СИСТЕМА ВИБРОИЗОЛЯЦИИ
VIBRATION ISOLATION SYSTEM

Изобретение относится к средствам виброзащиты прецизионной аппаратуры в различных областях техники и машиностроения и может быть применено для снижения передаваемых силомоментных воздействий в широком частотном диапазоне от источников внутренних возмущений с подвижными массами на конструкцию и оборудование космического комплекса.
Известно амортизирующее устройство [1], содержащее цилиндр из ферромагнитного материала, установленный в нем шток с поршнем из ферромагнитного материала, делящим цилиндр на штоковую и поршневую полости, заполненные газом. Ферромагнитная суспензия с 50-ти процентной концентрацией ферромагнитных частиц по объему покрывает внутреннюю поверхность цилиндра, на которой выполнены продольные канавки с насечкой в виде зубьев с углом при вершине 30-45°. Электрическая обмотка управления расположена снаружи цилиндра. Кольцевой постоянный магнит расположен в штоковой полости и может быть закреплен на поршне.
Недостатком данной конструкции является виброизоляция возмущений преимущественно только в одном направлении (вдоль вертикальной оси), что не позволяет использовать амортизатор в конструкциях с подвижными массами исполнительных органов, создающими дополнительные силы в других направлениях и крутящие моменты, а также техническая сложность конструктивной реализации её использования в космическом пространстве.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является магнитожидкостный виброизолятор, содержащий корпус, состоящий из смонтированных соосно неподвижной и выполненной в виде полого цилиндра с буртиком и глухим торцом подвижной частей, соединенных между собой упругими элементами в виде пластинчатых опор, каждая из которых изогнута под прямыми углами с образованием зигзагообразной формы, и, постоянного магнита с ферромагнитной жидкостью, размещённых в герметичной полости, образованной в подвижной части корпуса (см. устройство [2], и принятое за прототип).
Недостатком устройства - прототипа является низкая эффективность виброизоляции в низкочастотной области колебаний из-за дополнительных упруго-демпфированных масс, что приводит к возникновению дополнительных резонансных пиков и превышению вибрационной характеристикой допустимого уровня, превращая условно полезные управляющие моменты, действующие относительно оси вращения роторов в областях низких частот (порядка 5…30 Гц) во вредные, а также невозможность регулировать упруго-демпфирующую характеристику [3].
Сущность изобретения заключается в создании системы виброизоляции с регулируемой жесткостью, обеспечивающей повышение эффективности виброизоляции за счет регулирования упруго-демпфирующей характеристики в зависимости от уровня виброактивности источников внутренних возмущений с подвижными массами.
Технический результат - снижение уровня вибронагруженности в широком диапазоне частот путём изменения эквивалентной жёсткости системы при «фиксации» положения корпуса подвижного гасителя колебаний относительно неподвижного демпфера, выступающего фиксатором в областях резонансных частот за счет регулирования «эффективной» вязкости магнитореологической жидкости с высокопроцентной концентрацией ферромагнитных частиц неподвижного демпфера-фиксатора в широком диапазоне до состояния намагниченности насыщения.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в системе виброизоляции размещены соосно и скреплены упругими пластинчатыми опорными элементами зигзагообразной формы подвижный гаситель колебаний с ферромагнитной жидкостью и демпфер-фиксатор с магнитореологической жидкостью с системой управления, выполненные из немагнитопроводящего материала в виде герметичных цилиндрических корпусов разного диаметра, в герметичной полости подвижного гасителя колебаний размещен обволоченный коллоидной ферромагнитной жидкостью кольцевой постоянный магнит, а в полости демпфера-фиксатора установлена поршневая группа с кольцевым зазором, заполненным магнитореологической жидкостью с высокопроцентной концентрацией ферромагнитных частиц по объему, в корпусе демпфера-фиксатора со стороны подвижного гасителя колебаний выполнено осевое отверстие под шток, а вокруг корпуса демпфера-фиксатора размещена электромагнитная катушка, связанная электрически с системой управления, регулирующей силу тока в обмотке электромагнитной катушки в зависимости от уровня вибронагруженности подвижного гасителя колебаний, корпус гасителя колебаний соединен аксиально и связан консеквентно шарниром Гука, штоком с поршнем демпфера-фиксатора, поршень выполнен наборным из групп усечённых конусов с гранью 45 градусов из магнитопроводящего материала, разделённых кольцевой шайбой из немагнитопроводящего материала, причём меньшие диаметры конусов направлены к кольцевой шайбе, а электромагнитная катушка расположена коаксиально поршню.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 схематично изображена предлагаемая система виброизоляции, общий вид с поперечным разрезом.
h
Система виброизоляции содержит закреплённый на основании демпфер-фиксатор 1 с электромагнитной катушкой 2, системой управления 3, магнитореологической жидкостью 4 и поршневой группой 5, соединённый соосно упругими зигзагообразными пластинчатыми опорами 6 и шарниром Гука 7 с подвижным гасителем колебаний 8, в герметичной полости которого размещён обволоченный ферромагнитной жидкостью 9 кольцевой постоянный магнит 10. Демпфер-фиксатор 1 и гаситель колебаний 8 выполнены из немагнитопроводящего материала в виде герметичных цилиндрических корпусов разного диаметра. Устройство с подвижными массами 11 крепится к корпусу гасителя колебаний 8. В корпусе демпфера-фиксатора 1 со стороны подвижного гасителя колебаний 8 выполнено осевое отверстие 12 под шток 13 с наборным поршнем из групп усечённых конусов 14 с гранью 45 градусов из магнитопроводящего материала, меньшими диаметрами направленных к разделяющей группы кольцевой шайбе 15 из немагнитопроводящего материала. Заполняющая кольцевой зазор между внутренней стенкой стакана корпуса демпфера-фиксатора и наружной поверхностью поршневой группы магнитореологическая жидкость 4 содержит высокопроцентную концентрацию ферромагнитных частиц и способна изменять «эффективную» вязкость в широких пределах, вплоть до «затвердевания» в состоянии магнитного насыщения, тем самым, регулируя жёсткостную характеристику системы виброизоляции.
«Эффективная» вязкость магнитореологической жидкости изменяется под воздействием электромагнитного поля, наводимого электромагнитной катушкой 2, сила тока в обмотке которой регулируется системой управления 3 в зависимости от уровня виброактивности устройства с подвижными массами 11.
Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.
F(t)
f
При вращении подвижных масс исполнительного устройства 11, кроме управляющих воздействий на систему ориентации, возникают негативные силы и моменты, передаваемые по конструкции космического комплекса на прецизионную аппаратуру, вызывая её ненадлежащее функционирование. На фиг. 2 представлена вибрационная характеристика 16 силового воздействия  в частотном диапазоне  от источника внутренних возмущений с подвижными массами в сравнении с допустимым уровнем вибронагруженности 17. В низкочастотной области (до 20 Гц) уровень вибронагруженности соответствует допустимому уровню, а в среднечастотной и высокочастотной областях виброактивность источников возмущений превышает допустимый уровень вибронагруженности. По этой причине на практике ограничивают скорости раскрутки устройств с подвижными массами скоростями, обеспечивающими допустимый уровень вибронагруженности, сужая диапазон рабочей характеристики.
Применение магнитожидкостного виброизолятора типа прототипа [2] может позволить снизить уровень вибронагруженности в среднечастотной и высокочастотной областях и тем самым повысить диапазон скоростей раскрутки подвижных масс исполнительных органов. Однако, введение дополнительных упруго-демпфированных масс приводит к возникновению резонансных пиков в низкочастотной области (кривая 18, фиг.3), выводя изначально удовлетворяющую требованиям вибрационную характеристику в низкочастотной области выше допустимого уровня (кривая 19, фиг.3), тем самым превращая условно полезные управляющие моменты, действующие относительно оси вращения роторов в областях низких частот (порядка 5 Гц) во вредные.
Для повышения эффективности виброизоляции и обеспечения уровня вибронагруженности ниже требуемого (кривая 20, фиг.4) при работе устройств с подвижными массами во всем диапазоне их скоростей раскрутки, необходимо в низкочастотной области «блокировать» работу виброизолятора (по-сути, исключая создаваемое им вредное проявление резонансных пиков из динамической системы), «включая» виброизоляционный эффект устройства в среднечастотной и высокочастотной областях (кривая 21, фиг.4). Достигается данный алгоритм работы системой виброизоляции следующим образом. Информация о скорости раскрутки устройства с подвижными массами поступает в систему управления, которая определяет момент подачи тока на электромагнитную катушку, при этом создаётся электромагнитное поле, магнитореологическая жидкость намагничивается, её «эффективная» вязкость увеличивается, жидкость втягивается в область максимальной индукции, заполняя зазор, создавая из ферромагнитных частиц цепочки вдоль силовых линий магнитного поля, образуя магнитожидкостное уплотнение, и в состоянии магнитного насыщения «затвердевает», обеспечивая статическое равновесие подвижной части корпуса относительно демпфера-фиксатора, «запирая» его. Упругая характеристика виброизолятора становится жёсткой, резонансные пики низкочастотной области «срезаются».
При повышении скорости вращения подвижных масс исполнительных органов в среднечастотной и высокочастотной областях, системой управления подается команда на отключение тока в электрической катушке, магнитное поле пропадает, «эффективная» вязкость магнитореологической жидкости уменьшается, позволяя подвижной части корпуса совершать колебательные движения относительно неподвижной части системы виброизоляции. Снижение передаваемых вибраций происходит за счёт ослабления связей посредством упругих зигзагообразных опор. Обволоченный коллоидной ферромагнитной жидкостью постоянный кольцевой магнит подвижного гасителя колебаний обеспечивает однородность магнитного поля и позволяет работать виброизолятору симметрично и равномерно в различных направлениях относительно оси виброизолятора, а магнитное поле при воздействии на опоры создает дополнительно магнитострикционный эффект, повышающий демпфирование в данных опорах.
При колебаниях подвижного магнитожидкостного гасителя колебаний энергия воздействия будет восприниматься упругими элементами - зигзагообразными опорными пружинами, а её диссипация осуществляться как коллоидной ферромагнитной жидкостью в кольцевом зазоре между внутренней стенкой корпуса гасителя колебаний и магнитом, так и магнитореологической жидкостью в кольцевом зазоре гасителя-фиксатора. Механическая энергия колебаний будет расходоваться на преодоление сил сопротивления скольжению магнитожидкостного уплотнения относительно корпуса и сил сцепления ферромагнитных частиц в цепочках за счет осуществления непрерывного процесса разрыва и образования магнитных цепочек из ферромагнитных частиц жидкости.
Конструкция предложенной системы виброизоляции обладает высокой надёжностью, обусловленной способностью сохранять свою работоспособность после воздействий высоких перегрузок и сохранять высокую герметизацию магнитной рабочей среды при функционировании устройства в вакууме или при переменном воздушном давлении, не меняя упруго-диссипативных характеристик системы виброизоляции в целом, обеспечивая возможность снижать вибрационные воздействия от работы подвижных масс исполнительных органов, обеспечивая полную пространственную защиту прецизионной аппаратуры на борту, при этом позволяя осуществлять корректировку положения космического аппарата в пространстве.
Предлагаемое устройство имеет высокую эффективность виброизоляции, просто при изготовлении и сборке, не предъявляет никаких специальных требований к качеству деталей, узлов, размерам и т.д.
Источники информации
1. Топчий В.Д., Рулёв С.В., Савостьянов А.М., Герасимчук В.В. Амортизационное устройство (изобретение). Патент № 2066005 от 27.08.96.
2. Пат. 166328 РФ, МКИ6 F 16 F 6/00. Магнитожидкостный виброизолятор./ Ефанов В.В., Ермаков В.Ю., Кузнецов Д.А., Телепнев П.П. и др. (ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина»). №2016107558/11; Заявл. 02.03.2016// Изобретения. Полезные модели. - 2016. - Бюл.№32.
3. В.В. Герасимчук, В.В. Ефанов, В.Ю Ермаков и др. К решению задачи обеспечения допустимых уровней вибронагруженности исполнительных органов системы ориентации космического аппарата. // Общероссийский научно-технический журнал «Полёт». М.: Издательство «Машиностроение-Полёт», 2018.-№8.-С.33-39.