ВИБРОИЗОЛЯЦИОННАЯ ПЛАТФОРМА ДЛЯ ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ И ИСТОЧНИКОВ ВИБРАЦИЙ
VIBRATION ISOLATION PLATFORM FOR HIGH-SENSITIVE EQUIPMENT AND SOURCES OF VIBRATIONS

Область техники
Предлагаемое изобретение относится к области технических решений, применяющихся в лабораторных, научных и промышленных условиях для устранения воздействия толчков и разночастотных колебаний на различное чувствительное к вибрациям оборудование, а также для изоляции источников разночастотных колебаний и устранения воздействия толчков, создаваемых различным оборудованием на собственные части, детали и окружающую среду.
Уровень техники
В настоящее время наблюдается тенденция повсеместного увеличения использования высокоточных и высокочувствительных приборов и систем в различных областях науки и промышленности. В связи с постоянным и повсеместным присутствием источников толчков и разночастотных колебаний (работающие люди, техника, здания и установленные в них системы, транспорт и т.д.) существует потребность в разработке надежного, эффективного и не требующего дорогостоящего обслуживания устройства, предназначенного эффективно изолировать высокочувствительные и высокоточные приборы от неблагоприятного воздействия толчков и вибраций.
Известно множество технических решений, предназначенных для решения данной задачи, в частности массивные фундаменты, различные по габаритам пружины с дополнительными эластичными элементами и др. Подавляющее большинство таких устройств компенсируют вес установленных на них приборов, лишь частично изолируя их от опорных поверхностей и обладая собственными резонансными частотами, не воздействуют эффективно на вибрации, особенно в горизонтальной плоскости.
Из уровня техники известны антивибрационные столы серии SMART, производимые компанией Newport (см. https://www.newport.com/c/optical-tables-%26-isolation-systems [1]).
Известные антивибрационные столы предназначены для установки и работы на них высокочувствительной оптической техники.
Антивибрационные столы состоят из столешницы и основной виброопоры в виде отдельно стоящих ножек, либо ножек, соединенных между собой царгами. Каждая из ножек снабжена антивибрационным агрегатом, в составе которого имеются элементы пассивной и активной виброзащиты.
Конструкции технических решений, известных из источника [1], имеют несколько характерных особенностей, а именно:
- контакт столешницы и ножки является преимущественно точечным;
- активная виброзащита представляет достаточно сложную последовательность взаимосвязанных между собой компонентов (датчики - проводники сигналов - процессоры обработки поступающих сигналов - проводники исполнительных сигналов - исполнительные устройства, такие как двигатели, компрессоры клапаны, дополнительные устройства, - движители, такие как толкатели, пневмоподушки);
- пассивные элементы, выполненные из эластичных материалов (резина, силикон), эффективно работают только в вертикальном направлении, тогда как в горизонтальной плоскости работают нестабильно и имеют в сочетании с приложенной статической нагрузкой собственные резонансные частоты, имеющие широкий диапазон вибраций.
Основываясь на указанной выше информации, характеризующей известные антивибрационные столы, в том числе их особенности, возможно сформулировать их следующие ограничения и недостатки при монтаже и эксплуатации:
- повышенная требовательность к монтажу антивибрационного стола, поскольку малейшая неравномерность нагрузки на опорные ножки отрицательно влияет на работу как самой системы, так и установленной на ней аппаратуры;
- требуется подключение к электросети;
- необходима прокладка и обслуживание дополнительных коммуникаций (кабели, пневмомагистраль), поскольку такие узлы и агрегаты виброзащиты, как электродвигатели, компрессоры, контроллеры и клапаны являются непосредственными источниками шума и вибрации.
Таким образом, монтаж известного антивибрационного стола [1] сопряжен с повышенной тщательностью его неподвижной и ровной установки и со сборкой большого количества необходимого для работы дополнительного оборудования, что, в свою очередь ,ограничивает область его эффективного применения.
Из уровня техники известна активная виброизолирующая система, относящаяся к прецизионному машиностроению, согласно RU 2611691 (кл. F16F 15/03, публ. 28.02.2017 [2]).
Данная активная виброизолирующая система [2] может быть использована в технологическом и исследовательском оборудовании, а именно в сканирующих зондовых и оптических микроскопах, установках ионной, электронной, рентгеновской и оптической литографии, координатно-измерительных машинах, лазерных системах и др.
Известная виброизолирующая система выполнена в виде платформы на основе эластомера и содержит подвижную и неподвижную плиты с расположенными между ними четырьмя активными демпферами и четырьмя узлами упругой подвески. Каждый узел упругой подвески содержит шарнир, который может быть выполнен упругим, например в виде плоской пружины.
При этом упомянутые четыре активных демпфера выполнены на основе магнитореологического эластомера, а упомянутые четыре узла упругой подвески выполнены на основе системы с квазинулевой жесткостью.
Известное техническое решение [2] обеспечивает устойчивую изоляцию и демпфирование, создавая активную и пассивную многокоординатную виброизоляцию.
Недостатками известного технического решения [2] можно считать следующие:
- необходимость подключения виброизолирующей системы к электросети, что ограничивает выбор места монтажа и ее последующего функционирования, при этом повышается стоимость эксплуатации и технического обслуживания, обусловленного необходимостью проверки функциональности электрических элементов и их починки или замены в случае поломки;
- поскольку электрические характеристики электромагнитных катушек активных демпферов различны, перед началом эксплуатации осуществляется подбор величины силы тока, подаваемого на электромагнитную катушку каждого из четырех демпферов, что, в свою очередь, увеличивает время запуска системы и обязывает осуществлять контроль включения и непосредственной эксплуатации системы квалифицированными специалистами;
- подвижная платформа для размещения оборудования установлена на конических опорах, создающих с ней точечный контакт, не обеспечивающий необходимую для проведения корректных измерений жесткость платформы, предотвращающей ее возможный изгиб при нахождении на ней крупногабаритного тяжелого оборудования, что, в свою очередь, ограничивает функциональные возможности вариантов использования системы.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является амортизационная платформа согласно RU 2481505 (кл. F16F 7/14, публ. 10.05.2013 [3]).
Данное техническое решение [3] относится к области защиты объектов различного назначения от воздействия динамических нагрузок и может быть успешно применено в любой области техники с учетом конструктивных особенностей виброизолируемых объектов.
Известная амортизационная платформа [3] содержит основание и опорную поверхность, между которыми установлены упругие элементы.
Сущность технического решения [3] заключается в том, что опорная поверхность платформы выполнена в форме рамы, повторяющей форму основания, а в качестве упругих элементов использованы тросовые амортизаторы с элементами крепления, установленные в посадочных местах между боковыми поверхностями основания и рамы.
Известному техническому решению [3] присущи определенные недостатки, а именно:
- низкий уровень надежности, поскольку тросовые амортизаторы установлены в открытых (легкодоступных) посадочных местах, в которые возможно попадание посторонних предметов, например, при транспортировке, которые способны заблокировать работу платформы;
- недолговременный ресурс эксплуатации, поскольку амортизаторы представляют собой многоэлементную конструкцию, основным элементом которой является упругий элемент в виде спирали, в сущности являющийся пружиной сжатия, эксплуатационные характеристики которой по истечении времени могут ухудшиться;
- крайне низкие эксплуатационные возможности, поскольку в случае действия пиковых ударных нагрузок приборная рама соприкасается с корпусом основания как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении, создавая тем самым нежелательные дополнительные колебания;
- весьма ограниченная узкоспециализированная область применения, поскольку конструкция приборной рамы не подразумевает наличие поверхности для установки высокоточного и высокочувствительного оборудования, которому необходима плоская опора (микроскопы, лазеры, микроманипуляторы, телескопы и др.).
Таким образом, техническое решение [3] имеет узконаправленную область применения, невысокие технико-эксплуатационные характеристики, а также не способно обеспечивать эффективную вибрационную защиту объекта от повышенных динамических нагрузок по всем трем взаимно перпендикулярным направлениям (координатные оси x, y, z).
Раскрытие изобретения
Задачей (технической проблемой) предлагаемого изобретения является создание универсальной, не требующей подключения к электросети виброизоляционной платформы для высокоточных и высокочувствительных приборов, обладающей высокими технико-эксплуатационными показателями.
Технический результат предлагаемого изобретения, который объективно проявляется в ходе его эксплуатации, заключается в снижении воздействия толчков и вибраций во всех плоскостях, которые исходят как со стороны установочных участков, воздействуя на чувствительное и высокоточное оборудование, так и со стороны источников толчков и вибраций, воздействующих на сопряженные опорные участки и окружающую среду.
Указанный технический результат достигается благодаря тому, что виброизоляционная платформа для размещения высокоточного и/или высокочувствительного оборудования содержит основание и панель с опорной поверхностью, связанные между собой посредством упругих элементов, при этом упругие элементы образуют последовательно расположенные с определенным (заданным) интервалом по периметру конструкции звенья, каждое из которых выполнено в виде по меньшей мере трех упруго-диссипативных демпферов, шарнирно установленных одним концом на основании, а другим концом - на панели с опорной поверхностью, причем два крайних демпфера ориентированы наклонно, а центральный - вертикально.
Является предпочтительным, если опорная поверхность панели выполнена из магнитной или немагнитной нержавеющей стали.
В одном из частных вариантов исполнения изобретения в опорной поверхности панели выполнены резьбовые отверстия для крепления высокоточного и высокочувствительного оборудования.
Еще в одном частном варианте исполнения изобретения основание виброизоляционной платформы снабжено поддерживающими стойками.
Является наиболее предпочтительным, если демпферы звеньев выполнены в виде газо-масляных амортизаторов с заданными параметрами упругости и диссипации.
Предпочтительно, если крайние демпферы звеньев взаимно обращены друг к другу равнозначными концами и расположены под углом 10-15° относительно плоскости основания.
Также предпочтительно, если центральные демпферы звеньев расположены в плоскости, проходящей через центры симметрии поддерживающих стоек.
Расположенные по периметру конструкции звенья, выполненные в виде трех упруго-диссипативных демпферов, установленных на виброизоляционной платформе, являются важными существенными компонентами предлагаемого изобретения. Каждый упруго-диссипативный демпфер установлен шарнирно, причем одним концом на основании, а другим концом - на панели с опорной поверхностью виброизоляционной платформы.
Наклонная ориентация двух крайних демпферов и вертикальная центрального демпфера каждого звена, установленного по периметру конструкции, обеспечивает эффективную изоляцию толчков и разночастотных колебаний во всех плоскостях, а особенно эффективно в горизонтальной плоскости.
Упруго-диссипативные демпферы каждого из звеньев представляют собой амортизаторы с установленными (оптимально подобранными) характеристиками упругости и диссипации, обеспечивающими эффективное подавление толчков и виброподавление, проявляющееся особенно в горизонтальной плоскости.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения крайние демпферы звеньев взаимно обращены друг к другу равнозначными концами и расположены под углом 10-15° относительно плоскости основания, что обеспечивает максимальный эффект от работы виброизоляционной платформы, который определен опытно-экспериментальным путем.
В зависимости от назначения и условий эксплуатации предлагаемого изобретения крайние и центральный упруго-диссипативные демпферы могут быть использованы с различными характеристиками упругости и диссипации, различных типоразмеров и габаритов, различного конструктивного исполнения, различного конструктивного варианта крепления к шарнирам, а также с различными степенями устойчивости к воздействию окружающей среды (температура, рабочие нагрузки, различные погодные условия и иные факторы, которые могут повлиять на работу системы).
Шарнирные элементы, к которым крепятся упруго-диссипативные демпферы, устанавливаются на основание и панель с опорной поверхностью, тем самым обеспечивая подвижность центрального демпфера в вертикальной плоскости и изменение угла наклона крайних демпферов.
Указанные признаки предлагаемой виброизоляционной платформы для высокоточного и высокочувствительного оборудования образуют совокупность существенных признаков, необходимых и достаточных для решения указанной технической проблемы и достижения технического результата, заключающегося в снижении воздействия толчков и вибраций во всех плоскостях, которые исходят как со стороны установочных участков, воздействуя на чувствительное и высокоточное оборудование, так и со стороны источников толчков и вибраций, воздействующих на сопряженные опорные участки и окружающую среду.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлено схематическое изображение предлагаемого изобретения в проекции, вид снизу.
На фиг. 2 представлено схематическое изображение предлагаемого изобретения в проекции, вид сбоку.
На фиг. 3 представлено схематическое изображение варианта предлагаемого изобретения с поддерживающими стойками, вид сбоку.
Осуществление изобретения
Предлагаемое изобретение поясняется конкретным примером выполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядным образом демонстрирует достижение указанной совокупностью существенных признаков технического результата, который решает поставленную перед изобретением задачу (техническую проблему).
На представленных фиг. 1-3 изображены следующие элементы предлагаемой виброизоляционной платформы:
1 - панель;
2 - основание;
3 - наклонные упруго-диссипативные демпферы;
4 - вертикальные упруго-диссипативные демпферы;
5 - шарниры панели;
6 - шарниры основания;
7 - поддерживающие стойки;
8 - установочная поверхность;
9 - последовательно расположенные звенья;
10 - опорная поверхность панели 1.
На упомянутых фиг. 1-3 представлен вариант исполнения изобретения, включающий четыре звена 9, центральные участки которых размещены преимущественно в угловых зонах виброизоляционной платформы, однако для специалиста будет понятно, что количество звеньев 9 может быть увеличено, например дополнительные звенья 9 могут быть размещены по длинной стороне панели 1 между уже показанными на фиг. 1-3 звеньями.
Виброизоляционная платформа для размещения высокоточного и высокочувствительного оборудования содержит основание 2 и панель 1, содержащую опорную поверхность 10.
Основание 2 и панель 1 связаны между собой посредством упругих элементов.
Указанные упругие элементы образуют последовательно расположенные с определенным интервалом по периметру конструкции звенья 9. Каждое из звеньев 9 выполнено в виде трех упруго-диссипативных демпферов, причем два крайних упруго-диссипативных демпфера 3 ориентированы наклонно, а центральный упруго-диссипативный демпфер 4 ориентирован вертикально.
Упруго-диссипативные демпферы 3 и 4 установлены одним своим концом на основании 2 при помощи шарнира 6, а другим своим концом - на панели 1 при помощи шарнира 5.
Упруго-диссипативные демпферы 3 и 4 последовательно расположенных звеньев 9 выполнены в виде газо-масляных амортизаторов с индивидуально заданными (определенными) параметрами упругости и диссипации, которые подбираются в зависимости от параметров платформы и условий ее эксплуатации.
Интервал расположения и количество звеньев 9, располагаемых по периметру конструкции, подбираются экспериментальным путем с учетом получения наилучших режимов работы виброизоляционной платформы и возможностью стабильного достижения указанного технического результата.
Крайние упруго-диссипативные демпферы 3 каждого звена 9 обращены друг к другу равнозначными (одинаковыми) концами и расположены под углом 10-15° относительно плоскости основания 2, а центральный упруго-диссипативный демпфер 4 каждого звена 9 расположен в плоскости, проходящей через центры симметрии поддерживающих стоек 7, что обеспечивает максимальный эффект от работы виброизоляционной платформы, который заранее определен опытно-экспериментальным путем.
В зависимости от режима и условий эксплуатации виброизоляционной платформы ее конструкция может быть различной: в виде монолитной или составной плиты, в виде рамной конструкции с использованием различных материалов и др.
Если на опорной поверхности 10 панели 1 размещают оборудование, создающее вибрации, то предпочтительно использовать рамную конструкцию и крепить оборудование с помощью соответствующих резьбовых отверстий.
Опорная поверхность 10 панели 1, как правило, изготавливается из нержавеющей стали, предпочтительно магнитной.
Последовательно расположенные звенья 9 могут быть как сборными, так и монолитными, а их компоненты могут быть изготовлены из черных или цветных металлов, пластиков и других материалов в зависимости от требуемых условий. Кроме того, упруго-диссипативные демпферы 3 и 4, входящие в состав звеньев 9, могут выполняться с различными характеристиками упругости и диссипации, различных типоразмеров и габаритов, а также различного конструкционного исполнения, различной степени устойчивости к воздействию окружающей среды (температура, рабочая нагрузка, агрессивные факторы).
Основание 2 может быть сборным или монолитным и быть изготовлено из металла, пластика, камня, бетона или других материалов.
Предлагаемая виброизоляционная платформа для размещения высокоточного и высокочувствительного оборудования работает следующим образом.
На опорную поверхность 10 панели 1 посредством резьбовых отверстий устанавливают высокочувствительное оборудование.
Возникающие силы вибрации передаются от установочной поверхности 8 на основание 2 виброизоляционной платформы и соответственно на шарнирно соединенные с ним упруго-диссипативные демпферы 3 и 4, которые образуют последовательно расположенные с определенным количеством и интервалом звенья 9, каждое из которых состоит из трех упомянутых шарнирно установленных упруго-диссипативных демпферов 3 и 4, а именно двух крайних демпферов 3, ориентированных наклонно, и одного центрального демпфера 4, ориентированного вертикально.
вибр
упр
дисс
Вертикально ориентированный демпфер 4 и крайние наклонно ориентированные демпферы 3 каждого звена 9 находятся в серединном положении, т.е. имеют запас хода плунжера назад и вперед вдоль собственной оси. При воздействии внешней силы (F) в противоположном направлении начинает работать сила упругости (F) и сила диссипации (F). При этом энергия вибрации поглощается диссипативной средой, и в потенциальную энергию упругости переходит не более 2% энергии вибрации (в зависимости от свойств диссипативной среды).
При обратном движении плунжера упруго-диссипативных демпферов 3 и 4 каждого звена 9 кинетическая энергия также поглощается диссипативной средой до 2%.
4
3
За один цикл колебания кинетическая энергия вибраций уменьшается в 10/4, т.е. не менее чем в 2,5×10.
Шарниры 5 и 6 упруго-диссипативных демпферов 3 и 4 каждого звена 9, установленные соответственно на панели 1 и основании 2 виброизоляционной платформы, обеспечивают подвижность центрального упруго-диссипативного демпфера 4 в вертикальной плоскости и изменение угла наклона крайних упруго-диссипативных демпферов 3.
Таким образом, выполнение двух крайних демпферов 3 наклонными, а центрального демпфера 4 - вертикальным, каждого из звеньев 9, установленных по всему периметру конструкции, обеспечивает эффективную изоляцию толчков и разночастотных колебаний во всех плоскостях, а особенно эффективно в горизонтальной плоскости.
Кроме того, размещенные противоположно направленными во взаимно перпендикулярных плоскостях упруго-диссипативные демпферы 3 каждого звена 9 лишают всю систему такого эффекта, как «собственная резонансная чистота» во всех плоскостях.
Данное изобретение найдет широкое применение во многих сферах деятельности, связанных с лабораторными исследованиями, системами контроля, метрологией, конструированием и производством высокоточных приборов и механизмов и др.