СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЖЕСТКОСТИ ВИБРОЗАЩИТНОЙ СИСТЕМЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
CONTROL METHOD OF STIFFNESS OF ANTI-VIBRATION SYSTEM, AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в подвесках транспортных средств, оборудования, различных приборов и аппаратуры, а также в конструкциях кресел человека-оператора.
Изменение динамического состояния различных механических систем в настоящее время связано с введением в структуру виброзащитных колебательных систем различных связей в виде устройств, способных изменять частоты собственных колебаний и режимы динамического гашения колебаний, что позволяет обеспечить необходимые свойства виброзащитной системы. Возможности данных подходов ограничиваются элементами конструктивной реализации устройств, способных рассеивать энергию колебаний. В связи с этим актуальным направлением является поиск других конструктивных решений, основанных на новых способах изменения динамического состояния виброзащитной системы.
Известно устройство для защиты от вибраций [Остроменский П.И., Никифоров И.С., Кинаш Н.Ж., Остроменская В.А. «Виброзащитная подвеска сидения», патент 2156192 С2 RU, МПК B60N 2/54, приоритет от 15.07.1996]. Виброзащитная подвеска сиденья, содержащая несущую опору и подвесную опору, между которыми закреплен основной упругий подвес и корректор жесткости - дополнительный упругий подвес с неустойчивым средним положением равновесия, причем корректор жесткости выполнен из двух одинаковых, сжатых до овальной формы упругих кольцевых элементов, расположенных друг против друга симметрично относительно продольной оси симметрии сиденья, причем ближайшие участки упругих кольцевых элементов прикреплены шарнирно к одной опоре, а диаметрально противоположные участки кольцевых элементов шарнирно соединены с другой опорой, при этом большие оси симметрии сжатых упругих кольцевых элементов и оси всех их шарнирных соединений с опорами параллельны продольной оси сиденья. Упругие кольцевые элементы виброзащитной подвески сиденья выполнены из троса. Каждый упругий кольцевой элемент выполнен в виде бухты, намотанной, например, из пружинной ленты или проволоки с возможностью относительного перемещения витков с трением. Недостатком данного изобретения является наличие неустойчивого среднего положения корректора, что при динамических воздействиях может привести к неустойчивости виброзащитной системы в целом. Также к недостаткам следует отнести невозможность изменять параметры виброзащитной системы в широком диапазоне частот.
Известен способ виброизоляции и виброизолятор с квазинулевой жесткостью [Кочетов О.С., Кочетова М.О., Ходакова Т.Д. «Способ виброизоляции и виброизолятор с квазинулевой жесткостью», патент 2298119 C1 RU, МПК F16F 7/08, F16A 9/06, приоритет от 19.09.2005]. Способ виброизоляции, заключающийся в том, что виброизолируемый объект устанавливают на плоские упругие элементы, а демпфирование колебаний осуществляют с помощью демпфера, при этом плоские упругие элементы выполняют в виде пакета упругих элементов арочного типа, а демпфирование колебаний осуществляют с помощью вязкоупругого демпфера, выполненного в виде упругодемпфирующего кольца, связанного с упругими элементами через втулки и расположенного в плоскости, перпендикулярной вертикальной оси пакета упругих элементов за счет радиальной деформации упругих элементов.
Виброизолятор с квазинулевой жесткостью, содержащий плоские упругие и демпфирующие элементы, при этом плоские упругие элементы выполнены в виде пакета упругих элементов арочного типа в виде набора чередующихся во взаимно перпендикулярных направлениях плоских пружин, опирающихся на основание, а демпфирующий элемент виброизолятора выполнен в виде упругодемпфирующего кольца из эластомера, расположенного по замкнутому контуру в плоскости, перпендикулярной оси виброизолятора, и взаимодействующего со втулками, которые связаны с опорными участками плоских пружин посредством заклепок, причем упругодемпфирующее кольцо имеет в поперечном сечении форму круга, эллипса, треугольника, квадрата, прямоугольника, многоугольника. Упругодемпфирующее кольцо выполнено полым и имеет в поперечном сечении форму круга, эллипса, треугольника, квадрата, прямоугольника, многоугольника, причем полость упругодемпфирующего кольца заполнена вязкой жидкостью или сжатым до определенного давления воздухом или газом.
Недостатками данного изобретения являются: необходимость при гашении колебаний использовать дополнительно демпфер вязкого трения; невозможность настройки устройства в процессе работы на необходимые режимы, в частности, отстраиваться от резонансных частот, осуществлять настройку режимов динамического гашения, получать условия «отрицательной» жесткости.
К наиболее близкому техническому решению следует отнести способ регулирования жесткости виброизолирующего устройства компактного сидения для человека-оператора транспортно-технологической машины и виброизолирующее устройство для реализации способа [Говердовский В.Н., Ли Чен-Мен «Способ регулирования жесткости виброизолирующего устройства компактного сидения для человека-оператора транспортно-технологической машины и виброизолирующее устройство для реализации способа», патент 2214335 С2 RU, МПК B60N 2/50, приоритет от 04.05.2001]. Способ регулирования жесткости виброизолирующего устройства сиденья для человека-оператора транспортно-технологической машины, заключающийся в смягчении упругого элемента виброизолирующего устройства путем деформирования дополнительного упругого элемента в закритической области по одной из координат до второй формы изгиба, его нагружения по другой координате до одной из критических точек исходной формы равновесия и последующего совместного деформирования обоих упругих элементов за критической точкой. Сообщения системе колебаний присоединяют поочередно к упругому элементу и дополнительному упругому элементу подвижные структурные элементы, имеющие параметры, связанные между собой передаточной функцией Ф, при этом параметры дополнительного упругого элемента определяют из условия k2(φ)=
-k1(min)(q)/Ф, где k2(φ) - крутильная "отрицательная" жесткость дополнительного упругого элемента в направлении локальной угловой координаты φ и связанной с ней нелинейной зависимостью, kl(min)(q) - минимальная жесткость упругого элемента в направлении обобщенной координаты q, далее деформируют дополнительный упругий элемент до начального рабочего состояния и фиксируют его в таком состоянии, затем обеспечивают контакт подвижных структурных элементов между собой до образования кинематической цепи, не изменяющей начальных структурных и геометрических характеристик системы. После чего освобождают дополнительный упругий элемент из фиксированного состояния, нагружают виброизолирующее устройство и удерживают его на участке минимальной по модулю суммарной жесткости упругого элемента и дополнительного упругого элемента путем параметрической стабилизации последнего в соответствии с изменениями жесткости упругого элемента.
Виброизолирующее устройство для реализации данного способа, содержащее основание, упругий элемент, включающий упругие звенья, рычажный направляющий механизм, механизм регулирования статической нагрузки и дополнительный упругий элемент, включающий размещенные соосно друг другу корпус и втулку, установленную с возможностью вращения, а также плоские тонкостенные конструкции, центральные сечения которых закреплены во втулке, а концы - в корпусе с возможностью упругого изгиба по второй форме при деформировании тонкостенных конструкций в закритической области по одной из координат.В виброизолирующее устройство введен передаточный механизм, включающий опору, установленную на основании, и, по меньшей мере, два подвижных структурных элемента, один из которых, в зависимости от функционального назначения передаточного механизма, является ведущим и установлен соосно оси вращения, по меньшей мере, одного из рычагов направляющего механизма, а второй подвижный структурный элемент соответственно является ведомым и связан с втулкой, при этом дополнительный упругий элемент снабжен устройством для регулирования начального рабочего положения и диапазона рабочих угловых перемещений втулки, выполненным в виде стоек, жестко закрепленных на корпусе, упоров и рычага, причем один конец последнего установлен на втулке, а другой размещен между упорами, установленными на соответствующих стойках с возможностью перемещения относительно корпуса и последующего фиксирования выбранного положения.
Основным недостатком данного изобретения является необходимость и сложность настройки устройства на рабочие режимы виброзащитной системы, и отсутствие возможности изменения параметров виброзащитной системы в процессе работы.
Цель предлагаемого изобретения заключается в том, чтобы обеспечить регулирование жесткости виброзащитной системы.
Задача решается тем, что в способ регулирования жесткости виброзащитной системы включает две ступени гашения вибрации, осуществляемые основным и дополнительными упругими элементами. Отличие в том, что на дополнительную промежуточную платформу прикладывают две инерционные силы, направленные в противоположном направлении, обеспечивающих взаимное гашение горизонтальных колебаний, гашение вертикальных сил от внешнего возмущения осуществляют тем, что накладывают на вибраторы дополнительные силы в виде двух дисбалансов с меняющимися величинами в зависимости от внешнего возмущения путем совместного изменения радиусов двух дисбалансов, тем самым обеспечивая соответствующее регулирование приведенной жесткости системы.
Устройство для осуществления регулирования жесткости виброзащитной системы состоит из основного и дополнительного упругого элементов. Причем на дополнительную промежуточную платформу устанавливают два регулируемых инерционных вращательных вибратора, которые обеспечивают взаимную компенсацию возникающих горизонтальных динамических сил. Гашение вертикальных сил, возникающих от внешнего воздействия, достигается путем установки на инерционных вращающихся вибраторах двух дисбалансов с изменяющимся динамическим воздействием за счет настройки радиуса дисбаланса.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 дана принципиальная схема виброзащитной системы.
На фиг.2 - амплитудно-частотные характеристики при различных α.
1
1
1
2
2
2
Представленный на фиг.1 объект защиты 9 массой М, движение которого определяется координатой y, включает опорные упругие элементы 2 с общей жесткостью k, дополнительные упругие элементы 8 с общей жесткостью k, на которые подвешена дополнительная промежуточная платформа 3 с массой М, совершающая движение по координате y.
На платформе 3 установлены вибраторы 4, на них установлены дисбалансы 5 массой m 6, которые могут перемещаться с одного крайнего положения в другое по рычагу.
Перемещение дисбалансов 5 обеспечивает изменение фазы между внешней силой и инерционной силой на 180°. Для управления процессом установки фазы и дисбалансов 5 на расстоянии r, т.е. расстоянии массы m 6 от оси вращения вибратора 4, используется блок управления 7.
1
1
Под воздействием внешней силы происходит колебание основания 1, объект защиты 9 с массой M приходит в состояние движения по координате y, что требует со стороны виброзащитной системы соответствующей реакции.
Блок управления 7 определяет частоту внешнего воздействия, скорость вращения вибраторов 4 с дисбалансами 5 массой m 6. Массы 6 вращаются в разные стороны и находятся либо в фазе, либо в противофазе к внешнему воздействию, что обеспечивает компенсацию горизонтальных составляющих, возбуждаемых за счет возмущения инерционных сил. Вертикальная составляющая инерционных сил от вращающихся масс 6 изменяется по гармоническому закону с частотой ω, но амплитуда суммарной инерционной силы будет различной и зависит от радиуса вращения r, угловой скорости ω от веса массы 6 дисбаланса 5, и определяется по формуле (1).
Блок управления 7 регулирует отношение амплитуды колебаний внешней силы к амплитуде управляемой инерционной силы, возбуждаемой приводами. Фаза этой силы может иметь две позиции: быть синхронной с внешней силой или быть в противофазе. Такое отношение обозначается через α.
Параметр α может принимать положительные и отрицательные значения; при ω=0 он может иметь нулевое значение. Параметр α, который можно назвать коэффициентом настройки, отражает в физическом смысле, степень влияния дополнительно возбуждаемой инерционной силы, работающей в синфазном или противофазном взаимодействии с внешней силой, обеспечивая необходимое изменение динамических свойств. Изменяя α, можно обеспечить работу виброзащитной системы таким образом, чтобы были реализованы режимы динамического гашения колебаний объекта защиты или выполнение определенных ограничений на амплитуды колебаний объекта защиты 9; при этом виброзащитная система может реализовать различные виды движения, отражаемые амплитудно-частотными характеристиками. Новизна предлагаемого способа заключается в том, что управляемая через параметр α связь между амплитудами внешней силы и возбуждаемой дополнительной инерционной силой реализует эффект изменения приведенной жесткости системы, от которой зависят параметры режима динамического гашения и форма амплитудно-частотной характеристики:
частота динамического гашения определяется по формуле (2):
где передаточная функция системы представлена формулой (3):
0
где p - переменная Лапласа, Q - внешняя сила.
1
1
0
С учетом физических особенностей системы передаточная функция системы: выход - «координата объекта защиты y»; вход - «силовое возмущение в виде гармонической силы, Q=Qsinωt, приложенной к объекту защиты», имеет вид (формула 4):
При этом выражение для определения частоты динамического гашения в конечном итоге и принимает вид:
в
в
где . Здесь m - масса инерционного элемента для возбуждения инерционной силы, r - расстояние до оси вращения груза, m - до оси вращения электродвигателя, ω - угловая скорость вращения электродвигателя (ω соответствует частоте гармонического внешнего силового воздействия.
Коэффициент настройки может принимать положительное и отрицательное значения, что зависит от фазового сдвига между управляемой инерционной силой и внешним силовым воздействием. Коэффициент настройки α может также принимать и нулевое значение. Так как α не входит в знаменатель передаточной функции, то изменение жесткости системы не влияет на собственные частоты колебаний системы. В данном случае реализуется так называемый в теории автоматического управления принцип регулирования по возмущению. Введение дополнительных связей, привносимых действием устройств с дисбалансом, затрагивает лишь числитель передаточной функции. Таким образом, предлагаемый способ изменения жесткости системы позволяет, не затрагивая частот собственных колебаний, изменять в широком диапазоне частоту динамического гашения колебаний. В частности, при α=0 система имеет вид исходной, однако, при α<0 или α>0 изменение положения частоты динамического гашения существенным образом изменяет вид амплитудно-частотных характеристик, позволяя выбирать необходимые рекомендации по выбору параметров виброзащитной системы.
Учитывая особенности работы виброзащитной системы и ее структуру, можно записать систему дифференциальных уравнений движения:
1
2
2
1
Где ÿ; ÿ - ускорение, откуда, с учетом того, что Q=Qα, найдем передаточную функцию виброзащитной системы.
2
0
где α=2mωr/Q.
Изменение настроечного параметра (приводит к эффектам изменения динамического состояния системы на тех же принципах, что и автоматическое управление состоянием по принципу компенсации внешнего воздействия. При этом создают в результате динамических взаимодействий условия для уменьшения колебаний объекта 9 и изменения частотных характеристик системы из-за эффектов локальных изменений жесткостей упругих элементов 8, соединяющих объект защиты 9 и промежуточную массу 3.
В результате численного эксперимента с использованием ППП Matlab показано, что изменение настроечного параметра (существенным образом изменяет вид амплитудно-частотных характеристик. При этом параметры динамического гашения определяются изменениями настроечного параметра α, который может изменяться в пределах от 0 до бесконечно большого положительного значения (фиг.2а), а кроме того α может изменяться в пределах от 0 до -1, реализуя амплитудно-частотные характеристики соответствующей формы. Выбор частотных характеристик зависит от специфики и условий задачи виброзащиты и виброизоляции и рассматриваемого диапазона частот внешних воздействий.
На фиг.2а изображены зависимости (кривые: 12÷17), при изменении α от 0 до 1 с шагом 0,2. При этом частоты динамического гашения смещаются в область низких частот, и наблюдается при α=0,8 эффект возникновения режима динамического гашения до частоты первого резонанса. Последнее представляет собой интересное свойство, которое может быть использовано для защиты сидения оператора. На фиг.2б α изменяется в пределах от 0 до -1. При этом семейство кривых (12÷17) смещается вправо, то есть в область более высоких значений частот динамического гашения. Численный эксперимент подтверждает возможности способа регулирования динамических свойств виброзащитной системы в отношении регулирования частотного интервала динамического гашения и возможностей получения падающей амплитудно-частотной характеристики (динамическое гашение до первого резонанса); при этом частоты собственного колебания не изменяются.