Введение. Конструкции вибрационных устройств с асимметричными колебаниями уже достаточно широко освещаются в технической литературе и периодических технических изданиях [1–5]. В общем случае, простое вибрационное устройство с асимметричными колебаниями представляет собой два последовательно установленных вибратора с направленными колебаниями, образующими единый механизм. Каждый, из двух, вибраторов имеет свою неуравновешенную массу дебаланса, m1 и m2 , и эксцентриситет, r1 и r2 . Угловые скорости дебалансных валов первого и второго вибратора находятся в соотношении ω2=2∙ω1 . В технической литературе, однако, не в полной мере освещены вопросы натурных экспериментальных исследований. Имеются некоторые публикации [6–7], относящиеся к экспериментальным исследованиям асимметричных колебаний, проведенные на лабораторном оборудовании. Внедрение вибрационных устройств с асимметричными колебаниями в конструкции строительных и дорожно-строительных машин является сложным техническим и психологическим процессом. Поэтому, представляет интерес проведение экспериментальных исследований получения асимметричных колебаний на штатном вибрационном оборудовании, выпускаемом как отечественными, так и зарубежными промышленными предприятиями.Материалы и методы. Попытки по реализации вибрационных установок с асимметричными колебаниями предпринимались ранее рядом инженеров и исследователей. Эти результаты нашли отражение в ряде работ [3–6].  В настоящее время идут процессы формирования методики расчёта и проектирования вибрационных устройств с асимметричными колебаниями. Также, продолжается формирование терминов и определений, относящихся к вибрационным устройствам с асимметричными колебаниями. Некоторые исследования интересны тем, что в них полученные результаты и рекомендуемые параметры колебаний не формулируют поставленную задачу получения асимметричных колебаний, но подразумевают получение несимметричных колебаний, которые также могут называться асимметричными. В научных работах [1, 2] ещё не вводится численного значения параметра, которым можно оценивать величину соотношения составляющих максимальной вынуждающей силы, действующей в одном, например, положительном, направлении (+Fmax ) и в противоположном, например, отрицательном направлении (-Fmax ). В трудах [4–6] четко дано определение, характеризующее величину несимметрии вынуждающей силы, которая называется коэффициентом динамичности вибрационной установки (kд ) или коэффициент асимметрии вынуждающей силы (ka ), при этом:kд =ka=+Fmax-Fmax≥1,0                 (1)Равенство kд=1,0  характерно для равнонаправленных, симметричных относительно нейтральной линии, колебаний.Основная часть. Практика проектирования, создания и выпуска промышленных вибраторов имеет несколько вариантов и образцов вибрационных устройств с направленными, симметричными, колебаниями. Особый интерес представляет создание условий получения, генерирования, асимметричных колебаний с использованием штатного вибрационного оборудования с направленными колебаниями.В качестве штатного вибрационного оборудования экспериментальной установки для получения асимметричных колебаний приняты: нижняя, первая, ступень – вибрационный стол марки ЭВ-341, укомплектованный двумя вибраторами ИВ-05-50 и верхняя, вторая, – вибратор марки ИВ-99Б ООО Ярославский завод «Красный маяк». (табл. 1) и (табл. 2).  Таблица 1Технические характеристики вибростола ЭВ-341 [8]Наименование показателей, единицы измеренияЗначениеАмплитуда колебаний (расчетная), мм0,2…0,4Грузоподъемность (max), кг150Частота колебаний, мин-13000Мощность потребляемая, кВт1,0Тип вибратораИВ-05-50Количество вибраторов, шт2Мощность потребляемая вибратором, кВт0,5Напряжение вибратора, В380, 42, 220Частота тока вибратора, Гц50Габаритные размеры вибратора, мм    Длина    Ширина    Высота 730480720Масса вибростола, кг145  Таблица 2Паспортные значения параметров вибраторов ИВ-05-50 и ИВ-99Б [9] ИВ-05-50ИВ-99БНаименование показателейЗначениеЧастота колебаний, Гц (кол/мин):    синхронная    холостого хода, не менее 50 (3000)46,3 (2775) 50 (3000)46,3 (2775)Максимальная вынуждающая сила, кН при синхронной частоте колебаний5,05,0Максимальный статический момент дебаланса, кг∙см5,15,1Мощность, кВт:    номинальная    номинальная потребляемая, не более 0,250,50 0,250,50Номинальное напряжение, В18; 42; 220; 38018; 42; 220; 380Номинальный ток, А20,0; 9; 1,9; 1,120,0; 9; 1,9; 1,1Частота тока, Гц5050Тип вибрационного механизмадебалансный регулируемыйдебалансный регулируемыйТип электродвигателяасинхронный трехфазный с короткозамкнутым роторомасинхронный трехфазный с короткозамкнутым роторомКласс изоляцииFFМасса вибратора, кг1515Степень защиты по ГОСТ 17494-87IP66IP66 В конструкции вибраторов ИВ-05-50 и ИВ-99Б предусмотрена возможность получения шести значений вынуждающей силы при различных установках составных дебалансов, (рис. 1). Величина вынуждающей силы пары дебалансов, при постоянном значении массы, изменяется с изменение эксцентриситета, который зависит от величины угла установки между центром вращения и центрами массы дебалансов. Так, наименьшее значение вынуждающей силы соответствует положение I, а наибольшее – положение VI. Данное условие позволяет формировать двухступенчатое вибрационное устройство с асимметричными колебаниями. Рис. 1. Схема установки дебалансов вибраторов ИВ-05-50 и ИВ-99 для получения заданной величины вынуждающей силы В зависимости от схемы установки дебалансов, (рис. 1), получают шесть значений статического момента, Mст=m∙r , (табл. 3).Таблица 3Статические моменты дебалансовПоложение дебалансов согласно рис. 1ИВ-05-50, ИВ-99БСтатический момент дебалансовВынуждающая сила при синхронной частоте колебанийВынуждающая сила при частоте колебаний холостого ходакг∙смкНСхема по рис. 1.I2,552,5/1,9II3,453,4/2,6III4,24,1/3,2IV4,64,51/3,5V4,94,8/3,7VI5,15,0/3,9 В зависимости от схемы установки дебалансов, (рис. 1), получают шесть значений статического момента, Mст  (кг·см): Mст1=2.55 , Mст2=3.45 , Mст3=4.2 , Mст4=4.6 , Mст5=4.9 , Mст6=5.1 .Величина вынуждающей силы, F  (кН),  при синхронном вращении дебалансных валов составляет: F1=2.5 , F2=3.4 , F3=4.1 , N4=F.5 , F5=4.8 , F6=5.0  кН.Конструктивная модель вибрационной установки с двумя ступенями для генерирования асимметричных колебаний состоит, (рис. 2), из вибростола 1 с вибраторами ИВ-05-50 2, вибратора ИВ-99Б 3, установленного на вибростоле с использованием монтажной плиты 4. Рис. 2. Физическая модель двухступенчатой  вибрационной установки для генерирования асимметричных колебаний 1 – вибростол; 2 – вибраторы вибростола ИВ-05-50; 3 – вибратор направленных колебаний ИВ-99Б;  4 –монтажная плитаДанная компоновочная схема вибрационной установки позволяет достичь идеальных значений и характеристик, которые определены техническими параметрами завода изготовителя. Дополнительным устройством является монтажная плита, жестко закреплённая на вибростоле. На монтажной плите жёстко закреплён вибратор ИВ-99Б. Вибрационное устройство, рис. 2, позволяет работать по отдельности вибраторы первой, нижней, и второй, верхней ступени. Причём, частота вращения дебалансных валов может регулироваться в достаточно широком диапазоне.Для пуска в работу и управления частотой вращения дебалансных валов вибраторов служат шкафы управления (рис. 3).Конструкция физической модели позволяет осуществлять регулирование или управление следующими параметрами: частотой вращения, (n, об/мин); угловой скоростью, (ω, рад/с), дебалансных валов, величиной вынуждающей силы, (F, кН), плавно и величиной статического момента дебаланса, (Mст , кг·м), ступенчато.Рис. 3. Шкаф управления вибраторами вибростола (а) и вибратора ИВ-99Б (б)Целью проведения экспериментальных исследований является определение влияния параметров вибрации на коэффициент асимметрии вынуждающей силы, kас.F   [8–11] kас.F=F+F-                            (2)где F+  – модуль величины вунуждающей силы на положительной стороне графика изменения в пределах периода колебаний, кН; F-  – тоже, на отрицательной стороне, кН.Таким образом, определяем взаимосвязь коэффициента асимметрии вынуждающей силы kас.F , в зависимости от основных параметров колебаний и их комбинаций [12–15]:kас.F=f(ω1,ω2,r1,r2,Mст1,Mст2,φ1,φ2)     (3)где φ1 и φ2  – начальные фазы колебаний дебалансов первой и второй ступени, соответственно.Технически, изменение параметров осуществляется следующим образом. Частота вращения дебалансов вибростола и вибратора ИВ-99Б регулируется преобразователями частоты IEK ONI A150 и ВЕСПЕР E2-8300 с пультов управления.Величина статического момента дебалансов устанавливается перед началом эксперимента путём изменения схемы установки дебалансов на роторе, (рис. 4).   Рис. 4. Схема установки дебалансов первой (а) и второй (б) ступени двухступенчатого вибратора с асимметричными колебаниямиДля получения асимметричных колебаний с наибольшим значением величины коэффициента асимметрии вынуждающей силы, kас.F =2,0 необходимо выполнить следующие условия: кратное соотношение угловых скоростей вибрационных валов первой и второй ступени, ω2=2∙ω1 . Соотношение величины суммарных статических моментов первой и второй ступени рекомендуется принимать [3] в пределах: Mст1Mст2=6.1…10 . Такое соотношение вынуждающих сил позволяет получить коэффициент асимметрии силы близкий к 2.0. Это значение достигается необходимым перебором исходных параметров, таких как масса и эксцентриситет дебалансов. Мы рекомендуем [16] использовать не соотношения величин статических моментов, а величин максимальных вынуждающих сил. Так, для двухступенчатого вибрационного устройства с асимметричными колебаниями, сначала определяется или принимается величина вынуждающей силы, определяемая по требованиям технологических расчётов, Fтехн . Затем технологическая вынуждающая сила разбивается на две составляющие: F1  и F2 , каждая в заданном соотношении:Fтехн=F1+F2=0,67∙Fтехн+0,33∙Fтехн Для вынуждающей силы Fтехн=5,0 кН, соотношение вынуждающих сил первой и второй ступени составят, соответственно: F1=0.67∙5.0=3.3  кН, F2=0,33∙5.0=1,7  кН. Принимая частоты вращения дебалансных валов, соответственно: n1=1500 об/мин и n2=3000  об/мин, получаем расчётные значения искомых величин вынуждающих сил и график их изменения в пределах одного периода, рис. 5. Рис. 5. График изменения асимметричной вынуждающей силы (Fсумм=5.0 кН ) в пределах одного периода колебаний Для фиксирования и измерения параметров вибрации установка оснащена виброизмерительной аппаратурой.ВыводыВ данной работе получены новые результаты научных исследований по созданию физической модели двухступенчатой вибрационной установки для генерирования асимметричных колебаний, позволяющей на штатных образцах промышленного вибрационного оборудования провести сравнительные эксперименты по оценке теоретических выводов, полученных ранее.Описана методика расчёта оптимальных значений коэффициента асимметрии вынуждающей силы при сложении двух и более направленных механических колебаний.Изложен принцип работы физической модели для забивки или извлечения свай в строительном производстве.