виявлено, що сумарні витрати енергії на привод збудження коливань та на привод перемішуючого робочого органа нераціонально великі і можуть бути знижені шляхом встановлення відповідних параметрів вібраційного поля, при яких витрати на привод перемішуючого робочого органа зменшуються за рахунок зниження опору змішуваної суміші при введенні її у вібруючий (віброкиплячий) стан.

2. Результати експериментальних досліджень енергетичних характеристик вібраційних змішувачів із незалежним приводом лопатевого вала дозволили вперше виявити значення віброшвидкості (Аw=0,6ё0,8 м/с ), при якому сумарне значення витрат енергії на приводи мінімальне і у 4ё5 разів менше, ніж у звичайних (не вібраційних) змішувачах.

3. Запропоновано ряд нових конструктивних схем вібраційних змішувачів, у яких забезпечується коливання контейнера і обертання лопатевого вала від одного приводу. В якості привода лопатевого вала застосовано вібраційні перетворювачі руху з механізмами вільного ходу, які використовують енергію вібруючої системи змішувача разом із масою завантаженої суміші.

4. Розроблено математичну модель динаміки руху системи вібропривода змішувача з дебалансним віброзбуджувачем та маятниковим перетворювачем руху в якості приводу лопатевого вала у вигляді системи 5-ти диференціальних рівнянь ІІ-го порядку. В результаті теоретичних досліджень математичної моделі знайдено аналітичний і чисельний розв'язок цих рівнянь, що дозволило визначити закон руху точки підвісу маятника – ведучої ланки механізму вільного ходу в залежності від геометричних, масових і частотних параметрів, які характеризують процес змішування.

5. Порівняльний аналіз результатів розв'язків рівнянь, отриманих за допомогою ПК, із експериментальними даними показав достатньо високу адеква-тність (розбіжність результатів < 10%) розробленої математичної моделі реальній конструкції експериментального зразка вібраційного змішувача із вібраційним перетворювачем руху у вигляді маятникового механізму вільного ходу в якості привода лопатевого вала. Експериментально підтверджено, що використання такого приводу забезпечує зниження сумарних витрат енергії на 80ё85% в порівнянні з вібраційним змішувачем з окремим приводом лопатевого вала.

6. В результаті теоретичного дослідження динаміки руху маятника із вібруючою точкою підвісу, як завгодно розміщеного у плоскому вібраційному полі, встановлено, що максимальний крутний момент на лопатевому валу досягається за умови розташування точки підвісу та центра мас маятника на лінії, яка перпендикулярна до великої осі еліпса траєкторії руху точки підвісу.

7. Розроблено науково обгрунтовану методика проектного розрахунку параметрів системи привода лопатевого вала від вібраційного перетворювача руху у вигляді маятникового механізму вільного ходу, що реалізується за допомогою створеного програмного забезпечення на ПК.

8. Розроблено заходи щодо подальшого впровадження енергозберігаючого вібропривода у змішувачах для переробних виробництв. Технічну документацію на запропонований привод передано для використання на переробні підприємства Вінницької області.

Публікації за матеріалами дисертаційної роботи:

1. Іскович-Лотоцький Р.Д., Ярошенко Л.В., Берник М.П. Дослідження привідних характеристик віброзмішувача // Вибрации в технике и технологиях. – . – №1(3). – С.26-31.

2. Білоус Б.Д., Берник М.П., Білоус А.Б. Математична модель динаміки підпружиненого маятника як завгодно розміщеного в плоскому вібраційному полі // Вибрации в технике и технологиях. – . – №1(4). – С.70-72.

3. Берник М. П. Варіанти конструктивного виконання віброзмішувачів // Вибрации в технике и технологиях. – . – №1(5). –.

4. Берник М.П. Віброімпульсні енергозберігаючі приводи вібраційних змішувачів // Вибрации в технике и технологиях. – . – №3(12). –.

5. Іскович-Лотоцький Р.Д., Білоус Б.Д., Берник М.П. Двохмасові вібраційні перетворювачі руху // Вісник ВПІ. – . – №1. –.

6. Патент на винахід. Вібраційний змішувач. №96114244. Україна, МПК В01F11/00. Іскович-Лотоцкий Р.Д., Берник М.П., Білоус Б.Д. Заявлено 02.06.98; Опубліковано 02.06.98. Бюл. №4. – с.

7. Патент на винахід. Вібраційний змішувач. №32733А. Україна, МПК В01F11/00. Іскович-Лотоцкий Р.Д., Берник М.П., Ярошенко Л.В., Денісов П.Д. Заявлено 02.03.98; Опубліковано 15.02.01. Бюл. №1. – с.

8. Берник М.П. Некоторые конструкции устройств для разделения технологической загрузки и обрабатываемых деталей в тороидальных машинах // Материалы ІІ международной научно-технической конференции “Применение колебаний в технологиях. Расчет и проектирование машин для реализации технологий”. – Винница. – . – С.56-57.

9.L.V., Bernik M.P., Pedorenko O.M., Khomiakovskij Y.L. Vibration Mixer // Collection of abstracts Ukraine-Austrian Symposium “Agriculture: Science and Practice”. –– . – С.171.

10. Ярошенко Л.В., Іскович-Лотоцкий Р.Д., Берник М.П. Дослідження енергетичних характеристик вібраційного змішувача // Матеріали міжнародної НТК “Проблеми та перспективи створення бурякозбиральної техніки”. – Вінниця: ВДСГІ. – . – С.163-167.

11. Ярошенко Л.В., Берник М.П. Деякі конструкції віброзмішувачів та дослідження їх енергетичних характеристик // IV Международная НТК “Теория и практика процессов измельчения, разделения и уплотнения”. – Одесса. – 1996.– С.64-68.

12. Ярошенко Л.В., Іскович-Лотоцький Р.Д., Берник М.П. Некоторые конструкции вибросмесителей и исследование их энергетических характеристик // Sympozjon ptmts “Modelowanie w mechanice”. –– . – Р.171-178.

13. Ярошенко Л.В., Берник М.П. Вибрационній смеситель с неколеблющимся валом // Международная НТК “Прогрессивные технологии машиностроения и современность”. – Донецк. – . – С.267-268.

14. Берник М.П. Перспективные способы перемешивания материалов на энергонапряженных смесителях // ІІІ международная НТК конференция “Вібрації в техніці та технологіях”. – Евпатория. – . – С.46-50.

15.Lototsky and M.Bernik The Development of Segregation Elimination in a Processes of Vibration Mixing // Buletinul Institutului Politehnic Din Iasi. Tomul XLVI (L). Fasc.3-4. Sectia Stinta Si Ingeneria Materialelor. –Universitatea Tehnica “Gh. Asashi”. – . –.

анотаціЯ

Берник М.П. Енергозберігаючий вібропривод нового змішувача для переробних виробництв. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.03 - системи приводів. Вінницький державний технічний університет. Вінниця, 2001.

В дисертації виконаний огляд схем приводів вібраційних змішувачів для змішування сипучих продуктів у різних галузях виробництва. Для попередніх досліджень було обрано конструктивну схему вібраційного змішувача з окремим приводом лопатевого валу та дебалансним віброзбуджувачем. Проведено аналіз енергетичних характеристик вібраційного змішувача, побудовано залежності споживання енергії на лопатевому валу і на віброзбуджувачі. Знайдено такі параметри навантаження вібраційного змішувача, при яких загальні витрати енергії мінімальні.

З метою більшої економії енергії створено новий вібраційний змішувач із приводом лопатевого валу у вигляді механізму вільного ходу, який використовує енергію вібруючої системи змішувача разом із масою завантаженої суміші. Створено та проаналізовано математичну модель динаміки системи вібропривода змішувача з дебалансним віброзбуджувачем та маятниковим перетворювачем руху. Запропоновано інші нові конструкції вібраціїних змішувачів з енергозберігаючим віброприводом. В результаті теоретичного дослідження динаміки руху маятника із вібруючою точкою підвісу, як завгодно розміщеного у плоскому вібраційному полі, встановлено, що максимальний крутний момент на лопатевому валу досягається за умови розташування точки підвісу та центра мас маятника на лінії, яка перпендикулярна до великої осі еліпса траєкторії руху точки підвісу.

Ключові слова: вібропривод, вібраційний змішувач, механізм вільного ходу, підпружинений маятник, енергозбереження.

АННОТАЦИЯ

Берник М.П. Энергозберигающий вибропривод нового смесителя для перерабатывающих производств. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности - 05.02.03 - cистемы приводов. Винницкий государственный технический университет. Винница, 2001.

В диссертации выполнен обзор технологических схем и конструктивных вариантов исполнения приводов смесителей для смешивания сыпучих продуктов в разных областях производства, в которых в виде технологического фактора используется вибрационное поле. Благодаря универсальности, низким энергозатратам, надежности и простоте в использовании предложенные в роботе вибрационные смесители целесообразно использовать в технологических процессах машиностроительного производства, пищевой, химической и фармацевтической промышленности. Практически доказано, что использование оборудования с технологическим наложением вибраций значительно увеличивает качество смешивания.

Для предварительных исследований была выбрана схема вибрационного смесителя с отдельных приводом лопастного вала и дебалансным вибровозбудителем. Был проведен анализ энергетических характеристик вибрационного смесителя, построены зависимости потребления энергии на лопастном валу и на вибровозбудителе. Найдены параметры нагрузки вибрационного смесителя, которые значительно снижают потребление энергии. Впервые определены значения виброскорости (Aw=0,6ё0,8м/c) для исследуемых материалов, при которых суммарное значение затрат энергии на привод лопастного вала и привод возбуждения колебаний контейнера минимальное и в 4-5 раз меньше, чем в обычных (не вибрационных) смесителях.

С целью большей экономии энергии разработан новый вибрационный смеситель с приводом лопастного вала в виде маятникового механизма свободного хода, который использует енергию вибрирующего смесителя вместе с массой загруженной смеси. Такой привод дает возможность получить высокочастотные колебания контейнера и обеспечить низкочастотное (30ё60 об/мин) вращение лопастного вала от одного общего привода.

Предложены другие новые конструкции вибрационных смесителей, которые позволяют увеличить долговечность работы подшипниковых узлов.

Разработаны варианты конструктивного исполнения смесителей с энергозберигающим виброприводом, которые в большей степени позволят снижение удельных энергозатрат. В частности, смеситель с двух массовым выброимпульсным приводом лопастного вала, который жостко закреплен на подшипниковых опорах, которые вынесены за пределы колеблющегося контейнера.

Предложена математическая модель динамики системы вибропривода смесителя с дебалансным вибровозбудителем и маятниковим преобразователем движения в приводе лопастного вала, которая имеет пять степеней свободы.

Разработана и проанализирована математическая модель динамики подпружиненного маятника как ведущего звена механизма свободного хода. Проведен анализ полученных уравнений движения.

Разработано програмное обеспечение на языке програмирования Delphi .5 для проэктировочных расчетов, которое дает возможность оценить влияние отдельных параметров вибрационного смесителя на поведение всей механической системы. Разработаная програма также позволяет сопоставить расчетную и экспериментальную траэкторию движения точки подвеса маятникового механизма свободного хода.

Рассмотрены варианты расположения маятникового механизма свободного хода по отношению к траектории колебаний контейнера вибационного смесителя, что позволило теоретически определить геометрические и массовые параметры для получения максимального крутящего момента и угловой скорости на лопастном валу.

Отмечены также альтернативные методы повышения производительности смешивания путем уменьшения и полного устранения явления сегрегации при вибрационном смешивании.

Ключевые слова: вибропривод, вибрационный смеситель, механизм свободного хода, подпружиненный маятник, энергозбережение.

ANNOTATION

Bernyk M.P. Energy saving vibrational drive of new mixer for processing industry. – Manuscript.

The thesis being submitted for a kandidat's degree on speciality 05.02.03 - driving systems. Vinnytsia State Technical University. Vinnytsia, 2001.

The review of some vibration mixer schemes and their drives for the different areas of production industry is presented in this dissertation. There is one of the most known schemes of vibration mixer is chosen for investigations. Energetic analysis of vibration mixer is made also. It gives the dependencies of power consumption on the mixing shaft and vibration drive. Founded optimal parameters of vibration mixer loading, that let to design a new vibration mixer with mechanism of free movement as a mixing shaft drive. It is designed and analyzed mathematical model of vibrational driving system of mixer with debalance vibrational activator and pendulum movement converter a driving part of mixing shaft. Also there is presented a few more new vibration mixers constructions.

As result of theoretical research of the dynamics of pendulum with vibrating secure point which is placed in a flat vibration field it is determined that maximal torque on the mixing shaft can be achieved when secure point and center of weights laying on the line which is penperdicularly to the greater axis of secure spot trajectory ellipse.

Keywords: vibrational driving, vibrational mixer, mechanism of free movement, springed mass, energy saving.