ВИБРОДЕМПФИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
VIBRATION DAMPING DEVICE

Изобретение относится к устройствам для гашения вибраций и ударов и может быть использовано в машиностроении и транспорте для защиты объектов различного назначения от действия вибрации и ударов со стороны носителя.
Известна вибро-удародемпфирующая опора (ЕР 0059143, опубл. 16.02.1982), которая содержит виброизоляторы из спирали стального троса с опорными пластинами, установленными на витках спирали в диаметрально противоположных местах окружности витков. Виброизоляторы установлены на опорных конструкциях опоры, которые имеют поверхности, ограничивающие деформацию витков спирали. Виброизоляторы установлены либо на горизонтальных поверхностях опорных конструкций, либо на вертикальных, либо на наклонных. Поверхности витков спиралей виброизоляторов не имеют зазоров с ограничивающей поверхностью, и ограничивающая поверхность действует непосредственно на трос. Трос спирали виброизолятора закреплен в пазах опорных пластин, которые являются разборными.
Однако отсутствие зазора между поверхностью витков спиралей виброизоляторов с ограничительными поверхностями уменьшает рабочий ход виброизолятора. Для получения более низкочастотных опор требуется увеличить длину витков, так как некоторая часть каждого витка от края опорной пластины до дальней точки его касания с ограничительной поверхностью не участвует в рабочем процессе. Это приводит к необходимости увеличения длины витков для получения нужной частотной характеристики в области низких частот, повышая массогабаритные показатели устройства.
Известен также тросовый амортизатор (RU 2305809, опубл. 10.09.2007), который содержит упругий элемент в виде спирали из стального троса и два металлических основания с отверстиями под трос, установленные на витках спирали в диаметрально противоположных точках окружности последней. Закрепление троса в отверстиях выполнено вдавливанием участков поверхности основания по оси троса с одной стороны. При этом происходит поперечная деформация троса и он приобретает совместно с отверстиями форму, близкую к круговому сегменту.
Недостатком известного амортизатора является то, что при указанных параметрах вдавливания центральный угол сегмента находится в пределах  225-240° и большая часть поверхности отверстия остается круглой формы.
Сил трения или сцепления с круглой частью отверстия недостаточно для противодействия скручивающему моменту, возникающему при деформации некоторых частей витков спирали, где направление деформации совпадает с направлением навивки троса. При длительной эксплуатации устройства будет наблюдаться скольжение прядей троса относительно круглых частей стенок отверстий, что послужит причиной сокращения срока его службы.
Наиболее близкой по технической сущности к настоящему изобретению является вибродемпфирующая опора, содержащая два виброизолятора, выполненных в виде спиралей из стального троса с опорными пластинами, установленными на витках спирали в диаметрально противоположных плоскостях (RU 2348840, опубл. 10.03.2009).
Опорные пластины закреплены на участках опорных конструкций, снабженных ограничительными поверхностями, и выполненных наклонными под углом к горизонтали. Продольные оси спиралей виброизолятора параллельны между собой. Между внешней поверхностью витков спирали и ограничительными поверхностями на опорных конструкциях вибродемпфирующей опоры выполнен зазор постоянной величины, зависящей от величины допустимой деформации виброизолятора.
Главным недостатком указанной опоры является наличие участка характеристики жесткости с постоянным значением величины жесткости, что в сочетании с недостаточным коэффициентом демпфирования стального троса  спирали виброизолятора приводит к резонансным явлениям, в результате чего возрастает износ троса. Этот процесс имеет тенденцию к усилению к концу срока службы вибродемпфирующей опоры данной конструкции.
Технический результат - повышение срока службы вибродемпфирующего устройства за счет снижения износа витков стального троса виброизоляторов путем исключения резонансных явлений, возникающих в процессе эксплуатации.
Указанный технический результат достигается вследствие того, что вибродемпфирующее устройство содержит два виброизолятора, расположенные внутри опорной конструкции, каждый из которых выполнен в виде витков спирали из стального троса, закрепленных на двух опорных пластинах в диаметрально противоположных плоскостях и установленных на опорной конструкции с образованием зазоров Δ между ограничительными поверхностями опорной конструкции и внешней поверхностью витков спирали со стороны ограничительных поверхностей опорной конструкции, согласно п. 1 формулы, каждый виброизолятор содержит по меньшей мере четыре витка спирали, витки спирали со стороны ограничительных поверхностей выполнены с разной длиной, один из указанных витков установлен без зазора Δ, остальные витки установлены с зазорами разной величины с возможностью поочередного касания их внешних поверхностей ограничительной поверхности опорной конструкции в процессе нагружения вибродемпфирующего устройства.
Выполнение витков спирали со стороны ограничительных поверхностей с разной длиной, когда один из указанных витков установлен без зазора, а остальные витки установлены с зазорами разной величины с возможностью поочередного касания их внешних поверхностей ограничительной поверхности опорной конструкции в процессе нагружения вибродемпфирующего устройства, обеспечивает требуемые характеристики жесткости К для разных типоразмеров виброизоляторов, т.к. возможен предварительный расчет величин зазоров для каждого витка спирали в зависимости от расчетных характеристик жесткости конструкции для заданной массы нагрузки.
Такая конструкция позволяет осуществлять касание внешней поверхности витков троса ограничительных поверхностей опорной конструкции по заданному алгоритму, т.е. в таком порядке, когда нагружение виброизолятора осуществляется постепенно, без резких перегибов характеристики жесткости, вызывающих резонансные явления и, как следствие, износ конструкций.
Соблюдение вышеперечисленных признаков позволяет виброизолятору сохранять форму, близкую к цилиндрической, и отсутствие уклона верхней опорной конструкции относительно нижней, поэтому отпадает необходимость компенсирования не параллельности плоскостей путем создания дополнительного вращающего момента.
Согласно п. 2 формулы величина каждого зазора рассчитана в зависимости от заданных характеристик жесткости виброизолятора и составляет (0-0,15) от наружного радиуса витка, который установлен без зазора Δ. Такой расчет необходим для обеспечения требуемого уровня жесткости для конкретного типоразмера вибродемпфирующего устройства.
Согласно п. 3 формулы трос запрессован в опорной пластине в трех местах по оси троса, одно из которых расположено по середине опорной пластины с наружной или внутренней стороны, два других - с противоположной стороны и симметрично смещены к краям, а место запрессовки имеет форму шарового сегмента диаметром d=0,7-0,9 от диаметра троса D и глубиной h=0,2-0,3 от диаметра троса D.
Такое исполнение обеспечивает прочное крепление стального троса в опорных пластинах и надежность работы всей конструкции. Трос испытывает два вида деформаций - поперечную по форме близкую к круговому сегменту и продольную зигзагообразную вдоль оси троса. Сочетание двух видов деформации надежно закрепляет трос в опорной пластине, исключая возможность его проворачивания, что особенно актуально в условиях возрастающей жесткости виброизолятора.
Согласно п. 4 формулы угол α между плоскостями опорных пластин составляет 80-100°. Указанная величина угла обеспечивает оптимальное соотношение жесткости вибродемпфирующего устройства в вертикальном и поперечном направлениях при воздействии вертикальных и поперечных нагрузок, соответственно.
Изобретение проиллюстрировано следующими фигурами.
На фиг. 1 представлена конструкция заявляемого устройства, вид сбоку.
1 - спираль виброизолятора;
2 - верхняя опора опорной конструкции;
3 - нижняя опора опорной конструкции;
4 - ограничительная поверхность опорной конструкции;
5 - опорная пластина;
6 - витки спирали стального троса;
7 - плоскость опорных пластин 5;
8 - болтовое соединение опорных пластин 5 с опорными конструкциями;
9 - точка касания наружной поверхности витка 6 ограничительной поверхности 4 нижней опоры 3 опорной конструкции. На фиг. 2 представлен разрез А-А на фиг. 1 в случае, когда количество витков спирали виброизолятора равно 4, где
10 - первый (крайний левый) виток;
11 - второй виток;
12 - третий виток;
13 - четвертый виток.
На фиг. 3 представлен разрез А-А на фиг. 1 в случае, когда количество витков спирали виброизолятора равно 5, где
14 - пятый виток.
На фиг. 4 представлен разрез А-А на фиг. 1 в случае, когда количество витков спирали виброизолятора равно 6, где
15 - шестой виток.
На фиг. 5 представлен разрез А-А на фиг. 1 в случае, когда количество витков спирали виброизолятора равно 8, где
16 - седьмой виток;
17 - восьмой виток.
На фиг. 6 представлен график возрастания величины жесткости конструкции (К) в зависимости от величины смещения (δ) под воздействием внешней нагрузки:
I - конструкция по прототипу;
II - конструкция по изобретению (виброизолятор содержит 4 витка спирали).
Известно, что жесткость конструкции определяет способность сопротивляться действию внешних нагрузок с допустимыми деформациями без нарушения работоспособности системы.
На графике фиг. 6 видно, что при увеличении нагрузки жесткость конструкции по прототипу (кривая I) резко возрастает после перегиба в точке в, что вызывает опасные резонансные явления, которые способствует ускоренному износу стального троса витков спирали виброизолятора.
2
3
4
Также видно, что резкий перегиб кривой II не наблюдается, т.к. он заменяется на несколько мелких перегибов а, а а при этом изменение скорости возрастания жесткости К будет в несколько раз (например, в 4 раза) меньше, чем в точке в. Это говорит о том, что конструкция по изобретению исключает резонансные явления.
На фиг. 7 показано место крепления троса в опорной пластине, где:
D - диаметр троса;
d - диаметр шарового сегмента в месте запрессовки;
h - глубина шарового сегмента.
На фиг. 8 представлена Таблица, иллюстрирующая порядок касания поверхностью витков ограничительной поверхности для виброизоляторов с разным количеством витков.
Вибродемпфирующее устройство по изобретению работает следующим образом.
Под действием внешней нагрузки на верхнюю опору 2 опорной конструкции вибродемпфирующего устройства наружные поверхности стального троса витков 6 спиралей 1 обоих виброизоляторов начнут взаимодействовать с ограничительной поверхностью 4 опорной конструкции.
Для случая с 4-мя витками порядок работы виброизоляторов будет следующим (фиг. 2):
2-1
3-1
4-1
1-1
Виток 11 имеет нулевой зазор Δ, он постоянно касается поверхности 4 в точке 9. Следующие витки 12, 13 и 10 с зазорами Δ, Δ, Δ, соответственно, под действием внешней нагрузки будут опускаться до соприкосновения с поверхностью 9 последовательно с очередностью, как показано в Таблице на фиг. 8.
2-2
4-2
3-2
5-2
1-2
Для пятивиткового виброизолятора порядок опускания витков 10, 11, 13, 12, 14, 10 с зазорами Δ (равно 0), Δ, Δ, Δ и Δ, соответственно, представлен в Таблице на фиг. 8.
2-3
5-3
3-3
4-3
6-3
1-3,
Для шестивиткового виброизолятора порядок опускания витков 10, 11, 14, и 12, 13, 15, 10 с зазорами Δ (равно 0), Δ, Δ, Δ, Δ, Δ соответственно, представлен в Таблице на фиг. 8.
2-4
7-4
7-4
3-4
5-4,
4-4
8-4
1-4
Для восьмивиткового виброизолятора порядок опускания витков 10, 11, 16, 12, 15, 14, 13, 17, 10 с зазорами Δ (равно 0), Δ, Δ. Δ, Δ Δ, Δ, Δ, соответственно, представлен в Таблице на фиг. 8.
В случае, когда количество витков составляет более 8-ми, например, 9, 10 и т.д. алгоритм работы вибродемпфирующего устройства будет выполняться аналогично.
При этом износ троса будет минимальным, а резонансные явления будут исключены.
Такой алгоритм работы позволяет добиваться значительного повышения срока службы вибродемпфирующего устройства за счет снижения износа витков стального троса виброизолятора путем исключения резонансных явлений, возникающих в процессе эксплуатации.