УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДЕМПФИРОВАНИЯ ПРОДОЛЬНЫХ И КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ
DAMPING DEVICE FOR EXTENSION AND TORSION VIBRATIONS

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к устройствам для демпфирования движения звеньев машин, амортизации и ударных нагрузок.
Известен демпфер (RU 2274783), который включает в себя поршень со штоком, пружину и заполненную вязкой жидкостью гидравлическую камеру, заключенные в цилиндрический патрон, и дополнительно снабжен двумя комплектами лопастного механизма, состоящего из водила, крыльчатки и направляющей. Каждый из механизмов установлен в разных гидравлических, верхней и нижней, камерах соответственно. Поршень удерживается от вращения относительно цилиндрического патрона посредством шпоночного соединения, шпонка которого закреплена на поршне. Водила неподвижно закреплены на поршне соосно ему с обоих противоположных его торцов. Каждая крыльчатка соединена с водилом посредством спиральных шлиц, а с направляющей - посредством цилиндрического подвижного соединения и осевого ограничителя с возможностью ее вращения вокруг собственной оси при возвратно-поступательном движении поршня.
Конструкция демпфера является сложной, при этом в случае превышения нагрузки и среза шпонки демпфер утрачивает свою работоспособность.
Известен тарельчатый амортизатор колебаний бурильной колонны (SU 1273494), включающий корпус, внутри которого установлен с возможностью телескопического перемещения вал, образующий с корпусом полость для размещения пакетов тарельчатых пружин, образованных плоскими и коническими кольцами, при этом над пакетами тарельчатых пружин установлены одно над другим дополнительные плоские и конические кольца, расположенные с возможностью прилегания внутренней поверхности каждого последующего кольца к наружной поверхности предыдущего.
Особенностью конструкции является необходимость регулировки жесткости амортизатора путем соответствующего подбора пакетов тарельчатых пружин и перестановки дополнительных колец. Применительно к области применения амортизатора - проведение бурильных работ и необходимость учета влияния полевых условий - конструктивные особенности амортизатора усложняют его эксплуатацию.
Известен гаситель продольных и крутильных колебаний (RU 2184834), являющийся прототипом заявляемого технического решения и включающий корпус, вал и систему упругих элементов, соединяющих вал с корпусом, в нижней части которого смонтированы радиальный и осевой подшипники, а система упругих элементов выполнена в виде концентрично распложенных труб различного диаметра и жесткости, соединенных между собой последовательно и герметично, а с корпусом и валом - герметично, внутри вала расположено дросселирующее устройство.
Различные типы упругих элементов избирательны к воздействующим на них силовым вибрациям. Так, например, тарельчатые пружины и комбинации из них предпочтительно применять при демпфировании низкочастотных вибраций, тогда как на практике в различных машинах наблюдаются как низкочастотные, так и высокочастотные вибрации. Например, в системе привода штанговой скважинной насосной установки наблюдаются вибрации частотой 20…2000 Гц.
В прототипе задача демпфирования вибраций в широком спектре частот не раскрыта. Система концентрично расположенных труб различного диаметра и жесткости, соединенных между собой последовательно, обладает способностью демпфирования низкочастотных вибраций, возможности ее применения для демпфирования высокочастотных вибраций маловероятны.
Техническим результатом изобретения является повышение демпфирующих возможностей устройства в широком спектре частот и амплитуд.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для демпфирования продольных и крутильных колебаний, содержащем корпус с цилиндрическим отверстием, упор, установленный на корпусе, шток с упорным буртом, размещенным в полости корпуса, и, по крайней мере, два типа демпфирующих элементов, размещенных в полости корпуса между упорным буртом и упором, один из которых содержит тарельчатые пружины, второй тип демпфирующих элементов содержит диски и установленные между ними прокладки, причем диски и прокладки выполнены из материалов, обладающих разной способностью материала поглощать механическую энергию в процессе деформации и разрушения под действием ударной нагрузки, при этом дополнительно:
- диски и прокладки выполнены из материалов, обладающих разной ударной вязкостью;
- диски и прокладки выполнены из материалов, обладающих разной твердостью;
- в дисках и прокладках выполнены отверстия, диаметр которых соответствует диаметру штока;
- упор выполнен в виде втулки с отверстием для штока, установленной на корпусе;
- диски и прокладки установлены между торцевой поверхность упорного бурта и тарельчатыми пружинами;
- диски и прокладки установлены между торцевой поверхностью втулки и тарельчатыми пружинами;
- диски и прокладки выполнены из металла;
- тарельчатые пружины сформированы в пакеты, а пакеты сформированы в группы, каждая из которых имеет жесткость пружин, отличающуюся от жесткости пружин другой группы;
полость устройства заполнена жидкостью, обладающей смазывающими и антикоррозионными свойствами, а во втулке цилиндрического корпуса выполнено уплотнительное устройство по штоку.
Диски и прокладки, выполненные из материалов, обладающих различной ударной вязкостью и твердостью, представляют собой систему гашения высокочастотных вибраций.
Ударная вязкость характеризует способность материала поглощать механическую энергию в процессе деформации и разрушения под действием ударной нагрузки.
Диски и установленные между ними прокладки, выполненных из материалов, обладающих разной ударной вязкостью и (или) твердостью, представляют собой модель бингамовской (неньютоновской) жидкости, обладающей способностью демпфировать как высокочастотные продольные вибрации, а также крутильные колебания за счет трения между контактирующими торцевыми поверхностями дисков и прокладок.
Установка дисков и прокладок между торцевой поверхность упорного бурта и тарельчатыми пружинами или между торцевой поверхностью втулки и тарельчатыми пружинами, выполнение в дисках и прокладках отверстий, диаметр которых соответствует диаметру штока, а также выполнение дисков и прокладок из металла являются предпочтительными методами конструктивной компоновки устройства.
Формирование тарельчатых пружин в пакеты, которые сформированы в группы, каждая из которых имеет жесткость пружин, отличающуюся от жесткости пружин другой группы, являются методами повышения несущей способности устройства.
Заполнение полости устройства жидкостью, обладающей смазывающими и антикоррозионными свойствами, является методом: а) предотвращения коррозии элементов демпфера; б) снижения влияния контактной коррозии по торцам тарельчатых пружин.
Выполнение во втулке цилиндрического корпуса уплотнительного устройства по штоку необходимо для предотвращения вытекания смазывающе-антикоррозионной жидкости из полости устройства.
На фиг.1 показана конструктивная схема устройства.
Устройство состоит из цилиндрического корпуса 1 с резьбовым участком 2, в который ввернута втулка 3, выполняющая функции упора. Внутри полости устройства, образованной корпусом 1 и втулкой 3, размещены шток 4 с упорным буртом 5, а между втулкой 3 и упорным буртом 5 размещены тарельчатые пружины 6, сформированные в пакеты пружин. Пакеты пружин сформированы в группы пружин 7 и 8, состоящие из пружин различной жесткости.
Между упорным буртом 5 и тарельчатыми пружинами 6 установлены диски 9, между которыми установлены прокладки 10.
Диски 9 и прокладки 10 могут быть установлены как между упорным буртом 5 и тарельчатыми пружинами 6, так и между втулкой 3 и тарельчатыми пружинами 6.
На корпусе 1 и на штоке 4 выполнены резьбовые элементы 11 и 12, предназначенные для соединения устройства со звеньями машин и установок.
В таблице приведены некоторые материалы, из которых возможно изготовление дисков 9 и прокладок 9.
Материал диска
Материал прокладки
Сталь 45
Сталь 08, сталь 10, автоматная сталь, бронза, медь, алюминий
Сталь
Фторопласт
Указанные материалы имеют разную ударную вязкость и твердость. Во втулке 3 выполнено уплотнительное устройство 13. Полость устройства заполнена маслом 14.
Работает устройство следующим образом.
Под воздействием растягивающей нагрузки шток 4 выдвигается из корпуса 1, при этом происходят деформации тарельчатых пружин 6 до упора торцевых поверхностей вначале пружин (пакетов пружин) меньшей жесткости, а затем пружин большей. Энергия низкочастотных колебательных процессов в системе частично поглощается сжатием пружин 6.
Масло 14 через технологические или специальные зазоры между тарельчатыми пружинами 6 и корпусом 1, между дисками 9 и прокладками 10 и корпусом 1, между упорным буртом 5 и корпусом 1 перекачивается в полость корпуса между упорным буртом 7 и втулкой 3, одновременно частично демпфируя возникающие при этом колебательные процессы.
Силовая нагрузка воздействует также на диски 9 и прокладки 10. Последние, обладая меньшей жесткостью и, соответственно, большей вязкостью, демпфируют высокочастотные гармоники колебательных процессов.
Аналогичные процессы демпфирования колебаний происходят в устройстве и при обратном ходе, масло 14 из полости устройства между упорным буртом 5 и втулкой 3 перекачивается через соответствующие зазоры, описанные выше, обратно в полость между упорным буртом 5 и дном корпуса.
Пропуски масла из демпферных полостей через зазор между штоком 4 и втулкой 3 предотвращаются уплотнением 13.
Крутильные колебания демпфируются за счет трения по плотно контактирующим между собой торцевым поверхностям дисков 9 и прокладок 10.
Конструктивно предлагаемое техническое решение промышленно реализуемо.