ДЕМПФЕР ВЫСОКИХ ЧАСТОТ
DAMPER OF HIGH FREQUENCIES

Изобретение относится к средствам для гашения колебаний и может быть использовано для гашения высокочастотных колебаний в машиностроении, станкостроении, строительстве, медицине и т.д.
Известна виброизолирующая опора, включающая блок из горизонтальных стальных пластин и размещенной между ними упругой прокладки. При этом опора снабжена концентраторами колебаний, каждый из которых выполнен в виде усеченного конуса, обращенного большим основанием вверх, и дополнительным блоком из горизонтальных стальных пластин с упругой прокладкой между ними, причем дополнительный блок размещен над основным и оперт на него через концентраторы колебаний (а.с. №1201416 SU, МКИ E02D 27/44. Опубл. 30.12.85 г. Бюл. №48).
Недостатком известной виброизолирующей опоры является отсутствие возможности демпфировать высокочастотные составляющие спектра вибраций, поскольку каждая упругая прокладка способна деформироваться с некоторой конечной скоростью, которая может быть меньше скорости распространения некоторых высокочастотных гармоники спектра вибраций. При определенных частотах составляющих гармоник вибраций стальные и упругие пластины будут колебаться, как единое целое, как монолит, т.е. демпфирования происходить не будет. Например, при сверхпрецизионной обработке резанием детали металлооптики падение на пол рожкового ключа №12 (высота падения приблизительно 1200 мм) приводит к появлению риски на обрабатываемой поверхности.
Известен гидравлический демпфер, содержащий полый герметический корпус, заполненный демпфирующей жидкостью, перегородку с дросселирующими отверстиями, разделяющую корпус на две камеры и узел для передачи демпфируемых колебаний. При этом корпус выполнен цилиндрическим, а перегородка закреплена на одном из торцов корпуса по его оси и выполнена из эластомера с переменной по ее длине шириной (а.с. №954661 SU, М. кл. F16F 9/10, Опубл. 30.08.82 г. Бюл. №32).
Недостатком известного гидравлического демпфера является отсутствие возможности демпфировать высокочастотные составляющие спектра вибраций, поскольку любая используемая жидкость в демпфере имеет некоторую вязкость, которая не позволит жидкости среагировать на некоторые высокочастотные гармоники спектра вибраций. При определенных частотах составляющих гармоник вибраций корпус демпфера и жидкость в нем будут колебаться, как единое целое, как монолит, т.е. демпфирования происходить не будет. Например, при сверхпрецизионной обработке резанием детали металлооптики падение на пол рожкового ключа №12 (высота падения приблизительно 1200 мм) приводит к появлению риски на обрабатываемой поверхности.
Известна пневматическая виброизолирующая опора, содержащая камеры постоянного давления с дроссельным отверстием и переменного объема, герметично закрепленную между ними гофрированную резино-тканевую мембрану, средства взаимного центрирования камер и пневматический регулятор уровня, соединенный с камерой постоянного объема. При этом опора снабжена жестко соединенной с камерой постоянного объема и охватывающей наружную поверхность камеры переменного объема втулкой и равномерно расположенными по окружности и закрепленными в ней осями, на внутренней поверхности втулки и на наружной поверхности камеры переменного объема выполнены кольцевые буртики для ограничения их относительного перемещения, средства центрирования выполнены в виде роликов, установленных на осях с возможностью свободного вращения, на наружной поверхности камеры переменного объема выполнены продольные пазы для взаимодействия с роликами в исходном положении, у каждого из которых частями стенок и дна, близлежащими к кольцевому буртику, образованы три прилегающие одна к другой грани пирамиды с вершиной, обращенной к кольцевому буртику (а.с. №1375884 SU, МКИ F16F 9/04, опубл. 23.02.88 г., бюл. №7).
Недостатком известного пневматического демпфера является отсутствие возможности демпфировать высокочастотные составляющие спектра вибраций, поскольку воздух в демпфере имеет возможность сжиматься с некоторой скоростью. По этой причине, если скорость распространения некоторых высокочастотных гармоник спектра вибраций больше скорости сжатия воздуха, то в этом случае корпус демпфера и резиново-матерчатая мембрана будут колебаться, как единое целое, как монолит, т.е. демпфирования происходить не будет. Например, при сверхпрецизионной обработке резанием детали металлооптики падение на пол рожкового ключа №12 (высота падения приблизительно 1200 мм) приводит к появлению риски на обрабатываемой поверхности.
Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому изобретению является опорный узел, содержащий смонтированный в корпусе и охватывающий цапфу вала вкладыш с внутренней замкнутой полостью, сообщающейся с рабочим зазором. При этом стенка, ограничивающая полость вкладыша со стороны рабочего зазора, выполнена в виде полупроницаемой мембраны. Полость вкладыша заполнена жидкой смазкой, а полость рабочего зазора - жидкой смазкой с наполнителем (см. а.с. №857588 SU, М. кл. F16C 32/06. Опубл. 10.01.79 г., №31).
Недостатком известной конструкции опорного узла является отсутствие возможности демпфировать высокочастотные составляющие спектра вибраций, поскольку любая используемая жидкость в опорном узле имеет некоторую вязкость, которая не позволит жидкости среагировать на некоторые высокочастотные гармоники спектра вибраций. При определенных частотах составляющих гармоник вибраций конструкция опорного узла будет колебаться, как единое целое, как монолит, т.е. демпфирования происходить не будет.
В основу предлагаемого изобретения поставлена задача - демпфирование высокочастотных гармоник спектра вибраций.
Задача достигается за счет того, что в демпфере высоких частот, содержащем вкладыш с внутренней замкнутой полостью, у которого стенка, ограничивающая полость вкладыша, выполнена в виде мембраны, согласно изобретению, вкладыш выполнен в виде цилиндра, между мембраной и основанием установлен конический индентор, широкая часть которого сопряжена с основанием, а вкладыш заполнен шарами, занимающими не более половины объема, сверху вкладыш закрыт крышкой.
На чертеже изображено сечение демпфера высоких частот.
Демпфер высоких частот состоит из основания 1, цилиндрического вкладыша демпфера 2, крышки 3, мембраны 4, шаров 5 и конического индентора 6.
При этом цилиндрический вкладыш 2 одним своим торцом установлен на основание 1, на другом торце цилиндрического вкладыша 2 установлена жестко крышка 3. Между цилиндрическим вкладышем 2 и основанием 1 натянута мембрана 4. Между мембраной 4 и основанием 1 установлен конический индентор 6, при этом ось симметрии конического индентора 6 совпадает с осью симметрии цилиндрического вкладыша 2. В объеме цилиндрического вкладыша 2, ограниченного крышкой 3 и мембраной 4, расположены шарики одного диаметра, таким образом, чтобы не менее половины указанного объема оставалась свободной от шариков.
Устройство работает следующим образом.
Высокочастотные колебания, вызванные различными причинами, проходят через основание 1 и попадают на основание конического индентора 6, в результате чего конический индентор 6 своей вершиной сообщает высокочастотные колебания касающейся вершины индентора 6 мембране 4. Мембрана 4 передает колебания, сообщенные ей индентором 6, шарам 5, которые под действием вибраций мембраны 4 начинают хаотично двигаться в объеме цилиндрического вкладыша 2, ограниченного крышкой 3 и мембраной 4. В результате хаотичного движения шаров 5 происходит диссипация (рассеивание) энергии высокочастотных вибраций внутри объема цилиндрического вкладыша 2 демпфера высоких частот.
При ударе по основанию 1 какого-либо груза из точки падения в пространстве основания распространяются упругие продольные и поперечные волны. Поскольку основание 1 под сверхпрецизионным оборудованием выполняется максимально жестким, то при небольших расстояниях от точки падения груза до демпфера ослабление упругих волн незначительно. Упругие волны достигают основания конического индентора 6, который в силу его малого веса начинает колебаться с частотой упругих волн в основании 1. Колебаний индентора 6 обуславливают колебания мембраны 4, которая передает свою кинетическую энергию шарам 5. Малый вес шаров 5 по сравнению с массой мембраны 4 приводит к тому, что шары 5 по закону сохранения импульса хаотично разлетаются по объему вкладыша 1. Таким образом происходит диссипация потенциальной энергии падения некоторого груза на основание 1.
В качестве основания 1 обычно выступает железобетонная стяжка пола цеха, где находится высокоточное оборудование. Крышка 3 укрепляется на вкладыше 2 с помощью болтов, клея или сварки. В качестве мембраны 4 может быть использована полимерная нетканая ткань, подобная той, которая имеется на барабане (ударно-резонансный пластик). Чем тоньше мембрана 2, тем более высокие частоты может компенсировать демпфер. Шары 5 были выполнены из пенопласта и имели диаметр 15 мм, при этом внутренний диаметр цилиндрического вкладыша 2 составлял 180 мм. Конический индентор 6 был выполнен из вспененного полистирола и имел высоты 10 мм, а диаметр основания составлял 35 мм. Чем больше площадь основания индентора 6, тем лучше работал демпфер высоких частот. В этом случае индентор 6 выступает в качестве концентратора колебаний высокой частоты. Чем больше площадь основания индентора 6 и чем меньше вес индентора 6, тем большая часть энергии высокочастотных колебаний передается мембране 4. Чем меньше вес каждого пенопластового шарика 5, тем большая часть энергии высокочастотных вибраций рассеивается внутри объема цилиндрического вкладыша 2. Чем меньше вес пенопластовых шариков 5, тем меньше необходима энергия высокочастотных колебаний для преобразования ее в кинетическую энергию шариков 5.
В случае, если по стенкам цилиндрического вкладыша 2 определенная часть высокочастотных колебаний проходит на крышку 3, которая находится в контакте со станиной станка (не показана), то для уменьшения воздействия высокочастотных вибраций необходимо заявляемый демпфер объединить в блок. Это означает, что один демпфер может быть установлен на крышку 3 другого демпфера. В этом случае крышка второго (верхнего) демпфера соприкасается со станиной станка (не показан).
Были проведены испытания заявляемого демпфера. Цилиндрический вкладыш 2 был выполнен из плексиглаза (органическое стекло). В качестве мембраны 2 была использована мембрана «пионерского» барабана. Наилучшие результаты демпфирования были достигнуты при основании 1, выполненном методом «наливного пола», что объясняется высоким уровнем горизонтальности основания 1 в этом случае, которая обеспечила максимальный контакт между мембраной 2 и основанием 1. Эффективность работы демпфера оценивалась по числу шариков 5, вовлеченных в перемещения внутри объема вкладыша 2 после падения на основание 1 рожкового ключа №10-12 с высоты 1200 мм и на расстоянии от внешней поверхности вкладыша 2 - 300 мм (приблизительно).