ВИБРОИЗОЛЯТОР С УПРУГОДЕМПФИРУЮЩИМИ СТЕРЖНЕВЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
VIBRATION ISOLATOR WITH ELASTIC DAMPING AXIAL ELEMENTS

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для эффективной пространственной виброизоляции различных объектов.
Наиболее близким техническим решением к заявленному объекту является виброизолятор с упругодемпфирующими стержневыми элементами, который содержит два соосно расположенных кольца и соответственно по меньшей мере один ряд упругих стержней, размещенных между соседними кольцами вокруг одной воображаемой цилиндрической или конусообразной поверхности и под углом к образующей цилиндрической или конусообразной поверхности и соединенных своими концами с обращенными друг к другу торцевыми частями колец таким образом, что одноименные концы упругих стержней расположены на одной окружности, при этом в ряду упругие стержни расположены под одинаковым углом к образующей цилиндрической или конусообразной поверхности или под разными углами к указанной образующей, причем упругие стержни соединены с кольцами с образованием монолитной единой детали, выполненной из армированного композитного материала, а при наличии в нем более двух соосно расположенных колец каждый ряд упругих стержней расположен между соответствующими соседними кольцами таким образом, что обращенные друг к другу концы упругих стержней двух соседних рядов присоединены к противолежащим торцевым поверхностям расположенного между ними промежуточного кольца (патент РФ №2266442 (прототип)).
Недостатком прототипа является сравнительно невысокое демпфирование в резонансных режимах работы.
Технический результат - повышение демпфирования в резонансных режимах работы.
Это достигается тем, что в виброизоляторе с упругодемпфирующими стержневыми элементами, содержащем по меньшей мере два соосно расположенных кольца и соответственно по меньшей мере один ряд упругих стержней, размещенных между соседними кольцами вокруг одной воображаемой цилиндрической или конусообразной поверхности и под углом к образующей цилиндрической или конусообразной поверхности и соединенных своими концами с обращенными друг к другу торцевыми частями колец таким образом, что одноименные концы упругих стержней расположены на одной окружности, при этом в ряду упругие стержни расположены под одинаковым углом к образующей цилиндрической или конусообразной поверхности или под разными углами к указанной образующей, причем упругие стержни соединены с кольцами с образованием монолитной единой детали, выполненной из армированного композитного материала, а при наличии в нем более двух соосно расположенных колец каждый ряд упругих стержней расположен между соответствующими соседними кольцами таким образом, что обращенные друг к другу концы упругих стержней двух соседних рядов присоединены к противолежащим торцевым поверхностям расположенного между ними промежуточного кольца, соосно кольцам посредством по крайней мере трех упругодемпфирующих стержневых элементов, осесимметрично кольцам закреплено упругодемпфирующее устройство, расположенное внутри каждого из колец для восприятия и гашения крутильных колебаний, выполненное в виде торсиона или комбинированной пружины.
На фиг. 1-3 изображены варианты виброизоляторов с двумя и тремя соосно расположенными кольцами, соединенными стержнями, внутри которых соосно закреплено упругодемпфирующее устройство, на фиг. 4 - вариант упругодемпфирующего устройства 7.
На фиг. 1 и 2 показан виброизолятор с упругодемпфирующими стержневыми элементами, который содержит два соосно расположенных кольца 1 и 2 и один ряд 3 упругодемпфирующих стержней 4. Стержни 4 расположены между кольцами 1 и 2 на одной воображаемой цилиндрической или конусообразной поверхности и под углом к образующей цилиндрической или конусообразной поверхности (под углом к оси виброизолятора). Своими концами стержни 4 соединены с обращенными друг к другу торцевыми частями 5 и 6 колец 1 и 2 таким образом, что одноименные концы стержней расположены на торцевых частях колец по одной окружности. В каждом ряду 3 стержни 4 могут быть расположены или под одинаковым углом к образующей цилиндрической или конусообразной поверхности (под одинаковым углом к оси виброизолятора), или под разными углами к указанной образующей (под разными углами к оси виброизолятора). Стержни 4 и кольца 1 и 2 представляют собой единую деталь, выполненную из углепластика или органопластика.
На фиг. 3 показан виброизолятор, содержащий три соосно расположенных кольца 1, 2 и 9 и два ряда упругих стержней 4. Каждый ряд упругих стержней 4 расположен между соответствующими соседними кольцами 1, 2 и 2, 9 таким образом, что обращенные друг к другу концы стержней 4 двух соседних рядов присоединены к противолежащим торцевым поверхностям расположенного между ними среднего промежуточного кольца 9.
Соосно кольцам 1, 2, 9 посредством по крайней мере трех упругодемпфирующих стержневых элементов 8, осесимметрично кольцам 1, 2, 9 закреплено упругодемпфирующее устройство 7, расположенное внутри каждого из колец для восприятия и гашения крутильных колебаний, выполненное в виде торсиона или комбинированной пружины, состоящей из двух частей с витками, направленными навстречу друг другу и взаимодействующими с образованием эффекта демпфера сухого трения.
Кольца могут иметь одинаковый диаметр (фиг. 1, 2 и 3). Возможно выполнение виброизолятора, при котором диаметр по меньшей мере одного кольца превышает диаметр остальных колец. Угол наклона стержней к образующей воображаемой цилиндрической или конусообразной поверхности составляет более 5°. Соотношение минимального линейного размера стержня 4 к его длине может составлять от 0,05:1 до 0,17:1.
В пределах по меньшей мере одного ряда стержни 4 могут быть выполнены прямолинейными (фиг. 2, 3) или изогнутыми по винтовой линии (фиг. 1). Возможен вариант, когда при наличии нескольких рядов стержней стержни одних рядов (ряда) выполнены прямолинейными, а стержни других рядов (ряда) выполнены изогнутыми по винтовой линии при упорядоченном или неупорядоченном чередовании таких рядов. Стержни 4 могут иметь в сечении круглую или прямоугольную, в частности квадратную, или овальную форму.
Виброизолятор с упругодемпфирующими стержневыми элементами работает следующим образом.
При приложении нагрузки вдоль оси виброизолятора происходит упругий изгиб стержней 4 и их закрутка. При этом расстояние между верхним и нижним кольцами уменьшается и происходит осадка виброизолятора. Часть энергии рассеивается и на основание сооружения передается только часть возбуждающей силы. Величина осадки зависит от угла наклона стержней, их количества и диаметра виброизолятора.
Для таких случаев, когда возмущающая нагрузка действует по нескольким осям и имеет при этом крутящую составляющую, можно применять виброизолятор с тремя кольцами 1, 2 и промежуточным кольцом 9 (фиг. 3). В зависимости от конкретной комбинации возбуждающих нагрузок стержни направляют различным образом, а также наматывают на них дополнительные промежуточные кольца в виде бандажей (на чертеже не показано) для восприятия и гашения крутильных колебаний.
Возможен вариант, когда упругодемпфирующее устройство 7 (фиг. 4) выполнено в виде пружинного демпфера сухого трения, который содержит нижнюю 11 и верхнюю 12 опорные пластины, между которыми коаксиально и концентрично установлены наружная 15 с правым углом подъема витков и внутренняя 16 с левым углом подъема витков пружины. Нижняя опорная пластина 11 является основанием, на котором нижние фланцы пружин 15 и 16 закреплены жестко, а между верхней опорной пластиной 12, на которой устанавливается виброизолируемый объект (на чертеже не показано), и верхним фланцем внутренней пружины 16 с левым углом подъема витков расположен демпфер сухого трения, состоящий из двух, соприкасающихся между собой, нижнего 13 и верхнего 14, цилиндрических дисков. При этом нижний диск 13 жестко связан с верхним фланцем внутренней пружины 16, а верхний диск 14 жестко связан с верхней опорной пластиной 12. Верхний 14 цилиндрический диск демпфера сухого трения выполнен из стали, а нижний 13 цилиндрический диск выполнен из фрикционного материала, выполненного из композиции, включающей следующие компоненты, при их соотношении, мас. %: смесь резольной и новолачной фенолоформальдегидных смол в соотношении 1:(0,2-1,0) 28-34, волокнистый минеральный наполнитель, содержащий стеклоровинг или смесь стеклоровинга и базальтового волокна в соотношении 1:(0,1-1,0) 12-19, графит 7-18, модификатор трения, содержащий технический углерод в виде смеси с каолином и диоксидом кремния 7-15, баритовый концентрат 20-35, тальк 1,5-3,0.
Возможен вариант, когда в качестве материалов нижнего 13 и верхнего 14 цилиндрических дисков демпфера сухого трения может быть использована сталь, жесткий вибродемпфирующий материал, например, типа «Агат», вышеуказанный фрикционный материал, а также различные сочетания этих материалов в паре сухого трения демпфера.
Возможен вариант, когда в целях повышения коэффициента демпфирования системы виброизоляции на поверхностях цилиндрических дисков 13 и 14 демпфера сухого трения, обращенных друг к другу, выполнены концентричные диаметральные канавки 17 на одном из дисков и выступы 18 на другом диске. Эти входящие друг в друга поверхности взаимодействуют друг с другом без зазоров, что приводит к увеличению поверхностей трения, а, следовательно, к увеличению коэффициента демпфирования системы.
Возможен вариант, когда в качестве материалов нижнего и верхнего цилиндрических дисков демпфера сухого трения может быть использован спеченный фрикционный материал на основе меди, содержащий цинк, железо, свинец, графит, вермикулит, медь, хром, сурьму и кремний, при следующем соотношении компонентов, мас. %: цинк 6,0-8,0; железо 0,1-0,2; свинец 2,0-4,0; графит 3,0-7,0; вермикулит 8,0-12,0; хром 4,0-6,0; сурьма 0,05-0,1; кремний 2,0-3,0; медь остальное.
Возможен вариант, когда верхний цилиндрический диск 14 выполнен из эластомера, например резины или другого эластичного материала, обладающего высокими демпфирующими свойствами, а нижний цилиндрический диск 13 выполнен из стали.
Пружинный демпфер сухого трения работает следующим образом.
Наружная 15 и внутренняя 16 пружины демпфера воспринимают значительные статическую и динамическую нагрузки от машины и передают на поддерживающую конструкцию существенно уменьшенную величину динамической нагрузки.
Две пружины 15 и 16, вставленные одна в другую, работают на сжатие, при этом внешняя пружина 15 правого угла подъема поворачивает жестко прикрепленную к ней верхнюю металлическую опорную пластину 12 в одну сторону, а внутренняя пружина 16 левого угла подъема - жестко прикрепленный к ней нижний цилиндрический диск 13 демпфера сухого трения - в другую сторону. Таким образом, используется эффект взаимного поворота в разные стороны концевых витков пружин 15 и 16 вокруг вертикальной оси, благодаря чему в составной опорной плоскости демпфера сухого трения возникают диссипативные силы, т.е. появляется сухое трение. Введение в демпфер сухого трения элемента из резины с повышенным в 10-15 раз внутренним трением приводит к уменьшению амплитуд колебаний машины в пускоостановочных режимах в 2-3 раза. При ударных воздействиях логарифмический декремент затухания колебаний уменьшается.
Возможен вариант, когда в качестве материалов нижнего и верхнего цилиндрических дисков демпфера сухого трения использован фрикционный материал, выполненный из композиции, включающей следующие компоненты, при их соотношении, мас. %: смесь резольной и новолачной фенолоформальдегидных смол в соотношении 1:(0,2-1,0) 8-34; волокнистый минеральный наполнитель, содержащий стеклоровинг или смесь стеклоровинга и базальтового волокна в соотношении 1:(0,1-1,0) 12-19; графит 7-18; модификатор трения, содержащий технический углерод в виде смеси с каолином и диоксидом кремния 7-15; баритовый концентрат 20-35; тальк 1,5-3,0.