XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Виброход и исследование его движения

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Мартюшев М.А. 1

---

1МАОУ "Гимназия №4" г. Перми

Мяснова С.А. 1Мартюшев А.Ю. 2

---

1МАОУ "Гимназия №4" г. Перми

2АО "ОДК-Авиадвигатель"

Работа в формате PDF

2.3 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

1. Введение

   1. Актуальность темы

Вибрация (лат. Vibratio «колебание, дрожание») – механические колебания. Вибрация – это механические колебательные движения систем или твёрдых тел. [4.1]

Вибрация возникает в самых разнообразных технических устройствах вследствие несовершенства их конструкции, неправильной эксплуатации, внешних условий (например, рельеф дорожного полотна для автомобилей). [4.1] Но в то же время человеком придуманы и изобретены предметы повседневной жизни и машины, в которых вибрация генерируется специально для достижения положительного эффекта.

Положительный эффект и отрицательное влияние вибраций в повседневной жизни человека представлены в таблице 1. [4.1]

Таблица 1 – Эффекты вибраций

Продолжение таблицы 1

Одним из положительных применений эффекта вибраций может служить виброход – машина (транспортное средство) с вибрационным движителем для движения по твёрдым поверхностям.

Во второй половине XX века в научно-популярной литературе виброход рассматривался как перспективное транспортное средство, однако применения в данном качестве он не нашёл. В конце XX века виброходы были популярными самодельными игрушками, в начале XXI века они появились в широком ассортименте фабричных игрушек.

Так как виброходы не нашли практического применения в повседневной жизни, цель моей работы была исследовать такое явление как вибрация, исследовать принцип движения виброхода и возможность управления его движением.

В своей работе я исследовал принципы движения виброхода, отличительные особенности вибрационного движителя от движителей других типов и возможности контроля и управления движением виброхода.

1. 2. Цели работы

1. Изучить принцип движения виброхода.

2. Собрать конструкцию виброхода.

3. Исследовать возможности контроля и управления движением виброхода.

1. 3. Задачи работы

1. Изучить физические явления «колебания» и «вибрация».

2. Изучить принципе движения виброхода на щёточных опорах.

3. Собрать конструкцию виброхода из конструктора Lego WeDo 2.0.

4. Исследовать движение виброхода в зависимости от изменения его конструкции и характеристик.

5. Сделать выводы о возможности контроля и управления движением виброхода.

1. 4. Гипотезы

1. Движение виброхода можно контролировать (управлять скоростью).

2. Направлением движения виброхода можно управлять.

1. 5. Методы исследования

1. Метод изучения – найти в различных источниках информации сведения о способах создания (причинах возникновения) колебаний и вибраций, изучить принцип движения виброхода.

2. Метод эксперимента – исследовать результаты движения виброхода в зависимости от изменения его конструкции или характеристик.

3. Метод сравнения – сравнить результаты движения виброхода (пройденное расстояние, скорость движения, угол разворота) в зависимости от изменения его конструкции или характеристик.

1. 6. Этапы работы

1. Найти в различных источниках информации сведения о способах создания (причинах возникновения) колебаний и вибраций.

2. Изучить и описать принцип движения виброхода.

3. Разработать и собрать конструкцию виброхода с возможностью изменения его конструкции или характеристик с целью проведения исследований движения виброхода.

4. Провести эксперименты по исследованию движения виброхода в зависимости от изменения его конструкции или характеристик. Результаты экспериментов описать в работе.

5. Сделать выводы исследовательской работы по результатам проведённых экспериментов о возможности контроля и управления движением виброхода.

1. 7. Практическое применение

Несмотря на то, что в настоящее время виброходы не применяются в реальной жизни, в данной исследовательской работе моя цель была изучить такие явления как колебания и вибрация, изучить принцип движения виброхода и исследовать возможность управления его движением.

2. Основная часть

Глава I – Теоретическая

1. 1. Используемые термины и определения

Механические колебания – колебания значений кинематической или динамической величины, или параметра, характеризующих систему (в том числе механическую).

Вибрация – движение точки или механической системы, при котором происходят колебания характеризующих его скалярных величин.

Вибровозбудитель – устройство, предназначенное для возбуждения вибрации и используемое самостоятельно или в составе другого устройства.

Вынуждающая сила (момент) – переменная во времени внешняя сила (момент), не зависящая от состояния системы и поддерживающая её вибрацию.

Дебаланс – вращающийся неуравновешенный инерционный элемент центробежного вибровозбудителя, передающий инерционную силу на опоры или подшипники своего вала.

Дебалансный вибровозбудитель – центробежный вибровозбудитель с одним или несколькими дебалансами.

Дисбаланс – статический момент массы (мера статической неуравновешенности).

Инерционный вибровозбудитель – вибровозбудитель, вынуждающая сила которого вызывается периодическим движением инерционного элемента.

Инерционный элемент – элемент колебательной системы, вызывающий появление сил инерции.

Колебательная система – система способная совершать свободные колебания.

Центробежный вибровозбудитель – инерционный вибровозбудитель с вращательным движением инерционного элемента.

Эксцентриситет массы – радиус-вектор центра массы инерционного элемента относительно оси вращения инерционного элемента. [4.2]

1. 2. Общие сведения о центробежных вибровозбудителях

Центробежный вибровозбудитель – это инерционный вибровозбудитель с вращательным движением инерционного элемента. Вынуждающая сила, развиваемая при движении инерционного элемента, содержит преимущественно, а в некоторых случаях исключительно нормальную составляющую силы инерции, т.е. центробежную силу.

Центробежные вибровозбудители подразделяют на дебалансные и планетарные. У дебалансного вибровозбудителя инерционный элемент, называемый в этом случае дебалансом, установлен в опорах (или подшипниках), связанных с корпусом вибровозбудителя, и не уравновешен относительно оси вращения, определяемой опорами (подшипниками). Вращение дебаланса осуществляет какой-либо привод. Дебаланс может иметь статическую или моментную неуравновешенность либо одновременно ту и другую.

Статическая неуравновешенность возникает, когда инерционный элемент вращается вокруг оси, параллельной одной из его главных центральных осей инерции. Мерой статической неуравновешенности считают статический момент массы (который в балансировочной технике называют дисбалансом) , где m₀ – масса инерционного элемента, r – радиус-вектор центра этой массы относительно оси вращения (его модуль r называют эксцентриситетом центра массы инерционного элемента).

Величину

(1)

также называют статическим моментом массы или дисбалансом. При вращении инерционного элемента с угловой скоростью ω развивается центробежная сила

. (2)

Из всех типов вибровозбудителей, применяемых в технологических целях, наибольшее распространение имеют центробежные.

Их преимущества заключаются:

- в простоте конструкции,

- низкой стоимости,

- возможности достижения весьма высокого отношения амплитуды вынуждающей силы к массе вибровозбудителя (более 100 кгс/кг),

- широком диапазоне, в котором можно назначать частоту генерируемой вибрации (примерно в пределах 0,01-1000 Гц),

- удобстве плавного или ступенчатого регулирования частоты вибрации (и одновременно амплитуды вынуждающей силы, пропорциональной квадрату частоты),

- простых средствах принудительного, а в определённых случаях самопроизвольного, согласования совместной работы двух или нескольких вибровозбудителей на одном исполнительном органе машины, поскольку в обычных случаях центробежные вибровозбудители не являются колебательными системами (т.е. не имеют собственных частот),

- низкой чувствительности к изменениям внешних воздействий.

В числе недостатков центробежных вибровозбудителей можно назвать:

- сравнительно небольшой ресурс, сильно зависящий от качества применяемых материалов и изделий,

- точности изготовления и сборки деталей,

- правильности эксплуатации и ухода,

- трудность независимого регулирования частоты и амплитуды вынуждающей силы,

- сравнительную длительность переходного процесса при выбеге, которую можно радикальным образом сократить только введением торможения вращения инерционного элемента при выбеге.

Дебалансный вибровозбудитель относится к наиболее распространённым центробежным вибровозбудителям с одним инерционным элементом, которые обладают только статической неуравновешенностью.

Дебалансный вибровозбудитель (рисунок 1) состоит из дебаланса 1 (центр массы которого расположен в точке С), жёстко связанного с валом, вращающимся вокруг оси О в опорах (или подшипниках), соединённых с корпусом 2. Развиваемая дебалансом инерционная сила передаётся на корпус через опоры (или подшипники).

Рисунок 1 – Плоская схема центробежного вибровозбудителя с одним инерционным элементом

По возможности и способу регулирования статического момента массы дебалансы можно подразделить на четыре группы: нерегулируемые, регулируемые в невращающемся состоянии, регулируемые во время вращения и самоустанавливающиеся.

Дебалансы, регулируемые во время вращения, предусматривают на некоторых испытательных вибрационных стендах и машинах, а в вибрационных машинах технологического назначения их используют редко. Нерегулируемые дебалансы иногда выполняют в виде моноблока вместе с валом, но чаще в виде отдельной детали, которую закрепляют на валу с помощью шпоночного, шлицевого, клеммного, резьбового соединения, причём в трёх последних случаях обычно предусматривают фиксирующие и опорные выемки, выступы, отверстия и пальцы. [4.2]

1. 3. История изобретения виброхода

Началось все в 1963 г., когда вокруг машины американского изобретателя Нормана Дина поднялся ураган споров. Механик-самоучка построил модель странного аппарата, получил на него патент. Необычно выглядел герметичный корпус этого аппарата. Снаружи не было ни колёс, ни гусениц, ни других движущихся частей. По замыслу изобретателя машина должна двигаться за счёт внутренних сил – в корпусе установлены два маховика. На каждом из них с краю симметрично друг к другу закреплены гири – дебалансы. При вращении маховиков в противоположные стороны корпус начинал вибрировать взад-вперёд с частотой, равной скорости вращения маховиков. Правда, аппарат дрожал и подпрыгивал, но оставался на месте.

Познакомившись с идеей Н. Дина, большинство учёных высказались вполне определённо: инерционную машину построить нельзя, так же как и вечный двигатель. Однако В. Брагин, московский инженер, не разделял эту точку зрения. Он считал, что при определённых условиях аппарат должен двигаться по поверхности. Но какие это условия? Молодой инженер познакомился с экспериментами академика Н. Кочина, проведёнными им ещё до войны. Один эксперимент был прост. Н. Кочин с помощником садился в лодку без весел, и оба они плавно откидывались назад, а затем резко наклонялись. Лодка заметно продвигалась вперёд. После долгих раздумий В. Брагин нашёл этому объяснение. Все дело в том, что сопротивление воды при резком и слабом толчках различно. Значит, можно предположить, что и аппарат Дина может передвигаться, если его поместить на поверхность, двигаясь по которой вперёд он будет встречать меньшее сопротивление, чем при движении назад.

Свою гипотезу В. Брагин проверил на модели. Её легко повторить. Если взять шестерёнки от старого будильника, привинтить по краям каждой по гайке. Установить на дощечку микромоторчик. Через маленькие зубчатые колёсики подвести вращение на главные шестерёнки. Снизу на дощечку приклеить кусочек старого мехового воротника с ворсом, приглаженным в одну сторону. Включить моторчик. Дощечка поползёт вперёд. Эта модель была первой моделью внутрихода и виброхода, как его теперь называют. [4.3]

Глава II – Практическая

1. 4. Виброход на базе конструктора Lego WeDo 2.0

В основе движения виброхода лежит эффект вибрации. Разработанный мной и сконструированный из конструктора Lego WeDo 2.0 (рисунок 2) виброход (рисунки 3-6) представляет собой платформу, на которой установлены:

- смартблок (с встроенным электрическим аккумулятором) для обработки команд программы, питания и управления электрическими двигателями;

- два электрических двигателя (с дебалансами, вращающимися через зубчатую передачу), подключённые к смартблоку, получающие питание от аккумулятора смартблока и управляемые им;

- конструкционные элементы Lego для крепления смартблока и электродвигателей на платформе, скрепления электродвигателей между собой (для их устойчивой и надёжной работы), для крепления шестерёнок зубчатой передачи для вращения дебалансов.

Снизу к платформе по углам крепятся 4 опоры, сделанные из головок зубных щёток (рисунок 7). На всех головках щёток наклон щетины выполнен в одну и ту же сторону (противоположную движению виброхода).

Рисунок 2 – Набор конструктора Lego WeDo 2.0

Рисунок 3 – Общий вид виброхода

Рисунок 4 – Вид виброхода спереди

Рисунок 5 – Вид виброхода сбоку

Рисунок 6 – Вид виброхода сверху

Рисунок 7 – Опоры виброхода (щётки)

На валу ротора каждого из двух электродвигателей закреплена большая шестерёнка (№1), крепление которой на валу осуществляется через шлицевое соединение. С целью увеличения угловой скорости вращения дебалансов виброхода для создания вибраций, в результате вызывающих поступательное движение виброхода реализована двойная зубчатая передача (рисунок 8):

1. Шестерёнка №1 (24 зубца), закреплённая с помощью шлицевого соединения на валу ротора электродвигателя, вращает шестерёнку №2 меньшего диаметра (8 зубцов), таким образом первый раз увеличивая угловую скорость вращения (передаточное отношение 3);

2. Шестерёнка меньшего диаметра №2 (вращаемая от шестерёнки №1 электродвигателя) находится на одном валу с шестерёнкой №3 бОльшего диаметра (диаметры и число зубьев шестерёнок №1 и №3 – равны, 24 зубца). Шестерёнки №2 и №3 закреплены на валу с помощью шлицевого соединения;

3. Шестерёнка №3 (закреплённая на одном валу с шестерёнкой №2) вращает шестерёнку №4 меньшего диаметра (диаметры и число зубьев шестерёнок №2 и №4 – равны, 8 зубцов), таким образом второй раз увеличивая угловую скорость (передаточное отношение двойной зубчатой передачи 3*3 = 9). Шестерёнка меньшего диаметра №4 находится на одном валу с дебалансом, закреплённым на конце вала.

Рисунок 8 – Двойная зубчатая передача для вращения дебаланса

Таким образом, за счёт двойной зубчатой передачи угловая скорость вращения валов роторов электродвигателей увеличивается в 9 раз и является угловой скоростью вращения дебалансов.

Дебалансами являются металлические гайки, закреплённые на пластиковой втулке (элемент конструктора Lego). Эксцентриситет центра массы каждого дебаланса равен 16 мм (рисунок 9). Масса каждого дебаланса (без втулки) составляет 8 граммов (рисунок 10).

Рисунок 9 – Дебалансы виброхода

Рисунок 10 – Сборочные единицы одного дебаланса и их общая масса в граммах

Дебалансы установлены на валы роторов каждого электродвигателя и вращаются в одном направлении.

Общая масса виброхода составляет 243 грамма.

Таким образом, виброход представляет собой машину (колебательную систему), совершающую механические колебания (вибрации), за счёт установленных на платформу (с 4-мя щёточными опорами) двух инерционных центробежных дебалансных вибровозбудителей (электродвигатели с дебалансами на валах роторов каждого из двигателей), и двигающуюся за счёт вынужденной силы (центробежной силы переменного направления, возникающей в результате вращения дебалансов).

1. 5. Принцип движения виброхода

Виброход может двигаться только по твёрдым поверхностям.

Движение виброхода происходит за счёт центробежной силы переменного направления, возникающей в результате вращения дебалансов, прикреплённых к валам роторов электродвигателей, и за счёт наклона щетинок опор виброхода.

Схематично принцип движения виброхода показан на рисунке 11.

Рисунок 11 – Принцип движения виброхода

В начальном состоянии (электродвигатели виброхода не работают) сила трения покоя удерживает виброход на месте, центробежная сила вращения дебалансов равна 0, скорость виброхода равна 0 – рисунок 11, а (фаза 0).

При вращении дебалансов, закреплённых на валах роторов электродвигателей возникает центробежная сила, величина которой зависит от массы дебаланса, эксцентриситета центра массы дебаланса и угловой скорости вращения валов роторов электродвигателей.

После начала вращения работы электродвигателей в момент времени, когда оба дебаланса находятся в верхней точке вращения, центробежная сила направлена вертикально вверх. В этот момент ранее прижатые к поверхности (за счёт массы виброхода) и наклонённые щетинки опор виброхода (фаза 0) распрямляются относительно опоры, а кончики щетинок, соприкасающиеся с поверхностью, перемещаются в направлении, противоположном наклону щетинок – рисунок 11, б (фаза 1).

В момент, когда оба дебаланса находятся в нижней точке вращения, центробежная сила направлена вертикально вниз. В этот момент, за счёт центробежной силы, направленной вниз, и наклона щетинок опор, ранее распрямлённые относительно опоры кончики щетинок, соприкасающиеся с поверхностью, отталкиваются от поверхности (возникает горизонтальная сила трения скольжения между кончиками щетинок и поверхностью по величине больше, чем сила трения покоя) и за счёт возникающего импульса перемещают виброход в направлении противоположном наклону щетинок – рисунок 11, в (фаза 2).

Так как вращение дебалансов происходит непрерывно (до принудительной остановки вращения валов роторов электродвигателей), фазы 1 и 2 чередуются и придают виброходу движение в направлении противоположном направлению наклона щетинок опор.

1. 6. Исследование движения виброхода в зависимости от изменения его конструкции или характеристик

В своей работе я исследовал возможность управления скоростью и направлением движения виброхода.

Возможность управления скоростью движения виброхода исследовалась за счёт изменения угловой скорости вращения валов роторов электродвигателей (задаваемой управляющей программой смартблока). При этом все опоры виброхода были установлены в одном направлении: наклон щетинок всех четырёх опор был направлен в одну сторону – в сторону противоположную направлению движения виброхода (рисунок 7). Результаты проведённого эксперимента указаны в таблице 2. Приняты следующие обозначения:

– условная угловая скорость вращения валов роторов электродвигателей виброхода, задаваемая управляющей программой смартблока (диапазон изменения от 1 до 10),

– угловая скорость вращения валов роторов электродвигателей виброхода (оборотов в минуту),

– угловая скорость вращения дебалансов за счёт двойной зубчатой передачи для каждого электродвигателя (оборотов в минуту),

D – дисбаланс каждого дебаланса (грамм·миллиметров),

F – суммарная центробежная сила двух дебалансов (миллиНьютонов, 1 Ньютон = 1 кг·м/с²),

t – время движения виброхода (секунд),

S – расстояние, пройдённое виброходом за время t (миллиметров),

V – рассчитанная скорость движения виброхода (миллиметров в секунду).

Таблица 2 – Результаты эксперимента по исследованию возможности управления скоростью виброхода

Из таблицы 2 следует, что существует прямая зависимость скорости виброхода от угловой скорости дебалансов инерционных центробежных вибровозбудителей (электродвигателей с дебалансами), установленных на платформу виброхода.

Возможность управления направлением движения виброхода исследовалась за счёт изменения конструктивной схемы виброхода – две передние опоры виброхода поворачивались на определённый угол:

- поворот двух передних опор отсутствует, их направление совпадает с направлением двух задних опор (рисунок 7),

- две передние опоры повёрнуты относительно двух задних опор на угол 45° (рисунок 12),

- две передние опоры повёрнуты относительно двух задних опор на угол 90° (рисунок 13).

При этом остальные параметры движения (разворота) виброхода задавались одинаковыми: условная угловая скорость вращения дебалансов – 10, время движения (разворота) виброхода – 60 секунд.

Рисунок 12 – Передние опоры виброхода повёрнуты на угол 45°

Рисунок 13 – Передние опоры виброхода повёрнуты на угол 90°

Результаты проведённого эксперимента указаны в таблице 3. Приняты следующие обозначения:

– условная угловая скорость вращения валов роторов электродвигателей виброхода, задаваемая управляющей программой смартблока (диапазон изменения от 1 до 10),

D – дисбаланс каждого дебаланса (грамм·миллиметров),

F – суммарная центробежная сила двух дебалансов (миллиНьютонов, 1 Ньютон = 1 кг·м/с²),

t – время движения (разворота) виброхода (секунд),

– угол поворота двух передних опор виброхода (градусов),

– угол отклонения продольной оси виброхода от начального положения в результате поворота (градусов) при его движении (развороте).

Таблица 3 – Результаты эксперимента по исследованию возможности управления направлением движения виброхода

Из таблицы 3 следует, что существует прямая зависимость угла разворота виброхода при движении от угла поворота его двух передних опор относительно двух задних опор.

3. Заключение

   1. В ходе моей исследовательской работы:

1. Изучен принцип движения виброхода на щёточных опорах.

2. Разработан и собран из конструктора Lego WeDo 2.0 виброход на щёточных опорах.

3. Проведены эксперименты по исследованию результатов движения виброхода в зависимости от изменения его конструкции или характеристик.

4. Выполнено сравнение результатов экспериментов по исследованию движения виброхода в зависимости от изменения его конструкции или характеристик (пройденное расстояние, скорость движения, угол разворота).

5. Сделаны выводы по результатам проведённых экспериментов о возможности контроля и управления движением виброхода.

1. 2. Выводы:

1. Отличительной особенностью виброхода от других машин (транспортных средств) является то, что виброход приводится в движение не за счёт прямого механического привода точек опор на поверхность (как в случае с колёсами или гусеницами), а за счёт вибраций (вынуждающей центробежной силы, возбуждаемой дебалансными вибровозбудителями и поддерживающей вибрацию).

2. В ходе работы подтверждены гипотезы, о том, что движение виброхода можно контролировать: управлять скоростью и направлением движения виброхода.

3. В настоящее время виброходы не применяются в реальной жизни, кроме как в виде игрушек. Тем не менее явление вибрации широко используется в производстве, технике и повседневной жизни.

4. Список использованных источников и литературы

   1. Вибрация. https://ru.wikipedia.org/wiki/Вибрация.

   2. Азбель Г.Г., Блехман И.И., Быховский И.И. и др. Вибрации в технике: Справочник. В 6-ти т./Ред. Совет: В.Н. Челомей (пред.). Т. 4. Вибрационные процессы и машины / Под ред. Э.Э. Лавендела. Москва: Машиностроение, 1981. 512 с., ил.

   3. А. Сенюткин. «Виброходы». Юный Техник: Журнал. №6, 1977. Москва: ЦК ВЛКСМ «Молодая гвардия». 82 с., ил.