Введение

В настоящее время в различных отраслях промышленности все более возрастает применение вибрационной техники и технологии. Использование вибрационных методов воздействия позволяет коренным образом усовершенствовать технологические процессы. Вибрационная техника строится на принципиально иной основе, чем техника обычная. Поэтому успех внедрения вибрационной техники и технологии в промышленности в немалой степени зависит от глубокого понимания физических основ функционирования вибрационных машин и установок.

Основы учения о механических колебаниях заложены классиками механики – И. Ньютоном, Л. Эйлером и Ж-Л. Лагранжем.

Необходимо отметить весьма значительную роль в разработке теории колебаний отечественной школы, основы которой были заложены А. М. Ляпуновым (1857–1918). Большой вклад в создание и развитие современных методов теоретического анализа колебательных систем внесли советские ученые Л. И. Мандельштам (1879–1944), Н. Д. Папалекси (1880–1947), А. А. Андронов (1901–1952), Н. М. Крылов (1879–1955). Это было старшее поколение ученых, заложивших основы советской науки о колебаниях. Следующим поколением теоретиков – Н. Н. Боголюбовым, Ю. А. Митропольским и другими созданы эффективные методы анализа колебательных систем.

Весьма большой вклад в приложения теории колебаний к различным разделам техники внесен А. Н. Крыловым (1863–1945), С. П. Тимошенко (1878–1972), а также зарубежными учеными Дж. П. Ден-Гартогом, Р. Бишопом и С. Кренделлом и рядом других.

Успешно сочетали теоретические исследования и технические приложения в области теории колебаний советские ученые В. В. Болотин, И. И. Блехман, Ю. И. Неймарк, Я. Г. Пановко, Р. Ф. Ганиев, А. В. Хвингия, В. О. Кононенко, М. Я. Кушуль и ряд других.

В становлении и развитии проблемы вибротехнологии отметим основные этапы.

Первичные изыскания технологического применения колебаний, основанные на обобщении наблюдений природных явлений; создание устройств для реализации вибрационных процессов, в том числе вибровозбудителей.

Накопление опыта эксплуатации процессов и технологического оснащения; разработка теоретических основ расчета и конструирования вибрационных устройств.

Интенсивные и широкомасштабные исследования вибрационных процессов, их технологического применения; оптимизация параметров процесса и конструкций технологического оснащения; создание новых, более современных конструкций вибровозбудителей, вибрационных станков, машин, инструментов и аппаратов различного назначения; разработка научных основ вибрационных технологий.

В настоящее время колебания и вибрацию изучают по двум основным направлениям. Первое заключается в разработке теории, схематизации реальных объектов, создании идеализированных моделей и применении законов механики с соответствующим математическим аппаратом, позволяющим определить характер того или иного движения и описать его математически.

Второе включает применение приборов для измерения величин, характеризующих фактическое движение того или иного объекта. Эти приборы дают возможность прямо или косвенно измерять кинематические величины – перемещения, скорости и ускорения отдельных точек объекта. Объектом может быть либо реальная машина, либо их физические модели, выполненные в определенном геометрическом масштабе.

Современный этап характеризуется поиском путей совершенствования параметров технологических машин с целью повышения КПД вибрационного воздействия, снижения энергоемкости, универсализации и специализации. Ведутся исследования в области интенсификации и расширения технологического применения вибрационных процессов, в том числе за счет использования эффектов резонанса.

Сегодня можно выделить несколько основных направлений проводимых исследований:

1. Интенсификация и оптимизация параметров циркуляционных потоков обрабатываемых сред, а также управление их состоянием и перемещением.

В рамках данного направления осуществляется совершенствование и создание новых форм рабочих органов (рабочих камер) и управление параметрами колебаний. Значительное внимание уделяется раскрытию механизма взаимодействия элементов колеблющейся системы: рабочий орган (рабочая камера) – обрабатывающая среда (инструмент) – обрабатываемая деталь; установлению физико-технологических свойств вибрирующей среды, определяющих технологическое применение вибрационных процессов; исследованию закономерностей процесса обработки на различных стадиях технологии производства; изучению роли ударно-волновых процессов при вибрационном воздействии на сыпучие и сплошные среды.

2. Совершенствование характеристик и свойств рабочих сред – весовая, размерная, структурная, технологическая, экономическая и экологическая.

Это направление предусматривает совершенствование и создание новых рабочих сред (прежде всего абразивных) и технологических жидкостей, придание им новых свойств для повышения эффективности процессов обработки.

3. Механохимия вибрационных технологий. Исследование и практическое использование явлений адгезии и адсорбции, диффузии и химического взаимодействия в условиях вибрационного воздействия.

В развитие этого направления разработаны технологии вибрационного механохимического оксидирования, цинкования, меднения, фосфатирования, ведутся исследования для получения других видов покрытий. Важное значение в раскрытии сущности этих процессов приобретает изучение взаимной связи механического деформирования и химического разрушения поверхностного слоя и их влияние на качество и толщину образующегося покрытия. Помимо механохимического процесса используются возможности вибрационной механотермохимической обработки, где в условиях вибрационного воздействия и повышенных температур осуществляется образование покрытий – алюминиевых, цинково-алюминиевых, титановых, борирования и некоторых других.

4. Дальнейшее использование физических явлений, сопровождающих вибрационные процессы для их интенсификации и расширения технологических возможностей.

Изучение этого направления включает ударно-волновые явления, состояние «виброкипения» дисперсной среды, длительное воздействие многоконтактных соударений, явления резонанса и авторезонанса, повышенную активность обрабатываемой поверхности деталей и материалов при взаимодействии с окружающей средой, состав и свойства которой могут искусственно поддерживаться на требуемом уровне, наложение электрического, магнитного, температурного и акустического полей, введение химических и поверхностно-активных веществ. Результаты исследований в этом направлении позволили создать новые комбинированные вибрационные методы обработки: виброабразивная электрохимическая, вибрационная механотермическая, вибрационная электрофизическая, вибрационная магнитно-абразивная.

Ведутся дальнейшие изыскания комбинированного воздействия различных видов энергии с целью получения эффективных технологических решений. В числе решаемых технологических задач – ускорение процесса обработки, придание новых свойств поверхности за счет механического и термического воздействия, образование покрытий и др.

5. Создание и эффективное использование новых видов вибропривода (вибровозбудителей) также является одной из главных задач совершенствования процессов, использующих колебания. Несмотря на значительный опыт разработки и применения вибровозбудителей продолжается их усовершенствование – создание вибровозбудителей с управляемой в процессе работы амплитудой колебаний, гидроимпульсных вибраторов.

К настоящему времени по рассматриваемой проблеме проведены обширные теоретические и экспериментальные исследования.

В связи с этим, целью данной работы была систематизация и обобщение накопленных данных о применении вибрации в технологических процессах, а также рассмотрение методик инженерного расчета некоторых элементов вибрационных машин.

В процессе выполнения работы предстояло решить следующие задачи:

– рассмотреть основные положения теории колебаний и привести характеристики колебательных систем;

– охарактеризовать технологические процессы, основанные на явлении вибрационного перемещения;

– проанализировать теоретические и экспериментальные исследования процесса виброперемещения и предложить математическую модель вибрационного перемещения слоя насыпного груза;

– произвести анализ основных типов вибровозбудителей и определить область их применения в технологических машинах;

– рассмотреть приложение теории виброперемещения к расчету элементов вибрационных машин.