способ возбуждения и регулирования резонансных механических колебаний и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ возбуждения и регулирования резонансных механических колебаний, заключающийся в том, что резонансные колебания массы на упругой связи возбуждают путем принудительного периодического перемещения противоположного конца упругой связи, изменяют период принудительного периодического перемещения конца упругой связи, отличающийся тем, что принудительное периодическое перемещение концу упругой связи сообщают вынуждающей силой инерции, создаваемой электромагнитным вибратором, электромагнитный вибратор удерживают в пространстве виброизолирующей упругой связью с основанием, резонансные колебания возбуждают в области периода Т _о колебаний массы, который выбирают по формуле

где Т_о - период резонансных колебании массы, с;

С - жесткость упругой связи, Н/м;

m - колеблющаяся масса, кг;

при этом выдерживают соотношение С>>С_о,

где С _о - жесткость виброизолирующей упругой связи;

настраивают амплитуду вынуждающей силы инерции на заведомо меньшее значение, чем требуется при номинальном режиме резонансных колебаний массы, изменяют период вынуждающей силы инерции на восходящей ветви резонансной кривой в области периода Т_о и настраивают резонансные колебания массы на максимальное значение регулируемого параметра колебаний, увеличивают амплитуду вынуждающей силы инерции и настраивают заданное значение регулируемого параметра резонансных колебаний массы, после изменения величины массы корректируют настройку периода, а затем амплитуды вынуждающей силы инерции.

2. Устройство для возбуждения и регулирования резонансных механических колебаний, содержащее массу, соединенную с упругим элементом, противоположный конец которого присоединен к механизму принудительного периодического перемещения, механизм выполнен с возможностью изменения периода принудительного периодического перемещения, отличающееся тем, что в качестве механизма принудительного периодического перемещения применен электромагнитный вибратор с блоком управления, соединенный с основанием через виброизолирующую упругую подвеску, упругий элемент выполнен с жесткостью, определяемой по формуле

где С - жесткость упругого элемента, Н/м;

m - колеблющаяся масса, кг;

Т_о - период резонансных колебаний массы, с;

виброизолирующая упругая подвеска выполнена с жесткостью С_о , связанной с жесткостью упругого элемента соотношением С _о<<С, при этом блок управления выполнен с возможностью ручного регулирования резонансных колебаний массы путем изменения амплитуды вынуждающей силы, создаваемой электромагнитным вибратором.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к вибрационной технике и может быть использовано в различных отраслях хозяйственной деятельности.

Известен по А.С. СССР 1609515, В06В 1/16 способ возбуждения резонансных колебаний механических систем синхронным электродвигателем, заключающийся в подаче на электродвигатель электрического напряжения, в измерении колебаний механической системы, осуществлении сдвига фазы измеренного сигнала, его усилении и подаче на электродвигатель, при этом одновременно подают напряжение на фазную обмотку и обмотку возбуждения электродвигателя, изменяют амплитуду напряжения, подаваемого на обмотки, поворачивают статор до обеспечения условия возбуждения резонансных колебаний.

Известен по А.С. СССР 1726055, В06В 1/16 способ поддержания резонансных колебаний механической системы синхронным электродвигателем, заключающийся в подаче напряжения одновременно на фазную обмотку и обмотку возбуждения электродвигателя, измерении колебаний механической системы, осуществлении сдвига фаз измеренного сигнала, усилении его и подаче на электродвигатель, при этом изменяют амплитуду напряжения, подаваемого на электродвигатель, и поворачивают статор до обеспечения условий возбуждения резонансных колебаний, при измерении колебаний определяют ускорение колебаний механической системы, осуществляют сдвиг фазы измеренного сигнала на /2, изменяют амплитуду напряжения, подаваемого на фазную обмотку, и поворачивают статор до совпадения движущего момента с моментом нагрузки, а на обмотку возбуждения подают постоянное напряжение.

Описанные аналоги имеют недостаток: резонансные колебания рабочего органа возбуждаются на упругой связи, жестко соединенной с основанием. Такая связь оказывает значительное динамическое воздействие на основание. Практически эти способы могут быть осуществлены только в случае применения массивного фундамента.

Известен по А.С. СССР 1269854, В06В 1/14 способ возбуждения колебаний заданной частоты в вибрационной резонансной системе с двумя степенями свободы, заключающийся в том, что на вибрационную резонансную систему воздействуют возмущающей силой, при этом для вибрационных систем с упругими элементами, имеющими билинейную характеристику с изломом в положении статического равновесия частоту возмущающей силы выбирают близкой к сумме двух собственных частот ₁ и ₂ колебательной системы, которые определяют по соответствующей формуле.

Недостатком способа является необходимость применения уравновешивающей массы, которая как правило имеет величину того же порядка, что и масса рабочего органа. Это приводит к значительному увеличению металлоемкости и усложнению конструкции устройства для осуществления способа.

В качестве прототипов выбраны способ и устройство, описанные на стр.34-36 в книге: Элементарный учебник физики. Под ред. акад. Г.С.Ландсберга. Том 111. Колебания, волны. Оптика. Строение атома. Изд. четвертое, исправленное. Изд-во "Наука". Главная редакция физико-математической лит-ры. М., 1966.

Колебательная система, включающая груз, висящий на пружине, свободным концом пружины присоединена к механизму, позволяющему при вращении рукоятки механизма сообщать присоединенному концу пружины принудительное периодическое перемещение. Это приводит к возбуждению вынужденных колебаний груза на пружине. При увеличении частоты вращения рукоятки амплитуда вынужденных колебаний возрастает и достигает максимального значения при совпадении периода принудительного периодического перемещения с собственным периодом колебательной системы, т.е. при резонансе.

Приведенное описание устройства и особенностей его работы позволяет сформулировать следующие существенные признаки осуществленного в нем способа возбуждения резонансных механических колебаний, а также существенные признаки устройства.

Существенные признаки способа в прототипе: резонансные колебания массы на упругой связи возбуждают путем принудительного периодического перемещения противоположного конца упругой связи, принудительное периодическое перемещение конца упругой связи осуществляют с постоянной амплитудой относительно основания по схеме жесткой кинематической связи, изменяют период принудительного периодического перемещения и настраивают резонансные колебания заданной амплитуды.

Существенные признаки устройства в прототипе: устройство содержит массу, соединенную с упругим элементом, противоположный конец которого присоединен к механизму принудительного периодического перемещения, механизм закреплен на основании и выполнен с возможностью изменения периода принудительного периодического перемещения.

Недостатком описанных способа и устройства является то, что резонансные колебания массы возбуждаются на упругой связи, которая присоединена к основанию. Такая связь, как и в случаях с описанными выше аналогами, оказывает значительное динамическое воздействие на основание, что требует применения массивного фундамента. Использование же упругой связи низкой жесткости, обеспечивающей виброизоляцию устройства от основания, не приемлемо в силу низкой частоты собственных колебаний системы и получения вследствие этого незначительного виброускорения, что не приемлемо по требованиям современных технологий, осуществляемых с применением вибрационной техники.

Кроме того, важным недостатком прототипов для способа и устройства является то, что регулировка амплитуды резонансных колебаний осуществляется путем настройки на определенный период колебаний на резонансной кривой. Как показывают эксперименты, резонансные кривые для механических колебательных систем имеют островытянутый вид с узким диапазоном резонансных периодов колебаний. Это существенно затрудняет настройку контролируемого параметра (амплитуды или виброускорения) резонансных колебаний.

Задачей изобретения является возбуждение резонансных механических колебаний без применения уравновешивающей массы или фундамента при ручном плавном регулировании контролируемого параметра резонансных колебаний массы путем изменения амплитуды вынуждающей силы.

Решение задачи достигается тем, что в предлагаемом способе резонансные колебания массы на упругой связи возбуждают путем принудительного периодического перемещения противоположного конца упругой связи, изменяют период принудительного периодического перемещения конца упругой связи, причем принудительное периодическое перемещение концу упругой связи сообщают вынуждающей силой инерции, создаваемой электромагнитным вибратором, электромагнитный вибратор удерживают в пространстве виброизолирующей упругой связью с основанием, резонансные колебания возбуждают в области периода Т_о колебаний массы, который выбирают по формуле

где Т_о - период резонансных колебаний массы, с;

С - жесткость упругой связи, Н/м;

m - колеблющаяся масса, кг;

при этом выдерживают соотношение С>>С_о,

где C _o - жесткость виброизолирующей упругой связи,

настраивают амплитуду вынуждающей силы инерции на заведомо меньшее значение, чем требуется при номинальном режиме резонансных колебаний массы, изменяют период вынуждающей силы инерции на восходящей ветви резонансной кривой в области периода Т_о и настраивают резонансные колебания массы на максимальное значение регулируемого параметра колебаний, увеличивают амплитуду вынуждающей силы инерции и настраивают заданное значение регулируемого параметра резонансных колебаний массы, после изменения величины массы корректируют настройку периода, а затем амплитуды вынуждающей силы инерции.

Решение задачи достигается также тем, что заявляемое устройство для возбуждения и регулирования резонансных механических колебаний содержит массу, соединенную с упругим элементом, противоположный конец которого присоединен к механизму принудительного периодического перемещения, механизм выполнен с возможностью изменения периода принудительного периодического перемещения, причем в качестве механизма принудительного периодического перемещения применен электромагнитный вибратор с блоком управления, соединенный с основанием через виброизолирующую упругую подвеску, упругий элемент выполнен с жесткостью, определяемой по формуле

где С - жесткость упругого элемента, Н/м;

m - колеблющаяся масса, кг;

Т_о - период резонансных колебаний массы, с;

виброизолирующая упругая подвеска выполнена с жесткостью С_о , связанной с жесткостью упругого элемента соотношением C _o<<С, при этом блок управления выполнен с возможностью ручного регулирования резонансных колебаний массы путем изменения амплитуды вынуждающей силы, создаваемой электромагнитным вибратором.

Применение предложенных совокупностей существенных признаков позволяет получить новый технический результат: возбуждать резонансные механические колебания без применения уравновешивающей массы или фундамента при ручном плавном регулировании контролируемого параметра резонансных колебаний массы путем изменения амплитуды вынуждающей силы.

Анализ уровня техники в области вибрационной техники показал, что предложенные в способе и устройстве для его осуществления совокупности существенных признаков являются новыми, явным образом не следуют из уровня техники и таким образом, предлагаемое изобретение является новым и имеет изобретательский уровень.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показана принципиальная схема устройства для осуществления способа возбуждения и регулирования резонансных механических колебаний. Устройство содержит массу 1, которая через упругий элемент 2 соединена с электромагнитным вибратором 3. Электромагнитный вибратор получает питание от блока управления 4. Через виброизолирующую упругую подвеску 5 электромагнитный вибратор соединен с основанием 6.

Устройство работает следующим образом.

Электромагнитный вибратор 3 создает вынуждающую силу инерции, под действием которой прикрепленный к нему конец упругого элемента 2 совершает принудительное периодическое перемещение. Благодаря этому возбуждаются через упругий элемент 2 вынужденные колебания массы 1. Поскольку жесткость упругого элемента 2 существенно превышает жесткость виброизолирующей упругой подвески 5, амплитуда принудительного периодического перемещения электромагнитного вибратора 3 (работающего в зарезонансном режиме собственной колебательной системы) и связанного с ним конца упругого элемента 2 будет зависеть от массы якоря вибратора, жесткости упругого элемента 2 и массы 1, а также от периода и напряжения тока питания. С помощью блока управления 4 в режиме ручного регулирования настраивают амплитуду вынуждающей силы инерции на заведомо меньшее значение, чем требуется при номинальном режиме резонансных колебаний массы. Это необходимо для того, чтобы избежать перегрузки колебательной системы при резонансе. Изменяют период вынуждающей силы инерции на восходящей ветви резонансной кривой в области периода Т_о и настраивают контролируемый параметр резонансных колебаний на максимальное значение. После этого увеличивают амплитуду вынуждающей силы инерции и настраивают заданное значение регулируемого параметра резонансных колебаний массы. В случае, если по технологическим причинам произошло изменение массы, корректируют настройку сначала периода, а затем амплитуды вынуждающей силы инерции.

Способ возбуждения и регулирования резонансных механических колебаний осуществляют следующим образом.

Чтобы возбудить резонансные колебания массы на связанной с ней упругой связи без непосредственного жесткого присоединения противоположного конца упругой связи к основанию (или уравновешивающей массе) при ручном плавном регулировании контролируемого параметра резонансных колебаний массы, необходимо выполнить следующие условия.

Первое условие: необходимо применить источник силы, способный создавать периодическую вынуждающую силу без опоры на основание или уравновешивающую массу. Это условие может быть выполнено только при использовании источника силы инерционной природы. Как известно, силы инерции обусловлены не взаимодействием тел, а свойствами самих неинерциальных систем отсчета (см. стр.48-52 в книге: Иродов И.Е. Основные законы механики: Учебн. Пособие для вузов. - 2-е изд., перераб. - М.: Высшая школа, 1978. - 240 с.: ил.). Очевидно, что указанное выше условие при использовании электромагнитного вибратора будет выполнено.

Второе условие: необходимо электромагнитный вибратор удерживать в пространстве на упругой связи, которая бы обеспечила "динамическую автономность" колебательной системы "масса - упругая связь - электромагнитный вибратор". Выполнение этого условия создает два преимущества. Во-первых, позволит получить колебательную систему с высокой частотой квазисвободных колебаний и, следовательно, с высокой частотой резонансных колебаний. Во-вторых, позволит уменьшить до допустимого значения величину динамического воздействия колебательной системы на основание. Очевидно, что условие может быть выполнено, если электромагнитный вибратор удерживать в пространстве на виброизолирующей упругой связи с основанием, отличительной особенностью которой является низкая жесткость (см. стр.102 и 178 в книге: Ивович В.А., Онищенко В.Я. Защита от вибрации в машиностроении." М.: Машиностроение, 1990. - 272 с.: ил.).

Удержание электромагнитного вибратора 3 в пространстве виброизолирующей упругой связью с основанием 6 и его воздействие на упругую связь (соединенную противоположным концом с массой 1) создает эффект динамической псевдоопоры. Иначе говоря, электромагнитный вибратор будет выполнять функции не только устройства, сообщающего прикрепленному к нему концу упругой связи принудительное периодическое перемещение, но и функцию подвижной "опоры", относительно которой масса 1 будет совершать вынужденные (а в области периода Т _о, - резонансные) колебания.

Третье условие: необходимо иметь возможность регулирования резонансных колебаний путем раздельного изменения периода и амплитуды вынуждающей силы инерции, создаваемой вибратором. В случае применения электромагнитного вибратора такая возможность обеспечивается при использовании соответствующего блока управления.

Для осуществления способа выполняют следующие действия.

Массу 1 удерживают в пространстве на связанных с ней последовательно упругой связи в виде упругого элемента 2, электромагнитном вибраторе 3 и виброизолирующей упругой связи в виде виброизолирующей упругой подвески 5 с основанием 6. При этом соблюдают условие, чтобы жесткость С упругой связи и жесткость С_о виброизолирующей упругой связи были связаны соотношением C>>С_о. Электромагнитным вибратором 3 создают вынуждающую силу инерции, под действием которой связанный с вибратором конец упругой связи получает принудительное периодическое перемещение. При этом амплитуду вынуждающей силы инерции настраивают на заведомо меньшее значение, чем требуется для номинального режима резонансных колебаний. Благодаря принудительному периодическому перемещению конца упругой связи, соединенного с вибратором, на противоположном конце упругой связи возникают вынужденные колебания массы 1. Изменяют период вынуждающей силы инерции в области периода Т_о и настраивают регулируемый параметр резонансных колебаний массы 1 на максимальное значение. Период Т_о выбирают по формуле

где T_о - период резонансных колебаний массы, с;

С - жесткость упругой связи, Н/м;

m - колеблющаяся масса, кг.

Увеличивают амплитуду вынуждающей силы инерции и настраивают заданное значение регулируемого параметра резонансных колебаний массы. После технологического изменения величины массы корректируют настройку сначала периода, а затем амплитуды вынуждающей силы инерции.

Предложенные способ и устройство в сравнении с прототипами имеют преимущество, т.к. позволяют возбуждать резонансные механические колебания без применения уравновешивающей массы или фундамента, а также плавно регулировать контролируемый параметр резонансных колебаний массы.

Для проверки возможности практического осуществления способа и устройства была изготовлена по схеме устройства для реализации способа действующая модель. Модель имела следующие параметры: масса m _B лабораторного электромагнитного вибратора, выполненного на базе электромагнита постоянного тока тягового реле автомобильного стартера, m_B=1,2 кг; масса, имитирующая колеблющуюся массу, выбиралась по распространенному на практике соотношению m>10m_B, принято m=15 кг; соотношение жесткости С упругого элемента и жесткости С _о виброизолирующей подвески выбиралось с учетом требований виброизоляции (см. стр.102 в книге: В.А.Ивович, В.Я.Онищенко. Защита от вибрации в машиностроении. М.: Машиностроение, 1990), - при этом для С=16,4·10⁴ Н/м жесткость виброизолирующей подвески была выбрана равной С _о=0,07·10⁴ Н/м. Период вынуждающей силы инерции, создаваемой электромагнитным вибратором, регулировали с помощью генератора импульсов постоянного тока. Амплитуду вынуждающей силы инерции регулировали с помощью реостата, включенного в цепь питания электромагнитного вибратора.

По формуле определили, что при выбранных параметрах период резонансных колебаний массы на упругом элементе относительно электромагнитного вибратора должен составлять 0,06 с.

Эксперименты показали, что по мере приближения к периоду 0,06 с амплитуда вынужденных колебаний массы заметно увеличивается и достигает максимального значения при периоде 0,06 с. Кроме того, эксперименты показали, что при изменении напряжения питания электромагнитного вибратора создаваемая им сила инерции (и, следовательно, контролируемый параметр резонансных колебаний массы) плавно регулируется в широких пределах при сохранении режима резонансной настройки периода вынуждающей силы инерции на период собственных колебаний колебательной системы.

Таким образом, предложенное изобретение промышленно применимо.