Технічні науки / 3. Галузеве машинобудування

К.т.н. Гордєєв А.І., к.т.н., Урбанюк Є.А., Мігаль В.Г.

Хмельницький національний університет

АЛГОРИТМ РОЗРАХУНКУ ПАРАМЕТРІВ ВІБРАЦІЙНОЇ МАШИНИ З ДЕБАЛАНСНИМ ПРИВОДОМ ДЛЯ ЗМІНИ ВЛАСТИВОСТЕЙ ВОДИ ТА ЗНЕЗАРАЖЕННЯ

На даний час для знезаражування стоків використається рідкий хлор, озон й ультрафіолет. Як правило, для цього необхідні проміжні контактні резервуари великої місткості, щоб забезпечити тривалість контакту не менше ніж 0,5 години.

Знезаражуюча дія кавітації заснована на ефектах, які виникають у турбулентних потоках рідини. Так при гідродинамічних коливаннях рідини виникають і зникають кавітаційні пухирці, при цьому стимулюються фазові переходи, підвищуються локальні температури й тиск. Крім того, у моменти утворення й зникнення кавітаційних пухирців у газонаповненій порожнини створюються умови для появи електричних зарядів, електричних і магнітних полів. У такий спосіб рідина, оброблювана кавітацією, піддається термобаричній й електромагнітній дії.

Особливістю кавітаційного методу полягає в тому, що високий ступінь знезаражування води від яєць і личинок паразитів досягається за рахунок їхнього механічного розриву ударними хвилями. Для руйнування бактерій і вірусів термобаричний вплив підсилюється локальною електромагнітною дією, коли наведені електричні потенціали пробивають їхні мембрани й оболонки. Розроблено ряд вібраційних машин на основі дії гідрокавітації [1,2,3,4] та запропонована методика і інженерні розрахунки основних параметрів обладнання.

Вихідні данні. Для конкретизації розрахунків візьмемо воду з густиною кг/м³. Необхідна амплітуда переміщень робочого органу мм при повному завантаженні; кутова частота коливань , 1/с. Приймаємо співвідношення діаметра камері гідропульсатора до діаметра насадків d/D = 12.

Така машина з дебалансними віброзбудниками створює вертикально направлені коливання. На підставі прийнятої схеми визначаємо загальне число опорних пружин (рівне ) і дебалансів ().

Рис. 1 Схема вібраційної машини для зміни властивостей води та знезараження з дебалансним віброприводом

Визначення коливних мас. В коливаннях беруть участь: маса рідини ; маса вібруючих частин , тобто маса конструкцій віброблоків, включаючи і віброзбудники, маса самої машини . Маса рідини знаходиться по об’єму. Повна маса коливної системи визначається за формулою . Визначаємо масу конструкції, що коливається, на основі твердотільної моделі і приймаємо рівною кг. Приймемо кг. Таким чином загальна маса рівна кг.

Забезпечення необхідного режиму коливань. Для виконання умов режиму коливань приймається власна кутова частота коливань системи ; тоді сумарна жорсткість всіх пружин, що відповідають цій частоті рівна:

(Н/м). (1)

Жорсткість однієї пружини:

(Н/м). (2)

Визначення загального статичного моменту маси дебалансів. Задана амплітуда робочих переміщень м може бути забезпечена, якщо буде створена сила, здатна подолати не тільки активні й реактивні опори самої машини, але і силу опору рідини при проходженні через отвори. У дебалансних віброзбудниках вимушуюча сила , отже, задача полягає у визначенні загального статичного моменту маси дебалансів , який зможе створити необхідну вимушуючи силу, при заданій кутовій частоті . Вираз установлює взаємозв'язки всіх параметрів, що нас цікавлять і є початковим для розрахунку статичного моменту маси дебалансів. Цей вираз має вигляд:

. (3)

Таким чином, прийнявши коефіцієнт динамічності , на підставі виразу отримаємо необхідний для заданої амплітуди загальний статичний момент маси дебалансів:

(кг·м). (4)

Знак „ – ” означає, що у зарезонансному режимі амплітуда стає від’ємною у зв’язку з рухом маси у протифазі з вимушуючою силою.

Визначення статичного моменту, конструктивних розмірів та маси дебалансу. Статичний момент маси одного дебаланса знаходиться як частина від розподілу загального статичного моменту на число дебалансів.

Рис. 2 – Основні параметри (а) та конструкції дебалансів зі зміною статичних моментів (б,в ): 1 – додатковий змінний вантаж дебалансів

Тобто: (кг·м)

Дебалансом тут є маса, обмежена заштрихованою площею й товщиною . Радіус вибирається з конструктивних міркувань так, щоб при обертанні між дебалансом і нерухомими деталями завжди зберігався зазор не менше 5мм. Кут звичайно вибирається в межах від 90° до 180°. Приймаємо .

При розрахунку використаємо залежність:

(5)

Визначаємо площу кругового сектора дебаланса:

(м²) (6)

і ексцентриситет

(м) (7)

Оскільки статичний момент одного небалансу відомий, знаходимо необхідну масу дебаланса .

(кг) (8)

Тоді товщина дебаланса рівна:

(м) (9)

При експлуатації вібромашини може виникнути необхідність змінювати амплітуду переміщень робочого органу. Цього можна добитись зміною статичного моменту маси дебалансів двома способами: установкою двох спарених дебалансів однакової маси з подальшим їх поворотом на заданий кут (рис.3,б) чи установкою на основний дебаланс додаткових змінних вантажів, щоб досягнути необхідної маси (рис. 3,в).

Визначення вимушуючої сили. Вимушуюча сила вібромашини визначається із залежності:

(Н) (10)

Для розрахунку валів віброблоків і вибору для них підшипників, які б змогли забезпечити довготривалий безперебійний режим роботи, визначаються навантаження від вимушуючих сил кожного дебаланса:

(Н) (11)

Вибір конструкції пружних опор та їх розрахунок. Знаючи жорсткість однієї пружини , ми можемо визначити основні розміри пружини.

Задавши діаметр дроту мм, та зберігаючи умову , приймаємо середній діаметр пружини мм і визначаємо кількість витків.

Розрахунок виконуємо за формулою:

(шт.), (12)

Визначення потужності приводу вібромашини. Необхідна потужність має дві складові: потужність коливань і потужність сил тертя .

Потужність коливань розраховується по своєму максимальному значенню, яке може розвинути існуюча вимушуюча сила при збільшенні активних опорів системи. Для вібромашини потужність коливань визначається по залежності:

(кВт), (13)

де – вимушуюча сила, яка необхідна для підтримування заданої амплітуди коливань рідини;

, (м) – амплітуда переміщень робочого органу;

– частота вимушених коливань.

Потужність сил тертя у підшипникових вузлах знаходимо за формулою, в якій для попередніх розрахунків можна прийняти діаметр шийки вала м, а умовний коефіцієнт тертя для підшипників приймаємо рівним . Тоді маємо:

(кВт). (14)

Потужність приводу з врахуванням ККД буде рівна:

(кВт). (15)

Зі стандартного ряду потужностей двигунів приймаємо 1 кВт.

Дослідження [5], проведені на експериментальній установці, показали, що після остаточної обробки стічних вод, знизилася біологічна потреба в кисні у 2,2 рази й підвищилася окисна здатність води на 70%, а знезаражування води показало на зразках зниження кількості колоній від 63 шт. до 3 шт.

Запропоновані підходи дозволили створити узагальнену методологію для розрахунку раціональних конструктивних і технологічних параметрів вібраційних машин з дебалансним приводом для впливу на властивості води та її знезаражування.

Література:

1. Пат. на винахід 48400 України, МПК C02F1/46. Пристрій для очистки стічної води / Р.І.Сілін, А.І.Гордєєв, В.О. Павлик (Україна); Технологічний ун-тет Поділля. – u2001064234; Заяв. 19.06.2001; Опубл.15.08.2002, Бюл. № 8. – 3с.

2. Пат. на корисну модель 10347 України, МПК В01F5/00. Устаткування для обробки води /Р.І. Сілін, А.І. Гордєєв, В.В. Третько, І.І. Сорока (Україна); Хмельницький нац. ун-тет. – u 200503620; Заяв. 18.04.2005; Опубл.15.11.2005, Бюл. № 11. – 3с.

3. Пат. на корисну модель 25775 України, МПК В01F 5/00. Кавітаційний пристрій для обробки води / Р.І. Сілін, А.І. Гордєєв, О.А. Гордєєв, В.В. Третько, Є.А. Урбанюк (Україна); Хмельницький нац. ун-тет. – u200702555; Заяв. 12.03.2006; Опубл.27.08.2007, Бюл. №13. – 3с.

4. Пат. на корисну модель 25811 України, МПК В01F 5/00. Вібраційний кавітатор для зміни властивостей води /Р.І. Сілін, А.І. Гордєєв, О.А. Гордєєв, В.В. Третько, Є.А. Урбанюк (Україна); Хмельницький нац. ун-тет. – u200703370; Заяв. 28.03.2007; Опубл.27.08.2007, Бюл. № 13. – 3с

5. Вивчення механізму вібраційної гідрокавітації та її вплив на склад води / А.І. Гордєєв, І.І. Сорока, В.В. Третько, О.О. Нікітін. // Вісник ТУП. Технічні науки. – 2003. – № 4, Ч.2. – С. 269– 273.