Національний університет “Львівська політехніка”

Ланець Олексій Степанович

УДК 621.01:621-868

РОЗРОБКА ДИНАМІЧНО ЗРІВНОВАЖЕНИХ ТОРОВИХ ВІБРАЦІЙНИХ МАШИН З ЕЛЕКТРОМАГНІТНИМ ПРИВОДОМ

05.02.02 – машинознавство

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів – 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Національному університеті “Львівська політехніка”

Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Гаврильченко Олександр Віталійович, Національний університет “Львівська політехніка”, завідувач кафедри “Автоматизація та комплексна механізація машинобудівної промисловості”.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, доцент Мартинців Михайло Павлович, Український державний лісотехнічний університет (м. Львів), професор кафедри “Прикладна механіка”; кандидат технічних наук, доцент Гордєєв Анатолій Іванович, Технологічний університет Поділля (м. Хмельницький), доцент кафедри “Технологія машинобудування”.

Провідна установа: Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України, кафедра “Деталі машин” (м. Харків).

Захист відбудеться 25 вересня 2002 р. о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.06 у Національному університеті “Львівська політехніка” за адресою: 79013, м. Львів-13, вул. С. Бандери, 12, ауд. 226, гол. корп.

З дисертацією можна ознайомитись у науково-технічній бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” за адресою: 79013, м. Львів-13, вул. Професорська, 1.

Автореферат розісланий “23” серпня 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Форнальчик Є. Ю.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Створення надійного і високопродуктивного обладнання – важливий чинник у розвитку сучасних технологій машинобудівної промисловості. Серед них - вібраційна об'ємна обробка заготовок і деталей, вдосконалення якої неможливе без застосування нових вібраційних машин (ВМ). Розроблення з цією метою торових ВМ з електромагнітним приводом обумовлюють наступні чинники: високий рівень надійності, можливість використання на ділянках автоматичних ліній, високі продуктивність і технологічність, нормативні санітарно-експлуатаційні характеристики. Для таких ВМ зниження питомих затрат споживаної енергії, усунення передачі коливань на фундамент, розширення їх технологічних можливостей є актуальним завданням, розв'язанню якого присвячена дисертація.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась у рамках наукових досліджень кафедри “Автоматизація та комплексна механізація машинобудівної промисловості” Національного університету “Львівська політехніка” згідно з програмою “Створення та дослідження вібраційних транспортно-орієнтуючих модулів для живлення автоматизованого технологічного обладнання при пакуванні, фасуванні та лічбі харчових продуктів і промислових виробів” (№ державної реєстрації 0101U000878) і спрямована на розв'язання науково-технічної задачі з впровадження нових зразків ВМ.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка конструктивних схем торових динамічно зрівноважених ВМ з електромагнітним приводом зі зниженими питомими затратами енергії, без передачі коливань на фундамент, кінематичним збуренням складових амплітуди коливань контейнерів як у вертикальному, так і горизонтальному напрямках з можливістю їх незалежного регулювання.

Задачі дослідження: 1. Розроблення та дослідження конструктивних схем торових динамічно зрівноважених ВМ з електромагнітним приводом.

2. Дослідження кінематичних параметрів запропонованих ВМ.

3. Розроблення методики розрахунків пружних систем та електромагнітного віброзбудника запропонованих ВМ.

4. Експериментальна перевірка теоретичних положень.

Об'єкт дослідження - торові ВМ з електромагнітним приводом.

Предмет дослідження - питомі затрати енергії, передача коливань на фундамент, кінематичні збурення амплітуд коливань робочих органів в горизонтальному напрямку, кінематичні параметри механічних коливних систем, аналітичні залежності з розрахунку пружних систем та електромагнітного віброзбудника, розширення технологічних можливостей запропонованих ВМ.

Методи досліджень. Методи динамічного зрівноваження та кінематичного збурення; використання рівнянь Лагранжа ІІ-го роду; методи, основані на законах теорії пружності; використання принципу д'Аламбера, канонічних рівнянь методу сил, розкладу в спектральний ряд за допомогою перетворення Фур'є.

Наукова новизна одержаних результатів: На основі принципу динамічного зрівноваження коливних мас, який зумовлює зниження питомих затрат енергії, усунення передачі коливань на фундамент, вперше отримано п'яти-, шести-, семимасні торові ВМ з електромагнітним приводом та віброоброблювальні комплекси на їх базі. Обґрунтовано мінімальну необхідність і достатність використаної кількості коливних мас в запропонованих багатомасних конструкціях ВМ для досягнення необхідних конструктивних та технологічних можливостей. Розроблено математичні моделі запропонованих ВМ. Запропоновано методики розрахунку на жорсткість та міцність плоских та вертикальних пружних систем багатомасних торових ВМ з електромагнітним приводом. Отримано аналітичну залежність для розрахунку оптимальної довжини пружного стрижня вертикальної пружної системи з умови рівності резонансних налагоджувань за двома узагальненими координатами. Запропоновано методику розрахунку електромагнітного віброзбудника за максимальним зусиллям основної гармоніки, на основі розв'язку диференціального рівняння, яке описує закон зміни сили струму в котушках електромагнітних віброзбудників.

Практичне значення одержаних результатів. Запропоновані конструктивні схеми ВМ мають ширші технологічні можливості та значно вищу надійність порівняно з поширеними дебалансними і вони можуть замінити їх. Розроблені методики інженерних розрахунків пружних систем та електромагнітного віброзбудника дають змогу використовувати їх безпосередньо при конструюванні торових ВМ з електромагнітним приводом. Ці методики та принципи побудови динамічно зрівноважених ВМ впроваджені на “Львівському ремонтно-механічному заводі” (м. Львів).

Особистий внесок здобувача. У спільних роботах автору належить: в [1-3, 14] – порядок розрахунку електромагнітного віброзбудника за максимальним значенням зусилля основної гармоніки, а також виведення аналітичної залежності сили струму від часу в котушках електромагнітних віброзбудників; в [5, 7] – аналітичні залежності для розрахунку на жорсткість та міцність плоских пружних систем; в [6, 8] – аналітичні залежності для розрахунку на жорсткість і міцність вертикальної пружної системи та вираз для розрахунку оптимальної довжини пружного стрижня вертикальної пружної системи з умови рівності резонансних налагоджувань за двома узагальненими координатами; в [4, 9-13, 15, 16] – конструктивна розробка та складення математичних моделей багатомасних торових ВМ з електромагнітним приводом.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались та обговорювались на 5-му міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків у Львові (Львів, 2001 р.), двох Всеукраїнських наукових конференціях “Сучасні проблеми прикладної математики та інформатики” (Львів, 2000 р. та 2001 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 16 праць, з яких 9 - у наукових фахових виданнях України та 4 патенти України. Загальний обсяг надрукованих матеріалів становить 3 друк. арк.‚ в т.ч. автору належить 2.5 друк. арк.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, списку використаних джерел (103 найменування) та шести додатків. Кожен розділ містить основну частину та висновки з них. Дисертація має 143 сторінки тексту, 62 рисунки, 2 таблиці та 31 сторінку додатку. Загальний обсяг роботи 202 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету та задачі досліджень, окреслено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі проаналізовано існуючі конструкції одномасних, двомасних і тримасних торових ВМ з електромагнітним приводом, на основі чого встановлено, що актуальним для цих ВМ є завдання щодо зменшення питомих затрат енергії, усунення передачі коливань на фундамент, кінематичного збурення складових амплітуд коливань робочих органів не тільки в вертикальному, але і горизонтальному напрямках з можливістю їх незалежного регулювання. Проаналізовано також існуючі способи віброізоляції торових ВМ з електромагнітним приводом. Встановлено, що за допомогою існуючих способів неможливо усунути передачу вібрації на фундамент. Використання методу зрівноважування динамічних сил, який теоретично допускає повну віброізоляцію, дасть змогу усунути передачу вібрації на фундамент. Встановлено також, що на продуктивність вібраційної об'ємної обробки деталей найбільший вплив має амплітуда та частота коливань контейнера, а тому забезпечення відповідних значень цих параметрів у ВМ є умовою їх ефективної роботи. На основі аналізу математичних моделей торових ВМ з електромагнітним приводом, розподілу затрат енергії під час їх роботи сформульовано задачі дослідження.

У другому розділі обгрунтовано передумови створення нових конструкцій торових ВМ з електромагнітним приводом, розглядаються основні етапи їх побудови, детально описуються конструкції та принцип роботи цих ВМ.

На рис.1а наведена конструктивна схема п'ятимасної ВМ. Використання у цій ВМ симетричної електромеханічної системи відносно горизонтальної площини дозволяє позбавити кутових та вертикальних коливань реактивну масу 3 під час її роботи завдяки тому, що активні маси 1, 2 та контейнери 4, 5 коливаються у протифазі одне відносно одного. Цим досягається усунення передачі коливань на фундамент у вертикальному напрямку. Конструкція п'ятимасної ВМ є достатньою для того, щоб отримати високі амплітуди коливань контейнерів внаслідок кінематичного збурення з одночасним усуненням передачі коливань на фундамент ВМ у вертикальному напрямку.

З метою незалежного регулювання горизонтальних і вертикальних амплітуд коливань контейнера запропонована конструкція шестимасної ВМ (рис.1б). На відміну від п'ятимасної, активні маси цієї ВМ з'єднані між собою жорстким кожухом 9 у вигляді порожнистого циліндра.

Для забезпечення відповідних амплітуд коливань контейнера в горизонтальному напрямку внаслідок кінематичного збурення при незалежному регулюванні співвідношення горизонтальних і вертикальних амплітуд коливань контейнера запропонована конструкція семимасної ВМ (рис.1в). Для цього, на відміну від шестимасної ВМ, ця ВМ містить додатково проміжну масу 10 у вигляді порожнистого циліндра, який розташований вертикально та симетрично відносно горизонтальної площини і кріпиться до верхньої та нижньої половин пружного стрижня 6.

Удосконалення описаних конструкцій ВМ повинно здійснюватися у напрямку усунен-

а) б) в)

Рис.1. Конструктивні схеми п'яти- (а), шести- (б) та семимасної (в) торових ВМ де: 1 і 2 - відповідно перша та друга активні маси; 3- реактивна маса; 4 і 5- відповідно перший та другий контейнери; 6- пружний стрижень; 7 і 8- відповідно перша та друга плоскі пружні аааааааааааааааааааааааааааасистеми; 9- кожух; 10- проміжна маса

ня передачі коливань на фундамент, як у вертикальному, так і в горизонтальному напрямках. З цією метою розроблено віброкомплекс, який складається з чотирьох однакових п'ятимасних ВМ, розташованих симетрично по колу з відповідним інтервалом, при цьому рама кожної ВМ жорстко з'єднана з реактивною масою. Між собою рами всіх ВМ також жорстко з'єднані. Це забезпечує усунення горизонтальних складових вібрацій, завдяки взаємозрівноваженню горизонтальних складових інерційних сил від кожної ВМ. Оскільки конструкції п'ятимасних ВМ мають повністю зрівноважені вертикальні складові вібрацій, то механічна коливна система комплексу повністю зрівноважена як у горизонтальному, так і вертикальному напрямках, отже вібрація на фундамент не передається. Аналогічні -масні віброкомплекси можна утворити на базі інших запропонованих багатомасних ВМ.

Рис.2. Залежність передачі коливань реактивної маси ВМ () за період відносно коливань активних мас від зсуву фаз між їх амплітудами коливань

Крім цього, у запропонованих ВМ вертикальна пружна система складається лише з одного пружного елемента, що спрощує її виготовлення. Наявність кількох окремих контейнерів у ВМ дає змогу за одну операцію обробляти кілька типів деталей.

Обґрунтовано також потребу усунення передачі коливань на фундамент в запропонованих динамічно зрівноважених ВМ. Для цього досліджуються коливні рухи активних мас 1 та 2, які коливаються у протифазі, та реактивної маси 3 (див. рис.1). З графіка видно (рис.2), що при зсуві фаз, амплітуда коливань реактивної маси відсутня. У міру зростання зсуву фаз до, збільшується за косинусоїдальним законом амплітуда коливань реактивної маси. Наприклад, якщо зсув фаз між активними масами буде в межах, коливання, які передаватимуться на фундамент, становитимуть лише.

Здійснено порівняльний аналіз розподілу затрат енергії у тримасній торовій і запропонованих багатомасних ВМ. Встановлено, що запропоновані ВМ дають змогу знизити питомі затрати енергії на порівняно з тримасними конструкціями ВМ завдяки позбавленню руху реактивних мас.

Рис.3. Рух реактивної та активної коливних мас в тримасній (а) та багатомасних (б) запропонованих ВМ

Розглянуто переміщення активної та реактивної мас в кожній з ВМ. Так, у тримасній ВМ (рис.3а), реактивна та активні маси працюють у протифазі. Практично це здійснюється за рахунок того, що реактивна маса у рази більша, ніж активна, й тому її амплітуда коливань у рази менша порівняно з амплітудою коливань активної маси. Беручи до уваги умову, що на здійснення обох антифазних рухів витрачається умовних енергії, можна визначити за пропорцією, що на здійснення руху реактивної маси використовується зокрема. Ця частка енергії не витрачається на надання контейнеру коливного руху. За рахунок цього зростають питомі затрати енергії.

У третьому розділі розроблені та проаналізовані математичні моделі функціонування запропонованих ВМ.

Модель п'ятимасної ВМ. Для опису динамічних процесів механічної коливної системи п'ятимасної ВМ достатньо розглянути плоску динамічну модель її верхньої або нижньої половин (рис.4). Знаючи закони руху за відповідними ступенями вільності для однієї з половин, легко відтворити роботу симетричної частини ВМ або віброоброблювального комплексу, записавши за аналогією рівняння рухів за іншими ступенями вільності.

Рис.4. Плоска динамічна модель механічної коливної системи п'ятимасної ВМ

Динамічна модель ВМ містить нерухому під час роботи реактивну та активну, з моментом інерції, маси і торовий контейнер масою з моментом інерції. Реактивна (2) та активна (1) маси з'єднані між собою вертикальним пружним стрижнем 4 з жорсткістю при згині за узагальненою координатою та жорсткістю за узагальненою кутовою координатою . Активна маса здійснює рух в площині за двома ступенями вільності і. Торовий контейнер 3, кінематично збурюючись від активної маси за незалежним ступенем вільності від горизонтальної координати і кутової, здійснює також рух в площині і кріпиться до активної маси через плоску пружну систему 5 з жорсткістю при згині. Контейнер заповнений робочим середовищем, коефіцієнт в'язкого тертя якого значно перевищує згасання внаслідок фрикційного і гістерезисного ефектів у системі. У динамічній моделі згасання подане двома демпферами з коефіцієнтами в'язкого тертя і. Переміщення, відповідно активної маси та контейнера за віссю другого порядку малості відносно інших координат, а тому ними можна знехтувати.

Диференціальні рівняння динамічної моделі механічної коливної системи ВМ матимуть вигляд:

(1)

де , - сили ваги відповідно активної коливної маси 1 та торового контейнера 3; - координати -них точок системи в - тій рухомій системі координат; - радіус дії електромагнітних сил відносно осі симетрії пружного стрижня 4; - колова частота вимушених коливань; - лінійні розміри, що зображені на рис.4; - час. Розв'язок цієї системи рівнянь за кожною узагальненою координатою здійснено методом механічного імпедансу.

Рис.5. Амплітудно-частотні характеристики механічної коливної системи п'ятимасної ВМ за лінійною (а) та кутовими (б), (в) координатами залежно від маси завантаження контейнера

Важливим є дослідження механічної коливної системи ВМ при зміні маси завантаження контейнера (в системі рівнянь (1) цей параметр є складовою). Так, для розглядуваної моделі при амплітудно-частотні характеристики механічної коливної системи мають резонанс на ділянці збурюючих коливань за узагальненими координатами (рис.5). Це дає можливість констатувати стабільність роботи ВМ на можливих робочих ділянках зміни маси завантаження контейнера. Спостерігається підсилення амплітуди коливань на усьому інтервалі зміни маси завантаження контейнера, що свідчить про ефективність кінематичного збурення контейнера. Так, кутова амплітуда коливань контейнера становить, що є високим показником для ВМ з електромагнітним приводом. У роботі досліджено також функціонування шести- та семимасної запропонованих ВМ та проведено аналіз їх амплітудно-частотних характеристик.

В четвертому розділі розроблено методики розрахунку на жорсткість та міцність пружних систем та електромагнітного віброзбудника, що використовуються у запропонованих ВМ. При проектуванні резонансних ВМ особливу увагу звертають на розрахунок пружних систем, від правильності якого залежить ефективність та довговічність роботи ВМ. Власне, розрахунок резонансної механічної коливної системи ВМ за відомих мас та моментів інерції коливних тіл зводиться до підбору пружних систем, обгрунтування параметрів їх елементів, які забезпечують необхідну частоту власних коливань та амплітуду коливань коливних мас механічної коливної системи.

а) б)

Рис.6. Розрахункова схема (а) та форма коливань (б) пружного стрижня: 1- стрижень, 2- коливна маса

Розрахунок вертикальної пружної системи п'ятимасних ВМ. Ця система призначена для забезпечення горизонтальних складових амплітуд коливань контейнера. Розрахункова схема системи, яка складається з одного пружного стрижня, наведена на рис.6. Під час роботи ВМ на коливну масу 2, яка обертається з коловою частотою вимушених коливань відносно вертикальної осі, діє згинальний момент та зусилля. Коливна маса здійснює складний рух за узагальненими координатами, і (- координата криволінійного руху коливної маси в горизонтальній площині). Для розрахунку пружного стрижня достатньо розглянути плоску розрахункову модель за узагальненими координатами,.

Оптимальну довжину пружного стрижня з умови рівності резонансних налагоджувань за двома узагальненими координатами (лінійною і кутовою), можна визначити за формулою:

, (2)

де - амплітуди коливань за лінійною і кутовою координатами; - сумарний момент інерції та сумарна маса коливних тіл; - відстань від точки закріплення коливних тіл у верхньому кінці стрижня до спільного центра мас цих тіл.

Діаметр пружного стрижня становитиме:

, (3)

де - модуль поздовжньої пружності; - резонансне налагоджування механічної коливної системи.

Максимальне напруження під дією моменту та зусилля у пружному стрижні буде визначатись за формулою:

, (4)

де - стискне навантаження пружного стрижня в осьовому напрямку.

Пружна система з вертикально розташованим стрижнем для семимасної ВМ. Ця система також призначена для забезпечення горизонтальних складових амплітуд коливань контейнера. Розрахункова схема її наведена на рис.7а. Для розрахунку пружного стрижня розглядається плоска модель. Коливання стрижня здійснюється за узагальненими координатами та , за якими рухається відповідно маса першого та другого коливних тіл. Гармонійне збурювальне зусилля прикладається до коливного тіла, від якого кінематично збурюється тіло. Нехтуючи розтягом обох ділянок пружного стрижня, їх діаметри становлять:

а) б)

Рис.7. Принципові схеми механічної коливної системи для семимасної (а) та шестимасної (б) ВМ з вертикально розташованим стрижнем

; , (5, 6)

де - відповідно робочі довжини першої та другої ділянок пружного стрижня; - амплітуди коливань, механічної коливної системи з двома ступенями вільності .

Максимальні напруження в обох ділянках стрижня визначаються з виразів:

; . (7, 8)

Розрахунок пружного стрижня для шестимасної ВМ (рис.7б). Вирази для діаметра та максимального напруження в стрижні матимуть вигляд:

; , (9, 10)

де - довжина пружного стрижня; - маса коливного тіла; - амплітуда коливань коливного тіла.

Розрахунок плоскої пружної системи п'ятимасних ВМ. Така система призначена для забезпечення вертикальних складових амплітуд коливань контейнера. Механічну коливну систему з плоскою пружною системою утворюють переважно чотири або шість плоских пружних елементів 3 (рис.8). Пружні елементи розміщені в одній горизонтальній площині і своїми кінцями жорстко кріпляться з кроком до коливної маси 1 та контейнера 2, утворюючи плоскопросторову статично невизначену систему. Коливна маса 1 провертається відносно контейнера під дією згинального моменту.

Рис.8. Плоска пружна система з двома пружними елементами, що працюють на згин

Жорсткість при згині пружної системи, що складається з двох пружних елементів, рівна:

, (11)

де - момент інерції поперечного перерізу пружного елемента; - радіус кріплення пружних елементів плоскої пружної системи до коливної маси 1; - робоча довжина пружного елемента.

Сумарна жорсткість плоскої пружної системи з чотирма плоскими пружними елементами:

, (12)

де - кут в межах кроку розміщення пружних елементів; - модуль пружності при крученні; - коефіцієнт, що залежить від співвідношення сторін і прямокутного перерізу плоскої пружини.

Беручи співвідношення геометричних параметрів поперечного перерізу пружних елементів плоскої пружної системи (ширини до висоти) згідно з рекомендаціями рівним 5, маємо:

, (13)

де .

Максимальне напруження в пружному елементі при його згині становитиме:

, (14)

де - амплітуда кутових коливань за узагальненою координатою. Аналогічно проведено розрахунок плоскої пружної системи з шістьма пружними елементами.

Розрахунок плоскої пружної системи шести- і семимасної ВМ (рис.9). Проміжна маса з моментом інерції коливається під дією збурюючого моменту за узагальненою координатою . Контейнер з моментом інерції кінематично збурюється від проміжної маси за узагальненою координатою. Остаточні вирази з розрахунку пружних елементів:

Рис.9. Механічна коливна система плоскої пружної системи

; , (15, 16)

де - амплітуда кутових коливань за узагальненою координатою ; , тут - відповідно робочі довжини та висоти поперечних перерізів пружних елементів першої та другої ділянок плоскої пружної системи; - радіуси розташування місць кріплення центральних частин відповідно першої та другої ділянок плоскої пружної системи.

Максимальні напруження в пружних елементах для першої та другої ділянок плоскої пружної системи відповідно становлять:

; (17)

. (18)

Розрахунок електромагнітного віброзбудника. Від правильності розрахунків та підбору електромагнітного віброзбудника залежить ефективність та надійність роботи ВМ з електромагнітним приводом .

Для віброзбудника із зовнішнім притягуючим якорем, коли потік розсіювання не створює додаткової сили, електромагнітна сила є пропорційною магніторушійній силі, яка поглинається повітряним робочим проміжком і є функцією сили струму, та похідній загальної провідності робочого проміжку за величиною робочого проміжку. В роботі уточнений аналітичний вираз для визначення сили струму, що протікає в котушці:

, (19)

де - відносна амплітуда коливань механічної системи; - колова частота; - зсув фаз між переміщенням і силою; - амплітудне значення напруги живлення; - постійна складова індуктивності електромагніту; - активний опір кола котушки; - кут відкривання тиристором напруги на затискачах обмотки; - повітряний проміжок між якорем і осердям з котушкою віброзбудника.

Рис.10. Зміна сили струму в котушці віброзбудника протягом періоду часу : - за точним числовим рішенням; - за рівнянням (19)

Для досліджуваного електромагнітного віброзбудника залежності протікання сили струму в котушці за період часу, що побудовані за точним числовим рішенням та за рівнянням (19), зображені на рис.10.

Запропонована методика розрахунку електромагнітного віброзбудника у динамічному режимі підтверджена експериментально. Блок-схема її наведена на рис.10. Спочатку виконується попередній розрахунок за методикою, запропонованою професором Повідайлом В.О., опісля - уточнений розрахунок. Подальші розрахунки виконуються за основним значенням гармоніки зусилля електромагнітного віброзбудника, яка знаходиться в межах власної частоти коливань механічної коливної системи. На рис.11 прийнято такі позначення: - приведена маса коливних тіл; k1 - крок наближення за стороною в (ширина магнітопроводу електромагніта); k2 - крок зменшення магнітної індукції Bm; - динамічний коефіцієнт.

У п'ятому розділі показано переваги кінематичного збурення коливних мас в багатомасній механічній коливній системі ВМ, за рахунок чого досягається суттєве підсилення амплітуд коливань. Експериментально встановлено, що розмах коливань робочого органу досягав в системі, у якій можна знехтувати розсіюванням енергії. При цьому спостерігалось підсилення амплітуд коливань у разів. Це засвідчує істотні переваги ВМ з електромагнітним приводом та кінематичним збуренням, а також підтверджує те, що на запропонованих багатомасних конструкціях ВМ можна досягати високих амплітуд коливань робочих органів.

Рис.11. Блок-схема розрахунку віброзбудника

Встановлено переваги та уточнено діапазон дорезонансного налагоджування механічної коливної системи багатомасної ВМ. Перевірка ефективності дорезонансного режиму налаштування механічної коливної системи, яка проводилась на торовій вібраційній машині з електромагнітним приводом, підтвердила доцільність виконання цієї операції на діапазоні .

Експериментально підтверджена методика розрахунку електромагнітних віброзбудників. Досліди, які проводились на вібраційній машині з електромагнітним приводом і були призначені для виявлення правомірності запропонованої методики розрахунку електромагнітного віброзбудника в динамічному режимі, підтвердили теоретичні розрахунки. Розбіжність результатів теоретичних розрахунків та експериментальних даних становить , що підтверджує адекватність методики.

ВИСНОВКИ

1. На основі проведеного аналізу сучасних конструкцій торових ВМ з електромагнітним приводом виявлено, що актуальними є питання зменшення питомих затрат енергії, усунення передачі коливань на фундамент, кінематичного збурення складових амплітуди коливань контейнерів як у вертикальному, так і горизонтальному напрямках з можливістю їх незалежного регулювання.

2. Застосування методу динамічного зрівноваження коливних мас при розробці багатомасних торових ВМ з електромагнітним приводом та віброоброблювальних комплексів, забезпечує: а) зменшення на питомих затрат енергії порівнянно з тримасними конструкціями ВМ; б) усунення передачі коливань на фундамент в механічній коливній системі. Так, наприклад, на практиці при зсуві фаз між активними масами, що коливаються в протифазі, в межах , коливання, які передаватимуться на раму, становитимуть лише. Це свідчить про зменшення більш ніж у разів передачі коливань на фундамент.

3. Теоретично обґрунтовано достатність: а) п'ятимасної структури ВМ для отримання відповідних амплітуд коливань контейнерів та усунення передачі коливань на фундамент у вертикальному напрямку; б) шестимасної структури ВМ для отримання високих амплітуд коливань контейнерів та усунення передачі коливань на фундамент у вертикальному напрямку з можливістю незалежного регулювання амплітуди коливань контейнера в горизонтальному та вертикальному напрямках; в) семимасної структури ВМ для отримання високих амплітуд коливань контейнерів з можливістю їх незалежного регулювання у вертикальному та горизонтальному напрямках при усуненні передачі коливань на фундамент у вертикальному напрямку; г) -масних структур віброоброблювальних комплексів, що базуються на п'яти-, шести- та семиманих структурах для отримання високих амплітуд коливань контейнерів при усуненні передачі коливань на фундамент у вертикальному та горизонтальному напрямках.

4. Застосування у запропонованих ВМ вертикальної пружної системи у вигляді одного пружного стрижня, замість трьох і більше, порівняно з тримасними, значно спрощує вертикальну пружну систему. Це дозволяє спростити виготовлення вертикальних пружних систем і здешевити їх собівартість.

5. Використання незалежного збурення коливань контейнерів у вертикальному та горизонтальному напрямках в шести- та семимасній конструкціях торових ВМ з електромагнітним приводом дає змогу незалежно регулювати вертикальні та горизонтальні складові амплітуд коливань контейнерів. Це забезпечує підбір необхідної форми коливань контейнера з метою інтенсифікації та розширення технологічних можливостей. Використання кінематичного збурення робочих органів у горизонтальному напрямку в семимасній вібраційній машині забезпечує, крім цього, підсилення амплітуди коливань у рази, що значно інтенсифікує процес вібраційної об'ємної обробки.

6. Отримані результати дослідження кінематичних параметрів запропонованих ВМ підтверджують стабільність їх роботи у межах частоти вимушених коливань на можливих робочих ділянках зміни маси завантаження контейнера. Це обумовлює їх успішне використання при досить широкому діапазоні маси завантаження та вказує на працездатність запропонованих конструкцій. Наявність високих кутових амплітуд коливань робочих органів, які лежать в межах , дає змогу ефективно проводити вібраційну об'ємну обробку.

7. Запропоновані методи розрахунку плоских та вертикальних пружних систем багатомасних ВМ дають змогу здійснити підбір необхідних параметрів пружних елементів для умов резонансного налагоджування механічних коливних систем у межах .

8. З використанням результатів розрахунку оптимальної довжини пружного елементу вертикальної пружної системи п'ятимасної ВМ з умови рівності резонансних налагоджувань за двома узагальненими координатами можна досягнути одночасного налагоджування механічної коливної системи в резонанс за двома узагальненими координатами.

9. Запропонована методика розрахунку електромагнітного віброзбудника за амплітудним значенням зусилля основної гармоніки забезпечує підбір віброзбудника з точністю до .

10. Експериментальними дослідженнями встановлено переваги використання кінематичного збурення контейнера та дорезонансного налагоджування механічної коливної системи в запропонованих багатомасних ВМ. Адекватність результатів експерименту та теоретичних розрахунків в обґрунтуванні конструктивно-технологічих параметрів електромагнітного віброзбудника дає підстави стверджувати про вірогідність запропонованої методики.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Повідайло В.О., Гаврильченко О.В., Ланець О.С. Статичний розрахунок електромагнітних віброзбудників вібраційних машин за допомогою ЕОМ // Автоматизація виробничих процесів у машинобудуванні та приладобудуванні. Український міжвід. наук.-техн. зб. – Львів: НУ “Львівська політехніка”, 2000. – Вип. 35. – С. 3-7.

2. Повідайло В.О., Ланець О.С. Дослідження ефективності однотактних і двотактних електромагнітних віброзбудників у вібраційних машинах // Оптимізація виробничих процесів і технічний контроль у машинобудуванні. Вісник Держ. ун-ту “Львівська політехніка”. – Львів, 2000. - № 394, С.- 92-95.

3. Повідайло В.О., Гаврильченко О.В., Таянов С.А., Ланець О.С. Моделювання електромагнітного віброзбудника вібраційних машин // Вісник Львівського Національного ун-ту ім. І.Франка. Серія “Прикладна математика та інформатика”. – Львів, 2000. – Вип. 3. – С. 111-117.

4. Повідайло В.О., Гаврильченко О.В., Коломієць В.О., Ланець О.С. Забезпечення віброізоляції у вібромашині об'ємної обробки з електромагнітним віброзбудником // Оптимізація виробничих процесів і технічний контроль у машинобудуванні. Вісник Національного ун-ту “Львівська політехніка”. – Львів, 2001. - № 422, С.- 71-80.

5. Гаврильченко О.В., Ланець О.С. Розрахунок на жорсткість та міцність плоскої пружної системи з шістьма пружними стержнями, яка використовується у вібромашинах об'ємної обробки // Ж.: Машинознавство. – 2001. - №9 (51). - С. 51-55.

6. Гаврильченко О.В., Ланець О.С. Розрахунок на жорсткість та міцність пружної системи у вигляді вертикально розташованого пружного стержня // Ж.: Вибрации в технике и технологиях. – 2001. - №2 (18). - С. 30-34.

7. Повідайло В.О., Ланець О.С. Розрахунок та аналіз плоскої пружної системи вібраційної машини об'ємної обробки // Автоматизація виробничих процесів у машинобудуванні та приладобудуванні. Український міжвід. наук.-техн. зб. – Львів: НУ “Львівська політехніка”, 2001. – Вип. 36. – С. 30-36.

8. Ланець О.С. Розрахунок вертикальних пружних систем вібромашин об'ємної обробки з електромагнітними віброзбудниками // Оптимізація виробничих процесів і технічний контроль у машинобудуванні. Вісник Національного ун-ту “Львівська політехніка”. – Львів, 2002. - № 442, С.- 108-111.

9. Гаврильченко О.В., Ланець О.С., Понятовський В.В, Шпак Я.В., Кулібаба О.В. Динаміка і аналіз двадцятимасного віброоброблюючого комплексу. // Ж.: Машинознавство. – 2002. - №5. - С. 45-49.

10. Деклар. пат. 40893 А Україна, МПК B06В1/04. Вібраційна машина. / В.О. Повідайло, О.В. Гаврильченко, В.М. Боровець, О.С. Ланець (Україна). - №2000105739; Заявл. 10.10.2000; Опубл. 15.08.2001, Бюл. № 7. - 4 с.

11. Деклар. пат. 42484 А Україна, МПК B06В1/04. Віброоброблювальний комплекс. / В.О. Повідайло, О.В. Гаврильченко, В.М. Боровець, О.С. Ланець (Україна). - №20001031662; Заявл. 12.03.2001; Опубл. 15.10.2001, Бюл. № 9. - 5 с.

12. Деклар. пат. 48840 А Україна, МПК B06В1/04. Вібраційна машина об'ємної обробки. / О.В. Гаврильченко, О.С. Ланець (Україна). - №2001128872; Заявл. 21.12.2001; Опубл. 15.08.2002, Бюл. № 8. - 5 с.

13. Деклар. пат. 48842 А Україна, МПК B06В1/04. Вібраційна машина. / О.В. Гаврильченко, О.С. Ланець (Україна). - №2001128877; Заявл. 21.12.2001; Опубл. 15.08.2002, Бюл. № 8. - 5 с.

14. Повідайло В.О., Гаврильченко О.В., Таянов С.А., Ланець О.С. Моделювання електромагнітного віброзбудника вібраційних машин // Сучасні проблеми прикладної математики та інформатики. Тези доповідей 7-ї Всеукраїнської наук. конф. – Львів: Вид. центр Львів. Нац. ун-ту ім. І.Франка, 2000. – С. 75-76.

15. Гаврильченко О.В., Ланець О.С., Понятовський В.В, Шпак Я.В., Кулібаба О.В. Динаміка і аналіз двадцятимасного віброоброблюючого комплексу // Тези доп. 5-го міжнар. симп. укр. інж.-мех. у Львові. – Львів: КІНПАТРІ ЛТД. - 2001. - С 101.

16. Гаврильченко О.В., Боровець В.М., Ланець О.С., Шпак Я.В., Понятовський В.В. Моделювання двадцятимасного віброкомплексу. // Сучасні проблеми прикладної математики та інформатики. Тези доповідей 8-ї Всеукраїнської наук. конф. – Львів: Вид. центр Львів. Нац. ун-ту ім. І.Франка, 2001. – С. 23-24.

АНОТАЦІЯ

Ланець О. С. Розробка динамічно зрівноважених торових вібраційних машин з електромагнітним приводом. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.02-машинознавство. Національний університет “Львівська політехніка”. - Львів, 2002.

Дисертація присвячена розробці та дослідженню динамічно зрівноважених торових вібраційних машин з електромагнітним приводом. В дисертації запропоновані багатомасні вібраційні машини з пониженими питомими затратами енергії та усунутою передачею коливань на фундамент. Запропоновано методику, що експериментально підтверджена, підбору електромагнітного віброзбудника за максимальним значенням зусилля основної гармоніки. Запропоновано методики розрахунків на жорсткість та міцність пружних систем, що використовуються у запропонованих вібромашинах. Складені математичні моделі існуючих і запропонованих конструкцій вібромашин. Доведено суттєві переваги запропонованих вібромашин порівняно з існуючими конструкціями.

Ключові слова: багатомасний, торовий, динамічна рівновага, вібраційна машина, електромагнітний привід, вібраційна об'ємна обробка, електромагнітний віброзбудник, пружна система.

SUMMARY

Lanets Oleksiy S. Development dynamically balanced of tore vibratory machines with electromagnetic actuator - Manuscript.

Thesis on competition of a candidate scientific degree of engineering science on a speciality 05.02.02 - machinery. National University “Lvivska Polytechnica”. - Lviv, 2002.

The thesis is dedicated to problems of designing and calculation of tore electromagnetic vibratory machines with improved vibration insulation.

Introductory part of the thesis is devoted to the advantages of vibrating volumetric processing as cheap and high-efficiency technology. The increasing of this technology is impossible without development of vibrating machines of volumetric processing, in particular tore vibratory machines. The reasons, why the electromagnetic vibratory machines are poorly investigated and limitedly used in manufacture are defined. At the same time the significant advantages of these vibratory machines in modern production in comparison with most widespread unbalance vibratory machines are indicated, that compels to more profound study of these vibrating machines.

In the first chapter already existing tore electromagnetic vibratory machines are analyzed. It is underlined that for these vibratory machines the problem of complete vibration insulation is unsolved. The used ways of vibration insulation of existing vibratory machines are analyzed. Is concluded, that with the help of existing ways vibration insulation of tore electromagnetic vibratory machines is impossible vibroinsulate to completely the mechanical vibrating system. Is proved that using only vibration insulation, which is based on a method of an equilibration of dynamic forces, will resolve the problem of completely vibroinsulation of the vibrating system. It is underlined, the amplitude of fluctuations of the container has the greatest influence on productivity in electromagnetic vibratory machines, therefore it is necessary aspires to the largest possible amplitudes of vibration of new tore electromagnetic vibratory machines.

In the second chapter the substantiations of necessity of increasing of vibration weights are given, that it was possible to use a method of an equilibration of dynamic forces. It is proved that the increase of amount of oscillatory weights was a necessary step to achieve complete vibration insulation of mechanical vibration system of vibratory machine. The preconditions of occurrence of new multimass (five, six and seven) tore electromagnetic vibratory machines and vibration-processing complexes are pointed. The analogues and prototypes of these vibratory machines as well as basic stages of their construction are considered. The advantages of new multimass tore electromagnetic vibratory machines which creates a new class of vibrating machines, that have significant advantages in comparison with already existing designs vibratory machines: 1) the presence of several separate containers permits to process some different types of details for one operation; 2) the simplicity of a design as a whole and simplicity of manufacturing of vertical elastic system, that consists all from one elastic element; 3) in multimass vibratory machines the complete insulation of vertical vibration for the score balance of inertia vertical forces of a mechanical system vibratory masses and the partial isolation of a horizontal component at the expense of fixing is reactive masses by antivibration rods to a frame is reached. Parasitic influencing on an environment thereby is reduced to minimum; in vibratory treatment complexes complete vibration insulation of vertical and horizontal components at the expense of equilibration vertical and horizontal inertial forces components of vibratory masses of a vibratory machines is reached. Therefore, the transmission of vibration to an environment completely is absent; 4) simplicity of constructional reaching of vibration insulation in comparison with best resonant three-mass vibratory machines.

· In the third chapter the dynamic models of offered multimass tore electromagnetic vibrating machines are described. Their analysis is pointed out. The equations of motions for degrees of freedom are found. The dynamic characteristics of mechanical vibration systems are constructed. The comparative analysis fluctuations of amplitudes of the container is carried out, that has amplification of amplitude of fluctuations in a consequence kinematic excitement, with vibration amplitudes of weight, that is deprived (dispossessed) kinematic excitement. Is underlined, that at change of loading weight of the container, multimass vibratory machines work stably.

The calculations on a rigidity and strenght of the vertical and leaf elastic systems, that are used in multimass tore electromagnetic vibrating machines are directed in the fourth chapter. The analysis of these elastic systems is carried out. The expression for calculation of optimal length of a elastic element (torsion bar spring) of the vertical elastic system from a condition of equality resonant adjustment for two generalized coordinates is obtained for the vertical elastic system. Circular electromagnetic vibration exciter is considered as the integral part of uniform electromechanical system of the vibrating machine. The law of change of a current that passes in the coil electromagnetic exciter is deduced. The law of change of force, which electromagnetic exciter develops is defined. The method choice electromagnetic vibration exciter for amplitude value of gain of a first harmonic is offered.

The experimental researches tore electromagnetic vibrating machines which are carried out on