Вибрационное устройство
VIBRATING DEVICE

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к подвижным системам электродинамических вибрационных устройств, применяемых для калибровки, например, пьезоэлектрических датчиков вибрации, используемых при вибродиагностике машин и оборудования, в сейсмологии и акустике.
Известна конструкция вибрационного устройства: смотри АС СССР №477750, МКЛ B06b 1/00, G01p 21/00, G01m 7/00, опубликовано 25.07.75, бюллетень №27. Вибрационное устройство содержит корпус, к которому прикреплен электродинамический возбудитель колебаний, вибростол. Подвижную систему упругого подвеса вибростола, выполненную в виде круглой мембраны с камерой давления. Круглая мембрана имеет периферийный крепежный контур и центральную рабочую часть, в центре которой расположен вибростол. Камера давления представляет собой упругое тело в виде эллиптического тороида. Камера давления расположена между рабочей частью круглой мембраны и ее периферийным крепежным контуром. Все элементы упругого подвеса подвижной системы вибростола представляют собой единое целое и жестко связаны друг с другом. Сжатый воздух подается в камеру давления по специальному каналу из внешнего источника. При увеличении давления в упругой камере ее эллиптическое поперечное сечение начинает приближаться в пределе к кругу, тем самым в рабочей части круглой мембраны создаются растягивающие радиальные усилия, вследствие чего ее жесткость, а, следовательно, и собственная частота колебаний круглой мембраны увеличивается. Представленная конструкция круглой упругой мембраны с камерой давления, расположенной между рабочей частью мембраны и ее периферийным крепежным контуром, обеспечивает не только возможность увеличения частоты колебаний круглой мембраны, но и повышает точность воспроизведения колебаний заданной формы, совершаемой вибростолом.
К недостаткам представленного вибрационного устройства можно отнести:
- невозможность достижения собственной частоты продольных колебаний подвижной системы (по массе в сумме с испытуемым изделием) в районе единиц Герц, например, от 5 Гц, так как с повышением давления воздуха в упругой камере ее собственная частота только увеличивается;
- ограниченность широты частот колебаний мембраны конкретной геометрии, связанная с конечностью процесса деформирования камеры до состояния идеального круга в своем поперечном сечении.
Известна конструкция электродинамического вибрационного устройства, работающего на частотах в районе 5 кГц и имеющего электродинамическую подвижную систему (смотри адрес в Интернете: https://ok-t/ru/studopediani/baza2/1958876534809/files/imase208/jpg).
Принципиально вибрационное устройство состоит из цилиндрического корпуса магнитопровода, выполненного из электротехнической стали в форме двух вертикальных коаксиальных труб, объединенных в единое целое верхним плоским горизонтальным кольцом магнитопровода. В вертикальном сечении корпус магнитопровода представляет собой прописную букву m с гладким (цилиндрическим) отверстием в срединном элементе корпуса магнитопровода. К цилиндрическому корпусу магнитопровода, объединенному в единое целое с верхним плоским горизонтальным кольцом магнитопровода, к его нижнему торцу беззазорно и горизонтально примыкает днище корпуса магнитопровода. Днище корпуса магнитопровода выполнено в виде плоского отдельного диска с центральным отверстием. При этом цилиндрический корпус магнитопровода совместно с верхним плоским горизонтальным кольцом магнитопровода, а также с днищем корпуса магнитопровода образуют корпус магнитопровода вибрационного устройства с кольцевым воздушным зазором. Внутри цилиндрического корпуса магнитопровода имеется неподвижная бескаркасная кольцевая электрическая катушка подмагничивания. В кольцевом воздушном зазоре центрального отверстия плоского отдельного диска между ним и внешней поверхностью срединной части корпуса магнитопровода (внутренней коаксиальной трубы - цилиндрическая часть магнитопровода минимального диаметра) находится подвижная кольцевая электрическая катушка, выполненная из стеклотекстолита. При этом в центральном канале срединной части корпуса магнитопровода имеется подвижный цилиндрический шток. Цилиндрический шток со стороны нижнего торца днища корпуса магнитопровода жестко скреплен с подвижной кольцевой электрической катушкой, а также с консольным упругим элементом мембранного типа. При этом цилиндрический шток со стороны верхнего торца корпуса магнитопровода также жестко скреплен со вторым консольным упругим элементом мембранного типа. Причем оба упругих элемента мембранного типа периферийными контурами закреплены на вертикальных стойках соответствующих плоских торцах корпуса магнитопровода. Верхний торец цилиндрического штока выполнен в виде вибростола из магнитного металла. Упругие элементы мембранного типа центрируют такие части подвижной системы вибрационного устройства, как подвижную кольцевую электрическую катушку, подвижный цилиндрический шток, вибростол, закрепленный на верхнем торце цилиндрического штока и испытуемое изделие, закрепленное на нем. При этом сама подвижная кольцевая электрическая катушка центрируется в воздушном зазоре магнитопровода.
В представленном вибрационном устройстве использована электродинамическая приводная система, состоящая из магнитопровода с кольцевым воздушным зазором и подвижной системы, подвешенной на двух консольных упругих элементах мембранного типа. Постоянный электромагнит представляет собой магнитопровод с неподвижной кольцевой катушкой подмагничивания, по которой пропускается постоянный ток, создающий постоянное магнитное поле. При пропускании через подвижную электрическую кольцевую катушку переменного тока от задающего генератора образуется переменное магнитное поле. В результате взаимодействия постоянного и переменного магнитных полей возникает переменная сила, заставляющая всю подвижную систему, включая подвижные упругие элементы мембранного типа, совершать колебания в соответствии с направлением этой силы.
Если по обмотке подвижной кольцевой электрической катушки пропускать синусоидальный ток, то колебания вибростола вибрационного устройства будут иметь синусоидальную форму, при этом частота колебаний вибростола будет определяться частотой тока в подвижной кольцевой электрической катушке.
Амплитуда виброускорений, создаваемая вибрационным устройством, зависит от тока неподвижной катушки и массы испытуемого изделия (иначе - от величины переменной силы при прочих равных условиях сравнения). Консольные упругие элементы мембранного типа подобраны так, чтобы собственная частота колебания подвижной системы составляла с заранее заданной погрешностью требуемую величину для данного изделия. При этом собственная частота колебания подвижной системы зависит от жесткости элементов мембранного типа и массы подвижной части вибрационного устройства.
К недостаткам представленного вибрационного устройства можно отнести:
- отсутствие конструктивных элементов, предназначенных для удержания траектории возвратно-поступательного движения вибростола (а значит и испытуемого изделия) строго в вертикальном направлении, что приводит к достаточно большим погрешностям, например, при градуировке пьезоэлектрических преобразователей различного типа;
- невозможность его применения для испытаний и исследования технических характеристик изделий малой массы, например, от 20 г при частотах в районе 20 кГц, так как погрешности исследуемых характеристик изделий малой массы «тонут» в недопустимых отклонениях силового воздействия самого вибрационного устройства;
- невозможность достижения низкочастотной собственной частоты продольных колебаний подвижной системы (по массе в сумме с испытуемым изделием) в районе единиц Герц, например, от 5 Гц, так как в целом нижний частотный диапазон определяется жесткостью подвески и массами подвижной системы самого вибрационного устройства и изделия. То есть, чем меньше жесткость упругих элементов мембранного типа и больше масса изделия, тем меньше частота всей подвижной системы при прочих равных условиях;
- невозможность достижения собственной частоты продольных колебаний подвижной системы в районе, например, 20 кГц, так как во многом верхний частотный диапазон зависит от первой собственной частоты продольных колебаний подвижной системы, а она, в свою очередь, определяется величинами и распределением масс подвижной системы, и ее жесткостью в продольном направлении. То есть, в целом, чем меньше масса и выше жесткость, тем выше частота при прочих равных условиях.
При этом амплитуда виброускорений, создаваемая представленным вибрационным устройством, зависит от величины тока неподвижной катушки и массы испытуемого изделия. То есть, увеличение силы постоянного магнита увеличивает амплитуду виброускорений при одинаковой массе подвижной системы вибрационного устройства.
Известно устройство малогабаритного электродинамического вибрационного устройства фирмы Брюль и Къер модели 4809, работающего на частотах от 10 Гц до 20 кГц (смотри адрес в Интернете: https://analytical.rii/4809-2/ - Калибровочный миниатюрный вибростенд BruelξKjer 4809).
Вибрационное устройство содержит внешний стаканообразный металлический корпус, металлическую кольцеобразную крышку, защитную резиновую прокладку с центральным отверстием. На дне внешнего стаканообразного корпуса соосно ему находится стаканообразная часть корпуса магнитопровода, выполненная из электротехнической стали. К верхнему торцу стаканообразной части корпуса магнитопровода (под защитной резиновой кольцеобразной прокладкой металлической кольцеобразной крышки) примыкает верхнее отдельное кольцо корпуса магнитопровода в виде плоского горизонтального диска с центральным отверстием, который также выполнен из электротехнической стали. На дне стаканообразной части корпуса магнитопровода соосно ему расположен и удерживается магнитным полем торец большего диаметра цилиндрического постоянного магнита типа Columax в форме ступенчатого вала. При этом верхний плоский торец постоянного магнита совпадает с верхней плоскостью торца верхнего отдельного кольца корпуса магнитопровода, а боковая поверхность постоянного магнита (меньшего диаметра) образует с поверхностью центрального отверстия верхнего отдельного кольца корпуса магнитопровода воздушный радиальный зазор. Таким образом, стаканообразная часть корпуса магнитопровода, а также постоянный магнит совместно с плоским горизонтальным диском с центральным отверстием (верхнее отдельное кольцо корпуса магнитопровода), образуют корпус магнитопровода вибрационного устройства с воздушным кольцевым зазором. При этом вибростолом вибрационного устройства является тонкостенный цилиндрический стакан с утолщенным дном. Внешний плоский торец утолщенного дна тонкостенного стакана является посадочным местом испытуемых изделий вибрационного устройства. Цилиндрическая поверхность постоянного магнита меньшего диаметра расположена с радиальным зазором в глухом отверстии тонкостенного стакана (вибростола), а его торец - с зазором по отношению к дну тонкостенного стакана. Часть высоты постоянного магнита меньшего диаметра остается неперекрытой вибростолом. В воздушном кольцевом зазоре магнитопровода вибрационного устройства находится подвижная кольцевая электрическая катушка, жестко скрепленная с внешней цилиндрической поверхностью тонкой стенки вибростола стаканообразного типа. Соосное подвешенное состояние вибростола (совместно с силовой катушкой) с возможностью его колебаний вдоль центральной вертикальной оси симметрии вибрационного устройства обеспечивают две кольцевые упругие мембраны специальной конструкции. Плоские радиальные (горизонтальные) части элементов кольцевых упругих мембран жестко закреплены периферийными контурами на противоположных плоских торцах верхнего отдельного кольца корпуса магнитопровода со специальными вертикальными упругими стойками тангенциального типа. Контуры центральных отверстий кольцевых упругих мембран скреплены с внешней поверхностью цилиндрической стенки вибростола, соответственно, выше и ниже кольцевой электрической катушки.
Таким образом, специальные кольцевые упругие мембраны центрируют вибростол и подвижную кольцевую электрическую катушку, жестко связанную с ним, в воздушном зазоре магнитопровода вибрационного устройства.
Вышеприведенная система специальной подвески вибростола надежно обеспечивает неискаженную форму волны ускорения механических колебаний и уменьшает до минимума влияние поперечных сил и искажений.
К недостаткам вышеприведенного вибрационного устройства можно отнести:
- невозможность достижения низкочастотной собственной частоты продольных колебаний подвижной системы (по массе в сумме с испытуемым изделием) в районе единиц Герц, например, от 5 Гц, так как в целом нижний частотный диапазон определяется жесткостью подвески и массами подвижной системы и изделия, что невозможно в реализации для специальных кольцевых упругих мембран прототипа из-за их жесткости. То есть, чем меньше жесткость, тем меньше частота при прочих равных условиях. В рассмотренном вибрационном устройстве система упругой подвески включает несколько дорогостоящих блоков радиальных и тангенциальных пружин слоистой конструкции, состоящих из стальных полосок и специального демпфирующего упругого материала, которые обладают жесткостью, не позволяющей расширение рабочей частоты в низкочастотную область ниже 10 Гц (ноу-хау фирмы Брюль и Къер);
- некоторую неоптимальность конструкции кольцевого воздушного зазора. Так как существует принципиальная возможность увеличения его длины, а значит и длины подвижной кольцевой катушки, что ведет к увеличению магнитной индукции (при наличии соответствующего постоянного магнита). То есть, более длинная катушка обеспечивает большую силу, а значит, и увеличивает допустимую подвижную массу вибрационного устройства, что расширят его технические характеристики в низкочастотной области;
- дороговизну вибрационного устройства в целом с достаточно ограниченным набором характеристик (из-за неизменяемых параметров системы упругой подвески). Эта ситуация заставляет малые исследовательские лаборатории не закупать новое оборудование, а непрерывно обращаться в специализированные центры для подтверждения ряда параметров макетов новых разрабатываемых изделий, что существенно сдерживает и удорожает сам процесс научно-исследовательских работ предприятия, требующих наличия целого типоряда подобных вибрационных устройств, перекрывающих широкий спектр требований к ним.
Вышеприведенное вибрационное устройство для калибровки и виброиспытаний акселерометров небольших масс является наиболее близким к заявляемому устройству и поэтому выбрано в качестве прототипа.
Задачами настоящего технического решения являются:
- расширение низкочастотной составляющей эксплуатационных характеристик вибрационного устройства с одновременным увеличением его силовых характеристик;
- упрощение конструкции и себестоимости вибрационного устройства без снижения его эксплуатационных характеристик.
Технический результат:
- возможность измерения частотных характеристик изделий (вибродатчиков) в частотном диапазоне от 5 Гц до 23 кГц, что примерно в два раза меньше, чем для прототипа в низкочастотной области;
2
- максимальное ускорение ненагруженного вибростола заявляемого вибрационного устройство с подвижной массой 94,2 г - до 50 g (490 м/с), что примерно на 13% превышает показатели прототипа;
- возможность калибровки чувствительности акселерометров массой до 16 г;
- простая и дешевая перестройка вибрационного устройства на низкочастотную полосу частот, связанную с допустимым увеличением массы изделий.
Для решения поставленных задач и достижения технического результата заявляется изобретение вибрационного устройства.
Указанный технический результат достигается за счет того, что вибрационное устройство, содержащее цилиндрический корпус с вертикальной осью симметрии, крышку корпуса с центральным отверстием, защитную кольцевую резиновую прокладку, цилиндрическую часть корпуса магнитопровода, днище корпуса магнитопровода, контактирующее с нижним торцом цилиндрической части корпуса магнитопровода, постоянный магнит, соосно контактирующий с верхним торцом днища корпуса магнитопровода, верхнее кольцо корпуса магнитопровода, контактирующее с цилиндрической частью корпуса магнитопровода, кольцевой воздушный зазор магнитопровода между поверхностью центрального отверстия верхнего кольца корпуса магнитопровода и цилиндрической частью наружной поверхности наименьшего диаметра магнитопровода, подвижную систему подвеса вибростола, кольцевую упругую мембрану, которая контуром своего отверстия скреплена как с наружной поверхностью вибростола ниже защитной кольцевой резиновой прокладки, так и своим периферийным контуром с торцевой поверхностью корпуса магнитопровода, при этом периферийный контур защитной кольцевой резиновой прокладки загерметизирован крышкой корпуса с центральным отверстием, а контур ее центрального отверстия скреплен с цилиндрической наружной поверхностью вибростола с возможностью его возвратно-поступательного перемещения в направлении вертикальной оси симметрии, причем часть внешней цилиндрической поверхности вибростола в кольцевом воздушном зазоре магнитопровода скреплена с кольцевой электрической катушкой, которое, согласно изобретению, содержит дополнительное кольцо корпуса магнитопровода меньшего диаметра, примыкающее к верхнему торцу верхнего кольца корпуса магнитопровода и, образующее с ним единый ступенчатый вал с гладким центральным отверстием, постоянный магнит в виде горизонтального плоского кольца, примыкающий как к нижнему торцу верхнего кольца корпуса магнитопровода, так и к верхнему торцу большего диаметра днища корпуса магнитопровода, имеющего вид ступенчатого вала с негладким центральным отверстием - коническим с нижнего торца и гладким с противоположного, вибростол в виде вала с двухступенчатым центральным отверстием и внешним фланцем болтового крепления контура отверстия кольцевой упругой мембраны, шток с фланцем между его цилиндрическими концами, имеющий возможность свободного перемещения в зазоре между верхним торцом меньшего диаметра днища корпуса магнитопровода и большей ступенькой центрального отверстия вибростола, цилиндрические концы которого расположены как в центральном гладком отверстии днища корпуса магнитопровода, так и в среднем центральном отверстии вибростола, причем кольцевая упругая мембрана выполнена двухслойной и в зоне, примыкающей к периферийному контуру ее болтового крепления, имеет упругую камеру в виде тороида, сформированную двумя симметричными гофрами каждого из слоев, жестко скрепленных друг с другом, кроме того, со стороны центральной оси в зоне, прилегающей к камере, кольцевая упругая мембрана имеет два круговых ряда сквозных секторальных прорезей, при этом внутренний ряд прорезей перекрывает перемычки внешнего ряда прорезей.
Дополнительно:
- материалом кольцевой упругой мембраны вибрационного устройства является стеклотекстолит, а вибростола - магниевый сплав;
- дополнительная защитная кольцевая резиновая прокладка вибрационного устройства своим периферийным контуром скреплена болтовым креплением с нижним торцом днища корпуса магнитопровода, а контуром своего центрального отверстия - прижимной гайкой с нижним концом штока с возможностью его возвратно-поступательного перемещения в направлении вертикальной оси симметрии.
Наличие цилиндрической части корпуса магнитопровода, днища корпуса магнитопровода, контактирующего с нижним торцом цилиндрической части корпуса магнитопровода, постоянного магнита, соосно контактирующего с верхним торцом днища корпуса магнитопровода, верхнего кольца корпуса магнитопровода, контактирующего с цилиндрической частью корпуса магнитопровода, а также кольцевого воздушного зазора магнитопровода между поверхностью центрального отверстия верхнего кольца корпуса магнитопровода и цилиндрической частью наружной поверхности наименьшего диаметра магнитопровода, обеспечивает, в своей единой совокупности и связи, такой технический эффект, как принципиальную неразрывность магнитного потока замкнутого типа через специальный воздушный зазор.
Наличие периферийного контура кольцевой защитной резиновой прокладки, загерметизированного крышкой корпуса с центральным отверстием, а также контура центрального отверстия кольцевой защитной резиновой прокладки, скрепленного с цилиндрической наружной поверхностью вибростола с возможностью его возвратно-поступательного перемещения в направлении вертикальной оси симметрии, обеспечивает такой технический эффект, как полное отделение внутреннего объема вибрационного устройства от пыли внешней среды со стороны вибростола, что длительное время существенно поддерживает технические характеристики вибрационного устройства на номинальном уровне, а также осуществляет (за счет своей радиальной упругости) дополнительные условия удержания центральной оси вибростола от неприемлемых величин радиального биения.
Наличие подвижной системы подвеса вибростола вибрационного устройства обеспечивает такой технический эффект, как принципиальную возможность генерации под действием внешней силы, например, гармонических колебаний вибростола и его посадочного места с испытуемым изделием.
Наличие скрепления кольцевой электрической катушки с частью внешней цилиндрической поверхности вибростола в кольцевом воздушном зазоре магнитопровода, обеспечивает такой технический эффект, как возможность реализации возвратно-поступательного движения вибростола под воздействием сил, действующих в магнитном поле постоянного магнита на кольцевую электрическую катушку при пропускании через нее, например, переменного электрического тока.
Выполнение дополнительного кольца корпуса магнитопровода меньшего диаметра, примыкающим сверху к верхнему кольцу корпуса магнитопровода в виде единого ступенчатого вала с гладким центральным отверстием; а также выполнение постоянного магнита в виде горизонтального плоского кольца, примыкающим как к нижнему торцу верхнего кольца корпуса магнитопровода, так и к верхнему торцу большего диаметра днища корпуса магнитопровода в условиях, когда днище корпуса магнитопровода имеет вид ступенчатого вала с негладким центральным отверстием - коническим с нижнего торца и гладким с противоположного, обеспечивает такой технический эффект, как увеличение высоты воздушного кольцевого зазора магнитопровода на толщину дополнительного кольца корпуса магнитопровода. В итоге реализуется сверхсуммарное следствие - увеличение силы, действующей на кольцевую электрическую катушку (в условиях применения достаточно сильного постоянного магнита) при пропускании через нее переменного электрического тока и соответствующего увеличении ее обмотки по высоте. Еще более дальнее следствие при прочих равных условиях -возможность допуска к испытаниям изделий повышенной массы в низкочастотной области функционирования вибрационного устройства в силу появления возможности увеличения осевой силы, воздействующей на кольцевую электрическую катушку при большей силе тока, пропускаемой по ней.
Выполнение вибростола в виде вала с двухступенчатым центральным отверстием и внешним фланцем болтового крепления контура отверстия кольцевой упругой мембраны, обеспечивает ряд технических эффектов. С одной стороны, принципиальную возможность самого фланцевого болтового крепления контура центрального отверстия кольцевой упругой мембраны к вибростолу, а значит и принципиальную возможность упрощения способа ее крепления. С другой стороны, - как сверхсуммарное следствие, принципиальную возможность использования среднего центрального отверстия вибростола в качестве направляющего элемента верхнего цилиндрического конца штока (не закрепленного в нем) для дополнительного центрирования (за счет сил трения) подвижной системы подвеса вибростола, включая и испытуемое изделие.
Наличием в большем центральном отверстии вибростола и, одновременно, в центральном гладком отверстии днища корпуса магнитопровода штока с фланцем между его цилиндрическими концами, который имеет возможность свободного перемещения в зазоре между верхним торцом меньшего диаметра днища корпуса магнитопровода и большей ступенькой центрального отверстия вибростола, обеспечивается другой ряд технических следствий. С одной стороны, обеспечивается такой сверхсуммарный технический эффект, как дополнительное взаимное центрирование элементов подвижной системы относительно центральной оси симметрии (задаваемой неподвижной осью днища корпуса магнитопровода) и друг друга. С другой стороны, - существенно упрощается конструкция вибрационного устройства в силу отказа от применения второго центрирующего кольцевого упругого мембранного подвеса вибростола (в отличие от прототипа). Что и приводит к возможности дополнительного увеличения массы исследуемого изделия в низкочастотной области, а также к упрощению и удешевлению конструкции вибрационного устройства в целом без снижения его эксплуатационных характеристик.
Выполнение кольцевой упругой мембрана двухслойной, а также наличие упругой камеры в виде тороида в зоне, примыкающей к ее периферийному контуру болтового крепления, обеспечивает следующие эффекты. С одной стороны, реализуется такой известный технический эффект, как реализация возможности увеличения прогиба кольцевой упругой мембраны за счет деформирования (сплющивания) центральных сечений тороида в сторону их меньшей выпуклости. С другой стороны, увеличение прогиба кольцевой упругой мембраны обеспечивает и сверхсуммарный дополнительный эффект - уменьшение жесткости подвижной системы вибрационного устройства в виде упругого кольцевого подвеса вибростола мембранного типа, а, значит, реализует и принципиальную возможность испытаний изделий в условиях, когда целью являются расширение полосы низкочастотных испытаний вплоть до единиц Герц.
Наличие у двухслойной кольцевой упругой мембраны двух симметричных слоев с гофрами специальной формы, которые жестко скреплены друг с другом, обеспечивает такой технический эффект, как принципиальную возможность относительно простыми технологическими способами изготовление сменных наборов различных типоразмеров кольцевых упругих мембран с кольцевыми камерами на их периферии. Такие мембраны, изготовленные из листового материала различной толщины, обладают требующимися различными физико-механическими характеристиками (включая способность сохранять работоспособность и в области более низких частот). При этом сохранение посадочных размеров мембран из набора одинаковыми обеспечивает и решение поставленной задачи по сокращению затрат на разработку и испытания новых изделий, используя, при этом, один и тот же типоразмер самого вибрационного устройства.
В зоне, примыкающей к камере со стороны центральной оси, кольцевая упругая мембрана, имеющая два круговых ряда сквозных секторальных прорезей, где внутренний ряд прорезей перекрывает перемычки внешнего ряда прорезей, обеспечивает такой известный технический эффект, как уменьшение ее жесткости. Однако, при этом, реализуется и сверхсуммарный эффект - подавление неосесимметричного возвратно-поступательного перемещения центральной части кольцевой упругой мембраны совместно с испытуемым изделием. При этом неосесимметричный процесс теоретически возможен, если крепление периферийной зоны мембраны осуществлено симметрично расположенными болтами через жесткое кольцо, а не жесткой заделкой. Заявляемые же прорези, реализуя требуемое уменьшение жесткости мембраны, одновременно обеспечивают и процесс выравнивания возможных секторальных выбросов радиальных усилий в мембране (а, значит, и деформаций, искажающих форму колебаний вибростола). В предлагаемом варианте конструкции кольцевой упругой мембраны секторальные деформации мембраны по ее окружности (при их случайном и маловероятном появлении) гасятся сразу же за вторым рядом прорезей. Процесс реализуется за счет их рассеивания и секторального сглаживания при выходе на прорезь внутреннего ряда. Что и обеспечивает возможность существенного упрощения и удешевления конструкции самого вибрационного устройства, исключением чужих запатентованных мембран и способа их крепления. Дополнительно:
- дополнительная защитная кольцевая резиновая прокладка, скрепленная своим периферийным контуром с нижним торцом днища корпуса магнитопровода, а контуром своего центрального отверстия - с цилиндрической поверхностью нижнего торца штока с возможностью его возвратно-поступательного перемещения в направлении вертикальной оси симметрии, обеспечивает защиту полости вибрационного устройства от внешней пыли, что длительное время существенно поддерживает технические характеристики вибрационного устройства на номинальном уровне, а также осуществляет (за счет своей радиальной упругости) дополнительные условия удержания оси штока от неприемлемых величин радиального биения;
- стеклотекстолит (как упругий слоистый пластик достаточной жесткости и малой плотности) в качестве материала кольцевой упругой мембраны обеспечивает требуемые параметры жесткости конкретной мембраны. Требуемые параметры обеспечиваются как при высокочастотных испытаниях изделий малой массы, так и - низкочастотных для изделий повышенной массы в условиях, когда существует принципиальная возможность быстрой и дешевой замены самой кольцевой упругой мембраны с более жесткой на менее жесткую и наоборот. Принципиальная возможность иметь кольцевые упругие мембраны в широком диапазоне жесткости обеспечивается наличием широкой номенклатуры по толщине стеклотекстолита отечественного производства;
- при изготовлении миниатюрных вибрационных устройств магниевый сплав в качестве материала вибростола обеспечивает значимое сокращение массы подвижной системы за счет его малой плотности, что и реализует принципиальную возможность уменьшения допустимой массы исследуемых изделий в условиях, когда целью являются расширение полосы высокочастотных испытаний.
Таким образом, единая совокупность технических эффектов, реализуемая предлагаемой конструкцией подвижной системы вибрационного устройства, а также специальное выполнение штока с фланцем между его цилиндрическими концами в совокупности с поверхностями его контактирования, надежно обеспечивают неискаженную форму волны ускорения механических колебаний и уменьшают до минимума влияние поперечных сил и искажений (до уровня прототипа) в условиях существенного удешевления процессов отработки новых изделий.
На рис. 1 - приведен пример выполнения вибрационного устройства, его фронтальное сечение; на рис. 2 - приведено диаметральное сечение двухслойной кольцевой упругой мембраны; на рис. 3 - приведена горизонтальная проекция двухслойной кольцевой упругой мембраны, где:
1 - цилиндрический корпус с вертикальной осью симметрии;
2 - крышка с центральным отверстием;
3 - защитная кольцевая резиновая прокладка;
4 - цилиндрическая часть корпус магнитопровода;
5 - днище корпуса магнитопровода в виде ступенчатого вала с негладким центральным отверстием, которое имеет форму конуса с нижнего торца и цилиндрическую форму с противоположного торца;
6 - постоянный магнит в виде плоского кольца;
7 - верхняя часть корпуса магнитопровода в виде ступенчатого вала с гладким центральным отверстием;
8 - кольцевой воздушный зазор;
9 - вибростол в виде вала с двухступенчатым центральным отверстием, внешним фланцем и отверстием для установки испытуемого изделия на его гладком торце;
10 - подвижная система подвеса вибростола 9;
11 - кольцевая электрическая катушка;
12 - кольцевая упругая мембрана подвеса вибростола 9;
13 - дополнительная защитная кольцевая резиновая прокладка;
14 - шток с фланцем между его цилиндрическими концами;
15 - упругая камера кольцевой упругой мембраны 12;
16 - отдельный слой кольцевой упругой мембраны 12 с гофром 16А специальной формы;
17 - внутренний круговой ряд сквозных секторальных прорезей;
18 - внешний круговой ряд сквозных секторальных прорезей.
Клеммы подключения вибрационного устройства к внешнему электрогенератору и внутренняя разводка проводов к кольцевой электрической катушке 11 на рисунках не показаны.
Вибрационное устройство содержит цилиндрический корпус 1 с вертикальной осью симметрии, крышку 2 с центральным отверстием, защитную кольцевую резиновую прокладку 3 (смотри рис. 1), герметизирующую внутреннюю полость вибрационного устройства. К нижнему торцу цилиндрической части корпуса магнитопровода 4 примыкает днище корпуса магнитопровода 5, выполненное в виде ступенчатого вала с негладким центральным отверстием, которое с нижнего торца коническое, а с противоположного торца гладкое (цилиндрическое). Постоянный магнит 6 в виде горизонтального плоского кольца нижним торцом контактирует с верхним торцом днища корпуса магнитопровода 5 большего диаметра, а боковой поверхностью - с цилиндрической частью корпуса магнитопровода 4. Верхняя часть корпуса магнитопровода 7 в виде ступенчатого вала с гладким центральным отверстием примыкает сверху к верхнему торцу постоянного магнита 6. Цилиндрическая поверхность центрального отверстия верхней части корпуса магнитопровода 7 и внешняя цилиндрическая поверхность меньшего диаметра днища корпуса магнитопровода 5 образуют кольцевой воздушный зазор 8.
Цилиндрический корпус магнитопровода 4, верхняя часть корпуса магнитопровода 7 и днище корпуса магнитопровода 5 выполнены из электротехнической стали и совместно с постоянным магнитом 6 замыкают магнитный поток через кольцевой воздушный зазор 8.
Вибростол 9 скреплен с подвижной системой 10, в состав которой входят все подвижные элементы вибрационного устройства, а именно:
- сам вибростол 9;
- кольцевая электрическая катушка 11, размещенная в кольцевом воздушном зазоре 8 корпуса магнитопровода и жестко скрепленная с тонкостенной частью наружной цилиндрической поверхности вибростола 9 с возможностью его возвратно-поступательного перемещения в направлении вертикальной оси симметрии вибрационного устройства;
- кольцевая защитная резиновая прокладка 3, контур центрального отверстия которой скреплен с цилиндрической наружной поверхностью вибростола 9 с возможностью его возвратно-поступательного перемещения в направлении вертикальной оси симметрии вибрационного устройства;
- кольцевая упругая мембрана 12 подвеса вибростола 9, которая контуром своего центрального отверстия скреплена (простым болтовым соединением через прижимное кольцо) с фланцем вибростола 9. А контуром своей периферийной части кольцевая упругая мембрана 12 скреплена (простым болтовым соединением через прижимное кольцо) с верхним торцом цилиндрической части корпуса магнитопровода 4, что существенно упрощает и удешевляет само вибрационное устройство;
- испытуемое изделие, крепящееся к верхнему гладкому торцу вибростола 9 в его резьбовом отверстии (на рис. 1 не показано).
- дополнительная защитная кольцевая резиновая прокладка 13, которая своим периферийным контуром скреплена с торцом днища корпуса магнитопровода 5 (смотри рис. 1), а кромкой своего центрального отверстия - с цилиндрической поверхностью нижнего конца цилиндрического штока 14 с возможностью его возвратно-поступательного перемещения в направлении вертикальной оси симметрии вибрационного устройства.
Цилиндрический шток 14 с фланцем на боковой поверхности имеет возможность свободного скольжения (за счет сил трения контактирующих с ним поверхностей). Конструктивно скольжение цилиндрического штока 14 в осевом направлении контролируется его фланцем. Перемещение фланца конструктивно допускается только в зазоре между верхним торцом днища корпуса магнитопровода 5 и большей ступенькой центрального отверстия вибростола 9 (смотри рис. 1). При этом своими цилиндрическими концами, разделенными фланцем, шток 14 одновременно контактирует с (смотри рис. 1):
- боковой поверхностью среднего центрального отверстия вибростола 9;
- боковой поверхностью центрального гладкого отверстия днища корпуса магнитопровода 5.
Кольцевая упругая мембрана 12 подвеса вибростола 9 двухслойна (смотри рис. 2). А в зоне, примыкающей к своему периферийному контуру ее болтового крепления, кольцевая упругая мембрана 12 имеет упругую камеру 15 в виде тороида (смотри рис. 2 и рис. 3). При этом отдельные симметричные слои 16 (смотри рис. 2) кольцевой упругой мембраны 12 подвеса вибростола 9 жестко скреплены друг с другом. Каждый из отдельных слоев 16 имеет гофр 16А специальный формы, которые после своего скрепления друг с другом образуют упругую кольцевую камеру 15 чечевицеобразной формы.
Со стороны центральной оси в зоне, прилегающей к камере 15, кольцевая упругая мембрана 12 имеет два круговых ряда сквозных секторальных прорезей, причем внутренний ряд прорезей 17 перекрывает перемычки внешнего ряда прорезей 18.
Пример конкретного выполнения вибрационного устройства имеет следующие массовые и геометрические параметры: массу - 9,8 кг, высоту -123 мм, диаметр - 172 мм.
В представленном вибрационном устройстве использована электродинамическая приводная система, которая состоит из:
3
- неодимового постоянного магнита класса N48H в виде горизонтального плоского кольца 6, который длительно обеспечивает неизменяющееся сильное стационарное магнитное поле до температур не выше 120°С при плотности 7430 кг/м и коэрцитивной силе более 1353 кА/м;
- корпуса магнитопровода, включающего цилиндрический корпус магнитопровода 4, верхнюю часть корпуса магнитопровода 7 и днище корпуса магнитопровода 5. Металлические составные части корпуса магнитопровода выполнены из электротехнической стали. Они формируют (замыкают) стационарный магнитный поток неодимового постоянного магнита 6 через кольцевой воздушный зазор 8 магнитопровода;
- подвижной системы 10 подвеса вибростола 9, включающей кольцевую электрическую катушку 11 на текстолитовой подложке, скрепленную с вибростолом 9, а также стеклотекстолитовую кольцевую упругую мембрану 12 подвеса вибростола 9. При этом конструктивным материалом двухслойной кольцевой упругой мембраны является листовой стеклотекстолит толщиной, например, 0,5 мм марки СТ-ЭТФ ГОСТ 12652-74 с плотностью 1,72 кг/м. Изготавливаются исходные слои 16 кольцевой упругой мембраны 12 с кольцевым гофром 16А методом горячего прессования, а скрепляются друг с другом методом термодиффузионной сварки в среднем вакууме. Конструктивным материалом вибростола является магниевый сплав, легированный литием марки МЛ21, плотность которого не превышает 1540 кг/м, что, в итоге, и обеспечивает минимизацию массы подвижной системы 10 вибрационного устройства;
- испытуемого изделия, крепящегося к верхнему гладкому торцу вибростола 9 в его резьбовом отверстии (на рис. 1 не показано). Постоянный магнит 6, создающий постоянное сильное магнитное поле, представляет собой магнитопровод с подвижной электрической кольцевой катушкой 11. При пропускании через подвижную электрическую кольцевую катушку 11 переменного тока от задающего генератора мощностью до не более 85 Вт образуется переменное магнитное поле. В результате взаимодействия постоянного и переменного магнитных полей возникает переменная сила, заставляющая всю подвижную систему, включая стеклотекстолитовую кольцевую упругую мембрану 12 подвеса вибростола 9, совершать колебания в соответствии с направлением этой силы.
Если по обмотке подвижной кольцевой электрической катушки 11 пропускать синусоидальный ток, то колебания вибростола 9 вибрационного устройства будут иметь синусоидальную форму, при этом частота колебаний вибростола 9 будет определяться частотой тока в подвижной кольцевой электрической катушке 11. При токе до 6А и напряжении 12 В не требуется искусственного воздушного охлаждения при кратковременных испытаниях.
При необходимости кратковременного увеличения тока до 7 А вибрационное устройство требуется охлаждать подготовленным очищенным холодным воздухом, продувая его со стороны нижнего торца и снятых резиновых прокладках 13 и 3. При этом вибрационное устройство вкручивается своим нижним торцом в специальную оснастку (на рис. 1 не показана).
Амплитуда виброускорений, создаваемая вибрационным устройством, зависит от величины магнитного потока, создаваемого постоянным неодимовым магнитом, и массы испытуемого изделия (иначе - от величины переменной силы при прочих равных условиях сравнения).
Имея сменный набор мембран, обеспечивается возможность калибровки высокочастотной чувствительности акселерометров массой, например, до 16 г, а также низкочастотной чувствительности, массой, например, не меньше 4,6 кг. Максимальное ускорение ненагруженного вибростола с подвижной массой 94,2 г достигает 490 м/с, что, примерно, на 13% превышает показатели прототипа. Частотные характеристики вибродатчиков можно измерять в частотном диапазоне от 5 Гц до 23 кГц.
При этом допустима простая и дешевая перестройка вибрационного устройства на низкочастотную полосу частот, связанную с возможным увеличением массы изделий.
Заявляемое вибрационное устройство является универсальным возбудителем механических колебаний и отличается оптимизированными эксплуатационными характеристиками. Основные области применения: калибровка акселерометров, виброиспытания небольших объектов, измерения механического импеданса, применение для учебных целей.