Волновой виброконвейер

 

Изобретение относится к вибрацион ным конвэйерам и м 6 использовано дтч транспортирования малогабаритны дета лей сыпучих материалов и для обеспечения возвратио-попугательного движения обьектов Цель - уменьшение габаритов виброконвейера по высоте Волновой виброконвейер содержит волновод (ВВ) 1, выполненный полностью из расположенного вертикального пьезокерамического прямоугольного брускэ, поляризованною по толщине. Ьысота В В 1 значительно меньше его длины Дня образования двух стер чей в ВЗ 1 выполнена „ i , r-iпрорезь 2 Дни a f- длины предельно г чы (- - жнеи ВВ 1 растр ( ТОМ ЭЛСт ТПСТЬ1 3 li 4 прод тьные pa ivicij1-1 рчч t ьы вол«-0| Общш- 3 озспо/ г nO .OX hOU CTCOOHt п 1 к ульразву( ово v -1 подк/ к чсн к et ч чг лес г ощи1 мехаь м - п с гати находятся а гозэг i O-т ог огичень в пс ч1 Пр 1 подаие нэп1)1- -u « -i сrOVi it I о уГО о i то з БР . j 1.- тс циокулир ющер 1рг цольнсм е НЬ Пр ЭТОМ ВГ ) Т(С - ич к. П . - ,, р I И - н , (Г-т ,0- (j I о 5 v i« f i l 9 -1И I CCC, f ,t%- ПР, j pp„r, , pfi u j- - I- t3B ДВИЖЕТСЯ ГП ОЛ1 l О К i И С 5 С г ленным траектория Г|г е; MI L см е ние образуется зд с - к, стек SHL но Такие траектооич п-игррль сти BL 1 взаг модействуощей с аетзлью 8 оеспечивяют переменную эо врсмр и норл п/i ную реакцию и соответс ьен-о СИЛУ,,Х -, котооат создает чапр йпс: -)-ое 4Ь с ие/ р ати 10 и/. л/)/; Л/2 - ь о ю о U JS f Vk // d г 7

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

<Я1с В 65 G 27/00

ГОСУДАРСТВЕНН6!Й КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКР6(ТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

/ .

/ р

1 Ь г

)

1 !

Ц

1 7

Ч

Фиг 1 (21) 4655811/03 (22) 27.02,89 (46) 07.12.91.Бюл.й 45 (71) Ленинградский политехнический институт им. M.LrI,!(àëèíëíà (72) А.Б.Смирнов (53) 621,867.157(088. 8) (56) Авторское свидетельство СССР

N 933573, кл, В 65 G 27/00, 1978, Авторское свидетельство СССР

N 835283, кл. I-i 01 41/08, Н 02 М 11/00, 1977, (54) ВОЛ ОВОй ВИБРОКОНВБЙБР (57) Изобретение относится к вибрационным конвейерам и м.б. использовано для транспортирования малогабаритных деталей, сыпучих материалов и для обеспечения возвратно-поступательного движения обьектов. Цель — уменьшение габаритов виброконвейера по высоте. Волновой виброконвейер содержит волновод (ВВ) 1, выполненный полностью из располо>кенного вертикального пьезокерамического прямоугольного бруска, поляризованного по толщине. Высота ВВ 1 значительно меньше его длины. Для образования двух стержней

„„Я2, „ i 6963 !ь 8 А 1

В В В 1 ВЬ! ПОЛ Нвl(а Г1 рпдОЛ а3 ";.1 li К !<>г «-1 прорезь 2. плина РВ 1 крат а !ело-. :!! .

ДЛИНЫ ПРОДОЛЬНОЙ ВОЛ i Ь!, г; ":, ":1г1 l>З ;;: жней BB 1 Пас!-.г ло>кен! г .,-,;....-д;ру. г1родольные размеры. раг1!1ь:. -; т;: .рт!! дл1;ны Волны, Общий pBci>or о>кон," .Io, T .:..!3полоRHDI1 стооон ь cTp !ж .«я. 1. д»л !о -"=." .. к ультразву",îâo, »с .".«ч1-", ", 6 п»тан»», а 3

1 ПОВК!!!ЗЧС1-! К (! г.!, ж.-,,; Чд-;; Е„-;,, ...,„ЗСС-,,-В»Г;"-ЮЩИЙ МЕХВНИЗМ i "-;, Г1;". г; ". *." Г ",!-!P !,!-,— гали находятся «а !позер. ilo 1»! В В !1 огоаничены В ttp...c"»c! icl- . !1 . ":", и! а."".

П !зг, P.:r1 ПОДаЧЕ НаПР -.:::= .:,=. На = »,- 1 С -. Г Л"-...г тО, Е В В В: ЗО 1 то р<З,Им ц»рКУЛИруЮЩЕЙ »1;!ПДОЛ!ЬНСГ! бЕГ.: !O» В::.1нь!. При зтом вс:-. 1о: ки Г!вверх-;. -- =H

ДВИЖУТСЯ ПО ЗЛ Л «" г « "-С К!11 Г -! О г !1 а Вленным траектор»я!., !o-:е,:зч1-,;;. сме.,:р-, ние образуется за с ;-.: зфа Pl,:-;1гансона.

Такие траектории и:верх!-ест» В; 1. Вза!.— модействующей с деталью 8,;беспеч»вают переменную во време!-;и но;1к1аг!Вную реакцию vi, соответственно. силу, р;;: . . кото рая создает направленное дс - .>Ке,»e ) .«ал». 10 ил.

1: к

1 ! ! г ! ):.

, р, ,р, 1 !

1696348

1(х=О)= з(х=О), 1(х=р)= (x=p), $2(x=I)= 3(х=!), (2) (5) 45

5Q

55 б) выполнение второго и третьего закона Нь тона в тех же точках:

М 1(х=О)=Я(д цх=О)+ стз(х=О), М 2(х=О)=5(32(х=!)+ 05(х=!), (3)

F=S(о2(х=р)- о (х=р)), где о; — механическое нормальное напряжение;

S — площадь пойеречного сечения стержней и II, Решение волнового уравнения (1) для участков i=1,2,3 можно искать в виде суммы двух бегущих навстречу волн: =А;ехр(!(в kx))+Blexp(j(co t+kx)), (4) где К= в /С вЂ” волновое число:

А! — комплексные амплитуды бегущих волн.

Закон Гука в дифференциальной форме имеет вид: о I=E!I I/Ýõ, !=1,2,3 где Š— модуль упругости;

Е =рС2, где р — плотность материала волновода.

Подставив (4) и (5) в граничные условия (2) и (3); получим систему линейных неоднородных уравнений:

А1+ В1==АЗ+ В З, A1m+B1m=A1-B 1+Аз-вз, А1Р +B1P=A2P +B2P, А2Р -В2Р=А1Р +В1Р=1, -1 -1

А2! +B2L=-Аз!. +B L, (6)

А2! п1+В2(-гп=А21 -В2! +Аз! -BzL, m = )в! 1/рСЯ, f = F/)ð $ ш, где L=hxp(jkl)/ P=exp(jkp).

Решая систему (6), определим неизвестные комплексные амплитуды:

Аз=й /Р -1)(2-m), (7)

Вз=fР/(L -1)2-m) (8)

Представив Аз и Вз из (7) и (8) в (4), найдем колебательные смещения на участке 3(т.е, на свободном от внешней силы Р стержне! I):

jI<(p+ x) +

2 — m

ei" (Р 0)уф(2 — q1 (g) iГ+ ITl

Анализируя формулу (9), можно сделать вывод, что бесконечное возрастание амплитуды колебаний (без учета затухания) возникает в резонансе, когда 2=1, т,е. @=к п или

I=n Л/2, где n=1,2,... и образуется стоячая волна. B данной колебательной системе координаты пучностей и узлов зависят от координаты приложения силы Г: Х-Р (в формуле (9) есть члены ехр(+ jk(p+x)), что является необходимым условием для фор5

40 мирования в резонансе режима бегущей волны.

Для доказательства возможности формирования режима бегущей волны при резонансе в стержне II рассмотрим ту же колебательную систему, которая возбуждается двумя продольными гармоническими

cMJ1ßìè Fa=FaexP(j!a t) и Fa=FaexP(j(P +й) t)), расположенными соответственно в точках с координатами х ра и х=рв на стержне I, где - сдвиг фаз между силами {фиг.4), Так как волновое уравнение (1) — линейное, то колебательный процесс в волноводе является супeðïîçèöèåé колебаний от действия каждой из сил Уа u Fa в отдельности, для стержня II получим: (II = (3a + зь = (Аза + Аэь)е ) +

l (! t — )

+ (Вза + Взь)e(" ) (10)

Для определения условий формирования бегущей волны в стержне II, распространяющейся только в положительном или отрицательном направлении оси Х. приравняем нулю второй или первый член в формуле (10):

Вза+Взв=О или Аза+Азв=О

При равенстве амплитуд возбуждающих сил Fa=Fa=F. подставив {7) и (8) в (11) получим соотношение (Pà/Р Ь) =- — Ф (12) где Pa=exP(jkPa), Рв=-exP(jkPa), Ф=exP(jP) верхний "-.нак соотве-;ñTEóåò условию формирования бе ущей волны, распространяющейся в положительном направлении оси Х, нижний знак — в отрицательном направлении оси Х.

Подставив (7.8 и 12) в (101 получим колебательный процесс в сержне II в виде одной бегущей волны:

-+ 1

fPs sin LAp) iItli Iii1 (2 m) (1 — L — ) (13) где + p=pa po, Максимум амплитуды бегущей волны в стержне II достигается, как видно из (13), при

ЫР = +лП,т.Е.Р, — рь — — Л(2п — 1)/4, п=1,2... (14)

Подставив (14) и (12) полу им, что сдвиг фаз сил в атом случае p= 90 .

Для определения амплитуды бегущей волны в резонансе учтем затухание в волноводе. B этом случае представим волновое число в комплексном виде:

k=k(1-j/2g), где !с=ю /С. - (15) г) — добротность материала волновода, которую можно определить экспериментально по AMP, Для пьезокерамических ма1696348 териалов Q=300...40000, для металлов

/==300„.1000. Подставим k из (15) в (13) и найдем приближенно действительную амплитуду бегущей волны:

5 где n=-1,2,...— число полуволн, укладывающихся по длине стержня в резонансе. Амплитуда колебаний прямо пропорциональна амплитуде силы и добротности и обратно пропорциональна волновому сопротивле- 10 нию (р CS), частоте колебаний, соотношению массы М к волновому сопротивлению.

Исходя иэ выше сказанного, для повышения амплитуды волны необходимо иметь рабочую частоту наиболее низкой, для ульт- 15 развуковой техники — 18-20 кГц.

По амплитуде бегущей волны можно оценить скорость транспорти рован ия;

1 =k. Ьаэ где К -0,3„.0-6. 20

При возбуждении алюминиевого волновода гармоническими силами с амплитудой

F=*1/Í и при следующих параметрах колебательной системы: p=2,6 10 кг/м; С=5,12

10 м/с; S=! 10 м2; М.=2 10зкг; Я=300, n:=:2, 25

f-20 кГц получим (n« = 0.6 10 6м, Ч=З 10" ...6 10 2м/с, Определим Ограничения на парамет!7ы вол новада, при KQTopblx данное устройство работоспособно, исходя иэ следующих со- 30 ображений:

1. В стержнях волновада должна рас" пространяться плоская продольная волна, т.е, фронт волны — плоский. условие выполняется при соблюдении неравенств (фиг,5): 35

b/2 <Д/4,d с. /4 (17)

2. 30Hbl соединения стержней BoRHoeoда должны вести себя при распространении продольной волны в стержнях на рабочей частоте как сосредоточенные массы. Усг.о- 40 вие выполняется при соблюдении неравв;-:ства: а <Я/16 (18)

3. В зонах соединения стержней волнавода не должны ВоэбуждатьСЯ параэитные изгибные колебания под действием продольных колебаний в стержнях, иначе в них также возникнут паразитные иэгибные колебания. Условие выполняется, если

Ь

А = 2ЯОМШ, 55 где d = E,t/pSl = С a2/12;!,S — момент инерции сечения эоны соединения стержней v. его площадь.

Используя (17) и (18), получим условия

Ь <ЙЫМЗ 32 или приблизительно Ь<

0,05it, .

4. Для уменьшения амплитуд паразитных колебаний в стержнях необходимо, чтобы обе зоны соединения стержней были идентичны (т,е. эквивалентные им сосредоточенные массы М были одинаковыми)..

Возможно выполнение волновода иэ двух пьезокерамических брусков 11 и 12, склеенных эпоксидным компаундом 13 через тонкие (О, t-0,3 мм) металлические прокладки 14 для формирования прорези (фиг.6). Электроды 3-5 могут быть расположены горизонтально. Такая конструкция более технологична в изготовлении, чем на фиг,1, однако механическая прочность ее ниже.

Более перспективен другой пример конструктивного выполнения волнового вибротранспортера, изображенный на фиг.7 и 8.

Волновод 1 вибротранспортера выполнен металлическим с вклеенными в один из стержней волновода пьезокерамическими пластинами 15 и 16, поляризованными по толщине и имеющими по два потенциальных электрода 3 и 4 на каждой пластине. Для возбуждения бегущей волны необходимо, чтобы длина металлического стержня была кратна половина длины волны

Я т.е.l = n g/2; длина составного преобразователя tl, содержащего пьезопластины была равна (кратна) половине длины волны

4, т,е. его длина должна быть также резонансной: !1= 4/2; длина стержня tj, содержащего пьезопреобразователи была равна: !

2= 4 /2+И- l) Q/2, В связи с разной скоростьюзвука в металле и составном преобразователе в вол новоде должны быть выполнены уступы д; д = (. -Я„-}/4, Для уменьшения д необходимо выбирать пьезокерамический материал, скорость звука в котором была бы близка к скорости звука в металлическом стержне (например, пьезокерамика типа ТБК-З, у которой ско!зость звука Cn=-4700м/с), желательно по возможности уменьшать толщину пьезапластин dn по сРавнению с толЩиной металлической перемычки d>, Длина составного преобразователя i> находится исходя из заданной частоты и по формуле:

2б.19()1)+ d,t9(c-t1) =О, Cil

Полностью ликвидировать уступы (т,е. Я=О) можно, если такие же пьеэопластины будут вклеены и в другой стержень.

В отличие от широко распространенных низкочастотных (5ОГц) вибролотков с элект1696348

10 ромагнитным виброприводом стержня волновода могут быть выполнены изогнутыми, т.е, транспортирующая дорожка волнового вибротранспортера может быть криволинейной, радиус кривизны R которой ограничен неравенством R )iL/2. Такие криволинейные транспортеры могут найти широкое применение для подачи миниатюрных деталей в машинах-автоматах. Для создания возвратно-поступательного движения объекта, например, каретки 15 в приборе может служить устройство, волновод 1 которого состоит из трех параллельных стержней, скрепленных по концам (фиг.9 и

10).

Электроды 3 и 4 пьезопреобразователей находятся на среднем стержне. Принцип действия такого устройства аналогичен принципудействия волнового виброконвейера.

Формула изобретения

Волновой виброконвейер, содержащий

5 рабочий орган в виде расположенного вертикально замкнутого волновода с двумя параллельными стержнями, закрепленные на нем пьеэопреобразователи, связанные с ультразвуковым источником питания и фа10 зосдвигающим механизмом, о т л и ч à юшийся тем, что, с целью уменьшения габаритов виброконвейера по высоте, волновод выполнен прямоугольной формы в плоскости, перпендикулярной плоскости

15 транспортирования, при этом длина каждого стержня кратна половине длины волны, а размер волновода по вертикали меньше его, размера по горизонтали.

1696348 rz фЮФл

Х =Рв фут Д

1696348

169б348

Составитель Е.Артемьева

Техред М.Моргентал Корректор С.Черни

Редактор Н.Химчук

Производственно-издательский комбинат "Г1атент", г, Ужгород, ул.(агарина, 101

Заказ 4270 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям гри ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5