6.7. Расчет вибровозбудителей

Получение сложных двухчастотных колебаний достигается путём крепления неуравновешенных разбалансированных относительно своей геометрической оси бегунков. Высокая частота получается от планетарного обкатывания бегунка, вторая низкая частота возникает от вращения разбалансированной части бегунка вокруг его оси.

В случае применения дебалансныхроликов(рис.6.40)возникают две центробежные силы различной частоты. Одна возбуждающая сила развивается вследствие вращения центра масс ролика относительно оси О, а вторая – ввиду вращения ролика относительно своей оси O1.

Рис. 6.40. Схема поличастотного

вибровозбудителя

Движение ролика в этом случае можно представить состоящим из поступательного вместе с центром ролика и вращательного относительно этого центра.

При поступательном движении центробежная сила изменяется с частотой вращения водила 0. Ее амплитудное значение определяется из выражения

171

силы от массы m, приложенной в центре тяжести дебаланса (в точке

где e– эксцентриситет дебалансной части ролика, м; p – абсолютная угловая скорость вращения ролика, c-1 ,

При установке нескольких дебалансных роликов различного диаметра результативная возмущающая сила равна геометрической сумме составляющих возмущающих сил. Большое значение при этом имеют начальные углы установки дебалансных роликов.

В существующих конструкциях поличастотных бегунковых (поводковых) вибраторов дебалансные ролики свободно перекатываются по беговой дорожке только за счёт трения. Уменьшение сил трения при вибрации, чему способствует наличие масла в корпусе вибровозбудителя, силы инерции при запуске, а также противодействующий момент дебаланса создают условия для проскальзывания ролика относительно беговой дорожки. Это вызывает уменьшение частоты вращенияролика, пробуксовкуи может привести к остановке. Наличие проскальзывания ролика изменяет характер результативной возмущающей силы, делает её переменной и не позволяет получать стабильный режим вибрации. Параметры бегунковых вибровозбудителей необходимо выбирать с учётом отсутствия отрыва и проскальзывания ролика.

Планетарные вибровозбудители позволяют получать высокочастотные колебания без применения преобразователей частот и мультипликаторов.

Число колебаний определяют по формулам:

– с наружной обкаткой

172

1

d

– с внутренней обкаткой

1 D d

где n – частота вращения приводного вала, мин-1; D и d – диаметры поверхностей обкатки, м.

Вынуждающую силу определяют по формуле

где d – длина ролика, м; – плотность материала, т/м3; – угловая скорость вращения ведущего вала, с-1; g – ускорение свободного падения, см/с2; D – диаметр беговой дорожки, м; d – диаметр ролика, м.

где f – коэффициент сопротивления качению; – скорость вращения ролика, м/с.

При постоянной величине произведения Qf D потери энергии возрастают прямо пропорционально диаметру D . В мощных вибровозбудителях эти потери могут достигнуть большой величины, поэтому необходимо стремиться уменьшить диаметр беговой дорожки.

Эффективность вибрационной машины может быть основана не только на регулировании частоты и амплитуды вынуждающей силы, но и на регулировании упругих, инерционных и диссипативных параметров машины, на точности или остроте настройки, может зависеть от типа привода. Привод вибровозбудителей осуществляется практически любым способом. Наибольшее распространение получили электрический, пневматический, гидравлический и

173

комбинированный приводы, реже механический. Независимо от вида привода преобладают такие конструктивные решения вибровозбудителей, в которых вал вибровозбудителя связан с приводным двигателем посредством трансмиссии (цепная, зубчатая или клиноремённая передачи, гибкие валы). Для привода многих центробежных вибровозбудителей применяются асинхронные электродвигатели с короткозамкнутыми роторами. Применяют различные способы плавного регулирования частоты вращения таких электродвигателей, в том числе с изменением напряжения, подаваемого на обмотку статора, изменением тока в катушках дросселей насыщения, несимметрично подключённых к обмоткам статора, изменением частоты питающего тока, применением каскадных схем включения и импульсного регулирования. От выбора способа регулирования может существенно зависеть эффективность работы вибрационной машины.

По типу реализации вынуждающей силы центробежные вибровозбудители могут быть направленного и ненаправленного действия. В последнем случае вибровозбудитель состоит из двух вращающихся в разные стороны с одинаковой угловой скоростью бегунков (эксцентриков), расположенных таким образом, что в каждый момент времени горизонтальные составляющие центробежных сил уравновешены, а вертикальные составляющие суммируются. Направленное действие вынуждающей силы присуще и асимметричным планетарным вибровозбудителям, которые наряду с поличастотным законом динамической вынуждающей силы обеспечивают действие внешней статической силы, импульс которой за один оборот водила вибровозбудителя пропорционален эксцентриситету водила вибровозбудителя относительно центра кривизны беговой дорожки и направлен в сторону данного эксцентричного смещения водила,что объясняется действиемкориолисовых силна инерционный бегунок.

Другая принципиальная возможность получения прямолинейно направленной вынуждающей силы реализуется подвеской одновального вибровозбудителя на шарнире, подобно маятнику III. При расположении оси шарнира в так называемом центре качаний, большойподатливости упругой втулки в шарнире, малом угле качаний маятника и в центрированной системе шарнир воспринимает только прямолинейно направленную синусоидально колеблющуюся силу, действующую по прямой, соединяющей ось шарнира со средним

174

положением оси вращения инерционного элемента. Эта сила равна проекции круговой силы, развиваемой инерционным элементом, на указанную прямую. При переходе вертикальной оси в наклонное положение изменяется направление суммарной вынуждающей силы, а за счет горизонтальной составляющей может происходить перемещение вибровозбудителя. Те вибровозбудители, корпуса которых могут наклоняться для получения поступательного движения, называются маятниковыми.

На рис. 6.41 показана схема маятникового вибратора. Корпус 1 соединен с опорной плитой 2 при помощи шарнира 3. При вращении дебаланса под действием вынуждающей силы корпус совершает колебания подобно маятнику, подвешенному на оси А. Опрокидывание корпуса вокруг шарнира предотвращают введением пружины или резиновых амортизаторов.

Максимальныйугол, накоторый отклонитсякорпус вибратораот нулевого положения, определяется по формуле

где – угол между вертикалью и направлением линии ОА при отклонении вибровозбудителя, град; Q – вынуждающая сила, Н; l – расстояние от оси шарнира до точки приложения вынуждающей силы, м; J – момент инерции корпуса относительно оси А, Н·м2; – угловая скорость вращения дебалансов, с-1.

На вибромашину в этом случае передается только составляющая центробежной силы Р, действующая по оси подвески У. По оси X центробежная сила уравновешивается силами инерции маятниковой подвески и на вибромашину не передается.

Вынуждающая сила маятникового вибратора будет иметь направленное действие дляполного уравновешивания горизонтальных сил при условии

где a – координата центра масс вибровозбудителя с подвеской, м. Следовательно, величина вынуждающей силы, создаваемой

маятниковым вибровозбудителем, равна

Cиловая и энергетическая нагруженности вибровозбудителя зависят не только от его параметров, но и в большей мере от

175

специфики вибромашины, а также от характера вибрационного технологического процесса и взаимодействия объекта обработки с рабочим органом [46].

Рис. 6.41. Схема вибровозбудителя с маятниковой подвеской

На катках применяются вибровозбудители с постоянным или изменяемым статическим моментом дебалансов. Чаще всего они располагаются внутри вальца. Наиболее распространенной конструкцией вибровозбудителя с переменным статическим моментом является вибровозбудитель с двумя значениями статическогомомента. У такого вибровозбудителя одна пара дебалансов закреплена на валу неподвижно, а вторая может поворачиваться на определённый угол, ограниченный специальными упорами. При вращении вала в одну сторону поворотные дебалансы совмещаются с неподвижными и их статические моменты складываются. При вращении вала в другую сторону поворотные дебалансы поворачиваются на 180° относительно неподвижных, и статический момент становится равным разности моментов подвижных и неподвижных дебалансов. Частота колебаний

176

у таких вибровозбудителей обычно устанавливается более высокой для меньшего статического момента и более низкой для большего. Катки с такими вибровозбудителями в режиме высокой частоты используются для уплотнения асфальтобетона и гравийно-щебёночных материалов, а в режиме низкой частоты – для уплотнения грунтов.

Усилие, развиваемое вибровозбудителем, определяется с учётом коэффициента k [17]:

где P – возмущающее усилие, Н; Q – статическое давление (вес вальца), Н.

Возмущающую силу выбирают в пределах P= (4–6)·GК (здесь GК – сила тяжести колеблющихся частей катка, Н).

Величина k назначается в пределах 2 – 4 для обеспечения вибротрамбующего режима работы и k 2 для обеспечения вибрационного режима работы. Необходимо отметить, что увеличение k позволяет снизить статическое давление и уменьшить таким образом массу машины, но при этом увеличивается значение вынуждающего усилия.

При таком соотношении амплитуда колебаний а составляет 0,3–0,7 мм. При a = 0,3–0,4 мм вибровалец не отрывается от поверхности уплотняемого материала, а при большей амплитуде наблюдаются его отрыв и переход в режим вибротрамбования, при котором в двухосных двухвальцовых катках с одним вибровальцом возможна потеря тяговой способности или управляемости и боковой устойчивости.

При проектировании виброкатков желательно обеспечивать изменение частоты колебаний вибровальца и возмущающей силы для использования их в наиболее выгодных режимах работы при уплотнении различных материалов.

Существующие катки имеют частоту колебаний 30–70 Гц и возмущающую силу до 80 кН. При известных размерах пятна контакта можно получить величину удельного давления и статическое давление при известной массе вальца катка.

Величина вынуждающего усилия центробежного вибровозбудителя определяется по формуле

177

где mД – вес дебаланса, Н; r0 – радиус центра тяжести дебаланса

(эксцентриситет), м; – угловая скорость вращения дебаланса, с-1. Угловая скорость вращения дебаланса определяется по формуле

30

где n – частота вращения дебаланса вибровозбудителя, мин-1.

Зная статический момент дебаланса mr , выбирают форму и определяют размеры дебалансов. В табл. 6.5 приведены формулы, по которым определяются площадь и эксцентриситет дебалансов.

рекомендуется 145–160°

178

При известных значениях P , r0 и можно найти массу дебаланса из формулы (6.27):

N2 – мощность для преодоления трения в опорах вибровозбудителя, Вт; N3– мощность для запуска вибровозбудителя, Вт.

Средняя мощность, необходимая для поддержания колебаний,

C

МК

где C – собственная частота колебаний системы; C – жёсткость

MК

колеблющейся системы; MК – масса колеблющихся частей, кг, мощность, необходимую для поддержания колебаний вибровальца, рекомендуется определять по формуле

Мощность для преодоления трения в опорах вибровозбудителя

где k1– коэффициент, учитывающий тип смазки: k1 1,15– для жидкой смазки, k2 1,2 – для консистентной смазки; k2 – коэффициент, учитывающий тип подшипника: k2 0,007 – для роликовых сферических подшипников, k2 0,005 – для роликовых однорядных подшипников; d – диаметр вала, мм.

179