Funkční a výkonová optimalizace vibračních dopravníků
Function and Performance Optimization of Vibration Conveyors
Dizertační práce
Dissertation Thesis
Autor práce: Ing. Marek Pešík
Author
Školitel: doc. Dr. Ing. Pavel Němeček
Supervisor
Studijní program: P2302 Stroje a zařízení
Studijní obor: 2302V010 Konstrukce strojů a zařízení Studijní zaměření: Kolové dopravní a manipulační stroje Datum státní doktorské zkoušky: 02. 06. 2011
Datum odevzdání práce: 20. 04. 2013
Prohlášení o původnosti dizertační práce
Prohlašuji, že jsem dizertační práci vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury.
V Liberci 20. 04. 2013 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
Prohlášení k využívání výsledků dizertační práce
Byl jsem seznámen s tím, že na mou dizertační práci se plně vztahuje zákon č.121/2000 Sb. o právu autorském, zejména § 60 (školní dílo).
Beru na vědomí, že TUL má právo na uzavření licenční smlouvy o užití mé dizertační práce a prohlašuji, že souhlasím s případným užitím mé dizertační práce (prodej, zapůjčení apod.).
Jsem si vědom toho, že užít své dizertační práce či poskytnout licenci k jejímu využití mohu jen se souhlasem TUL, která má právo ode mne požadovat přiměřený příspěvek na úhradu nákladů, vynaložených univerzitou na vytvoření díla (až do jejich skutečné výše).
V Liberci 20. 04. 2013 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
Poděkování
Dizertační práce vznikla na základě poznatků, výpočtů, měření a konstrukční činnosti během mého kombinovaného doktorského studia na Katedře vozidel a motorů Fakulty strojní Technické univerzity v Liberci.
Rád bych na tomto místě poděkoval zaměstnancům katedry a zejména pak panu školiteli, doc. Dr. Ing. Pavlu Němečkovi, za podporu během studia, zasvěcení do problematiky měření vibrací a za odbornou pomoc při vzniku této dizertační práce.
Též bych rád poděkoval panu Ing. Aleši Lufinkovi, Ph.D. z Katedry částí stojů za poskytnutí prostor a odbornou pomoc při měřeních v laboratořích Technické univerzity a v neposlední řadě i mladým pracovníkům z Fakulty mechatroniky za ochotu a pomoc při měření a analýze regulačních a výkonových elektrických zařízení.
Moje poděkování patří i firmě ABB Elektro-Praga s. r. o. za odborné podklady, provozní informace a zapůjčení různých typů vibračních dopravníků za účelem ověření výsledků řešení dizertační práce.
Poděkování patří v neposlední řadě také mé manželce a rodičům za jejich podporu a trpělivost.
Anotace
PEŠÍK, M. Funkční a výkonová optimalizace vibračních dopravníků. Liberec: Katedra vozidel a motorů, Fakulta strojní, Technická univerzita v Liberci, 2013. 121 stran.
Dizertační práce, vedoucí: doc. Dr. Ing. Pavel NĚMEČEK.
Dizertační práce se zabývá funkční a výkonovou optimalizací vibračních dopravníků na základě potřeb technické praxe. Vychází z analýzy stávajícího stavu procesu dopravy součástí a sypkých materiálů zejména v provozech velkosériové výroby. Na základě tohoto rozboru se ukazuje, že pro vibrační dopravníky je důležitá stálost dopravního výkonu, což se zajišťuje jak jeho správnou funkcí, tak i jeho výkonem. Oba požadavky spolu souvisejí a jsou podmíněny zachováním dynamického stavu vibračního dopravníku tak, aby pracoval v rezonanční frekvenci, ve které má nosič objektů největší amplitudu výchylky. Kromě toho jsou výkonové nároky na silové buzení dynamické soustavy vibračního dopravníku minimální.
K dosažení uvedeného cíle byla v dizertační práci provedena komplexní dynamická analýza a optimalizace dopravního procesu, jak s ohledem na správné naladění vibračního dopravníku a zachování jeho požadovaných dynamických parametrů, tak i s ohledem na mechanické vlastnosti transportovaných objektů. Na základě výsledků optimalizace dynamických parametrů byla navržena konstrukční opatření a některá z nich byla zrealizována do podoby funkčních vzorků, na kterých byly teoretické poznatky ověřeny měřením kinematických veličin.
Klíčová slova
Vibrační technika, vibrační dopravníky, vibrace, minimalizace vibrací.
Annotation
PEŠÍK, M., P Function and Performance Optimization of Vibration Conveyors.
Liberec: Department of Vehicles and Engines, School of Mechanical Engineering, Technical University of Liberec, Czech Republic, 2013. 121 pages, Dissertation, Supervisor: doc. Dr. Ing. Pavel NĚMEČEK.
The dissertation deals with power and performance optimization of vibration conveyors aligned to technical practice requirements. It proceeds from analyzing the given state of process in components and loose materials transport as is especially in bulk production manufacturing. From this breakdown, it is evident that vibration conveyors are reliant on continuity of transport which is ensured both, by correct function and by performance. Both requirements are linked to each other and are due to preservation of the dynamic state of vibration conveyors in a way to have resonant frequency which makes the carrying element having its biggest deviation amplitude. Furthermore, performance demands on power excitation of the vibration conveyor assemblies are at its lowest.
In order to achieve the set aim, the dissertation is approached with a complex dynamic analysis and following optimization of the conveyance process that focuses on correct tuning of the vibration conveyor while preserving the required dynamical parameters as well as respects the mechanical properties of conveyed objects. Based on the gained conclusions from the dynamical parameters optimization, design actions were proposed whereof some of them were realized in terms of functional prototypes that have served to verify theoretical findings by measurement of cinematic quantities.
Keywords
Vibration technique, vibration conveyors, vibration, minimization of vibration
Obsah
Seznam symbolů, zkratek a termínů ... XI Seznam obrázků ... XIX
1 Úvod ... 1
2 Cíl dizertační práce ... 3
3 Vibrační dopravníky a jejich základní systémy ... 4
3.1 Obecné konstrukční varianty ... 6
3.2 Vibrační dopravníky s přímočarým pohybem ... 9
3.3 Vibrační dopravníky se šroubovým pohybem ... 11
4 Mechanické modely vibračních dopravníků ... 14
4.1 Model vibračního dopravníku s přímočarým pohybem ... 14
4.2 Model vibračního dopravníku se šroubovým pohybem ... 18
4.3 Zobecněný model vibračního dopravníku... 23
5 Analýza a optimalizace dopravního procesu ... 28
5.1 Volba reprezentativního vibračního dopravníku ... 28
5.2 Identifikace dynamických parametrů vibračního dopravníku ... 29
5.2.1 Hmotové a setrvačné parametry ... 30
5.2.2 Pružící a tlumící vazby ... 30
5.2.2.1 Pružící a tlumící vazba mezi nosičem a setrvačnou hmotou ... 30
5.2.2.2 Pružící a tlumící vazba mezi setrvačnou hmotou a rámem ... 33
5.2.2.3 Upřesnění hodnot parametrů pružících vazeb ... 35
5.2.3 Kinematická vazba nosiče a setrvačné hmoty ... 38
5.2.4 Buzení ... 39
5.2.5 Dopravovaný objekt ... 41
5.3 Analýza dynamických parametrů ... 43
5.3.1 Časové průběhy a frekvenční charakteristiky kinematických veličin členů vibračního dopravníku ... 44
5.3.2 Hmotnost objektů ... 47
5.3.3 Pružící a tlumící vazby vibračního dopravníku ... 50
5.3.4 Kinematická vazba a geometrické parametry dopravního procesu ... 52
5.3.5 Silový účinek vibračního dopravníku na podloží ... 61
5.4 Optimalizace parametrů dopravního procesu ... 63
5.4.1 Geometrie vodícího mechanismu ... 63
5.4.2 Proměnný moment setrvačnosti ... 65
5.4.3 Dynamická stabilizace rámu ... 66
5.4.4 Minimalizace primárních dynamických sil pomocí absorbéru ... 72
6 Návrhy konstrukčních opatření ... 78
6.1 Dopravní rychlost ... 78
6.1.1 Geometrické parametry ... 78
6.1.2 Hmotové parametry ... 79
6.2 Minimalizace dynamických sil přenášených do podloží ... 81
6.2.1 Vibroizolační uložení ... 81
6.2.2 Absorbér kmitů ... 86
7 Závěr ... 90
7.1 Splnění cílů práce ... 92
7.2 Zhodnocení původních výsledků pro vědní obor a praxi ... 93
7.3 Doporučení pro pokračování práce v daném tématu ... 93
Seznam příloh ... 94
Seznam použité literatury ... 95
Seznam symbolů, zkratek a termínů
O objekt
N nosič
S setrvačná hmota
R rám
P podlaha
V vyrovnávací podpory PT pružící a tlumící vazba VM vodící mechanismus
B budič
3D (three dimensional) – trojrozměrný
̇ relativní rychlost nosiče vzhledem k setrvačné hmotě ve směru [m.s-1] ̈ relativní zrychlení nosiče vzhledem k setrvačné hmotě ve směru [m.s-2] ̇ rychlost těžiště nosiče virtuální soustavy [m.s-1]
̈ zrychlení těžiště nosiče virtuální soustavy [m.s-2]
̇ složka relativní rychlosti redukované hmoty absorbéru vzhledem k podlaze ve směru [m.s-1]
̈ složka relativního zrychlení redukované hmoty absorbéru vzhledem k podlaze ve směru [m.s-2]
̇ složka relativní rychlosti redukované hmoty absorbéru vzhledem k rámu ve směru [m.s-1]
̈ zrychlení nosiče ve směru [m.s-2]
̇ složka relativní rychlosti nosiče vzhledem k setrvačné hmotě ve směru [m.s-1] ̈ složka relativního zrychlení nosiče vzhledem k setrvačné hmotě
ve směru [m.s-2]
̇ složka relativní rychlosti redukované hmoty nosiče vzhledem k setrvačné hmotě ve směru [m.s-1]
̈ složka relativního zrychlení hmoty nosiče vzhledem k setrvačné hmotě ve směru [m.s-2]
̇ rychlost redukované hmoty nosiče ve směru [m.s-1] ̈ zrychlení redukované hmoty nosiče ve směru [m.s-2]
̇ složka relativní rychlosti redukované hmoty rámu vzhledem k podlaze ve směru [m.s-1]
̇ složka relativní rychlosti redukované setrvačné hmoty vzhledem k podlaze ve směru [m.s-1]
̈ složka relativního zrychlení redukované hmoty rámu vzhledem k podlaze ve směru [m.s-2]
̇ rychlost setrvačné hmoty ve směru [m.s-1] ̈ zrychlení setrvačné hmoty ve směru [m.s-2]
̇ složka relativní rychlosti redukované hmoty rámu vzhledem k podlaze ve směru [m.s-1]
̇ složka relativní rychlosti redukované setrvačné hmoty vzhledem k podlaze ve směru [m.s-1]
̈ složka relativního zrychlení redukované setrvačné hmoty vzhledem k podlaze ve směru [m.s-2]
̇ složka relativní rychlosti redukované setrvačné hmoty vzhledem k rámu ve směru [m.s-1]
̈ složka relativního zrychlení redukované setrvačné hmoty vzhledem k rámu ve směru [m.s-2]
̈ zrychlení redukované setrvačné hmoty ve směru [m. s-2] ̇ rychlost redukované setrvačné hmoty ve směru [m.s-1]
̇ složka relativní rychlosti redukované hmoty absorbéru vzhledem k podlaze ve směru [m.s-1]
̈ složka relativního zrychlení redukované hmoty absorbéru vzhledem k podlaze ve směru [m.s-2]
̈ zrychlení nosiče ve směru [m.s-2]
̇ složka relativní rychlosti nosiče vzhledem k setrvačné hmotě ve směru [m.s-1] ̈ složka relativního zrychlení nosiče vzhledem k setrvačné hmotě
ve směru [m.s-2]
̇ složka relativní rychlosti redukované hmoty nosiče vzhledem k setrvačné hmotě ve směru [m.s-1]
̈ složka relativního zrychlení redukované hmoty nosiče vzhledem k setrvačné hmotě ve směru [m.s-2]
̇ rychlost redukované hmoty nosiče ve směru [m.s-1] ̈ zrychlení redukované hmoty nosiče ve směru [m.s-2]
̇ složka relativní rychlosti redukované hmoty rámu vzhledem k podlaze ve směru [m.s-1]
̈ složka relativního zrychlení redukované hmoty rámu vzhledem k podlaze ve směru [m.s-2]
̇ rychlost setrvačné hmoty ve směru [m.s-1] ̈ zrychlení setrvačné hmoty ve směru [m.s-2]
̇ složka relativní rychlosti redukované setrvačné hmoty vzhledem k podlaze ve směru [m.s-1]
̈ složka relativního zrychlení redukované setrvačné hmoty vzhledem k podlaze ve směru [m.s-2]
̇ složka relativní rychlosti redukované setrvačné hmoty vzhledem k rámu ve směru [m.s-1]
̈ složka relativního zrychlení redukované setrvačné hmoty vzhledem k rámu ve směru [m.s-2]
̈ zrychlení redukované setrvačné hmoty ve směru [m.s-2]
̇ souřadnice rychlosti redukované setrvačné hmoty ve směru [m.s-1]
̇ relativní úhlová rychlost natočení nosiče vzhledem k setrvačné hmotě kolem osy [rad.s-1]
̈ relativní úhlové zrychlení nosiče vzhledem k setrvačné hmotě kolem osy [rad.s-2]
̈ úhlové zrychlení nosiče kolem osy [rad.s-2]
̇ úhlová rychlost natočení setrvačné hmoty kolem osy [rad.s-1] ̈ úhlové zrychlení setrvačné hmoty kolem osy [rad.s-2]
stoupání dopravní dráhy objektu vytvořené na nosiči [-]
̅ matice tlumení
budící síla připojená vertikálně mezi nosičem a setrvačnou hmotou[N]
kolmá zatěžující síla na jednu listovou pružinu [N]
[ ] silový buzení virtuální soustavy v kroku (i+1) [N]
silový buzení virtuální soustavy [N]
budící síla [N]
[ ] třecí síla mezi nosičem a dopravovaným objektem v kroku (i+1) [N]
výsledná vazební síla vodícího mechanismu [N]
odporová síla tlumící vazby mezi nosičem a setrvačnou hmotou ve směru [N]
složka odporové síly tlumící vazby mezi nosičem a setrvačnou hmotou ve směru [N]
složka odporové síly tlumící vazby mezi nosičem a setrvačnou hmotou ve směru [N]
odporová síla pružné vazby mezi nosičem a setrvačnou hmotou ve směru [N]
složka odporové síly pružné vazby mezi nosičem a setrvačnou hmotou ve směru [N]
složka odporové síly pružné vazby mezi nosičem a setrvačnou hmotou ve směru [N]
setrvačná síla první vrstvy dopravovaných součástí [N]
setrvačná síla druhé vrstvy dopravovaných součástí [N]
setrvačná síla třetí vrstvy dopravovaných součástí [N]
třecí síla mezi první a druhou vrstvou dopravovaných součástí [N]
třecí síla mezi druhou a třetí vrstvou dopravovaných součástí [N]
třecí síla mezi nosičem a první vrstvou dopravovaných součástí [N]
proud protékající cívkou elektromagnetu při konstantní vzdálenosti odděleného jádra [A]
moment setrvačnosti nosiče k ose [kg.m2]
moment setrvačnosti nosiče k ose [kg.m2]
moment setrvačnosti přepravovaných objektů k ose [kg.m2]
moment setrvačnosti setrvačné hmoty k ose [kg.m2]
moment setrvačnosti setrvačné hmoty k ose [kg.m2] ̅ matice tuhosti
poměr maximální hodnoty zrychlení vzhledem ke gravitačnímu zrychlení [-]
̅ matice hmotových a setrvačných účinků
odporový moment tlumicí vazby mezi nosičem a setrvačnou hmotou [N m]
vratný moment pružící vazby mezi nosičem a setrvačnou hmotou [N m]
̅ vektor zobecněné síly
celková vertikální zatěžující síla [N]
vertikální zatěžující síla na jednu listovou pružinu [N]
[ ] složka zrychlení těžiště na nosiči virtuální soustavy v i-tém kroku ve směru [m.s-2]
[ ] složka zrychlení těžiště na nosiči virtuální soustavy v i-tém kroku ve směru [m.s-2]
[ ] zrychlení těžiště na nosiči virtuální soustavy v kroku (i+1) [m.s-2]
[ ] složka zrychlení těžiště na nosiči virtuální soustavy v kroku (i+1) ve směru [m.s-2]
zrychlení těžiště na nosiči virtuální soustavy [m.s-2]
[ ] složka zrychlení dopravované součásti virtuální soustavy v i-tém kroku ve směru [m.s-2]
[ ] složka zrychlení dopravované součásti virtuální soustavy v i-tém kroku ve směru [m.s-2]
[ ] zrychlení dopravované součásti virtuální soustavy v kroku (i+1) [m.s-2]
[ ] složka zrychlení dopravované součásti virtuální soustavy v kroku (i+1) ve směru [m.s-2]
součinitel tlumení tlumících vazeb mezi absorbérem a rámem ve směru [N.s.m-1]
součinitel tlumení tlumících vazeb mezi absorbérem a rámem ve směru [N.s.m-1]
součinitel tlumení tlumících vazeb mezi nosičem a setrvačnou hmotou ve směru kolmém na směr ramene paralelogramu [N.s.m-1]
součinitel tlumení nosiče virtuální soustavy [N.s.m-1]
součinitel tlumení tlumících vazeb mezi rámem a podlahou ve směru [N.s.m-1]
součinitel tlumení tlumících vazeb mezi rámem a podlahou ve směru y [N.s.m-1]
součinitel tlumení tlumících vazeb mezi setrvačnou hmotou a rámem ve směru [N.s.m-1]
součinitel tlumení tlumících vazeb mezi setrvačnou hmotou a rámem ve směru [N.s.m-1]
součinitel tlumení tlumících vazeb mezi setrvačnou hmotou a rámem ve směru [N.s.m-1]
součinitel tlumení tlumících vazeb mezi setrvačnou hmotou a rámem ve směru y [N.s.m-1]
celkový torzní součinitel tlumení mezi setrvačnou hmotou a rámem [N.m.s.rad-1]
torzní součinitel tlumení mezi setrvačnou hmotou a rámem kolem osy [N.m.s.rad-1]
součinitel tření mezi přepravovaným objektem a přepravní plochou nosiče [-]
provozní frekvence budící síly [Hz]
gravitační zrychlení země [m.s-2]
tuhost pružících vazeb mezi absorbérem a rámem ve směru [N m-1]
tuhost pružících vazeb mezi absorbérem a rámem ve směru [N.m-1]
tuhost pružících vazeb mezi nosičem a setrvačnou hmotou ve směru kolmém na podélnou osu ramene paralelogramu [N.m-1]
tuhost listové pružiny v místě jejího úchytu a kolmo na její podélný směr [N.m-1]
tuhost nosiče virtuální soustavy [N.m-1]
tuhost pružících vazeb mezi rámem a podlahou ve směru [N.m-1]
tuhost pružících vazeb mezi rámem a podlahou ve směru [N.m-1]
tuhost pružících vazeb mezi setrvačnou hmotou a rámem ve směru [N.m-1]
tuhost pružících vazeb mezi setrvačnou hmotou a rámem ve směru [N.m-1]
celková torzní tuhost mezi setrvačnou hmotou a rámem [N.m rad-1]
torzní tuhost mezi setrvačnou hmotou a rámem kolem osy [N.m rad-1] délka ramene vodícího mechanismu [m]
hmotnost absorbéru [kg]
redukovaná hmotnost absorbéru [kg]
hmotnost nosiče [kg]
redukovaná hmota nosiče [kg]
hmotnost nosiče virtuální soustavy [kg]
celková hmotnost přepravovaného objektu [kg]
hmotnost přepravovaného objektu virtuální soustavy [kg]
hmotnost rámu [kg]
redukovaná hmotnost rámu [kg]
hmotnost setrvačné hmoty [kg]
redukovaná hmota setrvačné hmoty [kg]
hmotnost nevývažku [kg]
otáčky elektromotoru [min-1]
̅ vektor zobecněné souřadnice výchylky
velikosti průvodiče definujícího polohu dopravovaného objektu od osy rotace [m]
poloměr uchycení tlumících a pružících vazeb setrvačnou hmotou a rámem [m]
poloměr uchycení vodícího mechanismu mezi nosičem a setrvačnou hmotou [m]
excentricita, vzdálenost těžiště nevývažku od osy otáčení [m]
souřadnice výchylky těžiště nosiče [m]
relativní posuv nosiče vzhledem k setrvačné hmotě ve směru [m]
deformace listové pružiny v místě jejího úchytu a kolmo na její podélný směr [m]
[ ] souřadnice výchylky těžiště na nosiči virtuální soustavy v i-tém kroku [m]
[ ] složka výchylky těžiště nosiče virtuální soustavy v i-tém kroku ve směru [m]
[ ] složka výchylky těžiště nosiče virtuální soustavy v i-tém kroku ve směru [m]
[ ] souřadnice výchylky těžiště nosiče virtuální soustavy v kroku (i+1) [m]
souřadnice výchylky těžiště nosiče virtuální soustavy [m]
[ ] souřadnice výchylky dopravované součásti virtuální soustavy v i-tém kroku ve směru [m]
[ ] souřadnice výchylky dopravované součásti virtuální soustavy v i-tém kroku ve směru [m]
[ ] souřadnice výchylky dopravované součásti virtuální soustavy v kroku (i+1) [m]
[ ] souřadnice výchylky dopravované součásti virtuální soustavy v kroku (i+1) ve směru [m]
[ ] rychlost těžiště nosiče virtuální soustavy v i-tém kroku [m.s-1]
[ ] složka rychlosti těžiště nosiče virtuální soustavy v i-tém kroku ve směru [m.s-1]
[ ] složka rychlosti těžiště nosiče virtuální soustavy v i-tém kroku ve směru [m.s-1]
[ ] rychlost těžiště nosiče virtuální soustavy v kroku (i+1) [m.s-1]
rychlost těžiště nosiče virtuální soustavy [m.s-1]
[ ] složka rychlosti dopravované součásti virtuální soustavy v i-tém kroku ve směru [m.s-1]
[ ] složka rychlosti dopravované součásti virtuální soustavy v i-tém kroku ve směru [m.s-1]
[ ] rychlost dopravované součásti virtuální soustavy v kroku (i+1) [m.s-1]
[ ] složka rychlosti dopravované součásti virtuální soustavy v kroku (i+1) ve směru [m.s-1]
složka rychlosti dopravované součásti virtuální soustavy ve směru [m.s-1]
složka relativní výchylky redukované hmoty absorbéru vzhledem k podlaze ve směru [m]
souřadnice výchylky těžiště nosiče [m]
relativní posuv nosiče vzhledem k setrvačné hmotě ve směru [m]
složka relativní výchylky redukované hmoty nosiče vzhledem k setrvačné hmotě ve směru [m]
souřadnice výchylky redukované hmoty nosiče ve směru [m]
složka relativní výchylky redukované hmoty rámu vzhledem k podlaze ve směru [m]
složka relativní výchylky redukované hmoty rámu vzhledem k podlaze ve směru [m]
souřadnice těžiště setrvačné hmoty [m]
složka relativní výchylky redukované setrvačné hmoty vzhledem k podlaze ve směru [m]
složka relativní výchylky redukované setrvačné hmoty vzhledem k podlaze ve směru [m]
složka relativní výchylky redukované setrvačné hmoty vzhledem k rámu ve směru [m]
souřadnice výchylky redukované setrvačné hmoty ve směru [m]
složka relativní výchylky redukované hmoty absorbéru vzhledem k podlaze ve směru [m]
souřadnice výchylky těžiště nosiče [m]
relativní posuv nosiče vzhledem k setrvačné hmotě ve směru [m]
složka relativní výchylky redukované hmoty nosiče vzhledem k setrvačné hmotě ve směru [m]
souřadnice výchylky redukované hmoty nosiče ve směru [m]
deformace listové pružiny ve směru [m]
složka relativní výchylky redukované hmoty rámu vzhledem k podlaze ve směru [m]
souřadnice těžiště setrvačné hmoty [m]
složka relativní výchylky redukované setrvačné hmoty vzhledem k podlaze ve směru [m]
složka relativní výchylky redukované setrvačné hmoty vzhledem k rámu ve směru [m]
souřadnice výchylky redukované setrvačné hmoty ve směru [m]
časový krok [s]
vlastní frekvence [rad.s-1]
úhel stoupání dopravní dráhy objektu vytvořené na nosiči [rad]
naklonění vodícího mechanismu mezi nosičem a setrvačnou hmotou [rad]
elevační úhel [rad]
relativní natočení nosiče vzhledem k setrvačné hmotě kolem osy [rad]
natočení nosiče kolem osy [rad]
natočení nosiče členu kolem osy [rad]
natočení setrvačné hmoty kolem osy [rad]
natočení setrvačné hmoty kolem osy [rad]
Seznam obrázků
Obr. 1 Vibrační dopravníky jako součásti montážních linek……… 2
Obr. 2 Vibrační dopravníky……….. 4
Obr. 3 Podstata transportu objektu vibračním dopravníkem:……… 5
Obr. 4 Schematické znázornění konstrukčních variant vibračních dopravníků………… 8
Obr. 5 Vibrační dopravník s přímočarým pohybem……….. 9
Obr. 6 Příložný budič kmitů na vibračním dopravníku s přímočarým pohybem……… 10
Obr. 7 Buzení kmitů pomocí klikového mechanismu s elektromotorem……… 11
Obr. 8 Vibrační dopravníky se šroubovým pohybem………. 12
Obr. 9 Vibrační dopravník s budičem kmitů umístěným ve vertikální ose………. 12
Obr. 10 Vibrační dopravník s obvodově umístěnými budiči kmitů……….. 13
Obr. 11 Frekvenční měnič pro vibrační dopravník firmy Skipala………. 13
Obr. 12 Vibrační dopravník s přímočarým pohybem……… 14
Obr. 13 Mechanický model vibračního dopravníku s přímočarým pohybem…………... 15
Obr. 14 Vibrační dopravník se šroubovým pohybem………... 19
Obr. 15 Mechanický model vibračního dopravníku se šroubovým pohybem………….. 20
Obr. 16 Mechanický model vibračního dopravníku se šroubovým pohybem v tečné rovině……… 23
Obr. 17 Reprezentativní vibrační dopravník………. 29
Obr. 18 Dvoukanálový frekvenční analyzátor Brüel&Kjaer……….… 31
Obr. 19 Stanovení tuhosti pružící vazby nosiče a setrvačné hmoty statickým měřením.. 31
Obr. 20 Naměřený časový průběh zrychlení nosiče při volných kmitech jednohmotové soustavy……… 33
Obr. 21 Vypočtený časový průběh zrychlení nosiče při volných kmitech jednohmotové soustavy……… 33
Obr. 22 Naměřený časový průběh zrychlení setrvačné hmoty při volných kmitech jednohmotové soustavy ve směru x ……….… 34
Obr. 23 Vypočtený časový průběh zrychlení setrvačné hmoty při volných kmitech jednohmotové soustavy ve směru x ………. 34
Obr. 24 Naměřený časový průběh zrychlení setrvačné hmoty při volných kmitech jednohmotové soustavy ve směru y ……….… 35
Obr. 25 Vypočtený časový průběh zrychlení setrvačné hmoty při volných kmitech jednohmotové soustavy ve směru y……….……. 35
Obr. 26 Frekvenční spektrum zrychlení ve směru s při volných kmitech vybuzených na nosiči……….... 36
Obr. 27 Frekvenční spektrum zrychlení ve směru x při volných kmitech vybuzených na setrvačné hmotě………... 36 Obr. 28 Frekvenční spektrum zrychlení ve směru y při volných kmitech vybuzených
na setrvačné hmotě………... 36 Obr. 29 Naměřený časový průběh zrychlení ve směru s nosiče při volných kmitech
dvouhmotové soustavy………. 37 Obr. 30 Vypočtený časový průběh zrychlení ve směru s nosiče při volných kmitech
dvouhmotové soustavy………. 37 Obr. 31 Závislost elevačního úhlu na poloze objektu………... 38 Obr. 32 Naměřený průběh elektrického proudu protékajícího cívkou budiče………….. 39 Obr. 33 Naměřený časový průběh síly elektromagnetického budiče……… 40 Obr. 34 Naměřený časový průběh zrychlení ve směru s nosiče
při vynucených kmitech………... 40 Obr. 35 Vypočtený časový průběh zrychlení ve směru s nosiče při kmitech vynucených
budící silou………... 41 Obr. 36 Simulovaný časový průběh absolutní hodnoty budící síly………... 41 Obr. 37 Zjednodušený mechanický model přepravovaného objektu s povahou sypkého
materiálu………... 42 Obr. 38 Grafické znázornění podmínky pro přepravu objektu vibračním dopravníkem.. 43 Obr. 39 Zjednodušený časový průběh budící síly………. 44 Obr. 40 Časové průběhy výchylek členů vibračního dopravníku………. 45 Obr. 41 Frekvenční charakteristiky výchylek členů vibračního dopravníku……… 45 Obr. 42 Časové průběhy zrychlení ve směru s nosiče a budící síly při minimální
velikosti hmotnosti náplně transportovaných objektů ………... 46 Obr. 43 Časové průběhy zrychlení ve směru s nosiče a budící síly při optimální
velikosti hmotnosti náplně transportovaných objektů……….. 46 Obr. 44 Časové průběhy zrychlení ve směru s nosiče a budící síly při maximální
velikosti hmotnosti náplně transportovaných objektů ………. 46 Obr. 45 Naměřené časové průběhy zrychlení členů vibračního dopravníku………. 47 Obr. 46 Naměřená frekvenční spektra v závislosti na hmotnosti přepravovaných
objektů………..………… 48 Obr. 47 Vypočtená frekvenční spektra v závislosti na hmotnosti přepravovaných
objektů……….. 48 Obr. 48 Vliv hmotnosti objektů na amplitudu kmitavého pohybu nosiče………. 49 Obr. 49 Časové průběhy výchylek členů vibračního dopravníku při optimální
náplni přepravovaných objektů………... 50 Obr. 50 Frekvenční průběhy výchylek členů vibračního dopravníku při optimální náplni
přepravovaných objektů………... 50
Obr. 51 Vliv tuhostí pružící vazby mezi setrvačnou hmotou a rámem na amplitudu výchylky kmitavého pohybu nosiče………. 51 Obr. 52 Vliv součinitelů tlumení tlumící vazby mezi setrvačnou hmotou a rámem……. 52 Obr. 53 Souřadnice pohybu nosiče a dopravovaného objektu……….. 56 Obr. 54 Časový průběh zrychlení nosiče a přepravovaného objektu ve směru n………. 58 Obr. 55 Časový průběh rychlosti nosiče a přepravovaného objektu ve směru n ………. 59 Obr. 56 Časový průběh výchylky nosiče a přepravovaného objektu ve směru n ………. 59 Obr. 57 Časový průběh zrychlení nosiče a přepravovaného objektu ve směru w ……… 59 Obr. 58 Časový průběh rychlosti nosiče a přepravovaného objektu ve směru w...…….. .60 Obr. 59 Časový průběh výchylky nosiče a přepravovaného objektu ve směru w ……… 60 Obr. 60 Časový průběh rychlosti nosiče a přepravovaného objektu ve směru w
při nižším součiniteli tření ………..………. 61 Obr. 61 Časový průběh rychlosti nosiče a přepravovaného objektu ve směru w
při větší hodnotě elevačního úhlu………. 61 Obr. 62 Časové průběhy dynamických sil přenášených do rámu a podlahy………. 62 Obr. 63 Maximální hodnoty rychlosti objektu v závislosti na elevačním úhlu
a úhlu stoupání dopravní plochy nosiče………... 64 Obr. 64 Ověření naladění vibračního dopravníku pomocí na obvodě umístěných těles... 66 Obr. 65 Odpružení vibračního dopravníku……… 67 Obr. 66 Časové průběhy dynamických sil přenášených do podlahy………. 68 Obr. 67 Časové průběhy výchylek členů pružně uloženého vibračního dopravníku…… 68 Obr. 68 Frekvenční průběhy výchylek členů pružně uloženého vibračního dopravníku.. 69 Obr. 69 Časové průběhy výchylek členů pružně uloženého vibračního dopravníku
při dvojnásobné hmotnosti rámu……….. 69 Obr. 70 Časové průběhy dynamických sil pružně symetricky uloženého vibračního
dopravníku při dvojnásobné hmotnosti rámu………... 70 Obr. 71 Odpružení vibračního dopravníku s nesymetrickým rozložením pružin………. 70 Obr. 72 Časové průběhy dynamických sil přenášených do podlahy pružně nesouměrně
uloženého vibračního dopravníku……… 71 Obr. 73 Časové průběhy výchylek členů pružně nesouměrně uloženého vibračního
dopravníku……… 71 Obr. 74 Časové průběhy výchylek členů pružně nesouměrně uloženého vibračního
dopravníku při dvojnásobné hmotnosti rámu………... 72 Obr. 75 Časové průběhy dynamických sil pružně nesouměrně uloženého vibračního
dopravníku při dvojnásobné hmotnosti rámu………... 72 Obr. 75 Mechanický model vibračního dopravníku s absorbérem……… 73
Obr. 77 Časové průběhy dynamických sil přenášených do rámu a podlahy………. 75 Obr. 78 Časové průběhy výchylek členů vibračního dopravníku………. 75 Obr. 79 Časové průběhy výchylky a kmitavého pohybu rámu
při použití absorbéru kmitů……….. 76 Obr. 80 Časové průběhy výchylek členů vibračního dopravníku………. 76 Obr. 81 Časové průběhy dynamických sil přenášených do rámu a podlahy………. 77 Obr. 82 Diagram navigace pro určení optimálního elevačního úhlu
podle součinitele tření mezi objektem a dopravní plochou nosiče
a podle úhlu stoupání……… 79 Obr. 83 Pneumatický systém pro regulaci stálého momentu setrvačnosti……… 80 Obr. 84 Vibroizolační uložení s centrálně rozloženými pryžovými pružinami………… 81 Obr. 85 Funkční vzorek vibroizolačního uložení s pryžovými pružinami……… 82 Obr. 86 Naměřené časové průběhy výchylky nosiče pružně symetricky uloženého
vibračního dopravníku ve směru s ……….. 82 Obr. 87 Naměřené časové průběhy výchylky rámu pružně symetricky uloženého
vibračního dopravníku ve směru y ……….. 83 Obr. 89 Funkční vzorek vibroizolačního uložení s kombinací pneumatické
a pryžových pružin………... 84 Obr. 90 Naměřené časové průběhy výchylky nosiče pružně nesymetricky uloženého
vibračního dopravníku ve směru s………... 85 Obr. 91 Naměřené časové průběhy výchylky rámu pružně nesymetricky uloženého
vibračního dopravníku ve směru y………... 85 Obr. 92 Návrh konstrukce funkčního vzorku vibračního dopravníku s absorbérem…… 87 Obr. 93 Funkční vzorek vibračního dopravníku s absorbérem………. 88 Obr. 94 Naměřené časové průběhy výchylky nosiče pružně uloženého vibračního
dopravníku s absorbérem ve směru s…..………. 89 Obr. 95 Naměřené časové průběhy výchylky rámu pružně uloženého vibračního
dopravníku s absorbérem ve směru y ………..…… 89
Seznam tabulek
Tab. 1 Druhy budičů poháněných asynchronním motorem………..6 Tab. 2 Konstrukční varianty vibračních dopravníků………7
1 Úvod
Vibrační technika již mnoho let tvoří součást výrobních provozů. Její největší rozvoj byl dosažen v okamžiku, kdy se začala využívat k dopravě materiálů, jejich třídění a k dalším speciálním operacím, ke kterým patří například mísení nebo zhutňování. Již desítky let mají vibrační zařízení mnoho způsobů využití především v těžebním a stavebním průmyslu, což jsou odvětví, kde nejsou příliš vysoké nároky na existenci nežádoucích vibrací.
Teprve až další vědecké práce a následný odborný výzkum těchto zařízení umožnily využití vibrační techniky i v jiných odvětvích technické praxe, kde jsou s ohledem na pracovní obsluhu předepsány přísné hygienické podmínky. Odborníci se zabývají nejen správnou funkcí a dostatečným dopravním výkonem, ale i snižováním přenosu vibrací do okolí a omezením takto vznikajícího hluku. Ačkoliv tento výzkum probíhá již řadu let, stále setrvávají těžkosti při konstrukčním návrhu a stanovení optimálních dynamických parametrů vibračních dopravníků s ohledem na mechanický charakter transportovaných objektů. Provozní problémy se týkají také funkční spolehlivosti, výkonové stálosti a rovněž nepříznivých účinků vibrací a hluku na pracovní prostředí.
Tyto důležité požadavky na vibrační dopravníky provozované v rezonančních oblastech se v praxi zajišťují jen v nízké míře, takže dochází k funkčním a výkonovým změnám během dopravního procesu. Je to způsobeno změnou počtu a tedy i hmotnosti přepravovaných součástí, příp. materiálu. Tato skutečnost přináší zejména ve velkosériové výrobě značné problémy, neboť výrobní linky jsou konstruovány na rovnoměrný a trvalý přísun součástí nebo materiálu, a tak je třeba pro zajištění plynulého dopravního výkonu často provádět zásahy do regulace elektrických pohonů, což vede obvykle k většímu odběru elektrického energie.
Vzájemná vazba dynamických parametrů ovlivňujících vlastní frekvence a příslušné tvarům kmitů jsou pro vibrační dopravu rozhodující.
Požadovanou funkci a optimální výkon vibračního dopravníku lze zajistit změnou dynamických parametrů, tak aby dynamická soustava zůstávala v rezonanční oblasti i při změnách počtu dopravovaných součástí nebo hmotnosti dopravovaného materiálu. Tuto úlohu lze řešit v zásadě změnou hmotnostních a setrvačných parametrů pohybujících se hmot nebo změnou tuhosti pružných vazeb. Z hlediska praktického využití lze upřednostnit opatření směřující k regulaci setrvačných účinků. Těmto konstrukčním zásahům ve stavbě vibračních dopravníků je věnována zvláštní pozornost.
K optimálnímu provozu vibračních dopravníků patří rovněž nízká emise vibrací do podloží a okolí. Pro minimalizaci dynamických účinků lze použít metod primárních dynamických sil spočívajících ve vyvážení mechanismů včetně dopravovaných hmot nebo metod dynamického potlačení vibrací rámu dopravníku, případně jeho vibroizolaci od okolí. Řada z těchto opatření je v dizertační práci řešena až do podoby konstrukčního návrhu.
V dnešní době se využívá vibrační technika ve všech odvětvích průmyslové praxe.
Stává se neodmyslitelnou součástí výrobních a montážních linek jako prostředek pro dopravu součástí do místa zpracování nebo montáže. Vibrační dopravníky lze najít v automobilovém, elektrotechnickém, chemickém, spotřebním i potravinářském průmyslu.
Bez těchto strojních zařízení si dnes nelze představit ani těžební, hutní, zpracovatelské a další provozy strojírenské prvovýroby.
Vibrační dopravníky jsou nasazovány často ve velkých skupinách a jsou součástí automatizovaných výrobních a montážních procesů (Obr. 1)
Zdroj: vlastní foto (firma ABB s.r.o. Elektro-Praga, Jablonec nad Nisou)
Obr. 1 Vibrační dopravníky jako součásti montážních linek
Rozsáhlé uplatnění vibračních dopravníků v průmyslových provozech vede ke snaze o zdokonalení jejich funkce a odstranění problémů, které je provázejí. Velké úsilí je věnováno optimálnímu nastavení geometrických parametrů, které závisejí na mnoha faktorech, jako jsou například mechanické vlastnosti dopravovaných objektů, jejich velikost, tření vůči dopravní ploše, frekvence kmitání nosného členu apod.
Existuje trvalá snaha výrobců zvyšovat dopravní výkon a snižovat energetickou náročnost celého dopravního procesu tím, že vibrační dopravníky jsou provozovány v rezonanční oblasti. Tento požadavek však klade vysoké nároky na správné a hlavně trvalé naladění celé dynamické soustavy dopravníku. Hlavním problémem pro úspěšné řešení je změna celkové hmotnosti náplně přepravovaných objektů během dopravního procesu, což výrazně ovlivňuje stabilitu provozní rezonanční oblasti. Tím dochází ke kolísání dopravního výkonu a nespolehlivé funkci dopravníku.
V praxi jsou často situovány do jedné budovy administrativní a výrobně-montážní provozy s vibračními dopravníky, které jsou provozovány v počtu mnoha desítek a v různých konstrukčních variantách. Problémy tak vznikají nejen v oblasti funkce a stálosti výkonu dopravníků, ale i ve snižování kvality pracovního prostředí obsluhujícího personálu v důsledku přenosu nežádoucích dynamických sil do podlahy a nosné konstrukce budovy.
Téma dizertační práce vzniklo na základě naléhavých trvalých potřeb řešit tyto problémy nejen v zaměstnání autora, firmě ABB Elektro-Praga Jablonec nad Nisou, ale i z důvodu aktuálních potřeb technické praxe.
2 Cíl dizertační práce
Hlavním cílem dizertační práce je stanovení základních návrhových metod a vybraných konstrukčních opatření pro stavbu vibračních dopravníků tak, aby jejich aplikace vedla k dosažení funkční spolehlivosti, dostatečnému a stálému výkonu při dopravě objektů a zároveň byl minimalizován přenos dynamických sil do podlahy.
Zvolené metody zpracování uvedené problematiky jsou založeny na identifikaci dynamických parametrů stávajícího reprezentativního vibračního dopravníku, na dynamické analýze a optimalizaci jeho dynamických parametrů, na konstrukčním návrhu a výrobě funkčních vzorků vybraných opatření a vyhodnocení jejich přínosu pro praxi.
Dizertační práce je rozdělena do pěti částí.
První se zabývá systémy vibračních dopravníků a jejich parametry. Uvádí jejich provozní podmínky a člení je na systémy s přímočarým a šroubovým pohybem. Dále jsou definovány základní dynamické parametry, které bezprostředně ovlivňují funkci a dopravní výkon vibračních dopravníků. Jejich identifikace je provedena u vybraného reprezentativního dopravníku na základě měření kinematických veličin.
Ve druhé části jsou analyzovány dynamické parametry z hlediska jejich vlivu na funkční a výkonové parametry dopravníků a přenos dynamických sil do podlahy.
S ohledem na výrazné nelinearity výpočtových modelů pro řešení dynamických poměrů vibračního dopravního jsou již od nejjednodušších případů uplatňovány numerické metody.
Optimalizace je založena na vyhodnocení závislostí kinematických veličin rozhodujících o splnění vytčených úkolů na dynamických parametrech dopravníku.
Zásadní význam zde má rychlost dopravovaného objektu v požadovaném směru. Kromě toho jsou sledovány veličiny, které mají nepochybný vliv například na velikost nežádoucích vibrací přenášených do okolí dopravníku.
Další část dizertační práce je věnována návrhům konstrukčních opatření pro funkční a výkonovou optimalizaci provozu vibračních dopravníků. Jsou definovány postupy pro stanovení geometrických parametrů vodícího mechanismu nosného členu objektů podle součinitele tření mezi objektem a dopravní plochou. Hlavní pozornost je zaměřena na odstranění závislosti naladění systému na změně celkové hmotnosti dopravovaných objektů. Dosažení tohoto cíle významně zvyšuje funkční spolehlivost a zvyšuje dopravní výkon zařízení. Kromě toho se tato část dizertační práce zabývá systémy omezující přenos nežádoucích vibrací do okolí. Je zde řešena problematika pružného uložení dopravníků, uplatnění absorbérů kmitů. V této části dizertační práce jsou provedena konstrukční řešení v podobě funkčních vzorků vybraných návrhů z předchozí kapitoly a jejich implementace do stávajícího vibračního dopravníku. Závěr kapitoly je věnován měření kinematických veličin optimalizovaného vibračního dopravníku a vyhodnocení účinnosti vybraných konstrukčních opatření pro funkční a výkonovou optimalizaci.
3 Vibrační dopravníky a jejich základní systémy
V dnešní době existuje mnoho výrobců vibračních dopravníků, kteří nabízejí široké pole jejich použití, zejména v automobilovém průmyslu k dopravě součástí nebo v těžkém průmyslu k dopravě a třídění sypkých materiálů. Její hlavní výhodou je konstrukční nenáročnost a celkově nízké požadavky na údržbu. Tato definice se však spíše týká vibračních dopravníků používaných právě v těžkém průmyslu. Pokud jsou vibrační dopravníky používány v budovách a montážních halách, objevují se po čase její hlavní nedostatky spojené s vibracemi a hlukem.
V dizertační práci se předpokládá pod pojmem vibrační dopravník pouze takové zařízení, které umožňuje transportovat objekt v horizontálním směru nebo navíc i ve vertikálním směru vzhůru. Ostatní zařízení jsou zde považovány za skluzy, třídiče, zhutňovače, mísiče apod. a jejich problematika zde řešena není, i když některé výpočtové postupy, mechanické modely dynamických soustav, simulace provozních podmínek atd. by bylo možno zřejmě s výhodou využít. I přes tuto separaci od strojů využívajících vibrační techniku se jedná u vibračních dopravníků o velmi širokou škálu zařízení, která se vyznačují různými mechanickými systémy a konstrukčními konfiguracemi (Obr. 2).
Zdroj: www [44], [46], [47], [48], [49], [51]
Obr. 2 Vibrační dopravníky
Podle charakteru konstrukce a druhu hlavního kmitavého pohybu nosiče objektů se rozdělují vibrační dopravníky na přímočaré a šroubové (někdy také kruhové).
Vibrační dopravníky se od ostatních transportních prostředků zásadně odlišují.
Konvenční zařízení se pro účely přepravy obvykle vyznačují plynulým pohybem přepravovaného objektu spolu s nosným členem (nosičem), zatímco vibrační dopravníky uvádějí transportované objekty (součásti nebo sypký materiál) do periodického pohybu, jehož hlavní složka se uskutečňuje bez kontaktu s nosičem.
Trajektorii kmitů nosiče lze zjistit snadno při pohledu na určitý bod dopravní plochy během provozu. Může mít ve vertikální rovině souměrnosti podobu úsečky definované vodícím mechanismem nebo kružnice či elipsy, kdy pohyb určuje excentr nebo vodící mechanismus.
Při provozu vibračního dopravníku se z hlediska mechaniky jedná vždy o opakovaný šikmý vrh objektu za účelem jeho přemístění (Obr. 3).
Zdroj: vlastní obrázek
Obr. 3 Podstata transportu objektu vibračním dopravníkem:
N -nosič, O -objekt
Velikost amplitudy a frekvence pohybu nosiče, jsou zřejmě určujícími parametry pro správnou funkci a dostatečný výkon dopravníku. Kromě těchto veličin je třeba definovat úhel směrového vektoru kmitavého pohybu nosiče vzhledem k hlavnímu směru transportu objektů, případně k horizontální rovině. Tento úhel se nazývá elevační.
Dalšími důležitými faktory, které ovlivňují funkci a výkon vibračních dopravníků jsou mechanické vlastnosti dopravovaných objektů, jako například jejich povrch a tvar, dále pak také povrchová úprava dopravní plochy nosiče. Lze si snadno představit, že zásadní roli hraje i fyzikální tření mezi přepravovaným objektem a dopravní plochou.
Pro vibrační dopravníky je frekvence provozních kmitů velmi důležitá.
U šroubových dopravníků se nejčastěji pro buzení používají elektromagnety, takže frekvence je dána frekvencí střídavého proudu ze sítě elektrického napětí, tedy 50 Hz nebo 100 Hz podle různých zapojení elektronických obvodů.
N
O O
U přímočarých dopravníků, které se pohánějí příložnými vibrátory, budiči s asynchronním motorem, se běžně používají následující frekvence (Tab. 1).
Tab. 1 Druhy budičů poháněných asynchronním motorem
Frekvence [Hz] Otáčky [min-1] Provedení elektromotoru
12 750 osmipólový
16 1000 šestipólový
24 1500 čtyřpólový
50 3000 dvoupólový
Zdroj: vlastní tabulka
Elevační úhel, který určuje směr vrhu, se stanovuje vždy pro danou aplikaci z důvodu značného vlivu tvaru a materiálu dopravovaných součástí i materiálu a povrchu dopravní plochy. V praxi se dnes volí elevační úhel v rozsahu 15° až 35°. Tato oblast vychází z praktických pokusů, přičemž platí, že čím vyšší je hodnota úhlu, tím nižší by měla být frekvence buzení.
3.1 Obecné konstrukční varianty
Ve stavbě základních systémů vibračních dopravníků (Obr. 2) lze definovat obvykle tyto členy:
nosič,
setrvačná hmota,
rám,
vyrovnávací podpory,
podlaha,
pružná vazba nosiče k rámu,
vodící mechanismus mezi nosičem a rámem,
pružná vazba nosiče k setrvačné hmotě,
vodící mechanismus mezi nosičem a setrvačnou hmotou,
budič kmitů připojený k nosiči,
budič kmitů k setrvačné hmotě,
budič kmitů mezi nosičem a setrvačnou hmotou.
Vibrační dopravníky jsou v technické praxi provozovány ve velkém množství konstrukčních variant a kombinací, nejčastěji používané uvádí (Tab. 2).
Tab. 2 Konstrukční varianty vibračních dopravníků
Konstrukční varianta A B C D E
Nosič N █ █ █ █ █
Setrvačná hmota S █ █ █
Rám R █ █ █ █ █
Vyrovnávací podpory V █ █ █ █ █
Podlaha P █ █ █ █ █
Pružící a tlumící vazba PT mezi nosičem N a rámem R █ █ █ █ █ Vodící mechanismus VM mezi nosičem Na rámem R █
Pružící a tlumící vazba PT mezi nosičem Na setrvačnou hmotou S █ █ █ Vodící mechanismus VM mezi nosičem N a setrvačnou hmotou S █ █ █
Budič kmitů B připojený k nosiči N █ █ █
Budič B kmitů připojený k setrvačné hmotě S █
Budič kmitů B mezi nosičem N a setrvačnou hmotou S █
Pozn.: █ - uvedený objekt je součástí konstrukční varianty vibračního dopravníku Zdroj: vlastní tabulka
Pro jednotlivé konstrukční varianty A až E lze v technické praxi snadno najít reálné výrobky.
Nosič vibračních dopravníků má podobu trubky, žlabu, případně válcového nebo kuželového bubnu. Vodícím mechanismem nosiče vůči rámu nebo setrvačné hmotě je z důvodu jednoduché a spolehlivé konstrukce nejčastěji paralelogram.
Pružná vazba nosiče k rámu nebo setrvačné hmotě se provádí listovými pružinami nebo šroubovitě vinutými. Setrvačná hmota pružně vázána na jedné straně k nosiči a na straně druhé k rámu se s výhodou uplatňuje při minimalizaci přenosu nežádoucích vibrací na rám a do okolí. Kromě toho vede její zařazení do konstrukce dopravníku i ke stabilizaci jeho naladění.
Rám vibračního dopravníku je tvořen svařovanou nebo odlévanou konstrukcí a je obvykle podepřen vyrovnávacími podporami v podobě pryžových pružin s relativně velkou tuhostí, v některých případech je připojen k podlaze tuhou vazbou, například pomocí šroubových kotev.
Silové buzení se realizuje příložnými budiči kmitů nebo elektromagnetickými budiči kmitů. Příložné budiče kmitů jsou ve své podstatě nevyváženými rotory a mohou být připojeny k nosiči nebo k setrvačné hmotě. Elektromagnetické budiče kmitů sestávající z cívky a děleného jádra jsou jeho jednou částí připevněny k setrvačné hmotě a druhou částí k nosiči.
Jednotlivé konstrukční varianty lze schematicky znázornit, jak ukazuje (Obr. 4).
A B
C D E
Zdroj: vlastní obrázek
Obr. 4 Schematické znázornění konstrukčních variant (A, B, C, D, E) vibračních dopravníků: N - nosič, S - setrvačná hmota, R - rám, V - vyrovnávací podpory, P - podlaha, PT - pružící a tlumící vazba, VM - vodící mechanismus, B - budič kmitů
N N
N N
N
B B
B
B
B
R R
R R R
V V V V
V V V V V V
S
S S
PT
PT
PT VM
PT VM
PT VM
VM P
P
P P P
PT PT PT
N N
N N
N
B B
B
B
B
R R
R R R
V V V V
V V V V V V
S
S S
PT
PT
PT VM
PT VM
PT VM
VM P
P
P P P
PT PT PT
Zásadní rozdělení vibračních dopravníků spočívá v charakteru hlavního dopravního pohybu transportovaných objektů, který může být přímočarý nebo šroubový. Z tohoto hlediska lze vibrační dopravníky rozdělit na přímočaré a šroubové. V obou případech mohou být konstrukční varianty obdobné a lze konstatovat, že v technické praxi se u přímočarých dopravníků vyskytuje nejčastěji varianta D a u šroubových dopravníků varianta E. Těmto dvěma konfiguracím je následně věnována zvláštní pozornost.
3.2 Vibrační dopravníky s přímočarým pohybem
Vibrační dopravníky s přímočarým pohybem (Obr. 5) slouží k dopravě drobných předmětů nebo sypkého materiálu v řadě průmyslových odvětví. Objevují se všech výše uvedených provedení A až E (Obr. 4).
Zdroj: www [52]
Obr. 5 Vibrační dopravník s přímočarým pohybem
Dopravní nosič, příp. plocha, je tvořena buď žlabem, který vyhovuje požadavkům na dopravu, popřípadě jej lze doplnit o síto pro třídění nebo trubkou, kde je materiál přepravován v uzavřeném prostoru, čímž se i zároveň výrazně snižuje prašnost. Pokud je na dopravní plochu umístěn rošt, lze vibrační dopravníky využít i pro omílání součástí za účelem zlepšení kvality povrchu.
Dopravní plocha musí být vyrobena z otěru odolného materiálu a musí být zohledněn i koeficient tření mezi touto plochou a dopravovaným materiálem. Pokud je dopravní plocha kvalitní a vhodně zvolená nemusí se prakticky v průběhu životnosti vůbec udržovat a může tedy vydržet až desítky let.
Nosič je připojen k rámu nebo setrvačné hmotě vodícím mechanismem, který definuje kinematiku dopravníků. Pružící a tlumící vazba nosiče k rámu nebo setrvačné hmotě se realizuje pomocí ocelových pružin válcových šroubovitě vinutých nebo listových. Pokud jsou použity listové pružiny, lze v konstrukci dopravníku upustit od vodícího mechanismu, neboť tato pružící a tlumící vazba vykazuje poddajnost téměř
výhradně ve směru kolmém k podélnému směru listové pružiny a tím jednoznačně definuje polohu nosiče vůči rámu nebo setrvačné hmotě.
Pružící a tlumící vazba setrvačné hmoty k rámu se provádí obvykle ocelovými válcovými šroubovitě vinutými pružinami. Rám vibračního dopravníku je podepřen vyrovnávacími podporami nebo připevněn například šroubovými kotvami k podlaze.
Zdroj: www [45], [47]
Obr. 6 Příložný budič kmitů na vibračním dopravníku s přímočarým pohybem
Příložné budiče kmitů (Obr. 6) se u dopravníků s přímočarým pohybem připojují k nosiči nebo k setrvačné hmotě. Velmi často bývají zdvojovány tak, aby jejich silové působení vykazovalo harmonickou sílu v jednom směru. Velikost amplitudy budící síly je závislá na excentricitě, úhlové rychlosti a hmotnosti rotující hmoty. Úhlová rychlost, kterou lze při použití vhodných regulátorů podle potřeby plynule měnit, určuje budící frekvenci a amplitudu budící síly a tím velikost výchylky a frekvenci kmitavého pohybu nosiče. Tato amplituda závisí také na vztahu budící a vlastní frekvence dynamické soustavy vibračního dopravníku. Většina dopravníků se provozuje v oblasti vlastní frekvence, kdy je energetická spotřeba zařízení minimální.
Pokud jsou budiče kmitů připojené k nosiči zdvojeny tak, aby výsledná budící síla ležela ve svislé rovině souměrnosti vibračního dopravníku, lze jejím vhodným směrem zajistit i hlavní směr kmitavého pohybu nosiče, aniž by byl vůči rámu nebo setrvačné hmotě vázán vodícím mechanismem (Obr. 4, varianta A).
Pružící vazba a rozložení hmot nosiče spolu s přepravovanými objekty však musí při tomto řešení minimalizovat natáčení kolem příčné osy nosiče. S ohledem na ustálená konstrukční řešení, kdy relativně dlouhý nosič vykazuje velký moment setrvačnosti k této ose, je uvedená podmínka přibližně splněna. Zároveň se vyžaduje, aby nositelka výsledné budící síly procházela v dostatečné blízkosti těžiště nosiče a středu pružnosti jeho vazby k rámu. Přesto lze očekávat, že jednotlivé body nosiče se budou pohybovat po elipsách, což bude mít vliv na funkci dopravníku. Tyto zjednodušené systémy se využívají zejména pro sypké materiály, kdy během dopravního procesu může docházet i k jejich požadovanému mísení.
Pro stabilizaci pohybu nosiče, který je spojen se setrvačnou hmotou (Obr. 4, varianty B až E) se vyžaduje, aby setrvačná hmota vykazovala malé úhlové výchylky
kolem osy kolmé k vertikální rovině souměrnosti vibračního dopravníku. Tento požadavek lze zajistit dostatečně velkým momentem setrvačnosti setrvačné hmoty k uvedené ose a současně i dostatečnou tuhostí a výrazným tlumením vazby setrvačné hmoty k rámu.
Zároveň je třeba respektovat rezonanční oblasti dynamické soustavy vibračního dopravníku. Zejména při buzení vibračních dopravníků s přímočarým pohybem příložnými budiči kmitů může dojít při vypnutí a přechodu přes rezonanční oblast ke značnému nárůstu amplitudy výchylky. Celý stroj se tak silně rozvibruje.
Další často využívanou možností buzení je elektromotorem poháněný klikový mechanismus. Elektromotor je upevněn na rámu a přes řemenový převod uvádí do pohybu klikový mechanismus, jehož ojnice je pružně připevněna k dopravnímu členu (Obr. 7).
Zdroj: vlastní obrázek
Obr. 7 Buzení kmitů pomocí klikového mechanismu s elektromotorem
3.3 Vibrační dopravníky se šroubovým pohybem
Vibrační dopravníky se šroubovým pohybem (Obr. 8) slouží v řadě průmyslových odvětví zejména k dopravě drobných předmětů na výrobních a montážních linkách. Nosič vykonává dva současné kmitavé pohyby, rotační, kolem svislé osy souměrnosti, a posuvný, ve směru této osy. Přepravované objekty se tak pohybují po šroubovici a přepravují se tedy jak v horizontálním, tak zejména ve vertikálním směru. Provedení vibračních dopravníků se šroubovým pohybem může v zásadě příslušet podobně jako u vibračních dopravníků s přímočarým pohybem konstrukčním variantám uvedeným na Obr. 4.
Nosič je v tomto případě tvořený válcovým nebo kuželovým bubnem s vertikální osou souměrnosti a se šroubovou dopravní plochou umístěnou na jeho vnitřním plášti.
Dopravní plocha musí s ohledem na druh dopravovaných součástí splňovat podmínky správné adheze. Nejvíce používaným materiálem je běžná konstrukční ocel, která je v případě potřeby opatřena speciálním nátěrem, který jednak zvyšuje tření a dále také chrání dopravní plochu proti otěru. Během přepravy součástí na dopravní ploše dochází ve většině případů také ke správné orientaci dopravovaných dílů, které jsou pak následně pomocí manipulátorů nebo skluzů zakládány přímo do montážní linky. Tento proces probíhá ke konci dopravní plochy a je často řešen různými změnami jejího tvaru. Někteří výrobci si ke správné orientaci pomáhají i stlačeným vzduchem, což je však odběrateli, vzhledem vysoké ceně stlačeného vzduchu, vnímáno jako nežádoucí.
Nosič je připojen k rámu nebo setrvačné hmotě vodícím mechanismem, kterým je nejčastěji paralelogram v osově souměrném prostorovém uspořádání. Pružící a tlumící
Smer dopravy materiálu
vazba nosiče k rámu nebo setrvačné hmotě se realizuje pomocí ocelových pružin válcových šroubovitě vinutých nebo listových. Pokud jsou použity listové pružiny, lze v konstrukci dopravníku upustit od vodícího mechanismu, neboť tato pružící a tlumící vazba vykazuje poddajnost téměř výhradně ve směru kolmém k podélnému směru listové pružiny a tím jednoznačně definuje polohu nosiče vůči rámu nebo setrvačné hmotě. Pružící a tlumící vazba setrvačné hmoty k rámu se provádí obvykle ocelovými válcovými šroubovitě vinutými pružinami.
Zdroj: www [53]
Obr. 8 Vibrační dopravníky se šroubovým pohybem
Rám vibračního dopravníku je podepřen vyrovnávacími podporami nebo připevněn například šroubovými kotvami k podlaze. Konstrukční uspořádání pružících a tlumících vazeb je osově souměrné podle osy souměrnosti nosiče.
Budiče kmitů u dopravníků (Obr. 9) se šroubovým pohybem jsou obvykle elektromagnetické. Jsou připojené mezi nosič a setrvačnou hmotu nebo rám. Výhodou těchto budičů je rychlý náběh do provozu, stejně jako jeho ukončení. Tato přednost bývá využívána při kombinaci dopravy a dávkování
Zdroj: vlastní obrázek
Obr. 9 Vibrační dopravník s budičem kmitů umístěným ve vertikální ose
