РЕКУПЕРАТОР
RECUPERATOR

Изобретение относится к рекуператорам, используемых в системах виброзащиты и реализующих управляемые циклические процессы накопления потенциальной энергии упругих элементов и возвращение этой энергии в систему с положительным эффектом. Может быть использовано в подвесках сидений тракторов, дорожных и сельскохозяйственных машин для защиты человека-оператора от действия случайных колебаний.
Известен виброизолятор, содержащий два основания, первое из которых закреплено на источнике колебаний, а второе - на защищаемом объекте, закрепленную на первом основании стойку, зубчатое колесо, закрепленное на стойке с возможностью свободного вращения, упругий элемент, ограничивающий поворот зубчатого колеса относительно стойки, и рейку, входящую в зацепление с зубчатым колесом. (Авторское свидетельство №1462051, МПК. F16F 15/04, 1989).
Недостатком данного рекуператора является то, что отсутствуют мехатронные средства управления процессом накопления потенциальной энергии упругим элементом и возвращение этой энергии в систему. Как следствие допускаются интервалы движения системы, в пределах которых компенсационное воздействие, развиваемое упругим элементом, совпадает по направлению с движением защищаемого объекта, увеличивая тем самым его скорость.
Наиболее близким из известных технических решений является виброизолятор, содержащий два основания, первое из которых закреплено на источнике колебаний, а второе - на защищаемом объекте, закрепленную на первом основании стойку, зубчатое колесо, закрепленное на стойке с возможностью свободного вращения, упругий элемент, ограничивающий поворот зубчатого колеса относительно стойки, рейку, входящую в контакт с зубчатым колесом, два стержня и два затвора для периодической фиксации положения стержней относительно второго основания. (Патент РФ 1465658, МПК. F16F 15/04,1989).
Недостатком данного рекуператора является следующее. Процесс накопления потенциальной энергии упругим элементом и возвращение этой энергии в систему является неуправляемым. Затворы периодически включают в работу и выключают из работы упругий элемент только при заданных относительных смещениях оснований. Это существенно ухудшает динамические свойства данного рекуператора как амортизирующего устройства.
Задача, не решение которой направлено изобретение, состоит в обеспечении работы затворов в режиме «включить-выключить», при котором развиваемые упругим элементом компенсационные воздействия будут всегда направлены против движения защищаемого объекта, уменьшая тем самым его скорость.
Технически задача достигается тем, что рекуператор, содержащий два основания, первое из которых закреплено на источнике колебаний, а второе - на защищаемом объекте, закрепленную на первом основании стойку, зубчатое колесо, закрепленное на стойке с возможностью свободного вращения, упругий элемент, ограничивающий поворот зубчатого колеса относительно стойки, рейку, входящую в зацепление с зубчатым колесом, два стержня и два затвора для периодической фиксации положения стержней относительно второго основания, в отличии от прототипа снабжен второй рейкой, входящей в зацепление с зубчатым колесом, датчиком, установленным на втором основании, и блоком управления, причем затворы закреплены на втором основании, рейки расположены по разные стороны зубчатого колеса и соединены с концами стержней, датчик подключен к входу блока управления, а затворы электрически связаны с выходами блока управления.
Технический результат заключается в реализации управляемого процесса накопления потенциальной энергии упругим элементом и возвращение этой энергии в систему с положительным эффектом. Как следствие, использование рекуператора в системах виброзащиты позволит обеспечить вибрационную безопасность защищаемых объектов от действия случайных колебаний.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображен общий вид рекуператора, установленного совместно с несущим упругим элементом виброзащитной системы.
Рекуператор содержит основания 1 и 2, закрепленную на основании 1 стойку 3, зубчатое колесо 4, закрепленное на стойке 3 с возможностью свободного вращения, упругий элемент 5, ограничивающий поворот зубчатого колеса 4 относительно стойки 3, рейки 6 и 7, входящие в зацепление с зубчатым колесом 4, стержни 8 и 9, концы которых соединены с рейками 6 и 7, затворы 10 и 11, которые закреплены на основании 2 и предназначены для периодической фиксации положения стержней 8 и 9 относительно основания 2, датчик 12, установленный на основании 2, и блок 13 управления.
Датчик 12 подключен к входу блока 13 управления, а затворы 10 и 11 электрически связаны с выходами блока 13 управления.
Основание 1 закреплено на источнике 14 колебаний, например, на остове сидения трактора, а основание 2 - на защищаемом объекте 15, например, на подушке сидения, между которыми установлен несущий упругий элемент 16.
Стержни 8 и 9 выполнены из ферромагнитных материалов, а затворы 10 и 11 - в виде электромагнитов.
В положении статического равновесия упругий элемент 5 закручен и создает момент, стремящийся повернуть зубчатое колесо 4 против часовой стрелки.
Рекуператор работает следующим образом.
1
2
Датчик 12 генерирует электрический сигнал U, который пропорционален скорости  основания 2. Данный сигнал поступает в блок 13 управления, где на основе его формируются управляющие сигналы U и U:
0
Здесь U - постоянный сигнал.
l
2
0
1
2
Управляющие сигналы U и U с выходов блока 13 управления подаются на затворы 10 и 11 и поочередно включают их при постоянном сигнале U и выключают при нулевом сигнале. Логика формирования управляющих сигналов U и U исключает одновременное включение затворов 10 и 11.
l
0
2
Если основание 2 движется вверх (скорость ), то сигнал U>0 и формируются следующие управляющие сигналы: U=U, U=0. Под воздействием этих управляющих сигналов, соответственно, затвор 10 включен и фиксирует положение стержня 8 относительно основания 2 (реализуется удерживающая связь), а затвор 11 выключен (обесточен) и освобождает стержень 9 от связи с основанием 2. Посредством удерживающей связи движение основания 2 через стержень 8 передается рейке 6 и она поворачивает зубчатое колесо 4. В рассматриваемом случае этот поворот происходит по часовой стрелке, если относительная скорость  (положительна) и в противоположном направлении - против часовой стрелки, если относительная скорость  (отрицательна):  - скорость основания 1.
При повороте зубчатого колеса 4 по часовой стрелке упругий элемент 5 закручивается, а при повороте против часовой стрелки - раскручивается. В первом случае его потенциальная энергия упругой деформации увеличивается (накапливается), а во-втором - уменьшается (расходуется).
Развиваемый упругим элементом 5 момент создает динамическую реакцию, которая по цепочке рейка 6, стержень 8, затвор 10 передается на основание 2 и определяет компенсационное воздействие. В рассматриваемом априорном случае это компенсационное воздействие всегда направлено вниз - против движения основания 2, то есть уменьшает ее скорость и, соответственно, скорость защищаемого объекта 15.
1
2
0
Аналогично, если основание 2 движется вниз (скорость ), то сигнал U<0 и формируются следующие управляющие сигналы: U=0, U=U. Под воздействием этих управляющих сигналов, соответственно, затвор 11 включен и фиксирует положение стержня 9 относительно основания 2 (реализуется удерживающая связь), а затвор 10 выключен (обесточен) и освобождает стержень 8 от связи с основанием 2. Посредством удерживающей связи движение основания 2 через стержень 9 передается рейке 7 и она поворачивает зубчатое колесо 4. В рассматриваемом случае этот поворот происходит по часовой стрелке, если относительная скорость  (отрицательна) и в противоположном направлении - против часовой стрелки, если относительная скорость  (положительна):  - скорость основания 1.
При повороте зубчатого колеса 4 по часовой стрелке упругий элемент 5 закручивается, а при повороте против часовой стрелки - раскручивается. В первом случае его потенциальная энергия упругой деформации увеличивается (накапливается), а во-втором - уменьшается (расходуется).
Развиваемый упругим элементом 5 момент создает динамическую реакцию, которая по цепочке рейка 7, стержень 9, затвор 11 передается на основание 2 и определяет компенсационное воздействие. В рассматриваемом априорном случае это компенсационное воздействие всегда направлено вверх - против движения основания 2, то есть уменьшает ее скорость по абсолютной величине и, соответственно, скорость защищаемого объекта 15.
Наличие второй рейки 7, входящей в зацепление с зубчатым колесом 4, датчика 12, установленного на основании 2, и блока 13 управления, а также закрепления затворов 10 и 11 на основании 2, соединение стержней 8 и 9 с рейками 6 и 7 и расположение последних по разные стороны зубчатого колеса 4 позволяет реализовать управляемый процесс накопления потенциальной энергии упругим элементом 5 и возвращение этой энергии в систему с положительным эффектом. Достигается это посредством синхронной работы затворов 10 и 11 в режиме «включить-выключить», при котором развиваемые упругим элементом 5 компенсационные воздействия будут всегда направлены против движения защищаемого объекта, уменьшая тем самым его скорость.