ЧТО МОЖЕТ ВИБРАЦИЯ?

Вибрационные транспортіїо-техпологнческіїе ма­шины н некоторые специальные транспортные устройства

Одними из наиболее распространенных транспортно-тех­нологических машин являются вибрационные грохоты — машины, применяемые преимущественно для разделения сыпучих материалов по крупности [164, 57, 208]. Схема грохота представлена па рис. 4.4, а, а фото — на рис. 4.4, б и в. Рабочий процесс в грохотах, в сущности, слагается из трех процессов виброперемещения: первый — движение слоя материала вдоль короба грохота — обычное вибро - транспортировапие; второй — движение частиц проходовой фракции (т. е. более мелких частиц) в поперечном на­правлении к поверхности сита (это так называемая сег­регация — см. п. 7.3); третий — проникновение мелких частиц сквозь отверстия сита (собственно просеивание).

Другим примером транспортно-технологической маши­ны может служить вибрационная сушилка, схема которой представлена на рис. 4.5. С вибрирующим в вертикальном направлении цилиндрическим корпусом машины 1 жестко связаны две системы конических тарелок 2. Колебания корпуса, создаются, например, двумя самосинхронизиру - ющимися вибровозбудителями 3 (см. раздел 12). Посту­пающий для просушки через воронку 4 материал совер­шает путь, показанный на рисунке стрелками, и разгру­жается через патрубок 5. Сушка материала происходит в потоке нагретого воздуха, который подается по принципу противотока. Вертикальный характер колебаний тарелок обусловливает разрыхленно-взвешенное состояние мате­риала, что способствует интенсификации процесса суш­ки, Формулу для расчета средней скорости перемещения материала по тарелкам можно найти в книге [30].

На рис. 4.6 изображена схема вибрационного устрой­ства для заполнения порошком тонкой металлической трубки, что необходимо при изготовлении электродной проволоки [58, 181]. Устройство обеспечивает равномер­ное и плотное заполнение порошком трубки диаметром 3—7 мм и длиной до 500 м. Это пример технологической задачи, которая вряд ли могла быть эффективно решена без использования вибрации. В описываемом устройстве трубка наматывается на вертикальный цилиндрический барабан и закрывается снизу. Барабану сообщаются вин­товые колебания, подобные колебаниям рабочего органа вертикального конвейера (рис. 4.2,6). Подаваемый свер­ху порошок заполняет трубку. Как и по отношению к ряду других впбротранспортирующпх устройств, было бы

совершенно недостаточно сказать, что порошок стано­вится под действием вибрации текучим, подобно жидко­сти, т, е. что имеет место виброреологический эффект псевдоожижения (см. п. 6.3). Не менее важным явля­ется то, что на каждом участке создается вибрационная сила, создающая «напор» в нужном направлении.

То же самое относится к процессу виброразгрузки сыпучих грузов из железнодорожных вагонов (рис. 4.7). Характер вибраций, сообщаемых вагопу, таков, что они, в соответствии со схемой рис. 4.1, а, II, не только «раз­жижают» материал, но и подают его по направлению к месту разгрузки.

Рис. 4.5. Схема вибрационной су - Рис. 4.6. Схема устройства для

шилки [30]: 1 — корпус, г — та - заполнения порошком тонкой мс-

релки, жестко связанные с нор - таллической трубки [58, 181]: 1 —

пусом, 3 — вибровозбудители, 4 — цилиндрический барабан, 2 —

загрузочная воронка, S— разгру - трубка, в — загрузочное устройст-

зочный патрубок, 6 — виброизо - во, 4 — вибровозбудители, S —

лирующие опоры, 7 — траектория виброизолирующие опоры, 6 —

вибрации корпуса, 8 — направле - траектория вибрации точки А

ние подачи материала, 9 — на­правление подачи подогретого воздуха

Широкое применение находят вибрационные установ­ки для выпуска, доставки и погрузки руды в шахтах. Они представляют собой устройства, во многом аналогич­ные описанным выше транспортирующим, питающим и разгрузочным машинам (см., например, [61, т. 4; 88, 126, 207, 212]).

Своеобразным антиподом описанных виброразгрузоч - пых устройств является изображенное на рис. 4.8, а. Кусковой материал подается вибрирующим лотком и
ваполняет бункер, перемещаясь против силы тяжести. На­блюдатель V легко объяснит этот эффект, называемый эффектом вибробункеризации, действием соответствую­щим образом направленной вибрационной силы. Рис. 4.8, б поясняет этот эффект: если на пути материа­ла, перемещаемого посредством вибрации, например, по схеме рис. 4.1, а, II, поставить стенку, то вследствие

медленное течеппе сыпучей среды в вертикальном на­правлении в условиях вибрационной активации среды, например в условиях образования виброкипящего слоя. В этой установке используется своеобразное поведение сыпучей среды в сообщающихся вибрирующих сосудах. Под действием «совершенно симметричной» чисто вер­тикальной гармонической вибрации в сосуде, образован­ном внутренней трубой, поперечное сечение которой име­ет несколько меньшую площадь, чем площадь живого

Рис. 4 9. Схема технологической установки, в которой используются особснпости пове­дения сыпучей среды в сообщающихся виб­рирующих сосудах [125]. При вертикаль­ных колебаниях сосуда 1 с расположенной внутри трубой 2 сыпучий материал я мед­ленно «перетекает» из трубы в сосуд, под­нимается вверх и удаляется из сосуда. Уст­ройство может быть использовано для реа­лизации ряда непрерывных технологических процессов

сечения внешнего сосуда, устанавливается существенно более низкий уровень, чем во внутреннем сосуде (см. п. 6.5 и рис. 6.6). Перепад уровней при этом существен­но зависит от амплитуды и частоты вибрации, а также от разности указанных сечений и от характеристик ма­териала. Заметим, что этот эффект служит еще одним ярким свидетельством против расхожего суждения, что под действием вибрации сыпучая среда становится по­добной жидкости: уровни последней в сообщающихся со­судах, как известно, устанавливаются одинаковыми; в данном же случае, помимо «разжижения», которое дей­ствительно имеет место, возникает также вибрационная сила, обусловленная асимметрией системы вида III, т. е. конструктивной асимметрией (рис. 4.1). Если непрерыв­но подавать материал во внутренний сосуд, а высоту внешнего сосуда сделать мепьшей, чем устанавливаю­щийся в нем уровень, то материал будет непрерывно высыпаться из внешнего сосуда, т. е. устройство превра­тится в вертикальный виброподъемник. При этом в про­цессе движения материала внутри устройства можно эф­фективно организовать ряд непрерывных технологиче­ских процессов. Теория описанного устройства рассмот­рена в работе [125].

4.3.3. Вибрационные двигатели п преобразователи движения. Ряд важных применений в машиностроении нашли устройства, в которых впащспие или поступателъ-
ное движение деталей или узлов получается путем воз­буждения высокочастотной вибрации либо в самих этих деталях, либо в деталях, с ними соприкасающихся. Та­кие устройства называют вибрационными преобразовате­лями движения и вибродвигателями. Для получения эф­фекта вибрационного перемещения в этих устройствах используются практически все виды асимметрии, рас­смотренные в п. 4.2 (см. рис. 4.1).

На рис. 4.10, а и б представлены схемы вибрацион­ных преобразователей, предназначенных для привода не­которых роторных машин. В обоих преобразователях ба­рабан 1 охвачен гибкой лентой 2, например клиновым ремнем. В первом устройстве лента одним концом при­креплена к траверсе 4 непосредственно, а другим — через упругий элемент 3, обеспечивающий при работе пример­но постоянную силу натяжения ленты. Пусть траверсе сообщаются гармонические поворотные колебания; пред­положим, что при этом барабан остается неподвижным. Тогда ясно, что при отклонении траверсы вправо при проскальзывании ленты по барабану будет развиваться больший момент сил сухого трения, чем при отклонении траверсы влево. В результате возникнет вибрационный момент V, который в условиях рисунка будет стремить­ся вращать барабан против хода часовой стрелки.

В устройстве, показанном па рис. 4.10, б, траверса отсутствует, упругий элемент 3 связывает правый конец ленты с неподвижным основанием, а левому сообщаются продольные гармонические колебания. В этом случае, очевидно, при неподвижном барабане также возникает вибрационный момент, стремящийся вращать барабан против хода часовой стрелки.

При работе описанных устройств движение барабана представляет собой наложение «быстрых» поворотных колебаний я|з на «медленное» равномерное вращение с некоторой частотой Q. Именно такое движение необхо­димо обеспечить рабочим органам ряда технологических вибрационных машин.

Другое неожиданное и эффектное применение состоит в следующем. Тела качения подшипников роторов тяжелых электрических машин, вследствие тряски при транспортировке по железной дороге, об­разуют вмятины в дорожках качения подшипников. Если снабдить вал устройством, подобным одному из рассмот­ренных, то та же тряска вызовет медленное вращение вала и устранит образование вмятин.

Ряд впбрацпоппых преобразователей двткоппя опи­санного типа предложен, исследован и реализован В. В. Гортпнскпм и его учениками [2, 182].

t

Гио.4.10. Вибрационные преобразователя движения (асинхронные вибро - двигатели). Вибрация может быть использована для возбуждения вра­щения и поступательного движения, а также для получения заданных точных поворотов и перемещений: а) и б) вибрационные преобразовате­ли с гибкой лентой [2, 182J; в) вибродвигатель ударно-вибрационного действия (II, 12); г) схема волнового впбродвнгателя [11, 12] (1 — «ро­тор», 2—«статор»). Справа представлены картины, видимые наблюда­телем V

На рис. 4.10, ваг представлены принципиальные схе­мы двух типов вибродвигателей. В первом случае вра­щение ротора 1 возбуждается вследствие ударно-вибра­ционных воздействий иьезокерамического стержня 2, на­конечник которого 3, соприкасающийся с ротором, со­
вершает колебания по траекториям 4, близким к эллип­тическим. Во втором случае поступательное движение тела 1 индуцируется бегущей волной, создаваемой в де­тали 2, с которой оно контактирует. Справа па рпс. 4.10 представлены картины, видимые наблюдателем V.

Вследствие использования в вибродвигателе высоко­частотных колебаний (порядка десятков кГц и выше) процесс вибрационного перемещения в них приходится, как правило, рассматривать с учетом реологических свойств взаимодействующих деталей.

Вибродвигатели нашли важные применения в точном приборостроении, поскольку они позволяют осуществлять позиционирование и заданные дискретные перемещения с разрешающей способностью порядка тысячных долей мкм при скорости до 200 мм/с. Существуют конструк­ции, обеспечивающие реверс, а также многомерные дви­жения.

Различные схемы, конструкции и теория вибродвига­телей в пашей стране созданы преимуществепно трудами В. В. Лавриненко, К. М. Рагульскиса, Р. 10. Бансеви - чюса, П. Е. Васильева. Р. Э. Курило, В. Л. Рагульскене и их последователей. С данным направлением использо­вания вибрации можно познакомиться по книгам [И, 12, 130, 134], где имеются также многочисленные ссылки на отечественные и зарубежные публикации.

В заключение заметим, что все описанные выше виб­родвигатели, предназначенные для получения вращатель­ного движения, можно отнести к двигателям асинхрон­ного типа, ибо частота вращения их роторов значитель­но отличается от частоты вибрации и, вообще говоря, не обязательно в целое число раз мепыпе этой частоты. Существует, однако, класс устройств, в которых частота вращения ротора равна частоте вибрации или в целое число раз отличается от этой частоты. Такие устройства, которые можно отнести к вибродвигателям синхронного типа, рассматриваются в п. 13.3.

4.3.4. Вибрационные погружатели и родственные уст­ройства. Важной областью использования вибрациониой техники является погружение свай, шпунта и оболочек, а также геологическое бурение; во многих случаях при­менение вибрации позволяет резко снизить затраты вре­мени и средств на проведение этих операций.

Вибрационным погружением называют внедрение твердого тела в сопротивляющуюся среду под действием постоянной и знакопеременной сил.

Динамическая схема одного из простейших вибропо­гружателей представлена на рис. 4.11, а. К погружаемому элементу 1 (для краткости в дальнейшем будем назы­вать его сваей) жестко присоединен вибровозбудитель 2, генерирующий гармоническую вынуждающую силу Ф0 sin соt. С вибровозбудителем посредством очень мяг­ких пружин связана пригрузка 3, оказывающая на си­стему чисто статическое воздействие своим весом m2g (вес возбудителя и сваи обозначен через тtg).

Вибрационный погружатепь [197, 227): а)

б) картина, видимая наблюдателем V

Чтобы пояснить основные закономерности работы по - гружателя, примем относительно сопротивления погруже­ния сваи в грунт 4 простейшие предположения: будем считать, что при движении сваи вниз сопротивление рав­но F*+, а при движении вверх F-, причем F+>F_, по­скольку F - обусловлено только силами сопротивления, распределенными по боковой поверхности, a F+ вклю­чает также сплы сопротивления, действующие па торец сваи.

Нетрудно заметить, что в данном случае процесс виб­рационного перемещения осуществляется по схеме рис. 4.1, а, /, 1 (силовая асимметрия). Легко получить и условия, при которых будет происходить погружение сваи в грунт. Действительно, для того чтобы преодолеть сопротивление грунта F+, вое системы, сложенный с амп­литудой вынуждающей силы Ф0, должен быть больше F+ (в противном случае свая не могла бы проникать

в грунт):

К - f m2)g + Ф0> F*+. (4.1)

Но это условие лишь необходимо. Достаточное условие состоит в том, чтобы к тому же сумма всех медленных сил, включая вибрационную силу V, была положи­тельна, т. е. чтобы вес системы оказался большим силы V, которая в данном случае играет роль силы сопротив­ления движению. Простые рассуждения, подобные прове­денным в п. 2.3.2, приводят к выводу, что при. t = О, т. е. при «неподвижной в среднем» свае, V = V (0) =

=----- 2 (F+ — F*-)‘ Таким образом, указанное дополни­

тельное условие будет иметь вид

к + m. Jg> - Fl). (4.2)

Из формул (4.1) и (4.2) видно положительное значение пригрузки m2g. Из них же следует, что наличие силы OoSinwJ, генерируемой вибровозбудителем, позволяет значительно снизить статическую силу, необходимую для погружения сваи. Действительно, при отсутствии указан­ной силы необходимо, чтобы было

(ml + m2)g>F*+.

В этом состоит одно из основных достоинств вибромето­да погружения, ибо преодолеть силу сопротивления по­гружению F+, например, только весом системы («стати­ческим вдавливанием») было бы чрезвычайно затрудни­тельно. Другое достоинство проистекает из того, что, как было обнаружено экспериментально, сами силы сопро­тивления F + и F - при погружении в водонасыщенные грунты могут значительно уменьшиться вследствие виб­рационного воздействия; физический механизм этого яв­ления пока еще не достаточно изучен. Наиболее убеди­тельным свидетельством такого спижеиия сил сопротив­ления служат энергозатраты: легко понять, что если бы силы F+ и F_ оставались неизменными, то затраты энергии при вибрационном погружении были бы во вся­ком случае не ниже энергозатрат при статическом вдав­ливании, поскольку при вибропогружении, как правило, свая в течение цикла движется не только вниз, но и вверх.

Мы привели здесь лишь одну из наиболее простых, хотя и вполне целесообразную схему вибропогружателя

и качественно рассмотрели только простейшую (так на­зываемую чисто пластическую) модель процесса впбро - погруженпя. Были предложены и успешно реализованы также многие другие схемы, например схемы с одновре­менным использованием как продольных, так п враща­тельных вибрационных воздействий, схемы, сочетающие вибрации с ударом, и т. п. Идея вибрационного внедре­ния используется не только в погружателях, но и в ма­шинах для прокладки подземных коммуникаций — в так называемых прокалывающих агрегатах и вибрационных кротах, а также в машинах для разработки, рыхления и резания грунта.

Вибрационный и ударно-впбрациоппый методы погру­жения получпли развитие в нашей страпе преимущест­венно в работах Д. Д. Баркана, О. А. Савинова, М. Г. Цейтлина и их сотрудников и последователей. Первые теоретические исследования выполнены 10. И. Неймарком и автором.

Более подробные сведения о данном направлении ис­пользования вибрации, а также литературные ссылки можпо пайтн в книгах [16; 61, т. 4; 187, 197, 227].

4.3.5. Вибрационные экипажи (самоходные внброуп[11] лотннтелн, передвижение живых организмов, некоторые экзотические проекты). Под условным названием «виб­рационный экипаж» будем понимать устройство или жи­вой организм, передвигающиеся в некоторой среде пли в силовом поле вследствие периодических движений свя­занных с ним тел. Естественно, что взаимодействие са­мого устройства (оргапизма) или указанных тел с внеш­ней средой пли наличие внешнего поля совершенно не­обходимы для изменения средней скорости движения центра инерции подобного экипажа, ибо иначе наруша­лось бы известное положение механики о невозможности такого изменения только за счет внутренних сил*).

Как и выше, в данном случае речь идет об использо­вании эффекта вибрационного перемещения — получения направленных в среднем движений за счет ненаправлен­ных воздействий. Энергия, необходимая для поддержания движения экипажа, может черпаться как из внутреннего по отношению к экипажу источника, так и поступать извне.

На рис, 4.12 изображены схемы ряда устройств п жи­вых организмов, отвечающих данному выше определе­нию. Некоторые из них носят вполне реальный харак­тер, а другие достаточно экзотичны, по, как представ­ляется, интересны в принципиальном отношении. Как и выше, в правой части рисунка представлены картины, видимые наблюдателем V.

Рис 4,12, а. Схемы «вибрационных экипажей» — устройств или живых организмов, передвигающихся в некоторой среде или силовом поле вслед­ствие периодических движений связанных с ними тел: а) экипажи для передвижения по шероховатой поверхности (1 — простейший самоходный уплотнитель грунта, 2 —более сложный уплотнитель, в котором исполь­зован резонансный эффект и безынерционный пригруз)

На рис. 4.12, а слева представлепы схемы экипажей для передвижения по шероховатой поверхности; эти схе­мы соответствуют, в частности, самоходным вибрацион­ным уплотнителям грунта [30, 60; 61, т. 4; 199]. В схеме 1 установленный в корпусе экипажа вибровозбудитель генерирует гармоническую вынуждающую силу <3>0smco#, направление которой составляет некоторый острый угол Р с поверхностью. Механизм возникновения вибрацион-

пой силы в данном случае соответствует представленному на рис. 4.1, а, II и описанному в п. 4.2 (кинематическая асимметрия). Схема 2 более совершенна, но и более сложна. В ней имеются дополнительная масса т2, связан­ная с массой ті посредством упругого элемента сі2, и «статический пригруз» т,, установленный на пружинах

I F(x)

Рис. 4.12, б, в. Схемы «вибрационных экипажей» — устройств или жи­вых организмов, передвигающихся в некоторой среде или силовом поле вследствие периодических движений связанных с ними тел: б) «экипа­жи» для передвижения в жидкой или газовой среде и простейшие мо­дели движения живых организмов (1 — «вибролет», 2 — вибрационный корабль о неподвижными плавниками, 3 — то же с подвижными резони­рующими плавниками (такие корабли могут передвигаться без двига­телей за счет естественной турбулентности жидкости!), 4 — волновой эки­паж (жгутиковые организмы)); ») экипаж для передвижения в гравита­ционном поле (гравилет)

жесткости с23; такой прпгруз полезеп в случае исполь­зования экипажа в качестве виброуплотнителя. Жест­кость с 12 при этом может быть выбрана из условия резонанса, а с23 выбирается достаточно малой. Вибровоз­будитель (не показанный на рисунке) связан с массой тпг. Вибрационная сила V в данном случае формируется одновременно по схемам рпс. 4.1, а, 11 и 111 (кинемати­ческая и структурная асимметрии). Справа на рис. 4.12, а представлена картина, видимая наблюдателем V в обоих случаях.

На рис. 4.12,6 изображено несколько схем экипажей для передвижения в жидкости или газе.

Схема 1 соответствует так называемому вибролету. Основным элементом такого «экипажа» является тело, форма которого такова, что сопротивление среды его дви­жению вдоль оси вверх значительно меньше, чем сопро­тивление движению вниз (в этом смысле тело асиммет­рично; на рисунке опо изображено в виде зонтика). В результате осевых колебаний тела, возбуждаемых тем или иным образом, возникает подъемная вибрационная сила F(J£), которая при определенных условиях может превзойти вес системы mg и силу сопротивления среды F(X), так что аппарат будет подниматься вверх. Прин­цип возникновения вибрационной силы в этом случае аналогичен показанному на рис. 4.1, а, /, 3 (силовая асимметрия). Теория вибролета рассмотрена Р. Ф. Нагае­вым и Е. А. Тамм; пми же предложено название соот­ветствующего экипажа [158].

Экипаж по схеме 2 также характеризуется отличием сопротивления движению вперед от сопротивления дви­жению назад вследствие наличия жестко связанных с ним плавников. Предполагается, что не показанный на рисунке вибровозбудитель генерирует периодическую вы­нуждающую силу (пе обязательно симметричную). Здесь механизм возникновения вибрационной силы ана­логичен показанному на рис. 4.1, а, /, 1, 3 и 111. Устрой­ство, изображенное на данной схеме, можно назвать виб­рационным кораблем. Заметим, что если сила сопротив­ления F(x) нелинейна, то вибрациопная сила может генерироваться и при отсутствии плавников (т. е. при [F+l = IF_|) за счет несимметрпп закона изменения вы­нуждающей силы Ф(юг). Так, резкими движениями свое­го корпуса вперед и плавными — назад человек может заставить медленно двигаться вперед лодку, в которой он находится.

Более общая схема 3 отличается от схемы 2 тем, что плавники присоединены к корпусу шарнирпо и связаны с ним также упругими элементами некоторой жесткости с, которая может быть выбрана из условия резонанса плавника с частотой вынуждающей силы со [40]. Син­хронно и синфазно работающие возбудители могут быть установлены и непосредственно на плавниках. Естествен­но, что экипаж, осуществленный по такой схеме, сможет развивать значительно большую скорость. Отметим, что этой схеме соответствует механизм образования тяги (и подъемной силы) в летательных аппаратах с машущими крыльями, а также при полете насекомых и птиц и при плавании некоторых организмов (согласно популярной песне «Комарово» живые существа «сами себе корабли»).

Весьма примечательно, что устройства, подобные изо­браженным на схемах 2 и 3, могут передвигаться и без затрат внутренпей энергии и без внутреннего источника возбуждения. Действительно, предположим, что в этих устройствах отсутствуют вибровозбудители, т. е. Ф(со£) = = 0, но эти устройства «плавают» в жидкости, в которой присутствует естественная турбулентность. Тогда корпу­са устройств будут систематически испытывать случай­ные толчки, равновероятные во всех паправлопиях. Но продвинуться вперед этим устройствам, вследствие нали­чия наклонных плавников, «легче», чем назад. В резуль­тате и в данпом случае возникнет вибрационная сила, которая заставит устройство медленно двигаться вперед. Этот эффект может быть усилен, если выбрать жесткость упругих элементов в устройстве 3 из условия близости частоты их свободных колебаний в жидкости к преиму­щественной частоте турбулентных пульсаций. Имеются данные о том, что кптообразпые могут регулировать же­сткость плавников и хвоста, увеличивая или уменьшая приток крови к соответствующим группам мышц [173]. Не исключено, что эти животные также черпают часть энергии, затрачиваемой па передвижение, из «возобнов­ляемого источника энергии» — турбулентного потока[12]).

Схема 4 на рис. 4.12, б соответствует механизму пла­вания жгутиковых. Эти организмы передвигаются в жидкости, сообщая своему удлиненному телу или ого ча­стям поперечине колебания в виде бегущей волны. Ме­ханизм образования вибрационной силы в этом случае подобен изображенному на рпс. 4.1, а, V (волновая асим­метрия).

Заметим, что интересная и сложная биомеханическая проблема — изучение закономерностей передвижения жи­вых организмов, привлекает значительное внимание крупных ученых (см., например, [123, 133, 140, 174, 189, 200, 243, 244, 246--248, 254]).

Обширная литература посвящена также теоретическо­му н экспериментальному изучению закономерностей дви­жения колеблющихся тел в потоках жидкости и газа, а также теории соответствующих летательных и плава­тельных аппаратов (см., например, [174, 206, 246]). Здесь мы преследовали лишь скромную цель — указать на органическую связь этих проблем с теорией вибра­ционного перемещения.

На рис. 4.12, в представлен наиболее экзотический экипаж, названный его авторами — В. В. Белецким и М. Е. Гиверцем — гравилетом [19]. Этот экипаж пред­назначен для путешествий в космическом пространстве. Он представляет собой космический корабль, движущий­ся по первоначально эллиптической орбите вокруг Земли. На корабле имеется «гантель», образованная двумя одинаковыми массами т/2, ось которой, например, пер­пендикулярна плоскости орбиты. Предположим, что дли­на гантели 21 изменяется по гармоппческому закону с некоторой амплитудой А и с периодом Т = 2л/(о, совпа­дающим с периодом обращения корабля по орбите. Пусть при этом на полувитке орбиты, который располо­жен нэ паименыних расстояниях от Земли (т. е. в ок­рестности перигея) массы гаптели удаляются, а в тече­ние другого полупериода (т. е. в окрестности апогея) — сближаются. Нетрудно сообразить, что вследствие неод­нородности гравитационного поля (масса, расположенная ближе к Земле, притягивается к ней сильнее) для обес­печения такого движения масс гантели придется совер­шать некоторую работу против гравитационпых сил, т. е. затрачивать определенную эпергию. Эта энергия, получаемая от внутреннего по отношению к кораблю источника, будет переходить в энергию орбитального дви­жения корабля, т. е. корабль будет удаляться от Земли и может даже уйти из ее поля тяготения!

Требуют некоторого пояснения включение гравилета в разряд вибрационных экипажей, а также разграниче­ние в этом случае быстрых и медленных сил и движе­ний. Действительно, период обращения спутника Земли,

а значит и период колебаний масс гантели имеют по­рядок нескольких часов и более. Не видны, на первый взгляд, и быстрые силы. Следует, однако, иметь в виду, что нигде в приведенных определениях вибрации, мед­ленных и быстрых движений, вибрационного перемеще­ния и вибрационного экипажа не шла речь об абсолют­ных величинах частот или периодов колебаний, а под­разумевались только относительные величины. С этой точки зрення быстрыми в данном случае являются дви­жепия корабля по его орбите и пзмепепия расстояния между массами гантелп, а медленными — эволюция ор­биты, т. е. изменение среднего расстояния R{t) корабля до Земли и «долготы перигея» — угла со, (t), показанного на рис. 4.12, в. При этом наблюдатель V будет видеть корабль «медленно» движущимся по некоторой кривой MN (см. правую часть рисунка), резко отличающейся от действительной почти эллиптической орбиты корабля (сравпите с траекторией в левой части рисунка). Бы­стрыми силами являются те части гравитационных сил, которые связаны с положениями масс гантели.

Наблюдатель V будет считать, что описанное мед­ленное движепие вибролета происходит в результате воз­никновения вибрационной силы V, представляющей в данном случае силу тяги. (При противоположной, по сравнению с указанной, фазировке движения масс ган­тели возникает ие тяга, а торможение корабля.)

К сожалению, рассматриваемый проект (как и проект описанного выше вибролета) не прост для реализации: по подсчетам, приведенным в книге [19], для ухода гра­вилета из поля тяготения Земли даже при длине гантели порядка километра требуется время порядка 10 тыс. лет; это, однако, пичуть пе умаляет принципиального инте­реса, который представляет собой гравилст с точки зре­ния механики: надеюсь, читатель согласится, что без гравилета коллекция экипажей, изображенных на рис. 4 12, была бы гораздо менее интересной.

С проектом гравилета связано поучительное заблуж­дение, состоящее в том, что он якобы предполагает из- мепепие скорости движепия механической системы за счет действия внутренних сил, невозможное в силу законов механики. Это не так: без внешней силы — си­лы гравитационпого притяжения масс гантели к Земле— эволюция орбиты гравилета оказалась бы невозможной.

Идея аналогичного «магиитпого» экипажа — магнито - лета — сообщена автору 10. М, Урманом.

4.3.6. Вибрационные насосы. Под впбрациопньшп па - сосами будем понимать устройства, которые вызывают «направленное в среднем» течение жидкости посредством «ненаправленных в среднем» (вибрационных) воздей­ствий.

Основной принцип, по которому работают вибрацион­ные насосы, очень прост: колебания твердого или упру­гого тела в жидкости или газе в общем случае вызывают некоторое «направленное в среднем» течение среды вбли­зи этого тела. В предыдущем пункте мы отмечали, что такие колебания приводят, как правило, к возпикпове - ппю вибрационной подъемной силы пли тяги (рис. 4.12). Отмстим, что данное сочетание эффектов не случайно: согласно положениям гидромеханики, возникновение на­правленного потока и осреднешюй силы, действующей на тело, сопутствуют одно другому. Не случайно поэто­му также сходство схем ряда вибрационных экипажей, представленных па рис. 4.12, и схем вибрационных на­сосов, приведенных на рис, 4.13.

На рис. 4.13, а изображен случай возбуждения потока «несимметричным» (в том же смысле, что в предыду­щем пункте) телом типа зонтика при «симметричных» чисто гармонических колебаниях; вместе с тем направ­ленный поток может возникать и в случае «симметрич­ного» тела вследствие «несимметрии» закона колеба­ний тела или действующей на него силы (рпс. 4.13,6); при этом, однако, как и в случае вибрационного экипа­жа, сопротивление движению тела в среде должпо носить нелинейный характер.

В реальных устройствах эффект образования направ­ленною потока под действием вибрации тела может быть усилен благодаря специальной конструкции вибрирую­щих элементов. На рис. 4.13, в изображен рабочий орган вибрационной флотомашпны или машины для отмывки частиц сыпучих материалов (например, стружки). В та­ких устройствах необходимо обеспечить пульсирующий поток жидкости, в котором, с одной стороны, обеспечи­ваются интенсивные колебания частиц относительно жидкости, а с другой — медленное циркуляционное дви­жение обрабатываемой среды. Эта цель достигается бла­годаря наклонным резиновым лепесткам 1, образующим суживающийся книзу канал [148]. Лепестки играют роль своеобразных клапанов, которые при продольных коле­баниях корпуса 2 пропускают вниз большее количество жидкости, чем вверх; н итоге и образуется направлен­

u

Гис. 4.13. Вибрационные насосы. Вибрирующее в жидкости или газе тело может служить вибрационным насосом: а) симметричные осевые коле­бания тела типа зонтика возбуждают пульсирующий поток, направлен­ный вдоль оси тела вниз; й) несимметричные осевые колебания тела типа шайбы в среде с нелинейным сопротивлением вызывают аналогичный поток; в) симметричные колебания эластичного тела с лепестками вбли­зи отверстий (аэратора) возбуждают пульсирующий поток; г) сходный принцип используется в объемно-инерционном насосе; д) колебания типа бегущей болны, сообщаемые деформируемой трубке с жидкостью, вызы­вают пульсирующее течение жидкости вдоль направления распростра­нения волны( перистальтический насос)

вый в среднем поток. Впрочем, направлеппый вниз мед­ленный поток возникает и при недеформируемых лепе­стках — имеет место так называемый виброструйпый эф­фект (см. [61, т. 4], а также раздел 8). Нетрудно заме­тить, что принципы образования вибрационного пере­мещения в устройствах, изображенных на рис. 4.13, а — в, вполне аналогичны показанным па рис. 4.1, а, I—111.

В правой части рис. 4.13, как и рапее, изображены картины, видимые наблюдателем V: с его точки зрения, течение жидкости возникает под действием некоторого дополнительного напора V, представляющего в данном случае вибрационную силу.

На рис. 4.13, г изображена схема так пазываемого объемпо-инерциоппого насоса. Он состоит из корпуса 1, имеющего приемное отверстие 2 с обратным клапаном 3 и выпускное отверстие 4, к которому присоединяется гибкий шланг. Внутри корпуса расположен эластичный поршень специальной формы 5, которому сообщаются вибрации вдоль оси корпуса от герметичного (обычно электромагнитного) вибровозбудитсля. Жидкость, в ко­торую погружается корпус, поступает в приемную каме­ру 6 через обратный клапан 3. ГІрп движении поршпя вниз обратный клапап закрывается, п жидкость через зазор между поршнем и корпусом выжимается в над - поршневую камеру 7. При движении поршпя вверх он прижимается по окружности к корпусу. При этом дав­ление в приемной камере понижается, клапап 3 откры­вается, и жидкость поступает в насос. Одновременно эластичный поршень выталкивает опроделепный объем жидкости, находящийся в надпоршпевой камере, через выпускное отверстие.

В настоящее время иасосы, подобные описанному, с частотой вибрации поршпя 100 Гц серийно выпуска­ются в СССР и ряде других стран. При небольшом весе (до 10 кг) такие пасосы обеспечивают подачу воды до 3 м3/ч и напор до 50 м.

Важными'достоинствами вибрационных насосов явля­ются простота и надежность конструкции, пригодность (при специальном исполнении) для подачи агрессивных жидкостей и пульп с абразивными частицами. Значи­тельный вклад в разработку теории, методов расчета и создание конструкций вибрационных насосов внесен В. М. Усаковскпм [218].

Особую группу образуют насосы и питатели для строго дозированной подачи жидкостей и порошков в

очень малых количествах; такие устройства крайне важ­ны, например, в медицине п в порошковой металлургии. В ряде устройств для этой цели трубкам, содержащим подаваемую сроду, сообщают колебания типа бегущей волны, т. е. используют принцип, схематически изобра - жениый на рис. 4.1, a, F. В качестве примера па рис. 4.13, д изображен перистальтический насос для пода­чи жидкости, В этом насосе эластичная трубка 1 пережи­мается последовательно выдвигающимися стержнями 2, Ряд прецизионных вибрационных устройств для дози­рованной подачи жидких и сыпучих сред разработан п внедрен К. М. Рагульскисом и его сотрудниками (см., например, [12, 54]).