CC BY
41
УДК 621.9.06.229
НОВАЯ КОНСТРУКЦИЯ МНОГОМАССНОГО ЛОТКОВОГО ВИБРАЦИОННОГО ЗАГРУЗОЧНОГО УСТРОЙСТВА И ЕГО ДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ
А. А. Свиридов, Н.А. Усенко
Рассмотрены типовые конструкции лотковых вибрационных загрузочных устройств. Предложена новая конструкция лоткового вибрационного загрузочного устройства с синхронным приводом и его динамическая модель.
Ключевые слова: лотковое вибрационное загрузочное устройство, предмет обработки, упругий элемент, эллиптические колебания.
Первостепенную роль в автоматизации производственных процессов играют загрузочные устройства, которые оказывают существенное влияние на структуру, конструкцию технологического оборудования и уровень его автоматизации. Они улучшают условия труда, повышают производительность оборудования, создают предпосылки к многостаночному обслуживанию [1, 2].
Вибрационные загрузочные устройства (ВЗУ) с электромагнитным приводом можно разделить на две группы: бункерные ВЗУ со спиральным лотком и бункерные ВЗУ с прямолинейным лотком.
ВЗУ со спиральным лотком обладают рядом достоинств. С помощью таких ВЗУ легко осуществить захват предметов обработки из общей массы, подъем их вверх, пассивное ориентирование удалением со спирального лотка и возвратом вниз на дно чаши неправильно ориентированных предметов обработки под действием собственного веса [3, 4].
К недостаткам можно отнести: зависимость габаритов чаши от геометрических параметров предметов обработки, подлежащих загрузке, особенно для длинномерных предметов обработки (на спиральных лотках они плохо размещаются); невозможность передачи предметов обработки на большие расстояния (предметы обработки постепенно поднимаются вверх, находясь в пределах бункера); металлоемкость; сложности отладки.
Лотковые ВЗУ предназначены для сохранения ориентированного положения предметов обработки при их доставке к месту или для обеспечения окончательной ориентации предметов обработки. В некоторых случаях вибрационные лотки выполняют функции ВЗУ.
К достоинствам можно отнести: удобство транспортировки длинномерных предметов обработки; возможность перемещать предметы обработки на значительное расстояние; малые габариты; простота конструкции и наладки; широкие возможности гармоничного вписывания в состав технологического оборудования.
Известно лотковое ВЗУ [5] с независимыми продольными и поперечными колебаниями рабочего органа, отличающееся тем, что с целью устранения паразитных крутильных колебаний, активная, реактивная и промежуточная массы расположены таким образом, что центр тяжести активной массы и общий центр тяжести реактивной и промежуточной масс лежат на прямой, перпендикулярной к поперечным пружинам, а центр тяжести реактивной массы и общий центр тяжести активной и промежуточной масс лежат на прямой, перпендикулярной к продольным пружинам.
В другом известном лотковом ВЗУ [6] обеспечивалась возможность регулирования режима вибрации лотка путем управления его галопированием. Это достигалось тем, что вибропривод для создания вертикальных колебаний рабочего органа был выполнен в виде двух, независимо управляемых по фазе и амплитуде, электромагнитов, расположенных под концами рабочего органа.
Лотковое ВЗУ [7] с независимыми продольными и поперечными колебаниями рабочего органа отличалось тем, что активная масса была связана с основанием посредством четырех горизонтальных стержневых пружин круглого сечения, концы которых свободно лежали на опорах (без защемления), что позволяло производить настройку ВЗУ на нужную собственную частоту за счет изменения рабочей длины упругого стержня, что повышало надежность упругих элементов.
К сожалению, лотковые ВЗУ с раздельным возбуждением горизонтальных и вертикальных колебаний не получили широкого распространения в виду чрезмерной сложности конструкции и настройки, большой метало- и энергоемкости. Поэтому появилась новая задача, создание лоткового ВЗУ, простого по конструкции (с синхронным приводом), но при этом колебания материальной точки лотка должны иметь эллиптическую траекторию, для увеличения скорости вибротранспортирования. Но синхронный привод не дает возможности создать фазовый угол между горизонтальными и вертикальными колебаниями, поэтому было предложено ввести дополнительные упругие элементы, с помощью которых к платформе крепился бы дополнительный лоток.
На рис. 1 показана новая конструкция лоткового ВЗУ, разработанная авторами, состоящего из электромагнитного привода 7, связанного с основанием 2 на витых пружинах 1, двух наклонных плоских пружин 3, одним концом жестко прикрепленных к основанию, вторым концом к основному лотку 6, к которому крепится якорь электромагнита 8. Дополнительно введены упругие элементы 5, с помощью которых к основному лотку крепится дополнительный лоток 4.
При подаче электрического тока якорь электромагнита, прикрепленный к основному лотку, получает колебательные движения в вертикальном и горизонтальном направлениях. Колебания якоря электромагнита наклонными плоскими пружинами преобразуются в колебания основного
лотка в вертикальном и горизонтальном направлениях без фазового смещения. Таким образом, основной лоток получает возвратно - поступательное движение от электромагнитного привода, и соответственно совершает вынужденные линейные колебания, перпендикулярные оси наклонных пружин, а дополнительный лоток - колебания в горизонтальной плоскости со смещением по фазе относительно колебаний основного лотка. Для виброизоляции вибрационный лоток установлен на амортизаторах - витых цилиндрических пружинах сравнительно малой жесткости.
Рис. 1. Лотковое ВЗУ: а - вид сверху; б - вид сбоку; 1 - витые пружины; 2 - основание; 3 - наклонные плоские пружины; 4 - дополнительный лоток; 5 - дополнительные упругие элементы; 6 - основной лоток; 7 - электромагнит;
8 - якорь электромагнита
Линейные колебания основного лотка имеют горизонтальную и вертикальную составляющие. Их соотношение зависит от угла наклона плоских упругих элементов, при этом дополнительный лоток совершает такие же вертикальные колебания, как и основной лоток, так как дополнительные упругие элементы имеют жесткость в вертикально плоскости, стремящуюся к бесконечности, а горизонтальные колебания дополнительного лотка будут иметь величину, отличную от величины колебаний основного лотка, а также фазовое смещение по отношению к нему.
228
Формирование эллиптической траектории возможно при фазовом смещении в горизонтальной плоскости в пределах от 0 до 180°. Ось эллипса будет иметь то или иное направление в зависимости от жесткости, рабочей длинны и массы дополнительных упругих элементов, что позволяет выбирать направление виброперемещения.
Такое лотковое ВЗУ будет представлять собой двухмассную динамическую модель в горизонтальном направлении. Предполагая, что силы сопротивления пропорциональны скорости, а колебания достаточно малы, уравнение движения дополнительного лотка массы m относительно неподвижной системы отсчета имеет вид [8]
mx + hx(x - xi) + c(x - xi) = 0, (1)
где xi - координата вибрирующей приведенной массы известного лоткового ВЗУ относительно неподвижной системы отсчета; x - смещение массы m относительно неподвижной системы отсчета; c - жесткость упругого элемента; hx - коэффициент внутреннего трения.
Если колебания известного лоткового ВЗУ совершаются по синусоидальному закону xi = A cos wt, где w - частота возбуждения, A - амплитуда смещения приведенной массы, то после соответствующей подстановки уравнение движения (1) примет вид
mx + hxx + cx = A(c • coswt - hx w • sinwt). (2)
Правую часть этого уравнения преобразовываем в одночлен
Ccoswt + Dsinwt = Яsin( wt -j), (3)
Г^-2 C
где C = H cos j; D = H sin j; H = V C + D ; tg j = ~; C = c; D = -hxw.
Таким образом, уравнение движения приобретает вид
mx + hxx + cx = A^c2 + hx 2w2sin( wt + j x). (4)
Решением уравнения (4) будет
x = Qedt cos(w0t + a) + A
1 + 4 d 2 g2
' sin(wt + j x), (5)
(1 -g2)2 + 4g2 D 2
где Q, а - постоянные величины, определяемые из начальных условий; ю0 = л ~ - собственная частота системы; g = -W- - отношение частот; к
Б = —х— - коэффициент демпфирования системы; ф х = аrctg
2mw,
0
2 Dg2 h
- фазовый угол; 8 = —— коэффициент затухания колеба-
1 -g2 + 4D2 g2 ' 2m
ний; w = л/ w2 - 82 - собственная частота затухающих колебаний.
Первое слагаемое выражения (5) представляет собственные колебания, второе - вынужденные. Амплитуда вынужденных колебаний массы т из уравнения (5) будет равна
х0
А
1 + 4В 2 у2
(1 -у2)2 + 4у2 В 2
(6)
Исходя из выражения (6), отношение амплитуд будет равно
хо
л=А
\
1 + 4 В 2у2
(1 -у2)2 + 4у2 В 2
(7)
Когда отношение частот у приближается к единице, коэффициент ^ из выражения (7) возрастает, и при малом демпфировании амплитуды колебаний принимает большие значения, что позволяет определить, в каком режиме работает лотковое ВЗУ - в дорезонансном или послерезонанс-ном.
Для экспериментальной проверки возможности обеспечения сдвига фаз между горизонтальными и вертикальными колебаниями дополнительного лотка разработанного ВЗУ был использован аппаратно-программный комплекс на основе трехосевого акселерометра ЫЗЗБН. Были получены АЧХ колебаний дополнительного лотка. Отчетливо виден фазовый сдвиг между горизонтальными и вертикальными колебаниями (рис. 2).
Рис. 2. Обработка сигналов амплитуд колебаний лотка: 1 - амплитуда колебаний по вертикальной оси; 2 - амплитуда колебаний по горизонтальной оси
Таким образом, экспериментально было подтверждено, что при введении дополнительных упругих элементов в конструкцию лоткового ВЗУ, возможно обеспечить фазовый сдвиг между горизонтальными и вертикальными колебаниями дополнительного лотка и тем самым увеличить скорость вибротранспортирования в 5.. .8 раз по сравнению с известными конструкциями.
Список литературы
1. Автоматизация загрузки прессов штучными заготовками. / В.Ф. Прейс, И.С. Бляхеров, В.В. Прейс, Н.А. Усенко; под ред. В.Ф. Прейса. М.: Машиностроение, 1975. 280 с.
2. Автоматическая загрузка технологических машин: справочник / И.С. Бляхеров, Г.М. Варьяш, В.В. Прейс, Н.А. Усенко [и др.]; под ред И. А. Клусова. М.: Машиностроение, 1990. 400 с.
3. Прейс В.В., Усенко Н.А., Давыдова Е.В. Автоматические загру-зочно-ориентирующие устройства. Ч. 1. Механические бункерные загрузочные устройства: учеб. пособие для вузов; под ред. В.В. Прейса. Тула: Изд-во ТулГУ, 2006. 125 с.
4. Н.А. Усенко, И.С. Бляхеров. Автоматические загрузочно-ориентирующие устройства. М.: Машиностроение, 1984. 112 с.
5. А.с. 205679 СССР. Вибрационный лоток-транспортер / В. А. По-видайло, В. А. Щигель. Опубл. 13.11.1967. Бюл. № 23.
6.А.с. 692758 СССР. Вибролотковое загрузочное устройство / В.Ф. Прейс, Н.А. Усенко, Л.П. Воропаев, И.В. Лисицын. Опубл. 25.10.1979. Бюл. № 39.
7. А.с. 685582 СССР. Вибрационный лоток / Н.А. Усенко, Л.П. Воропаев, И.В. Лисицын. Опубл. 15.09.1979. Бюл. № 34.
8. Ильинский В.С. Вопросы изоляции вибрации и ударов. М.: Советское радио, 1960. 158 с.
Усенко Николай Антонович, докт. техн. наук, проф., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Свиридов Антон Андреевич, асп., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
NEW CONSTRUCTION OF A MULTIMASS TRAY VIBRATION DEVICE AND ITS DYNAMIC MODEL
A.A. Sviridov, N.A. Usenko
Typical designs of trough vibratory loading devices are considered. A new design of a tumbling vibratory loading device with a synchronous drive and its dynamic model are proposed.
Key words: trough vibrating loading device, workpiece, elastic element, elliptical oscillations.
Usenko Nikolay Antonovich, doctor of tech. sciences, prof., usenko-na1936@gmail. com, Russia, Tula, Tula State University,
Sviridov Anton Andreevich, postgraduate, anton-vedu@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University
