Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Лекции по основам теории вибрационных машин и технологий

Покупка
Артикул: 127682.02.99
Доступ онлайн
1 000 ₽
В корзину
Приведены сведения о вибрационных технологических процессах. Изложены физические основы эффектов, порождаемых действием вибрации в системах с нелинейным трением, на которых основано ее практическое использование. Описаны особенности моделирования и расчетного анализа процессов вибрационного транспортирования, вибрационной запрессовки деталей, виброударного уплотнения сыпучих материалов, вытягивания слитка в машинах непрерывного литья заготовок с вибрирующим кристаллизатором. Рассмотрены методы возбуждения колебаний для технологических процессов, основы проектирования и расчета вибровозбудителей различного принципа действия, а также нелинейные задачи взаимодействия вибровозбудителя с вибрационной машиной. Учебное пособие написано на основе лекций, читаемых автором студентам специальности "Динамика и прочность машин" в базовом филиале кафедры "Прикладная механика" МГТУ им. Н.Э. Баумана при Институте машиноведения им. А.А. Благонравова РАН. Для студентов технических университетов и вузов. Может быть полезно аспирантам и преподавателям, специализирующимся в области вибрационных технологических процессов. Некоторые разделы могут представить интерес для специалистов, занимающихся проблемами нелинейных колебаний.
Пановко, Г. Я. Лекции по основам теории вибрационных машин и технологий : учебное пособие / Г. Я. Пановко. - Москва : МГТУ им. Баумана, 2008. - 192 с. - ISBN 978-5-7038-3203-5. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1958408 (дата обращения: 29.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
Допущено Учебно-методическим объединением вузов
по университетскому политехническому образованию
в качестве учебного пособия для студентов
высших учебных заведений, обучающихся
по направлению «Прикладная механика»
специальности «Динамика и прочность машин»

Москва 2008

им. Н.Э. Баумана
МГТУ

ИЗДАТЕЛЬСТВО

Г.Я. Пановко

Лекции

и технологий

вибрационных
машин

по основам теории

УДК 621.01:62-752
ББК 34.41
П165

П165

Р е ц е н з е н т ы:
кафедра теоретической механики и мехатроники
Курского государственного технического университета
(зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. С.Ф. Яцун);
д-р физ.-мат. наук, проф. И.И. Блехман

Пановко Г.Я.
Лекции по основам теории вибрационных машин и технологий:
Учеб. пособие для вузов. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. –
192 с.: ил.

ISBN 978-5-7038-3203-5

Приведены сведения о вибрационных технологических процессах. Изложены 
физические основы эффектов, порождаемых действием вибрации
в системах с нелинейным трением, на которых основано ее практическое
использование. Описаны особенности моделирования и расчетного анализа
процессов вибрационного транспортирования, вибрационной запрессовки деталей, 
виброударного уплотнения сыпучих материалов, вытягивания слитка в
машинах непрерывного литья заготовок с вибрирующим кристаллизатором.
Рассмотрены методы возбуждения колебаний для технологических процессов, 
основы проектирования и расчета вибровозбудителей различного принципа 
действия, а также нелинейные задачи взаимодействия вибровозбудителя
с вибрационной машиной.
Учебное пособие написано на основе лекций, читаемых автором студентам 
специальности «Динамика и прочность машин» в базовом филиале
кафедры «Прикладная механика» МГТУ им. Н.Э. Баумана при Институте
машиноведения им. А.А. Благонравова РАН.
Для студентов технических университетов и вузов. Может быть полезно
аспирантам и преподавателям, специализирующимся в области вибрационных 
технологических процессов. Некоторые разделы могут представить интерес 
для специалистов, занимающихся проблемами нелинейных колебаний.

УДК 621.01:62-752
ББК 34.41

ISBN 978-5-7038-3203-5

c⃝ Пановко Г.Я., 2008
c⃝ МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008
c⃝ Издательство МГТУ
им. Н.Э. Баумана, 2008

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие .................................................................
5
Лекция 1. Введение в дисциплину .....................................
8
1.1. Основные понятия........................................
8
1.2. Предмет и задачи курса .................................
10
1.3. Примеры вибрационных технологических процессов
12
Лекция 2. Физические основы вибрационных технологических
процессов с фрикционным взаимодействием ..........
20
2.1. Природа эффекта вибрационного транспортирования
20
2.2. Роль асимметрии в возникновении эффекта вибрационного 
транспортирования ..............................
28
2.3. Эффективные коэффициенты сухого трения при вибрации .....................................................

30
2.4. Основные технологические эффекты, порождаемые
действием вибрации в системах с трением ...........
34
Лекция 3. Движение частицы по вибрирующей шероховатой
плоскости (вибрационное транспортирование) ........
37
3.1. Модель движения частицы по вибрирующей шероховатой 
плоскости .......................................
37
3.2. Дифференциальные уравнения движения частицы
по вибрирующему лотку ................................
38
3.3. Расчетный анализ движения частицы..................
43
3.4. Закономерности движения частицы при некулоновом
трении......................................................
52
Лекция 4. Основы теории вибрационных технологических
процессов ......................................................
57
4.1. Вибрационная запрессовка деталей....................
57
4.1.1. Предварительные замечания........................
57
4.1.2. Расчетная модель процесса вибрационной запрессовки .............................................

59
4.2. Динамика процесса вибрационного уплотнения
сыпучих материалов .....................................
65
4.2.1. Предварительные замечания о процессе вибрационного 
уплотнения сыпучих материалов .........
65
4.2.2. Технологические машины для вибрационного уплотнения 
сыпучих материалов .....................
69
4.2.3. Модель виброударного уплотнения................
71
4.2.4. Модель процесса вибрационного уплотнения ...
79

3

4.3. Движение слитка в машине непрерывного литья
с вибрирующим кристаллизатором ....................
83
4.3.1. Описание процесса непрерывной разливки металлов..................................................

83
4.3.2. Расчетная схема системы слиток — МНЛЗ с вибрирующим 
кристаллизатором .....................
87
4.3.3. Движение слитка при отсутствии вибрации кристаллизатора ..........................................

92
4.3.4. Анализ движения слитка с прямой осью при вибрации 
кристаллизатора.............................
93
Лекция 5. Возбудители механических колебаний...................
101
5.1. Принципы возбуждения колебаний, типы и класси-
фикация вибровозбудителей ............................
101
5.2. Кинематические вибровозбудители ....................
104
5.3. Центробежные вибровозбудители ......................
107
5.4. Электромагнитные вибровозбудители .................
115
5.5. Электродинамические вибровозбудители .............
133
5.6. Гидравлические и пневматические вибровозбудители
136
5.7. Магнитострикционные и пьезоэлектрические вибро-
возбудители ...............................................
139
Лекция 6. Особенности взаимодействия вибровозбудителя
с технологической машиной ...............................
141
6.1. Предварительные замечания ............................
141
6.2. Неравномерность вращения дебалансов ..............
142
6.3. Супергармонический привод ...........................
151
6.4. Самосинхронизация,
вибрационное
поддержание
вращения, захватывание .................................
157
6.5. Взаимодействие электропривода c вибромашиной.
Эффект Зоммерфельда ..................................
179
Список литературы .........................................................
191

ПРЕДИСЛОВИЕ

Обычно понятие «вибрация» ассоциируется с нежелательными,
а порой просто опасными явлениями, сопровождающими работу
любой технической конструкции или системы. Однако в ряде случаев 
вибрация и порождаемые ею эффекты могут быть полезными
и их используют для осуществления различных производственных
технологических процессов, в машинах и приборах, а также применяют 
в бытовой технике, в биологии и медицине. В одних случаях
вибрация играет роль катализатора и приводит к существенной интенсификации 
технологических процессов и повышению их качественных 
показателей, в других — определенные технологические
процессы могут быть реализованы только благодаря использованию
вибрации.
Понимание природы явлений, возникающих при действии вибрации, 
является основой ее эффективного применения в технологических 
процессах и создания вибрационных технологических машин. 
Теоретической базой для анализа и описания вибрационных
технологических процессов служит прикладная теория механических 
колебаний.
В основе вибрационных технологических процессов лежат своеобразные 
эффекты, связанные с действием вибрации на нелинейные
механические системы. Эти эффекты имеют специфические особенности, 
которые, как правило, не рассматриваются в курсах по
прикладной теории механических колебаний, хотя они оказываются
важными и для многих других технических задач.
В предлагаемом курсе лекций по теории вибрационных машин и
технологий изложены существующие представления о физических
механизмах и природе эффектов, лежащих в основе применения
вибрации в тех или иных технологических процессах, принципы
моделирования этих процессов, а также методы, используемые при
их анализе. Большое внимание уделено также описанию методов
и технических средств возбуждения колебаний, основ проектирования 
и расчета вибровозбудителей в зависимости от особенностей
технологического процесса и оборудования с учетом взаимодействия 
рабочего органа вибрационной машины и технологической
нагрузки.

5

Специфика большинства задач вибрационной технологии заключается 
главным образом в определении усредненных параметров 
движения (иначе говоря — в определении медленных движений
или сил), что, в свою очередь, предопределяет и выбор расчетных
методов их решения. Поэтому в предлагаемом пособии при решении 
рассматриваемых задач использованы приближенные методы
анализа нелинейных колебательных систем.
Данное учебное пособие написано на основе лекций, читаемых
автором в базовом филиале кафедры «Прикладная механика»
МГТУ им. Н.Э. Баумана при Институте машиноведения им. А.А. Бла-
гонравова РАН студентам специальности «Динамика и прочность
машин».
Пособие рассчитано на студентов, аспирантов и преподавате-
лей, специализирующихся в области вибрационных технологиче-
ских процессов. Вместе с тем, по мнению автора, некоторые разделы
книги могут представить интерес и быть полезными для специали-
стов, занимающихся другими проблемами нелинейных колебаний.
Автор предполагает, что читателем освоен курс теоретической ме-
ханики и прикладной теории колебаний в объемах, достаточных для
машиностроительных специальностей технических университетов.
При разработке курса лекций автор использовал различные ли-
тературные источники, список которых приведен в конце книги.
Тем не менее в предисловии автор считает необходимым упомя-
нуть о книгах И.И. Блехмана и Г.Ю. Джанелидзе «Вибрационное
перемещение» и И.И. Быховского «Основы теории вибрационной
техники», которые во многом предопределили выбор структуры по-
собия и содержания обсуждаемых вопросов. Несмотря на то что
эти книги были изданы еще в 60-х годах прошлого столетия, они до
сих пор сохраняют свою актуальность и являются «классическими»
руководствами для многих поколений специалистов в области при-
кладных вопросов теории механических колебаний и вибрационной
техники.
Автор глубоко признателен академику К.В. Фролову за постоян-
ную поддержку научных интересов автора, его педагогической дея-
тельности и работы над настоящей книгой. (К сожалению К.В. Фро-
лов ушел из жизни 18 ноября 2007 г. Его кончина стала для автора
и многих знавших его и работавших с ним людей огромной и не-
восполнимой потерей.)
Профессор И.И. Блехман, многочисленные советы которого по-
могали выбрать темы отдельных лекций и стиль их изложения, сде-

6

лал ряд замечаний, позволивших устранить в рукописи многие не-
достатки изложения, за что автор высказывает ему благодарность.
Особую признательность автор выражает заведующему кафед-
рой «Прикладная механика» МГТУ им. Н.Э. Баумана профессору
О.С. Нарайкину и профессору этой же кафедры А.М. Гуськову, сде-
лавшим в процессе ознакомления с рукописью ряд существенных и
полезных замечаний, которые с благодарностью были учтены при
ее доработке.
Рукопись
была
подготовлена
к
изданию
при
поддержке
гранта РФФИ № 08-07-253а, гранта CRDF и Минобразования и
науки России НОЦ-018, а также в рамках выполнения Федеральной
целевой программы «Интеграция науки и высшего образования Рос-
сии на 2002 — 2006 годы» и аналитической ведомственной целевой
программы Минобразования и науки России «Развитие научного
потенциала высшей школы на 2006 — 2007 годы».

Лекция 1
ВВЕДЕНИЕ В ДИСЦИПЛИНУ

Основные понятия. Предмет и задачи курса. При-
меры вибрационных технологических процессов.
Основные технологические эффекты, порождаемые
действием вибрации

1.1. Основные понятия

В учебных курсах, посвященных колебаниям механических си-
стем, изучаются, как правило, вопросы, связанные с анализом коле-
баний (свободных, вынужденных, параметрических) машин, стро-
ительных конструкций, всевозможного технического оборудования
и их элементов [3, 16]. При этом основное внимание уделяется вы-
явлению причин возбуждения колебаний и определению собствен-
ных частот и форм колебаний, амплитуд вынужденных колебаний,
сил и напряжений. Рассматриваются различные приемы и методы
снижения этих амплитуд, сил и напряжений, в том числе методы виброизоляции, 
балансировки и т. п. Другими словами можно сказать,
что в курсах «Колебания механических систем» проблема колебаний
рассматривается, как правило, с точки зрения оценки их возможной
опасности для механической системы (иногда с учетом влияния и
на человека-оператора).
Однако колебательные явления — вибрация — может играть
положительную роль и иметь практическое применение для осуществления 
или интенсификации необходимых физико-механических
или биохимических преобразований. С помощью вибрации можно
уплотнять или разрыхлять сыпучие смеси, перемещать твердые
тела, сыпучие и многофазные среды, перемешивать (или, наоборот, 
разделять) фракции различных сыпучих материалов и жидкостей, 
интенсифицировать химические и биологические реакции.
Использование вибрации способствует более плотному и качественному 
формированию железобетонных изделий, облегчает процессы
пластического деформирования материалов при прокатке, штамповке, 
вытяжке. С помощью вибрации осуществляют погружение

8

свай и шпунта, утрамбовывают грунт и асфальт. Вибрация нахо-
дит применение в медицинской технике (вибрационные массажеры,
стимуляторы), в биологических исследованиях (вибросепараторы),
в бытовой технике (электробритвы, краскопульты) [11, 12, 18 — 20].
В одних случаях с помощью вибрации можно существенно ин-
тенсифицировать технологический процесс, который, в принципе,
осуществляется и без вибрации. В других случаях технологический
процесс реализуется исключительно благодаря вибрации. Техноло-
гические процессы, для осуществления или интенсификации ко-
торых используется специально создаваемые вибрации, называют
вибрационными технологическими процессами (ВТП).
В основе ВТП лежат своеобразные эффекты действия вибрации
на обрабатываемые среды. Знание механизмов и закономерностей
действия вибрации на механические системы и происходящие физи-
ческие процессы позволяет существенно расширить номенклатуру
ВТП, повысить эффективность известных технологических процес-
сов и создать принципиально новые.
Для реализации ВТП используются всевозможные технические
устройства и специальное оборудование, позволяющие возбуждать
необходимые вибрации — вибрационные машины. Основными эле-
ментами любой вибрационной машины являются вибровозбудитель
и рабочий орган. Вибровозбудитель предназначен для создания тре-
буемого режима периодического (в некоторых случаях — случай-
ного или импульсного) возбуждения. Рабочий орган вибрационной
машины представляет собой специальный инструмент (держатель,
захват, боек) или устройство (сито, лоток, бункер, конвейер, реактор
и т. п.), с помощью которого (или в котором) осуществляется техно-
логический процесс. В свою очередь, тела или среда, на преобразо-
вание свойств которых направлен тот или иной процесс, называют
технологической (или полезной) нагрузкой.
Своеобразие используемых в практических целях эффектов
действия вибрации, специфика рассматриваемых научных и при-
кладных задач, особенности расчета и проектирования вибраци-
онных машин различного технологического назначения привело к
возникновению целого направления в прикладной механике, ко-
торое называют теорией вибрационной техники и вибрационной
технологии [4, 6].

1.2. Предмет и задачи курса

Задачи и методы курса «Основы теории вибрационных машин
и технологий» в отличие от теории колебаний механических систем 
ориентированы в основном на выявление условий, при которых 
достигаются требуемые технологические показатели ВТП.
Главными задачами курса является изучение основных методов и
средств возбуждения колебаний, основ методов проектирования и
расчета параметров вибровозбудителей в зависимости от особенностей 
технологического процесса и оборудования, а также с учетом
взаимодействия с рабочим органом вибрационной машины и технологической 
нагрузки. Очевидно, что все эти вопросы должны быть
увязаны с адекватным физическим представлением и соответствующим 
математическим описанием тех явлений, которые происходят
в технологической системе при действии вибрации.
Из сказанного непосредственно вытекает другая важнейшая задача 
курса — изучение основных приемов и особенностей методов
моделирования технологических процессов, происходящих под действием 
вибрации, а также освоение методов решения соответствующих 
уравнений, описывающих динамику ВТП.
Постановка и решение большинства задач ВТП заключается в
основном в определении рациональных параметров вибрационной
машины, в том числе законов и режимов возбуждения, обеспечивающих 
требуемые (заданные) технологические параметры процесса.
Разумеется, возможны и другие постановки задач ВТП, например
определение технологических параметров процесса в зависимости
от заданных параметров вибрационного воздействия.
Как правило, к таким технологическим параметрам относят
средние скорости процесса или средние значения усилий, необходимые 
для осуществления процесса. Эти усредненные параметры
иногда называют «медленными» в отличие от «быстрых» параметров, 
которые характеризуют периодически изменяющиеся во
времени силы, перемещения и их производные. Данная специфика
постановки задач ВТП, когда первостепенный интерес представляет
исследование «медленных» параметров процесса, предопределяет
и особенности методов решения. В этих задачах быстрые движения
или силы хотя и приводят к возникновению медленных движений,
но играют вспомогательную роль и при определенных условиях
могут быть учтены приближенно.

10

Вибрационные технологические процессы относят к так называемым 
грубым процессам, для которых типичен значительный разброс 
их основных показателей от одного испытания к другому. Этот
разброс может быть обусловлен, например, непостоянством физико-
механических и химических свойств обрабатываемых материалов,
перепадами напряжений питания, различием массовых и геометрических 
характеристик обрабатываемых материалов и сред, которые
в силу случайного характера очень непросто, а порой и невозможно
учесть при формировании расчетных схем. Для таких систем и процессов 
значительно важнее отразить в расчетных схемах и моделях
влияние наиболее существенных факторов, приводящих качественные 
параметры к соответствию с экспериментальными данными,
а не стремиться к уточнению количественных оценок за счет использования 
более сложных моделей и методов анализа. Искусство
инженера как раз и заключается в выборе такой постановки задачи, 
расчетной модели и метода анализа, при которых получаются 
наиболее наглядные результаты, не перегруженные излишними
подробностями.
В основе многих расчетных методов анализа ВТП лежит представление, 
что полное движение исходной системы представляет
собой сумму медленных и быстрых движений. Наряду с известными 
методами нелинейной механики, используемыми для анализа 
ВТП, в последнее время получили развитие методы, позволяющие 
вообще игнорировать быстрые движения, а действие вибрации 
учитывать дополнительными, так называемыми вибрационными
силами [4].
Под воздействием вибрации (соответствующих вибрационных
сил) происходят изменение физико-механических свойств материалов, 
трансформация положений равновесия упругих систем, в частности 
стабилизация или дестабилизация состояний динамического
равновесия, изменение частот свободных колебаний и т. п. Общим
свойством этих изменений является переход системы под действием 
вибрации в новые состояния, которые описываются «медленными» 
параметрами системы. Эта специфика анализа вибрационных
процессов привела к возникновению сравнительно нового направления 
в механике, которое называют вибрационной механикой [4].
По определению И.И. Блехмана [4], «вибрационная механика —
это механика для наблюдателя, интересующегося только медленными 
движениями системы. Такие движения наряду с быстрыми

11

движениями возникают в нелинейной системе при наличии вибрации 
и представляют, как правило, основной практический интерес».
Методы вибрационной механики главным образом сориентированы
на установление вибрационных сил и выявление порождаемых ими
эффектов.
Отметим, что все рассматриваемые в настоящем курсе лекций
методы хотя и привязаны непосредственно к задачам вибрационной
техники и вибрационной технологии, являются общими для динамики 
механических систем.

1.3. Примеры вибрационных технологических процессов

Вибрационные технологические процессы и вибрационные машины 
получили интенсивное развитие в строительном и строительно-
дорожном деле при формировании железобетонных изделий, при
поверхностном и глубинном уплотнении бетона, при уплотнении
грунтов и асфальта, при погружении свай и в других подобных
процессах. В горнодобывающей и перерабатывающей промышленности 
при добыче и обработке полезных ископаемых вибрация используется 
для измельчения породы, разделения ее фракций по размеру, 
массе, удельному весу и т. п. В металлургии с помощью ви-
брации уплотняют литейные формы, осуществляют перемешивание
расплава металла. В машиностроении с помощью вибрации осуще-
ствляются транспортирование, ориентирование и подача заготовок
и деталей, вибрационное резание, сверление, хонингование. Кро-
ме перечисленных примеров вибрация широко используется и во
многих других отраслях, в том числе в медицине (вибромассаж, ви-
бростимуляция), в сельском хозяйстве (виброизмельчение, вибро-
разделение), в химической и биологической промышленности.
Рассмотрим схемы некоторых типовых ВТП и вибрационных
машин. Для перемещения кусковых и сыпучих материалов приме-
няют виброконвейеры, в которых процесс перемещения материала
(технологической нагрузки) осуществляется не совместно с пере-
мещением рабочего органа, как у стандартных средств непрерыв-
ного транспортирования (транспортеров), а в результате движения
технологической нагрузки относительно вибрирующей поверхно-
сти рабочего органа (лотка) обычно имеет вид трубы или открытого
лотка. На рис. 1.1 показан виброконвейер, рабочий орган которого

12

Доступ онлайн
1 000 ₽
В корзину