Вибродвижитель
Изобретение относится к классу машин для возбуждения механических колебаний, а более конкретно к инерционным вибраторам. Вибродвижитель содержит в конструкции вращающиеся неуравновешенные массы - дебалансы, создающие в устройствах механические гармонические колебания кругового или направленного действия. Причем в целях создания механизма, способного придать твердому телу вибрационно-поступательное движение от действия внутренних инерционных сил вращающихся неуравновешенных масс при взаимодействии с силами сопротивления внешней среды, создается в моноблоке комбинация из двух или трех вибраторов кругового или направленного действия с равными между собой амплитудами возмущающих сил и кратными частотами вращения, как 1:2 или 1:2:3, с расположением дебалансов в одной плоскости вращения и первоначально в одинаковых фазах. 8 ил.
Изобретение относится к классу машин для возбуждения механических колебаний, а более конкретно к инерционным вибраторам, характерной особенностью которых является наличие в конструкции вращающихся неуравновешенных масс - дебалансов.
Механические вибрационные вибраторы конструктивно подразделяются на одно- и многомассовые, простые и самоцентрирующиеся, с постоянной и регулируемой величиной силы и частоты колебаний.
Наиболее широкое применение в технике нашли, однако, лишь инерционные вибраторы с одним вращающимся дебалансом в вибраторах кругового действия и с двумя одинаковыми дебалансами, вращающимися в противоположных направлениях, в вибраторах направленного действия.
Эти вибраторы, работая на средних частотах вращения, способны создать большие возмущающие силы при малых габаритах и вызвать в механизмах и конструкциях круговые или возвратно-поступательные гармонические колебания, т.е. колебания, симметричные по амплитуде (см. Кожевников С.Н., Есипнко Я.И., Раскян Я.М. Механизмы. «Машиностроение», Москва, 1965 г.).
Задачей настоящего изобретения является создание механизма, способного придать твердому телу вибрационно-поступательное движение от действия внутренних инерционных сил вращающихся неуравновешенных масс при взаимодействии с силами сопротивления внешней среды.
Указанная цель достигается тем, что создается в моноблоке комбинация из двух или трех вибраторов кругового или направленного действия с равными между собой амплитудами возмущающих сил и кратными частотами вращения, как 1:2 или 1:2:3, с расположением дебалансов в одной плоскости вращения и первоначально в одинаковых фазах. При этом происходит сложение максимумов возмущающих сил всех вибраторов в одном направлении.
Принцип действия вибродвижителя заключается в том, что при сложении возмущающих сил вибраторов с одинаковой амплитудой и кратной частотой, возникают биения, т.е. колебания с периодически меняющейся амплитудой и частотой, равной частоте вращения наиболее тихоходного вибратора. Колебания становятся негармоническими. В направлении вперед действует суммарная «большая» возмущающая сила вибраторов, а в направлении назад - «малая» сила, равная примерно возмущающей силе одного из вибраторов. Большая сила действует кратковременно, а малая сила - более длительное время. Поэтому векторы импульсов сил в направлениях вперед и назад равны между собой и противоположны по знаку. Такие внутренние силы не могут вывести центр тяжести системы материальных точек из равновесия, а могут сообщить ему лишь колебательное движение. Но, взаимодействуя с силами сопротивления внешней среды, «большая сила» преодолевает их и избыток ее сообщает массе самой машины или ее рабочему органу поступательное движение. А в направлении назад «малая сила» гасится силами сопротивления внешней среды.
Эффективность действия вибродвижителя можно значительно увеличить, уменьшая сопротивление внешней среды в направлении вперед и увеличивая в направлении назад, путем изменения геометрических форм движущегося аппарата или рабочего органа виброустановки.
На фиг.1 изображена в двух проекциях кинематическая схема вибродвижителя кругового действия из двух дебалансов, вращающихся в одинаковом направлении.
На фиг.2 приведена его суммарная векторная диаграмма возмущающих инерционных сил. Углы поворота в градусах указаны за один оборот наиболее тихоходного вибратора.
Перечень элементов на кинематической схеме:
1, 2 - дебалансы;
3 - ведомый вал;
4 - ведущий вал;
5, 6 - зубчатые передачи;
7 - подшипники в корпусе вибродвижителя;
8 - подшипник на ведомом валу.
Условные обозначения на диаграмме:
Fumax - максимальная возмущающая сила вибраторов;
Fтр - сила сопротивления внешней среды;
Fдв - движущая сила, сообщающая поступательное движение.
На фиг.3 изображена в двух проекциях кинематическая схема вибродвижителя кругового действия из трех дебалансов, вращающихся в разные стороны. На фиг.4 приведена его векторная диаграмма возмущающих инерционных сил. Углы поворота в градусах указаны за один оборот наиболее тихоходного вибратора.
Перечень элементов на кинематической схеме:
1, 2, 9 - дебалансы;
4 - ведущий вал;
3, 10 - ведомые валы;
7 - подшипники в корпусе вибродвижителя;
5, 6 - зубчатые передачи.
Условные обозначения на диаграмме те же, как на фиг.2.
На фиг.5 изображена в двух проекциях кинематическая схема вибродвижителя направленного действия из четырех дебалансов, вращающихся в разные стороны. На фиг.6 приведена его развернутая векторная диаграмма возмущающих инерционных сил за один оборот наиболее тихоходного вибратора.
Перечень элементов на кинематической схеме:
1, 2, 9, 11 - дебалансы;
4 - ведущий вал;
7 - подшипники в корпусе вибродвижителя;
3 - ведомый вал;
5, 6, 12 - зубчатые передачи.
Условные обозначения на диаграмме те же, как на фиг.2.
На фиг.7 изображена в двух проекциях кинематическая схема вибродвижителя направленного действия из шести дебалансов, вращающихся в разные стороны. На фиг.8 приведена его развернутая векторная диаграмма возмущающих инерционных сил за один оборот наиболее тихоходного вибратора.
Перечень элементов на кинематической схеме:
1, 2, 9, 13, 14, 15 - дебалансы;
4 - ведущий вал;
3, 10 - ведомые валы;
7 - подшипники в корпусе вибродвижителя;
5, 6, 12, 16, 17 - зубчатые передачи.
Условные обозначения на диаграмме те же, как на фиг.2.
Кратные частоты вращения вибраторов обеспечиваются зубчатыми передачами.
Одинаковые по величине возмущающие центробежные силы вибраторов достигаются при соблюдении следующих условий:
где F, m, e, w - центробежная сила, масса дебаланса, эксцентриситет и угловая скорость вращения наиболее тихоходного вибратора.
Величина движущей силы, сообщающей рабочей машине поступательное движение, определяется в прилагаемых диаграммах как разница между суммарной возмущающей силой вибраторов и силой сопротивления внешней среды.
Наибольшая эффективность воздействия вибродвижителя на обрабатываемую среду возможна при низких и средних частотах вращения вибраторов. В высокочастотных машинах возможно проявление факторов демпфирования.
Настоящее изобретение является пионерским. Используя уникальные свойства такой комбинации вибраторов, можно создать целый ряд новых машин и установок, полезных в народном хозяйстве.
1. Например, применить в качестве движителя детских игрушек типа «Емеля на печи». Печь будет плавно двигаться по полу на своей подошве.
2. Используя рассматриваемый вибродвижитель, можно будет создать водный велосипед без гребных винтов и колес, а также более комфортабельный снегоход с отапливаемой кабиной и вибродвижителями, установленными непосредственно на лыжах.
3. Более широкое применение может найти вибродвижитель в сельском хозяйстве при внедрении более перспективного способа обработки земли - безотвальной вспашки, т.е. рыхления пашни на глубину до полуметра многоярусными плоскорезами. Установив на каждом сошнике плуга вибродвижитель кругового действия и придавая тем самым плоскорезам вибрационно-поступательное движение, можно будет значительно уменьшить сопротивление грунта и улучшить качество вспашки.
4. Возможно также применение изобретения в космической технике. Из-за земного притяжения человек на земле привык к приливу крови в организме к ногам. В невесомости кровь распределяется в теле равномерно и это неестественное состояние вызывает определенный дискомфорт. Вернуть космонавта к земным условиям может предлагаемый вибродвижитель. Небольшая установка, приделанная к обуви, может пригнать кровь к ногам. Живой организм рассматривается в данном случае условно как сосуд, заполненный жидкостью, и имеется жидкостно-вязкое трение между жидкостью и стенками сосуда.
Кроме того, при выращивании растений в космосе периодическое подталкивание ящиков с посевами резко вверх и плавно вниз вибродвижителем может напомнить растениям земное притяжение и направление роста.
5. Использование данного изобретения возможно и для улучшения технико-механических характеристик существующих вибрационных машин, установок и ручного виброинструмента.
Вибродвижитель, содержащий в конструкции вращающиеся неуравновешанные массы - дебалансы, создающие в устройствах механические гармонические колебания кругового или направленного действия, отличающийся тем, что в целях создания механизма, способного придать твердому телу вибрационно-поступательное движение от действия внутренних инерционных сил вращающихся неуравновешенных масс при взаимодействии с силами сопротивления внешней среды, создается в моноблоке комбинация из двух или трех вибраторов кругового или направленного действия с равными между собой амплитудами возмущающих сил и кратными частотами вращения как 1:2 или 1:2:3 с расположением дебалансов в одной плоскости вращения и первоначально в одинаковых фазах.
