Пневматический вибратор
,С каждым годом расширяется область применения вибрационная техники и технологии в строительстве. Широкое распространение получили вибрационный метод уплотнения бетонных смесей, вибрационные методы выгрузки и транспортирования сыпучих материалов и т. д. Движителем любой вибрационной машины является вибратор. Пневматические вибраторы имеют ряд преимуществ перед аналогичными устройствами, использующими электрическую энергию. Наиболее важными являются простота конструкции и безопасность в эксплуатации. Актуальной задачей стало повышение надежности таких устройств, а также создание вибраторов, способных успешно и долго работать в запыленных помещениях на сжатом воздухе низкого качества.
Работы, проводимые в этом направлении в Боткинском филиале Ижевского государственного технического университета, привели к созданию пневматического ротационного вибратора струйного тина, простого но конструкции и обладающего высокими эксплуатационными характеристиками.
Схема вибратора показана на рис. 1. Он состоит из вихревой камеры с тангенциальными питающими соплами и размещенного в ней с возможностью перемещения бегунка с центральным отверстием, сообщающимся с расточкой на горце бегунка. Вихревая камера закрыта крышкой с выхлопным отверстием, сообщающимся с полостью вихревой камеры. Расточка на торце бегунка через центральное отверстие соединена радиальными каналами, расположенными в одной плоскости с тангенциальными питающими соплами, с полостью вихревой камеры. В центральном отверстии бегунка с осевым зазором расположен эластичный трубчатый элемент, перекрывающий радиальные каналы. Бегунок выполнен с проточкой, причем так, что образуется зазор между внутренней стенкой вихревой камеры и телом бегунка.
Работает вибратор следующим образом. Сжатый воздух давлением Р через тангенциальные питающие сопла поступает в полость вихревой камеры и создает в ней вращающийся вихревой поток. Выход воздуха в атмосферу происходит через выхлопное отверстие в крышке. Под действием вихревого потока бегунок приходит и движение, создавая за счет дебаланса массы колебания вихревой камеры.
Движение бегунка в вихревой камере, как показали результаты измерения распределения давления на периферийной поверхности бегунка, происходит вследствие неравномерности распределения давления на данной поверхности. На ней можно выделить две зоны: в зоне П на поверхность бегунка
|
У//^//^УАг2 |
|
Рис. 1. Схема пневматического ротационного вибратора струйного типа: 1 —вихревая камера; 2 —сопло; 3 — бегунок; 4 — центрапьное отверстие; 5 ■— расточка; 6— радиапьный канап; 7— попость вихревой камеры; 8— трубчатый элемент; 9— зазор; 10— крышка; 11 — выхлопное отверстие |
Действует избыточное давление, обусловленное скоростным напором вихревого потока воздуха, а в зоне Н на поверхность бегунка действует разрежение, возникающее вследствие течения воздуха между двумя близко расположенными поверхностям! — поверхностью бегунка и поверхностью вихревой камеры.
Вследствие разности давлений воздуха бегунок получает движение обката по внутренней стенке вихревой камеры в направлении действия тангенциальных сопел и вращение вокруг своей оси. Сжатый воздух, действуя в зоне П через один из радиальных каналов на эластичный элемент, деформирует его таким образом, что указанная зона П повышенного давления сообщается через центральное отверстие с расточкой на торце бегунка, вследствие чего между бегунком и дном вихревой камеры создается «воздушная подушка», уменьшающая силу трения в зоне их контакта. Так как давление на поверхности бегунка распределено неравномерно, то при его движении давление воздуха в центральном отверстии, а следовательно, и в расточке пульсирует с частотой, близкой к частоте вращения бегунка вокруг своей оси, что создает непрерывное возвратнопоступательное движение бегунка в осевом направлении приводящее к уменьшению потерь энергии на трение качения бегунка по внутренней стенке вихревой камеры.
Основной технической характеристикой вибратора является частота генерируемых им механических колебаний/. Зная ее величину, геометрические и физические параметры вибросистемы, с которой взаимодействует вибратор, можно аналитически определить и другие технические характеристики, такие, как амплитуда колебаний, виброскорость, виброускорение, вибрационный момент и т. п., в соответствии с решаемыми техническими задачами для каждой отдельной вибросистемы.
Значение / зависит от многих параметров, как конструкционных, так и физических. Для отыс-
Канпя этих зависимостей были проведены экспериментальные Исследования вибратора, позволившие создать рациональную и наиболее экономичную конструкцию вибратора, а также получить математическую модель, дающую возможность создавать вибраторы с нужными геометрическими и кинематическими характеристиками
Эксперименты но оценке зависимости частоты вращении/от величины зазора Д показали существование интервала оптимальных значений зазора, при которых бегунок, при прочих фиксированных условиях, имеет максимальную частоту вращения, что увеличивает коэффициент полезного действия вибратора. Оптимальная величина зазора А лежит в пределах 0, ] 5—0,4 диаметров тангенциальных сопел. График, построенный но результатам эксперимен - тал». показан на рис. 2.
|
^ ^ _>• ()4 роциоиальиао
Рис. 2. Определение оптимального зазора О между внутренней стенкой вихревой камеры и поверхностью бегунка |
Эксперименты но оценке отношения площади выхлопного отверстия к суммарной площади питающих тангенциальных сопел привели к выводу об оптимальном их соотношении 10—12 при реальном изменении давления питания от 0 до 0,4 МПа.
На следующем этапе экспериментальных работ было выявлено, что наибольшее влияние на частоту колебаний вибратора/оказывают три фактора: масса бегунка, его высота и давление питания. Для отыскания функции, описывающей зависимость/от данных параметров, было принято решение о реализации полного факторного эксперимента, тем брлее что предварительными опытами было установлено изменение частоты колебаний но законам, близким к линейным (во всяком случае без экстремумов) в реальном масштабе изменения факторов, когда давление питания изменяется от 0 до 0,4 МПа, масса бегунка изменяется от нескольких грамм до нескольких сотен грамм, а его высота не превышает 10 (1 — диаметров питающего тангенциального сопла.
После обработки результатов эксперимента получена следующая модель, определяющая зависимость частоты колебаний вибратора от перечисленных выше факторов: /=15-1,3д, -6,8д:г-^2,7л:з+ +2,5д4-0,2д'5- 1 ,5д6-0,6д7, где д,=2(Н-Нс )/(ЛН) •— нормализованный с^акгор, учитывающий влияние высоты бегунка; х,=2(М~ - Мср)/(ДМ) — нормализованный фактор, учитывающий влияние массы бегунка: д3=2(Р-Рср)/(ДР) — нормализованный фактор, учиты-
Ваюший влияние давления литания; л=л, х,; г5=д, л?; Х(=лХу
Д,=ддї; Н =( И +І1 )/2, ЛН=
> 3 ср у Щах пип' '
=Н - н ; м =(М +М - )/2;
Тах шиї’ ср ^ .шах яип' . *
ЛМ=Мт - М, ; Р =(Р +р )/2-
Шах ИЇ|ІЦ СР шах тик ’
АІ-Р«іах-Ршт - Построенная модель адекватна для следующих значений факторов: высота бегунка 20—40 мм, масса бегунка 190— 507 г, давление питания 0.13— 0,25 МПа
Дальнейший анализ работы вибратора привел к заключению, что кроме факторов, входящих і! модель, значимое влияние оказывают диаметр питающего тангенциального сопла и диаметр вихревой камеры. Поэтому была проведена еще одна серия опытов, по результатам которой введены поправочные функции: КДК=2-с/к/110
— функция, учитывающая влияния диаметра вихревой камеры на частоту колебаний вибратора и КДС=1,2<//4.5-0,2 — функция, учитывающая влияние диаметра питающего тангенциального сопла. Приведенные поправочные функции справедливы при следующих значениях факторов: диаметре питающего тангенциального сопла 3,5—5,5 мм, диаметре вихревой камеры 110—150 мм - В окончательном виде частота колебаний вибратора определяется формулой:
/и=КДС-КДК/
Вибратор, сконструированный на основе экспериментальных данных и построенной модели, хорошо зарекомендовал себя на практике, два года его используют в строительном цехе ГПО «Боткинский завод» на очистке бункеров от песчаной смеси.
