МЕХАНИЧЕСКИЙ ДЕМПФЕР НИЗКОАМПЛИТУДНЫХ КОЛЕБАНИЙ С ВРАЩАТЕЛЬНЫМИ ПАРАМИ ТРЕНИЯ
MECHANICAL LOW-AMPLITUDE VIBRATION DAMPER WITH ROTATING FRICTION PAIRS

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для гашения колебаний различных механических конструкций при условии, когда невозможно установить демпфирующее устройство в наиболее оптимальных для крепления демпфера точках, где его перемещения наиболее большие, а нагрузки на демпфер минимальны. Однако особенности конструкции демпфируемого агрегата (например, двигателя на пилоне крыла самолета) зачастую не позволяют это выполнить, единственно возможными для крепления демпфера оказываются точки, где амплитуды колебаний конструкции малы (например, вблизи опор крепления пилона двигателя к крылу), а нагрузки на демпфер велики. Применение в этих условиях уже известных устройств, в частности гидравлических демпферов, обычно малоэффективно.
Целью работы является создание фрикционных демпферов, основанных на работе вращательных пар трения. Принципиальным в решении их конструкции является преобразование малых поступательных движений, обусловленных вибрацией демпфируемой конструкции, в значительные угловые перемещения сердечника в паре трения.
В основном демпферы применяются для гашения колебаний механических конструкций, на которые воздействуют нагрузки, создающие колебания в широких диапазонах частот в условиях малых перемещений точки присоединения демпфера к колеблющейся конструкции.
Известны многочисленные конструкции демпферов механических (с перемещением сыпучих веществ и пружинных), гидравлических, гидромеханических. Их конструкции защищены группой патентов:
- патент RU №. 2464462 C1 от 20.10.2012. ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ДЕМПФЕР, МПК F16F 9/14 F16F 5/00,
- патент RU №. 2461752 C1 от 20.09.2012. АДАПТИВНЫЙ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ДЕМПФЕР, МПК F16F 9/14 F16F 5/00,
- патент RU №. 2427742 C1 от 27.08.2011. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ДЕМПФЕР, МПК F16F 9/14 F16F 5/00,
- патент RU №. 2427741 C1 от 27.08.2011. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ГАСИТЕЛЬ КОЛЕБАНИЙ, МПК F16F 9/14 F16F 5/00,
- патент RU №.. 2427740 C1 от 27.08.2011. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ДЕМПФЕР, МПК F16F 9/14 F16F 5/00,
- патент RU №. 2324090 C1 от 10.05.2008. ДЕМПФЕР, МПК F16F 9/14 F16F 5/00,
- патент RU №. 2324089 C1 от 10.05 2008. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ДЕМПФЕР, МПК F16F 9/14 F16F 5/00,
- патент RU №. 2135856 C1 от 27.08.1999. ГИДРОДЕМПФЕР, МПК F16F 9/14 F16F 5/00.
Все вышеперечисленные демпферы могут применяться только в условиях, когда есть возможность установить демпфирующее устройство в наиболее оптимальных для крепления демпфера точках, где его перемещения наиболее большие, а нагрузки на демпфер минимальны.
За прототип принимаем ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ДЕМПФЕР, устройство защищено патентом RU №. 2258848 C2 от 20.12.2004, МПК F16F 9/14, F16F 11/00, B64C 25/58.
Гидромеханический демпфер содержит корпус, внутри которого размещены жестко соединенные между собой и удерживаемые в нейтральном положении пружиной поршни, крышки со штуцерами для соединения запоршневых полостей с гидравлическими линиями, в корпусе размещен закрытый упомянутой крышкой дополнительный стакан, в котором последовательно установлены постоянный дроссель и переменный дроссель, проходная площадь которого находится в зависимости от перепада давления в нем, образующие дросселирующее устройство между запоршневой полостью и гидравлической линией, а пружиной, удерживающей поршни в нейтральном положении, служат упругие элементы, обладающие возможностью изменять как форму, так и объем.
Данный демпфер применяется для гашения колебаний передней опоры шасси самолета, установлен на передней опоре, соединен гидравлическими линиями с полостями исполнительного цилиндра, то есть он может применяться только в непосредственной близости к источникам колебаний, когда демпфирующее устройство расположено в наиболее оптимальных для крепления демпфера точках, где его перемещения наиболее большие, а нагрузки на демпфер минимальны.
Задачей и техническим результатом изобретения является создание механического демпфера низкоамплитудных колебаний с вращательными парами трения для работы в условиях, когда единственно возможными для крепления демпфера оказываются точки, где амплитуды колебаний конструкции малы (например, вблизи опор крепления пилона двигателя к крылу), а нагрузки на демпфер велики, то есть при невозможности доступа к «технически оптимальным» точкам крепления демпфера, кроме того, данный механический демпфер обеспечивает эффективное демпфирование с одновременным повышением жесткости колебательной системы.
Решение поставленной задачи и технический результат достигаются тем, что механический демпфер низкоамплитудных колебаний с вращательными парами трения, содержащий основание (корпус) и пружину, на основании шарнирно закреплена фасонная кольцевая пружина, внутри основания установлено стальное кольцо, на внутреннюю поверхность которого нанесено покрытие с заданными трибологическими характеристиками, внутри кольца расположен вал-эксцентрик, внутри которого выполнено цилиндрическое сквозное отверстие с эксцентриситетом по отношению к наружным цилиндрическим поверхностям вала, внутри вала-эксцентрика расположен вал с коническими посадочными местами, вал зажат винтами в симметрично расположенных разрезных элементах и вместе с разрезными элементами образует единый рычаг, концы которого жестко соединены при помощи узлов крепления с наружными хвостовиками конца кольцевой фасонной пружины, к валу прикреплена вильчатая тяга, через которую на демпфер передают возвратно-поступательное перемещение от источника колебаний через два равноудаленных от оси симметрии цилиндрических отверстия, кроме того, на валу установлены два кольца с коническими внутренними поверхностями для регулирования усилия прижатия этих поверхностей к коническим поверхностям вала, а на наружные цилиндрические поверхности колец нанесено покрытие с заданными трибологическими характеристиками.
Работа рассматриваемого демпфера с вращательными парами трения основана на свойстве рычага и сводится к преобразованию относительно малых линейных перемещений точек приложения уравновешивающих его статических и динамических сил в большие угловые перемещения трущихся с регулируемым усилием вращательных пар, к которым приложены силы. За счет регулируемой силы трения в парах вращения достигается эффективная работа демпфера при весьма малых собственных перемещениях по сравнению с перемещениями демпфируемой системы.
На фигуре 1 представлен механический демпфер низкоамплитудных колебаний с вращательными парами трения.
На фигуре 2 изображен демпфер с плоскостью сечения по осям вращения (вильчатая тяга не показана).
На фигуре 3 приведено сечение демпфера по плоскости осей вращения.
На фигуре 4 рассматривается пример применения демпфера с вращательными парами трения для гашения свободных колебаний условно невесомой балки (масса балки пренебрежительно мала по сравнению с массой груза) с тремя сосредоточенными массами.
На фигуре 5 представлен график свободных колебаний середины балки.
На фигуре 6 представлен график свободных колебаний точек крепления макетов демпферов к балке.
На фигуре 7 показаны зависимости усилий демпфера от перемещений его точки крепления 2 к балке, представлен график свободных колебаний точек крепления макетов демпферов.
На фигуре 8 показаны зависимости усилий демпфера от перемещений его точки крепления 3 к балке, представлен график свободных колебаний точек крепления макетов демпферов.
Демпфер с вращательными парами содержит основание (корпус) 1 (фиг. 1, 2), на котором шарнирно закреплена фасонная кольцевая пружина 2. Шарнир 3 выполнен с использованием сферического подшипника серии ШС, вал которого прикреплен штифтами к внутреннему концу фасонной кольцевой пружины 2. Внутри основания 1 установлено стальное кольцо 4 (см. фиг.3). Внутренняя цилиндрическая поверхность кольца покрыта специальным покрытием с заданными трибологическими характеристиками. Кольцо 4 неподвижно зафиксировано в основании 1 при помощи затяжки винтом 5 разреза основания с ближайшей к шарниру 3 стороны. Внутри кольца 4 установлен вал-эксцентрик 6. Посадку вала, скользящую или ходовую - регулируют шириной зазора. Внутри вала выполнено сквозное отверстие. Его цилиндрическая поверхность наименьшего диаметра является посадочной, цилиндрическая поверхность выполнена с эксцентриситетом по отношению к наружным цилиндрическим поверхностям вала. В монтажном положении оси внутреннего и наружного посадочных цилиндров вала лежат в одной плоскости с осью вала шарнира 3. Эта плоскость названа плоскостью осей вращения. Сечение демпфера по плоскости осей вращения изображено на фигуре 3. Оси обозначены индексами A, B и C. Положение осей A, B и C на одной плоскости в монтажном ненагруженном состоянии зафиксированы при помощи двух разрезных элементов 7, равноудаленных от оси симметрии демпфера (фиг.1, 2). Вал 6 зажат в элементах 7 путем сжатия их разрезов винтами 8. При вращении вала 6 вокруг оси C он вместе с элементами 7 образует единый рычаг. Концы этого рычага жестко соединены при помощи узлов 9 с наружными хвостовиками конца кольцевой фасонной пружины 2. Узлы 9 состоят из штифтов с резьбой на свободном конце, фасонной прижимной шайбы и гайки. При приложении к рычагу из элементов 6 и 7 момента относительно оси C, рычаг повернется вокруг нее на некоторый угол, определяемый, в основном, величиной приложенного момента, жесткостью кольцевой фасонной пружины 2 и моментом трения по посадочным поверхностям вала 6 и кольца 4. Приложение момента осуществляется путем приложения в точке пересечения оси симметрии и оси B к валу 10 (фиг.1, 2) силы, нормальной к плоскости осей вращения. Данная сила приложена к вильчатой тяге 14 (фиг.1), которая прикреплена к валу 10 через два равноудаленных от оси симметрии цилиндрических отверстия. Вал 10 имеет резьбу и две конические поверхности для установки колец. На валу 10 установлены два кольца 11 (фиг.2). Внутренние поверхности их конические, а наружные цилиндрические со специальным покрытием с заданными трибологическими характеристиками. Наружный диаметр колец 11 изменяют в некоторых пределах их растяжением путем регулирования усилия прижатия внутренних конических поверхностей к коническим поверхностям вала нагрузками, приложенными к торцам колец. Данные нагрузки прикладывают втулками 12, прижатыми к торцам колец гайками 13 (две пары гаек - гайка и контргайка, см. фигура 2). При приложении к валу 10 вертикальной нагрузки через тягу 14 он не вращается вокруг своей оси B и поэтому трется наружными поверхностями колец 11 по поверхностям отверстия в вале - эксцентрике 6.
1
1
2
2
2
4
Работу механического демпфера низкоамплитудных колебаний с вращательными парами трения рассмотрим на примере демпфирования свободных колебаний балки с тремя сосредоточенными массами (фиг.3), масса балки пренебрежительно мала по сравнению с массой груза. Балка длиной L=8.4м шарнирно закреплена по концам. В середине балки находится масса m=97.5 кг (точка 1). Две равные массы m=440 кг расположены в точках 2 и 3 на расстояниях L=0.2 м от шарниров. Крепление демпферов (макетов - демонстраторов) к массам m выполнено в положениях статических равновесий балки и демпферов (без начальных усилий). Жесткость балки равна жесткости коробки из двух швеллеров №14 ГОСТ 82539-56 (момент инерции J=2·291 см).
1
2
3
p
1
2
3
Расчетные частоты свободных колебаний сосредоточенных масс без демпфирования равняются: ω=6.4 Гц, ω=47.9 Гц, ω=57.5 Гц. При этом частоты первого и третьего тонов совпадают с частотами первого и третьего тонов свободных колебаний весомой балки в виде названной коробки из двух швеллеров №14 с погонной массой m=2·12.3 кг/м. Три первые собственные частоты ее равны: ω=6.4 Гц, ω=25.5 Гц, ω=57.5 Гц.
Целью расчета является определение логарифмического декремента свободных колебаний первого тона балки при расположении демпферов рядом с опорами и наличии условий возникновения других тонов колебаний.
Расчеты выполняют в основных единицах системы СИ (м, Н, с) с использованием математического пакета Mathcad-13. Представленные на графиках зависимости получены при нулевых начальных скоростях движения и следующих начальных координатах сосредоточенных масс:
1
1s
y(0)=-1.2·y - начальная координата точки 1,
2
2s
3
3s
y(0)=-y, y(0)=-y - начальные координаты точек 2 и 3,
где
1s
-3
y=-9.60·10 м - координата статического положения точки 1,
2s
3s
-4
y=y=-7.63·10м - координаты статических положений точек 2 и 3.
1
1
1
k
-3.0·t
Демпферы, расположенные у опор, воспринимают перемещения балки при свободных колебаниях середины балки. На фигуре 4 изображен график свободных колебаний середины балки (перемещения точки 1 за минусом координаты ее статического положения) и зависимость N(t)=-21·e, огибающая локальные минимумы перемещений. Собственная частота первого тона стала равной ω=7.6 Гц вместо ω=6.4 Гц, характерной для случая свободных колебаний без демпферов. При приложении к валу 10 вертикальной нагрузки (возвратно-поступательное перемещение балки прикрепленной к тяге 14) вал 10 не вращается вокруг своей оси и трется наружными поверхностями колец 11 по поверхностям отверстия в вале - эксцентрике 6. Данные колебания через вильчатую тягу 14 (фиг.1, 2) передаются на кольцевую пружину 2, которую одним концом соединяют с неподвижным основанием 1, а вторым концом с валом - эсцентриком 6. Приложение вертикальной нагрузки к валу вызывает вращение эксцентрика 6 относительно оси С кольца 4 внутри основания 1 и поворот его на угол α. При этом происходит деформация кольцевой пружины, жестко соединенной с эксцетриком и шарнирно соединенной с основанием. За счет силы трения и жесткости пружины колебания затухают через небольшой промежуток времени. На фигуре 5 показывают перемещения точек крепления демпферов к балке (перемещения точек 2 и 3 за минусом координат их статических положений).
На фигуре 6 показаны зависимости усилий демпфера от перемещений его точки крепления 2 к балке. С момента начала движения из точки 0 графика, точка 2 или 3 балки последовательно перемещалась по координатам в точках 1, 2, 3, 4, 5, 6, замкнув при этом в точке 6 плоскую фигуру в виде «бабочки». В момент попадания точки 2 балки в положение с координатами 6 закончился первый период собственных колебаний балки по первому тону. Эта точка превращается в точку 0 для второго периода колебаний, который заканчивается на очередном замыкании «бабочки» меньшего масштаба. Процесс заканчивается остановкой движения в начале координат графика (нулевой точке). На фигуре 7 показаны зависимости усилий демпфера от перемещений его точки крепления 3 к балке. Процесс затухания колебаний для точки 3 так же заканчивается остановкой движения в начале координат графика (нулевой точке). Время полного затухания колебаний точек крепления демпферов к балке (точек 2 и 3) - 1,5÷2 секунды.
1
Эффективное демпфирование с одновременным повышением жесткости колебательной системы является одним из преимуществ применения исследуемых демпферов по сравнению с применением гидромеханических и гидравлических (линейных) демпферов, которые снижают собственную частоту колебаний системы. Логарифмический декремент колебания первого тона, определенный в соответствии с найденными значениями частоты и показателя степени экспоненты функции N(t), равен значению: 0.39.
Сравнение графиков на фигурах 4 и 5 показывает, что относительно малые перемещения демпферов обеспечивают эффективное демпфирование колебаний всей балки.
Возможность эффективной работы при весьма малых собственных перемещениях по сравнению с перемещениями демпфируемой системы является основным достоинством механических демпферов на основе вращательных пар трения.