7.5. Поршневые вибровозбудители

Поршневые гидравлические и пневматические вибропреобразователи сообщают колебания рабочему органу вибромашины либо за счет использования пульсирующего источ­ника рабочей жидкости, либо прерывания потока постоянного расхода с помощью золотниковых устройств. Золотниковые устройства могут управляться внешним приводо самим вибратором в соответствии с положением его исполнительного органа.

По принципу действия поршневые вибраторы делятся на пульсаторные, автоколебательные, следящие и самоуправляющиеся.

Пульсаторные вибраторы построены по принципу возбуждения коле­баний исполнительного органа пульсирующим давлением, которое соз­дается переменным потоком рабочей жидкости. Находят применение пульсаторные вибраторы с протоком рабочей жидкости, имеющие замк­нутый рабочий объем. Используются гидровибраторы одностороннего и двустороннего действия. В первых рабочая жидкость совершает работу только за время прямого хода, а обратный ход осуществляется под дей­ствием упругой системы вибромашины. В вибраторах двустороннего действия обратный ход происходит также под действием рабочей жидкости.

Следящий гидравлический вибропривод имеет жесткую отрицатель­ную обратную связь по перемещению между распределителем потока и рабочим органом машины.

В автоколебательных и самоуправляющихся вибраторах возмущаю­щая сила периодически создается при питании от магистрали постоянно­го давления специальной системой, осуществляющей автоматически подвод и отвод рабочей жидкости. Поршень или мембрана цилиндра са­ми управляют движением распределительного золотника, обеспечивая непрерывность возвратно-поступательного движения.

В автоколебательных вибраторах колебания возбуждаются из-за наличия в системе нелинейного элемента – зазора. В самоуправляющих­ся вибраторах колебания генерируются специальными устройствами, обеспечивающими переключения управляющего золотника в момент нахождения поршня или мембраны в крайнем положении. Частота коле­баний вибраторов этого типа регулируется подводимым давлением, амплитуда – величинами зазора в обратной связи автоколебательного вибратора или смещения упоров переключающих устройств самоуправ­ляющихся вибраторов.

По принципу возбуждения пульсаторные вибраторы делятся на две группы: с насосами-пульсаторами и с распределителем потока – генера­тором пульсаций. В качестве распределителей потока используются вра­щающиеся или наступательно движущиеся золотники, имеющие привод от внешнего двигателя. Частота колебаний вибратора регулируется ско­ростью вращения или возвратно-поступательного движения распредели­теля потока. Амплитудой управляет изменение давления рабочей жидкости.

Схема принципиального устройства пульсаторного гидравлического вибратора двустороннего действия с насосом-пульсатором для создания гармонических колебаний приведена на рис. 81, а.

Рис. 83. Принципиальные схемы гидравлических вибраторов

Вибратор состоит из рабочего цилиндра 3, в котором перемещается поршень 2 под напором рабочей жидкости, подаваемой двухпоршневым пульсатором 7 или пуль­сатором другого типа. Пульсатор в первую половину хода подает рабо­чую жидкость с одной стороны поршня (патрубок 1) и откачивает с другой (патрубок 6). Во второй половине хода направление подачи жидкости меняется. Колебательная система соединяется с поршнем виб­ратора штоком 4 с упругим элементом 5. Упругий элемент в этом случае нужен для придания системе необходимых степеней подвижности.

Одним из наиболее существенных недостатков поршневых вибраторов является утечка рабочей среды в процессе работы через технологи­ческие зазоры между поршнем и цилиндром, уплотнением и штоком. Находит применение вибратор без пар скольжения, лишенный этого не­достатка. В таких вибраторах применен вместо поршня резиновый упру­гий элемент, работающий на сдвиг. Достоинством этой конструкции является органическое сращение вибродвигателя с упругой системой, что позволяет создать универсальный агрегатный вибропривод.

Для создания бигармонических колебаний используется поршневой вибратор с двухпоршневым пульсатором, один из поршней которого вращается с удвоенной частотой (рис. 81, б). Вибратор состоит из ци­линдра 9, в котором перемещается поршень 10, шток которого 11 имеет упругий элемент 12, Рабочая жидкость подается к цилиндру двух­поршневым пульсатором 14 через патрубки 8 и 13. Вследствие того что расход жидкости каждого цилиндра пульсатора суммируется в рабочем цилиндре гидровибратора, поршень последнего движется по бигармони-ческому закону.

Схема принципиального устройства пульсаторного поршневого виб­ратора одностороннего действия для создания эллиптических колебаний приведена на рис. 81,в. Он состоит из двух рабочих гидроцилиндров 17, 22, раздвинутых под прямым углом, в которых перемещаются порш­ни 19, 20 под напором рабочей жидкости, подаваемой двухпоршневым пульсатором, поршни 16, 23 которого перемещаются со сдвигом по фазе эксцентриковыми механизмами 15, 24, синфазно вращающимися с оди­наковыми угловыми скоростями. Поршни через штоки с упругими эле­ментами 18, 21 сообщают колебательной системе перемещения во взаим­но перпендикулярных направлениях.

Основным достоинством пульсаторных вибраторов является жест­кость амплитудно-частотной характеристики.

Регулирование режимов работы пульсаторных поршневых вибрато­ров осуществляется изменением как частоты, так и амплитуды колеба­ний. Частота колебаний регулируется путем изменения скорости враще­ния вала пульсатора, амплитуда колебаний - производительностью пуль­сатора.

К числу наиболее серьезных недостатков пульсаторных приводов относится нагрев рабочей жидкости, обусловливаемый замкнутостью ее обмена на участке поршень пульсатора — поршень вибратора.

Вибрационный привод пульсаторного типа одностороннего действия с поступательно движущимся золотником приведен на рис. 81,г. Он состоит из цилиндра 26 и золотника 25, который периодически соеди­няет рабочую полость то с напорной, то со сливной магистралями. Вибра­тор двустороннего действия, состоящий из цилиндра 27 и золотника 28, приведен на рис. 81,д. Золотник периодически соединяет одну рабочую полость цилиндра со сливной и в это же время - вторую рабочую полость с напорной магистралью, затем направление движения рабочей жидкости меняется. На рис. 81,е представлен вибратор, состоящий из цилиндра 29 и золотника 30, который управляет сливом рабочей жидкости.

Принципиальная схема поршневого вибрационного привода пульса­торного типа с золотником — генератором пульсации на входе приведена на рис. 81,ж. Привод состоит из насоса 33 постоянной или регулируемой производительности, который подает рабочую жидкость на вход золотника 32 и цилиндра 31. Золотник может быть выполнен, например, в виде вращающейся пробки с рядом отверстий, расположенных таким образом, что за один оборот полость цилиндра-вибратора 11 соединяется попеременно то с напорной магистралью, то со сливной. При этом в по­лости вибратора создается пульсация давления, обусловливающая воз­вратно-поступательные перемещения поршня. Регулирование амплиту­ды колебаний осуществляется с помощью регулятора давления 34, регулирование частоты - изменением скорости вращения золотника. Для привода золотника могут быть использованы регулируемые гидро­моторы, механические вариаторы, двигатели постоянного тока малой мощности, так как золотник является лишь управляющим элементом.

В рассмотренном пульсаторном приводе давление перед золотником поддерживается постоянным и определяется характеристикой насоса. В полость цилиндра-вибратора рабочая жидкость подается отдросселированной в каналах золотника с давлением, зависящим от угловой ско­рости вращения золотника. Дросселирующие сопротивления золотника в связи с выходящей из цилиндра-вибратора рабочей жидкостью незначи­тельны, и характер изменения давления в рабочей полости гидроцилин­дра будет определяться гидравлическими сопротивлениями сливной магистрали и динамическими характеристиками колебательной систе­мы, в паре с которой работает поршневой привод.

Этой схеме привода свойствен характерный недостаток, заключаю­щийся в том, что при увеличении сопротивлений в колебательной систе­ме, обусловливающем рост давления в цилиндре вибратора, уменьшается перепад давления в дросселирующем канале золотника, снижается рас­ход рабочей жидкости, вследствие чего амплитуда колебаний с увеличе­нием нагрузки уменьшается, т. е. привод имеет недостаточно жесткую характеристику. Поршневой вибропривод с золотником на выходе ра­бочего цилиндра-вибратора имеет значительно более жесткую нагрузоч­ную характеристику.

Принципиальная схема пульсаторного вибропривода приведена на рис. 81,з. Привод состоит из насоса 36 (постоянной или регулируемой производительности), который подает рабочую жидкость в полость ци­линдра-вибратора 35. На выходе цилиндра-вибратора в сливной маги­страли гидросистемы установлен золотник с вращающейся пробкой 37. При вращении пробки, выполненной по специальному профилю, изме­няется величина проходной щели золотника и в полости цилиндра-виб­ратора возникает пульсация давления. Частота пульсации регулируется изменением скорости вращения пробки золотника, амплитуда — с по­мощью дросселя 32 или изменением производительности насоса. Рабочая жидкость, подаваемая насосом, поступает в цилиндр и сливной бак через золотник и дроссель. Если дроссель полностью перекрыт, то амплитуда колебаний поршня будет зависеть только от пропускной способности золотника.

Пробку золотника можно спрофилировать таким образом, чтобы в течение большей части прямого хода поршня цилиндра-вибратора золот­ник был полностью перекрыт. В этом случае (при достаточном давлении насоса) амплитуда поршня при прямом ходе не зависит от величины сопротивлений в колебательной системе. Когда поршень совершает об­ратный ход под действием восстанавливающих сил упругих связей коле­бательной системы, золотник имеет достаточное отверстие для про­пускания суммарного расхода рабочей жидкости, подаваемой насосом и поступающей из цилиндра-вибратора. Поскольку в рассмотренном приводе амплитуда установившихся колебаний определяется величиной прямого хода поршня цилиндра-вибратора, он будет иметь достаточно жесткую нагрузочную характеристику.

Поршневой вибропривод пульсаторного типа с золотником-генера­тором несложен по конструкции, допускает сравнительно простое регу­лирование по амплитуде и частоте колебаний; пульсации от одного на­соса могут передаваться на поршни желаемого числа цилиндров-вибра­торов .

С точки зрения уменьшения инерционности системы управления представляет интерес новая конструкция гидравлического вибратора пульсаторного типа, в котором регулирование направлением движения рабочей жидкости осуществляется электрической системой управления. В вибраторе в качестве рабочей жидкости используется специальная сре­да, имеющая способность мгновенно затвердевать при воздействии на нее электростатического поля.

Схема гидровибратора с электрической системой управления приве­дена на рис. 81,и. Он состоит из гидроцилиндра (двустороннего дейст­вия) 37. Рабочая жидкость подводится в рабочую полость гидроци­линдра при помощи четырех электростатических управляющих уст­ройств 38, 39, 40,42 от насоса 41. При включении управляющего устрой­ства движение рабочей жидкости через него прекращается. Гидромаги­страль запроектирована так, что при включении одной пары гидрорас­пределителей (2, 1 или 7, 6) одна полость гидроцилиндра соединяется с напорной магистралью, вторая — со сливной. При переключении гидро­распределителей направление движения рабочей жидкости меняется.

Гидравлический вибропривод наиболее пригоден для использования в виброустановках, требующих значительной мощности возбуждения при ограниченных габаритах конструкции. Гидровибраторы могут созда­вать значительные возмущающие усилия и раэмахи колебаний. Недостат­ком гидравлических вибровозбудителей следует считать сравнительно большую сложность конструкции, нагрев и утечку рабочей жидкости. Пневматические вибраторы просты по конструкции и применяются на предприятиях, имеющих сжатый воздух, особенно в условиях, где важ­на взрывобезопасность привода.

На практике наибольшее распространение имеют гидравлические вибраторы пульсационного действия. Гидравли­ческий привод этого типа состоит из пульсатора, приводного двигателя, осуществляется от основного двигателя через вал пульсатора и муфты (рис. 82).

Рис. 82. Конструкция гидроцилиндра с резиновыми мембранами

Двухпоршневой гидропульсационный привод с оппозитным располо­жением цилиндров имеет раму-бак 1, на которой смонтированы электро­двигатель 2, гидропульсатор 3, подгшточный насос 4 и блок управления5. Гидропульсатор представляет собой сдвоенный поршневой насос, сек­ции которого работают в противофазе. Секции соединены рабочими трубопроводами с соответствующими полостями рабочего. гидроци­линдра. В блоке управления рабочие трубопроводы могут соединяться между собой накоротко посредством дроссельного устройства, управ­ляемого винтом со штурвалом. Это устройство позволяет осуществлять плавный запуск вибрационной машины, а также регулировать амплитуду колебаний путем неполного перекрытия канала и сброса части рабочей жидкости. В блоке управления расположено два предохранительных клапана подпиточного насоса.

Четырехпоршневой гидропульсаторный привод имеет корпус, в ко­тором на подшипниках установлены эксцентриковый вал с подшипни­ками и четыре горизонтальных поршня.

Наиболее прогрессивными исполнительными органами являются гидроцилиндры с резиновыми поршнями-мембранами. Вибратор состоит из корпуса, к которому подведены напорный и сливной трубопроводы. С обоих концов корпуса установлены мембраны, представляющие собой упругие резинометаллические элементы. Гидроцилиндр смонтирован на кронштейне. При подаче рабочей жидкости обе мембраны выдви­гаются из корпуса. Приведенная конструкция предназначена для уравно­вешенных конвейеров.

При значительной длине гидромагистрали в гидравлических возбу­дителях пульсационного типа ухудшается тепловой режим и происходят большие потери энергии вследствие затухания пульсаций в трубопрово­дах. Наиболее подходящими типами гидравлического поршневого при­вода для гидромагистралей значительной длины являются автоколеба­тельные вибраторы. Этот тип привода питается от насоса постоянной про­изводительности, который создает напор рабочей жидкости по всей дли­не гидромагистрали, что позволяет применять гидромагистрали значи­тельной длины.

Гидравлический автоколебательный вибратор (рис. 83)

Рис. 83. Конструкция автоколебательного гидравлического вибратора с внешней обратной связью

Состоит из корпуса 1 со впускным патрубком 2, в котором установлена мембра­на 3, выполненная в виде резинометаллического элемента. Мембрана быстросъемная и крепится в корпусе гайкой 4. К металлическому центру 5 мембраны с помощью пружины 6 крепится кронштейн 7, который шарнирной тягой 8 соединен с серийно выпускаемым золотни­ком 9. Кронштейн 7 является рабочим шатуном и крепится к рабочему органу вибромашины, корпус вибратора устанавливается на раме с по­мощью кронштейна 11. Для выпуска воздуха из рабочей полости ци­линдра при отладке установки служит клапан 10. Работает вибратор следующим образом. При исходном положении мембраны золотник соединяет рабочий цилиндр с напорной гидромагистралью, в рабочую по­лость поступает жидкость и мембрана деформируется, перемещая крон­штейн влево. Совершается рабочий ход грузонесущего органа виброма­шины. Одновременно кронштейн через тягу перемещает шток золотни­ка, напорная магистраль перекрывается и рабочая полость цилиндра сое­диняется со сливной магистралью. Жидкость из рабочей полости ци­линдра выдавливается в сливную магистраль под совместным действием мембраны, пружины и рабочей упругой системы вибромашины. Золот­ник возвращается в исходное положение, соединяя рабочий цилиндр с напорной магистралью. Цикл повторяется.

Пневматические вибраторы работают от стандартных промышлен­ных пневмосистем с давлением 2–7 МПа. По принципу действия разли­чают следующие типы поршневых пневматических вибраторов: пульса-торные, которые применяют при частотах до 15 Гц, значительных ампли­тудах-до 20–30 мм-и больших возмущающих силах; автоколеба­тельные обычные на частоты 15–60 Гц при достаточно больших ампли­тудах и возмущающих силах; автоколебательные специальные на часто­ты до 2000 Гц при амплитуде до 0,2 мм.