Волновой виброконвейер

СО 1 ОЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК бала 2 ОБРЕТЕНИЯ( АТОСОМУ СИЕТЕЛСТ" В ВВ 1 ВЫПОЛНЕНЭ ИрОДОЛЬ а:- З,:1,Н-г-,прорезь 2. Плина гВ1:рэтг поло-:и,ДЛИНЫ ПРСДОЛЬНОЙ ГОЛ)1 Ы, 1-;а, "Нг 111 З- :,.жней ВВ 1 рас 1 елокенг чдс. д,:ПрОдОЛЬНЫЕ раЗМОрЫ. раВЬ:; ЧЕ г:Ерт 11 д.л 1 ны волны, Общий рэсиолокон с ир;.тьопо/;ожн",й стооОнь) -,рп .гГ 1 -,.1,1 1к ультразву 1:ово 1 ис ",чн ", 6 П 1 ги эн 11, а 31 подключсн к не у жз.о че;:. )г зсс,;вг 1 Г;=гОщн).1 МЕХаН;1 ЗМ .Э,:"И;-.Ог Гр Лр, -га)лиЗнаходятся а иоээр.,а:т, ВГ 1ОГ)ЭНИЧРНЫ В ПЕ-Р .1 Р) -Ч-Пгр:" подаче напрр .:,я нэ:,:, 1 сс гл=,.- )в В Вч зр 1.:;етс роя,имциркулирующей )1 ридольнсг 1 бргк.Л 1 вр.1 нь, При этом вс:. 1 счк. Покерси. ВВДВИжУтСЯ ИО ЭЛЛИП 1 ЕСКИ 1 С 1-;,О),гэ)1 аэ.ленным траектория,., го-.е, р л;,. сме.,е-,ние образуется за с и г зфа рк, л,1 уанср)на,Такие траектории и:верх 1 ости В; 1 взэ 1 -модействующей с деталью 8 обеспечиваютпеременную во времен)и но;1 к 1 альну 1 о реакцию и, соответственно с)1 лу т 11 р;:. котооалсоздает )аправ)ленное дв.же)чив /)е али, 10ил,хнический инсти ство ССС00, 1978ьство СС(54) ВОЛ 1 ОВСй ВИБРОКОНВБЙЕР (57) Изобретение относится к вибрационным конвзйерам и м,б. использовано для транспортирования малогабаритных де лей, сыпучих материалов и для обеспечения возвратно-поступательного движения обьектов. Цель - уменьшение габаритов виброконвейера по вь 1 соте. Волновой виброконвейер содержит волновод (ВВ) 1, выполненный полностью иэ располокенного вертикального пьезокерамического пря, моугольного бруска, поляризованного по толщине. Высота ВВ 1 значительно меньше его длины, Для образования двух стержней та ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССРИзобретение относитс к Вибрацио- ным конвейерам и мокет быть и;пользов=.- но для транспортирования малогабаритн .)х деталей, сыпучих материалов и для обесзчения ВОЗВ Ратно-посупательнс го движени 5 Обьек ГОВ,Цель лзобретгяпля - умсньОение габ.-;,- ритоо виброконвейера по вьсо)е,На фиг.1 изображен Волновой Оибрзконвейер, общий вид;Яа Ь Г.2 - ),: Геэ А- на фиГ.1; на фиГ,З дасче"Ная (".х )гла ВОзбу)к дения стоя)ей Волны О вслновсде Од).йаг мснической силОЙ; )Га иг,1 ")".СчетЧап сх 6 возбуждения бегущейслны, В)лнсводе двумя гармеиическ(ми силами; на фи,";, - зона соединения с гергоВй зол; )Овода; н а фиг.б - волновой з бро ьс вейе). Оолновод которого склеен из двух пьезокссамиЧеских брусков: .а фиг.7 - вол вовой вис рсконве" ЕР С МЕтаЛЛИЧЕСКИМ ВОЛ)ОВОООМ Г О ьетРОЕН- ными пьезопреобразсвателями; на лг.8 - разрез Б-Б на фиг.7; на фиг,9 - устройство для осуществления возвратно.поступательного движенич транспор ируемо.о обьектьч на фиг.10 - разрез В-В на фиг,9.Волновой виброко)1 веьзер состоит из ВоуНовода Выг)слненноО плнссгью из располскенногс ве.,)уь,0 и.езокерами- чсскоГО прямоу Олно" с с)ускаЛьезгматериала типа 1 БС 3, Ц С, Г 1 Р-в), Г)оляризованногс пс ): ущ(лне. Выссга бзускс Значите)ьно ме ьше 8)ГО длиньь В В;лнОВОД 8ДлЯ Образсва)кЯ Двух стерОей выполнена продольная алкнутля прорезь 2, изготовление которси, напримегк осушествлено при помощи ул тразвуковой обработки или азроабразивным сг)особом,,Цлина ВОЛНОВОдакс)стна полови-,8 длины продольной Волны,1 Оте:- циаг)оалектрсДы 3 )л 4, распслсженнь)8 рЯДсм Д: Г с другом на одном из стеркней волновг)д: 1, имеют продсльнь)8 размеры, равные четВерти длины ВОлныА/ч 1, причем расс сяние между середи):ами электродов 3 и 4 также равно у.,у 4, Обцлй )зазему)енный) электрод Ь расположен с гротивопоу)ожн; и стороны стержня, )лектрор, 3 подкл)очен к ультразвуковому источни у б пита)- ля Ген.: ратору гармонического напряжения), злект род 4 подклОчен к нему же, но через фазосдвигаощий механизм 7. Тра(Спортлруемые детали 8 находятся на поверхности волновода и ограничены В перемещении бортиками 9, приклеен,)ь.ми, на)тр мер, к волноводу 1, Волнсвод 1 находится на аибриру)ОМем основании С, ВЫГ)олненн,),., Нагример, из ре:ины, фетра, ф;оро);ласга и тВолновой виброконвейес работ;)е следу)о)цим образом. Гри подаче напря)(ен(я на электр л 3и 4 со сдвигом фаз на угол )"9( на резснаноснсй частоте )когда длина Вол-овода 1 крат.ная половине длины Вол.(ь) в волноводе5 формируется режим;. иркулиру сцей продольной бегу(Цей вол ы, Г 1 ри этом Осе точкиПОВВРХНОСТ 1 ВОЛ НОВСДа ДВ)(У СГ г 0 ЗЛЛИП"т) ески, Оу 1)Онаправ)з"ь; траекториям,Пспереч)Ое смещение образуется эа счет1 у зф(1)ек а Пуассо )а, , )киераек Г 013 И по 881)хнссти )Олноьоде, езаииоде(ству 0)цеЙс тогнс-ортиоуемой де),:;л-.о (1, 0,.)еспечивагп переленную Во В 1 зе);ен(л нормальную реакциО, и Гс ВетстОе,(Г, сил)у трения,КОТСРВЯ СОЗДВГТ )а 1 гаВЛ 808 ЛВИ(8 НИЕдате)ли,Формигс .а:)ие ре:( ма (1;.:Дольно)л бегущей волнь В сержче Вслновсда, пс котором, трансЮртиру)отса,.(.-;-а.и происходит20 следуюгцим образом. Вол Овод можнопредставит, следуКощей рас етной схе(,)ойф)лг, ); два параллельных стер;кня 1 и 1:креплены ме)(у собой пс концам при помоци двух )динаксЗьх сссоедстсВнньх25 масс(ма(са м характеризует зону соединения двух стержней), Ось координат Х па",Ву)у)ел,)1 а ( теркня)ли 11., их к(ЯНЦЬ и"18 ю 1Г )рг,и ТЫ, - 1х -у.; к, .Е)кнГ 1;)астяжениЯ"сх(ат)я) кслебаниЯ, которыепередаются через массы Гу з стс.жень 1, где(акке ьоэгужда)стся пссдс)3 ь)1.,)е к леба.411 ниь. Будем считать, что массы М движутсяОльКО ЕОЗВ)аЬ)0-)Оступате ЬНО И )ЗГбные колебания в стерляе не возникаютУпругие продсльне ко)ВбаИ) В стержняхи Списываются зд;омерным вслно: Вым ч)авнением продсгьнь ( к(1 лебан:1 й ДЛЯтонки:( стержне: Гксгдл псперечыи размерстержня меньше Й, 2 :, ,. г У2) У,2 2,де ф кэлгбгтРль)О югвнние стержнейИ 1 с координат Ой х;СфазОВая с ксо( .,ь Волн Сгс )ь)ь звуко,инвексы =.и- .2 сто - Ветстьую Олебаниям стержня 1 состветс ечнс,;:;Ва ис рава т 1 очки Грилс() "лу)ы )-х=Г,(р + "11 ещ,С в ,Г+ П 1Анализируя формулу (9), можно сделать вывод, что бесконечное возрастание амплитуды колебаний (без учета затухания) возникает в резонансе, когда 1.2=1, т,е. И=к п или 1=и Л/2, где п=1,2, и образуется стоячая волна. В данной колебательной системе координаты пучностей и узлов зависят от координаты приложения силы Г: Х-Р (в формуле (9) есть члены ехр+ )1 с(р+х)1, что является необходимым условием для фор 9) б) выполнение второго и третьего закона Нь тона в тех же точках: 5 М 1(х=О)=Я(дцх=О)+ с;гз(х=О), М 2(х=О)=5(32(х=1)+ 05(х=), (3) Р=Я( 02(х=Р)- О 1(х=Р, где о, - механическое нормальное нап ряжение; 10Я - площадь пойеречного сечения стержнейи 1,Решение волнового уравнения (1) для участков 1=1,2,3 можно искать в виде суммы двух бегущих навстречу волн; 15=А 1 ехр)( а Мх+В 1 ехрЦ(в с+Кх)1, (4) где К= гд /С - волновое число:АВ - комплексные амплитуды бегущих волн.Закон Гука в дифференциальной форме имеет вид:о=ЕЛ/Эх, =1,2,3 (5) где Е - модуль упругости;Е =рС 2, где р - плотность материала волновода.Подставив (4) и (5) в граничные условия(2) и (3); получим систему линейных неоднородных уравнений: А 1+ В 1==Аз+ Вз, А 1 гп+ В 1 п 1=А 1-В 1+АЭ-Вз, А 1 Р +В 1 Р=А 2 Р +В 2 Р, А 2 Р -В 2 Р=А 1 Р +В 1 Р=т,-1 -1А 2 1+В 2 =-Аз. +8, (6) А 21 п 1+В 2 гп=А 21 -В 21+А 31 -Вз 1, гп = )в 1/рСЯ, 1 = Р/)р Я ш,35 где=ехр(О)/ Р=ехр 01 Р)Решая систему(6), определим неизвестные комплексные амплитуды; Аз=й /РД. -1)(2-гп),40 Вз=1 Р/(1 -1)2-п 1) (8) Представив Аз и Вз из (7) и (8) в (4). найдем колебательные смещения на участке 3(т.е, на свободном от внешней силы Р стержне 11):452 мирования в резонансе режима бегущейволны.Для доказательства возможности формирования режима бегущей волны при резонансе в стержнерассмотрим ту жеколебательную систему, которая возбуждается двумя продольными гармоническимиСИЛаМИ Га=РаЕХР(И С) И Рв=РвЕХР(г/1 +й) Срасположенными соответственно в точках скооРдинатами х=Ра и х=рв на стеРжне 1, гдео- сдвиг фаз между силами (фиг.4),Так как волновое уравнение (1) - линейное, то колебательный процесс в волноводеявляется суперпозицией колебаний от действия каждой из сил 1-а и Е в отдельности,для стержняполучим:Ь = ьза + ьзь = (Аза + Азь)е( ) +1(вс - и)+ (ВЗа + Взфэ)8() (10)Для определения условий формирования бегущей волны в стержне 1, Распространяющейся только в положительном илиотрицательном направлении оси Х, приравняем нулю второй или первый член в формуле (10):Вза+Взв=О или Аза+Азв=ОПри равенстве амплитуд возбуждающих сил Ра=Гв=Г подставив (7) и (8) в (11)получим соотношение(Р,/Р ь) - =- - Ф (12)где Ра=ехр(1:РаРв=-ехр(срв), г 1 з =ехр(1),веохний знак соотве-;ствует условиюформирования бегущей волны, распространяющейся в положительном направленииоси Х, нижний знак - в отрицательном направлении оси Х.Подставив (7.8 и 12) в (10) получим колебательный процесс в стержнев виде одной бегущей волны:тРь вокЯ ц(/ .у)(13)где Л Р=ра-рв,Максимум амплитуды бегущей волны встержне 1 достигается, как видно из (13),приЫР =+лй,т.Е.Ра - рь =Л(2 п - 1)/4,п=1,2.(14)Подставив (14) и (12) получим, что сдвигфаз сил в атом случае р=+ 90.Для определения амплитуды бегущейволны в Резонансе учтем затухание в волноводе, В этом случае представим волновоечисло в комплексном виде:Ь=1;(1-) /2 Я), где 1=а /С. - (15)- добротность материала волновода,которую можно определить экспериментально по АМХ, Для пьезокерамических ма 1696348териалов 9=300.40000, для металлов Я==300.1000. Подставим К из (15) в (13) и найдем приближенно действительную амплитуду бегущей волны:5где П=.1,2, - число полув(лн, укладывающихся по длине стержня в резонансе. Амплитуда колебаний прямо пропорциональнаамплитуде силы и добротности и обратнопропорциональна волновому сопротивлению (р СЗ), частоте колебаний, соотношению массы М к волновому сопротивлению,Исходя иэ выше сказанного, для повышения амплитуды волны необходимо иметьрабочую частоту наиболее низкой, для ультразвуковой техники - 18-20 кГц.По амплитуде бегущей волны можнооценить скорость транспорти рован ия;=ч ЬеОгде К,3.0-6. 20При возбуждении алюминиево о водновода гармоническими силами с амплитудойР=1/Н и при следующих параметрах колебательной системы: /2,6 10 кг/м; С=5,1210 м/с; Б=Г 10 м 2; М=2 10 зкг; Я=300, и:-.:2, 251-20 кГц получим фп = О,б 106 м, Ч=З 10"6 10 2 м/с,Определим Ограничения иа параметрыволнОвода, при которых данное устройствоработоспособно, исходя иэ следующих со- ЗОображений:1. В стержнях волновода должна распространяться плоская продольная волна,т.е, фронт волны - плоский. условие выполняется при соблюдении неравенств (фиг,5): 35Ь/2 /4,Д с./4 (17)2. Зоны соединения стержней волиовода должны вести себя при распространениипродольной волны в стержнях на рабочейчастоте как сосредоточенные массы, Условие выполняется при соблюдении неравв;.:ства:а А/16 (Щ3. В зонах соединения стержней волиовода не должны ВозбуждатьСЯ параэитныеизгибные колебания под действием продольных колебаний в стержнях, иначе в нихтакже возникнут паразитные иэгибные колебания, Условие выполняется, еслиЬ А/8, 50где и - длина изгибиой волны на рабочейчастоте продольных колебаний стержней,Длину волны А можно оцениь по формулеА = 2 ЛО/1 Й, 55где= Е,./РЯ, = Са 2/12;,Я - момент инерции сечения зонысоединения стержней и его площадь. Используя (17) и (18), получим условияЬ ЪЫЧЗ 32 или приблизительно Ь0,0524. Для уменьшения амплитуд паразитных колебаний в стержнях необходимо, чтобы обе зоны соединения стержней былиидентичны (т,е. эквивалентные им сосредоточенные массы М были одинаковыми), .Возможно выполнение волновода издвух пьезокерамических брусков 11 и 12,склеенных эпоксидным компаундом 13 через тонкие (0,1-0,3 мм) металлические прокладки 14 для формирования прорези(фиг.6). Электроды 3-5 могут быть расположены горизонтально. Такая конструкция более технологична в изготовлении, чем нафиг,1, однако механическая прочность еениже,Более перспективен другой пример конструктивного выполнения волнового вибротранспортера, изображенный на фиг,7 и 8.Волновод 1 вибротранспортера выполненметаллическим с вклеенными в одии изстержней волновода пьезокерамическимипластинами 15 и 16, поляризованными потолщине и имеющими по два потенциальных электрода 3 и 4 на каждой пластине. Длявозбуждения бегущей волны необходимо,чтобы длина металлического стержнябылакратна половина длины волны4 т,е, = и 4/2; длина составного преобразователя 1, содержащего пьезопластиныбыла равна (кратна) половине длины волны4, т,е. его длина должна быть также резонансной: 1= М 2; длина стержня 2, содержащего пьезопреобразователи была равна:2= А /2+:и) Л/2,В связи с разной скоростьюзвука в металле и составном преобразователе в вол новоде должны быть выполнены уступы д;д = Я - 4)/4,Для уменьшения д необходимо выбирать пьезокерамический материал, скорость звука в котором была бы близка кскорости звука в металлическом стержне(например, пьезокерамика типа ТБК-З, у которой скорость звука Сп=-4700 м/с), желательно по возможности уменьшать толщинупьезопластин си по сравнению с толщинойметаллической перемычки дм, Длина составного преобразователянаходится исходя из заданной частоты О по формуле:2 бп".9( 1) + бЩ(1) = О,(т,е. =0) можно, если такие же пьеэопластины будут вклеены и в другой стержень.В отличие от широко распространенныхнизкочастотных(5 ОГц) вибролотков с элект 1696348 10ромагнитным виброприводом стержня волновода могут быть выполнены изогнутыми, т.е, транспортирующая дорожка волнового вибротранспортера может быть криволинейной, радиус кривизны В которой ограничен неравенством В )Ю 2, Такие криволинейные транспортеры могут найти широкое применение для подачи миниатюрных деталей в машинах-автоматах. Для создания возвратно-поступательного движения объекта, например, каретки 15 в приборе может служить устройство, волновод 1 которого состоит из трех параллельных стержней, скрепленных по концам (фиг.9 и 10).Электроды 3 и 4 пьезопреобразователей находятся на среднем стержне. Принцип действия такого устройства аналогичен принципудействия волнового виброконвейера,Формула изобретения Волновой виброконвейер, содержащий 5 рабочий орган в виде расположенного вертикально замкнутого волновода с двумя параллельными стержнями, закрепленные на нем пьеэопреобразователи, связанные с ультразвуковым источником питания и фа зосдвигающим механизмом, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью уменьшения габаритов виброконвейера по высоте, волновод выполнен прямоугольной формы в плоскости, перпендикулярной плоскости 15 транспортирования, при этом длина каждого стержня кратна половине длины волны, а размер волновода по вертикали меньше его169 б 348 Составитель Е.АртемьеваТехред М.Моргентал дактор Н.Химчук орректо ни ГКНТ СССР Производств о-издательский комбинат "Г 1 атент", г, Ужгород, ул Гагарина. 101 аказ 4270 Тираж ВНИИПИ Государственного комит 113 О 35, МосквПодписноеа по изобретениям и открытиК, Раущская наб 4/5