Вібраційна установка різки бруса цегли-сирця (НВФ "Мехатроніка", Львів)

 

О. Ланець

Доцентдокттехннаук

О. Серкіз

Доценткандтехннаук

 

Національний університет

„Львівська політехніка”,

НВФ "Мехатроніка"

                     +38(032)240-70-77,

        моб.тел.+38(067)933-90-80

            79020 м.Львів, а/с 8780

                  info@mechatronika.lviv.uawww.mechatronika.lviv.ua

м. Львів

 

 

ДК 621.01:621-868

 

ВІБРАЦІЙНА УСТАНОВКА РІЗКИ БРУСА ЦЕГЛИ-СИРЦЯ

 

У статті викладено принципи створення вібраційної електромагнітної установки різкибруса цегли-сирцяНовизною даної конструкції є використаннявібраційної головкияк багатомасової механічної коливальної системи

 

Міжрезонансна вібраційна машинатримасова механічна коливальна система

 

Вступ. Технологічне обладнання на базі віброприводу з кожним роком набуває все більшо­го поширення практично у всіх галузяхпромисловості.

Надзвичайно ефективно вібротехнології викорис­товуються в будівельній промисловостіпідготовка грунтів під шосейніаеродромні тазалізничні покриття шляхом   вібротрамбування верхніх шарів ґрунтупіску чи щебенюкотрі сприймаючи знакозмінні навантаженняущільнюються - саме цей спосіб ефективно упереджує ймовір­не подальше осідання покритьвиробництво бруківкитротуарної плитки,залізобетонних плит перекриттяущільнення фундаментівзакладання свай та прокладання тунелів різного магістрального призначеннятакож супроводжується використанням вібруючого інструментукотрий дозволяє значно ефективніше реалізовувати процесиущільнення чи механічного його входження (занурення) в ґрунт чи іншу породу.

Наведені приклади робіт в будівельній промис­ловості засвідчують єдине - вібротехнології в першу чергу сприяють  підвищеннюпродуктивності та якості продукціїТому саме їх перспективно брати за основу  для вирішення ряду інженерних задач.

Постановка проблеми.За існуючою технологією випуску цеглиодним із найважливіших переходівщо безпосередньо впливає наякість кінцевого продукту є необхідність різки сформованої глиняної маси після преса-екструдера на окремі бруси та цеглини.Переважно для таких операцій використовують натягнуту на рамку  струнукотра має відносно бруса лише один відносний рух, і піддією механічного приводу доволі легко входить у в’язкий матеріалреалізуючи тим самим процес різанняПроблема полягає в тому,що суміш глини містить ряд домішоксеред яких може бути подрібнена цегла. Під час операції розрізання струною на бруси та окреміцеглинивиникають пошкодження лицевої стороникотрі проявляються в порушенні геометрії форми – наявність наскрізних рванихслідів (подряпин , задирок) від  затягнутих струною вкраплень (сколівцеглитощо.

Огляд літературних джерел.Перспективним на погляд авторівщо дозволило б уникнути даного недоліку,  є використаннявібраційних установок для приведення в рух струни вздовж своєї осі, так як в цьому випадку всі наявні тверді включеннящознаходяться в масі сформованої глинине захоплювалися б струною і не робили б порізів на поверхні цегли вздовж траєкторії рухуструниОднак проводячи огляд аналогічного вібраційних обладнанняпристроїв, які б реалізовували такий відносний рух струни небуло виявлено [1, Internet].

Постановка задачі. В даній статті автори розкривають етапи та окреслюють проблеми, що виникали під час створення вібраційноїелектромагнітної установки різки бруса цегли-сирцяНовизною даної конструкцій є використання ефекту “нульової жорсткості” [2] в багато­масрій механічній коливальній системі вібраційної головки.

Виклад матеріалу. У якості рішення для покращення якості поперечного зрізу бруса було запропоновано вібраційну установку різки цегли-сирця, що складається зі стійки 1, каретки 2 та вібраційної головки 3 (рис.1,а).

 

а)

б)

Рис.1. Просторовий (а) та проекційні (б) вигляди  вібраційної установки різки цегли

Каретка 2, до якої через кронштейн 5 та віброізолятори 1 (рис.1,б) кріпиться головка, здійснює зворотно-поступальний рух у вертикальному напрямку по двох циліндричних направляючих 7 за допомогою пневмоциліндрів (на рис. їх не зображено). Для максимально можливого зменшення вібрацій, що передаються від вібраційної головки на стійку, окрім плоских склотекстолітових віброізоляторів 4, використано гумові коліщата 6. Сама стійка разом з кареткою та вібраційною головкою також за допомогою пневмоциліндрів періодично здійснює технологічні рухи вздовж руху бруса цегли-сирця. Вібраційний рух струни 1, що натягнута в струнотримачах 2 (рис.2), здійснює вібраційна головка, яка складається з трьох основних модулів (коливальних мас): проміжної (рис.3,а) (вона ж виконує роль робочої), активної маси (рис.3,б) та реактивної (рис.3,в). Активна та проміжна коливальні маси, позна­чимо їх відповідно як ma та, mn між собою з’єднані резонансною пружною системою із склотекстолітових плоских пружних елементів 1 сумарною жорсткістю c1. Реактивна коливальна маса, позначимо її як mp, кріпиться до проміжної за допомогою пружної системи із гумових вставок 2, сумарна жорсткість яких c2 на два порядки менша в порівнянні з жорсткістю пружної системи 1. За рахунок цього і реалізується ефект “нульової жорсткості”. До реактивної маси кріпляться якорі 4, а до проміжної 3 осердя з котушками двох електромагнітних віброзбудників, увімкнених за двотактною схемою. Для резонансного підналагодження системи передбачені плитки 5 і 6.

 

Рис.2. Просторовий вигляд твердотільної моделі вібраційної головки, де: 1 – струна, 2 - струнотримач

Рис.3. Вигляд з рознесеними модулями твердотільної моделі вібраційної головки, де:а) б) в) – відповідно проміжна, активна та реактивна коливальні маси

Інерційний параметр активної коливальної маси підібраний з умови , а реактивної - згідно [2]:

.                                                               (1)

 

Сумарна жорсткість пружних елементів 1 визначається як [3]:

,                                                                        (2)

де  - приведена маса; w, z - відповідно колова частота вимушених коливань та резонансне налагодження механічної системи вібраційної головки.Сумарна жорсткість пружних елементів 2 прийнято так [2]:

c2=0.                                                                              (3)

Принцип роботи вібраційної головки наступний. Гармонійне збурювальне зусилля p(t) від електроманітних віброзбудників передається на реактивну та проміжну коливальні маси. Активна коливальна маса, кінематично збуджуючись від проміжної через пружну систему 1 входить в резонанс з проміжною масою. При цьому рух активної маси відбувається в протифазі до робочої маси, а реактивна маса навпаки рухається синфазно. Проміжна та активна коливальні маси, утворюючи двомасову механічну коливальну систему з певним резонансним налагодженням задають власну частоту коливань w0=w/z.

                Маючи в наявності просторову модель тримасо­вої вібраційної головки, легко провести відповідне моделювання її роботи, перевірку на жорсткість та міцність окремих вузлів. Перш за все визначимо інерційні параметри коливальних мас.

Активна коливальна маса в сумі з налагоджувальними пластинами 5 та 6 (рис.3,б), кріпленням, прокладками, частиною пружних елементів, які своєю інертністю додають маси, становить ma=20.65 кг (рис.4,а). Її маса без налагоджувальних пластин m1=14.87 кг(рис.4,б). Дана можливість зміни інерційних параметрів активної коливальної маси дозволяє підналагоджувати частоту власних коливань механічної системи вібраційної головки. В свою чергу маса робочого органу (проміжної коливальної маси) становитьmn=40.17 кг (рис.5,а), а реактивна маса - mp=6.13 кг (рис.5,б). Зважаючи на те, що активна коливальна маса може змінювати свої інерційні параметри в межах ma= 14.87 ... 20.65 кг, згідно формули (1) значення реактивної маси повинне становити в межах mp= 6.9 ... 5.26 кг. За цієї умови буде присутній синфазний рух між реактивною та проміжною коливальними масами.

а)

б)

Рис.4. Фрагменти вікон програмного продукту SolidWorks 2006, де проведено розрахунок інерційних параметрів деталей активної коливальної маси з підналагоджувальними пластинами (а) та без них (б)

а)

б)

Рис.5. Фрагменти вікон програмного продукту SolidWorks 2006, де проведено розрахунок інерційних параметрів проміжної маси (а) та деталей реактивної коливальної маси (б)

Проведемо перевірку жорсткості пружного елемента. Взявши випадок, коли маса резонатора mp= 14.87 кг, необхідна жорсткість пружної системи згідно (2) c1=1.115*106 Н/м. Моделювання здійснюватимемо методом скінчених елементів. Приймаємо пружний елемент з наступними параметрами: lc= 0.17 м - довжина однієї з двох робочих ділянок пружного елемента; h=0.08 м - ширина пружного елемента. У якості матеріалу вибираємо конструкційний склотекстоліт ГОСТ 10292-74. Хоча недоліком такого матеріалу є відносно низькі механічні властивості: модуль пружності першого роду Emin= 1,7*1010 МПа, другого - Gmin= 2,6*109 МПа, коефіцієнт Пуансона , його позитивними сторонами є низька густина  та здатність прекрасно сприймати циклічні змінні навантаження. Розбивши 3D модель пружного елемента на кінцеві елементи, за умови жорстко защемлених кінців, навантажуємо його по середині тестовим зусиллям P=100 Н (рис.6). Прогин при цьому становитиме , а отже, жорсткість усієї пружної системи з шести пружних елементів: . Порівнюючи з результатом згідно виразу (2), констатуємо, що пружна система є придатною.

 

Рис.6. Результат розрахунку досліджуваного пружного елементу на жорсткість

 

Такого ж результату можна досягнути, користуючись аналітичною формулою [3]:

,

де - c1 жорсткість пружної системи, що знайдена вище згідно (2); k=0.8 - коефіцієнт защемлення; i=12 - кількість робочих ділянок пружного елемента; E=2.1*1010 МПа - значення модуля пружності вздовж основи.

Розглянемо розрахунок на міцність. Враховуючи, що маса робочого органу mn= 40.17 кг, а активна має масу ma= 14.87 кг, співвідношення амплітуд становить 2,7 рази. Відносна амплітуда коливань визначається як , де A - амплітуда коливань робочого органу (струни). Згідно технічних умов A= 0.5 мм, тоді Aвід= 1,87 мм. В твердотільній моделі пружного стрижня, де жорстко защемлюються його кінці, середній ділянці надається зміщення  (рис.7).

 

Рис.7. Картина розподілу напружень під час  розрахунку пружного елемента на міцність

 

Враховуючи, що , отримане напруження в , вказує на запас за міцністю. Згідно аналітичних розрахунків визначення напружень в пружному елементі, користуючись формулою [3]:

,

максимальне значення напруження пружному елементі становить . Цей результат суттєво  відрізняється  від  розрахунку  чисельним методом,  що  свідчить  про  не  врахування  ряду контактних умов.

                Проаналізуємо АЧХ системи (рис.8), для побудови якої було використано наступні додаткові параметри.

 

Рис.8. АЧХ тримасової вібраційної головки, де 1, 2, 3 – амплітудні значення відповідно активної , проміжної (робочої) та реактивної коливальних мас

 

Рис.9. Експериментальний зразок вібраційної головки різки бруса цегли-сирця

 

Максимальне зусилля, що розвиває електромагнітний віброзбудник, згідно паспортних даних, Pел= 300 Н. Коефіцієнти в’язкого опору в пружних елементах  та на ділянці протидії руху струни в в’язкому середовищі . Підставляючи ці та попередньо визначені параметри в математичну модель тримасової механічної коливальної системи [4], бачимо, вібраційна головка дієздатна. Амплітуди коливань мас в запланованих межах. Крім того, спостерігається синфазний рух проміжної та реактивної коливальних мас на частоті збурення .

На основі проведеного дослідження було виготовлено експериментальний зразок вібраційної головки (рис.9), який успішно пройшов випробовування, забезпечивши необхідні технічні характеристики.

Висновки. Наведений вище приклад ще раз довів реальність створення віброобладнання на основі теорії синфазних коливань. Зняті технічні характеристики з такого обладнання підтверджують ефективність застосування запропонованих методів в проектуванні багатомасового обладнання. Усе це засвідчує великі перспективи запропонованим схемам машин.

Науково-виробнича фірма "Мехатроніка" готова співпрацювати та надати посильну допомогу підприємствам та організаціями, котрі відчувають потребу в наступних видах вібраційного технологічного обладнання:

-          Вібраційні бункерні живильники;

-          вібраційні транспортно-орієнтуючі модулі;

-          вібраційні лотки-транспортери;

-          машини для віброабразивної, віброзміцнюючої та вібровикінчувальної операцій;

-          вібросита та вібросепаратори;

-          віброзмішувальні та віброущільнюючі пристрої.

 

THE PRACTICE OF CREATION OF THE VIBRATORY ELECTROMAGNETIC SETTING

FOR CUTTING OF THE SQUARED BEAM OF BRICK-RAW

 

Oleksiy Lanets, Orest Serkiz

Abstract.In the article principles of creation of the vibratory electromagnetic setting for cutting of the squared beam of brick-raw are laid out. The novelty of  this construction is the use of the effect of one «zero inflexibility» in the multіmass mechanical oscillating systems of the vibratory head.