Самонастраивающийся виброизолятор

Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована для стабильной работы транспортных средств и технологических машин.
Вибрации сопровождают работу многих технических объектов, работающих в условиях интенсивного динамического нагружения. В частности, это относится к установкам вентиляционного типа, насосам и компрессорному оборудованию, вибрационным конвейерам, вибропитателям и другим техническим средствам, по отношению к которым возникают проблемы уменьшения воздействия в местах закрепления с опорными поверхностями и передачи динамических взаимодействий на сопрягаемые узлы. Теоретическим и практическим аспектам решения задач вибрационной защиты оборудования и технологических машин нашли отражение в ряде известных работ [1-5].
Несмотря на то, что в практических инженерно-технических задачах используются многочисленные варианты виброзащитных средств, интерес к вопросам поиска и разработки новых способов, подходов и устройств для управления динамическим состоянием используются многочисленные варианты виброзащитных средств, интерес к вопросам поиска и разработки новых способов, подходов и устройств для управления динамическими состояниями, объектов, подверженных переменным нагрузкам, сохраняется. В последние годы большое внимание уделяется динамическим гасителям колебаний, устройствам, обладающим свойствами самонастройки или адаптации к условиям работы с учетом возможностей контроля и изменения динамического состояния защищаемого объекта. В этом плане определенными преимуществами обладают виброзащитные устройства, в которых для гашения колебаний используются динамические эффекты преобразования движения, реализуемые определенными механизмами.
Известен виброизолятор [Гапоненко Е.В., Бондаренко В.Н., Рыбак Л.А., Рыбалкин Е.Ю. Патент на полезную модель №105386 U1; МПК F16F 15/02; приоритет 20.01.2011]. Каждый соединительный механизм виброизолятора с объектом, содержащий основание и платформу, связанные через упругие элементы соединительными механизмами с шарнирами Гука и на концах, акселерометры и измерения ускорений, блок управления в виде микропроцессора 23 и усилителя мощности, выполнен стержневым с размещенным на нем исполнительным органом. При этом платформе обеспечивается 6 степеней свободы путем соединения ее с основанием 6-ю расположенных специальным образом независимых стержневых механизмов. Исполнительный орган представляет собой самотормозящуюся винтовую пару, гайка которой с устройством регулирования зазора расположена внутри полого ротора электродвигателя. Статор электродвигателя соединен с нижним шарниром Гука и снабжен шпонкой, размещенной в шпоночном пазу винта-стержня, соединенного верхним концом с другим шарниром Гука. При этом акселерометры установлены у верхнего и нижнего шарниров Гука и измеряют виброускорения соответственно стоек и шарниров Гука, закрепленных соответственно на платформе (через упругие элементы) и основании, по линии, соединяющей центры шарниров Гука, расположенных на концах соединительных механизмов, а датчик относительного перемещения регистрирует их относительное перемещение. От акселерометров осуществляется управление по обратным связям, а от датчика на это основное управление накладывается дополнительный сигнал управления, который называется инвариантным. Суть его состоит в том, что он делает ускорение, измеряемое датчиком, равным нулю, т.е. платформа становится неподвижной в инерциальном пространстве, чем реализуется виброизоляция.
К недостаткам данного решения следует отнести сложность настройки работы виброизолятора, а также необходимость точной сборки и регулировки самотормозящейся передачи, ее прочности, помимо этого стоит учитывать взаимное проскальзывание рабочих поверхностей в исполнительном органе, что приводит к потерям на трение с тепловыделением.
Существует виброизолятор транспортного средства [Нигматуллина В.Н., Червинский В.П., Вершигоров В.М., Гусаров В.И., Путилин С.В. Патент на полезную модель №29009 U1, МПК B60G 11/26, F16F 9/02; приоритет 17.09.2002]. Устройство состоит из герметичного корпуса с каналом подвода управляющей среды в его внутреннюю полость. В полости сцентрированы рабочий и дополнительный поршни. Рабочий поршень жестко связан с объектом транспортировки, образуя с корпусом дроссель переменного сечения, направляющая - отверстие. Конструкция снабжена устройством для перемещения поршней, которые выполнены в виде двухплечего рычага, шарнирно соединенного с поршнями. Ось вращения размещена на рычаге с возможностью осевого перемещения поршней и жестко соединена со штоком плунжера, который нагружен пружиной при помощи резьбового подстроечного элемента. Причем геометрические оси рабочего и дополнительного поршней, а также плунжера расположены в различных плоскостях (оси расположены в перпендикулярных плоскостях, а корпус жестко соединен с виброактивным основанием).
Недостатком данной полезной модели является то обстоятельство, что при длительной эксплуатации устройства происходит износ трущейся поверхности плунжера, что приводит к зазорам между деталями конструкции и, соответственно, к нестабильной работе виброизолятора, а также сложность настройки системы.
Необходимо отметить изобретение «Виброизолирующая опора» [Коротков Е.Б., Левинзон Г.Л., Мороз А.В., Юрченко Ю.Ф. Патент на изобретение №2222729 С2, МПК F16F 6/00, 15/03; приоритет 13.12.2000]. Виброизолирующая опора содержит цилиндрический корпус, в котором соосно установлены опорный стержень и кольцевая резиновая мембрана, которая со стенками корпуса образует пневматическую демпферную камеру. На верхнем торце корпуса с помощью подшипника, выполненного из трех шариков, установлен соосно с корпусом постоянный кольцевой электромагнит, который является основным узлом электродинамического компенсатора виброизолирующей опоры. В зазоре магнитопровода постоянного кольцевого электромагнита установлена подвижная катушка. Магнитопровод и подвижная катушка центрированы относительного опорного стержня с помощью металлической мембраны. Корпус подвижной катушки связан с опорным стержнем муфтой трения.
В состав виброизолирующей опоры может быть введено устройство электромагнитного торможения, состоящее из электромагнитов с якорями, жестко связанными с корпусом.
В состав виброизолирующей опоры может быть также введен горизонтальный электродинамический компенсатор, имеющий неподвижно закрепленную относительно корпуса катушку, которая введена в зазор подвижного постоянного магнита, магнитопровод которого жестко закреплен на магнитопроводе кольцевого электромагнита.
Недостатком данного изобретения является разрушение магнитных элементов при резких колебаниях основания. Помимо этого, отсутствие регулирования давления в демпферной камере не позволяет повысить общее качество работы виброзащтной системы, в связи с чем приходится прибегать к сложной настройке при помощи электромагнитных установок.
К наиболее близкому техническому решению следует отнести виброизолятор [Белозерова Е.Б., Фоминова О.В., Чернышев В.И. Патент на изобретение №2480643 С2, МПК F16F 9/18, 9/48, 15/027; приоритет 31.05.2011]. Виброизолятор содержит первое основание, второе основание, несущий упругий элемент, закрепленный между первым и вторым основаниями, гидравлический демпфер и два упора. Упор закреплен на первом основании, а упор - на втором основании.
Гидравлический демпфер выполнен в виде цилиндра с поршнем и штоком. В нижней торцевой части цилиндра установлены клапан, дросселирующий элемент и выполнена дополнительная полость. Клапан предназначен для пропускания жидкости из дополнительной полости в подпоршневую полость цилиндра, а дросселирующий элемент - для пропускания жидкости из подпоршневой полости цилиндра в дополнительную полость. Надпоршневая полость цилиндра и дополнительная полость соединены гидравлическим каналом.
Клапан выполнен в виде цилиндра с двумя продольными отверстиями, перекрываемыми в верхней торцевой части цилиндра упругим кольцом. Упругое кольцо закреплено заклепкой.
Дросселирующий элемент выполнен в виде цилиндра с полостью. В верхней торцевой части цилиндра выполнено два продольных калиброванных отверстия. В боковой стенке цилиндра выполнено отверстие, соединяющее полость и дополнительную полость.
В полости установлены диск, пружина и два упора. Нижний конец пружины закреплен между упорами, а верхний - в середине диска. Причем диск перекрывает калиброванные отверстия.
Шток закреплен на первом упоре посредством шарнирного соединения. Цилиндр закреплен на втором упоре посредством шарнирного соединения, в результате чего обеспечивается горизонтальное расположение гидравлического демпфера.
Шарнирное соединение выполнено в виде П-образной рамы, на концах которой закреплены втулки, установленные на осях. Оси закреплены на противоположных боковых стенках цилиндра соосно.
Первое основание предназначено для связи с источником динамических нагрузок, а второе основание предназначено для связи с объектом.
Недостаток данного изобретения заключается в том, что рабочая жидкость в виброизоляторе подвержена температурным факторам внешней среды, что приводит к снижению эффективности работы системы. Помимо этого, в конструкции отсутствует механизм настройки параметров для повышения стабильности и регулировки динамического состояния объекта защиты.
Целью данной полезной модели является упрощение конструкции вибрационной изоляции, а также стабильная регулировка динамического состояния объекта защиты в заданных частотных пределах.
Предлагаемый самонастраивающийся виброизолятор объекта от вибрационных воздействий, состоящий из корпуса, упругого элемента, содержащий в своем составе устройство для преобразования движения, систему управления, включающую источник энергии в виде воздушного компрессора и датчики контроля параметров состояния объекта защиты, отличающийся тем, что в системе обеспечивается режим динамического гашения колебаний за счет поднастройки параметров состояния пневматической камеры, которые определяются величиной давления в камере и возможностями изменения давления либо за счет включения компрессора или задействования электромагнитного воздушного дросселя, при этом эффект динамического гашения в системе реализуется в силу динамических особенностей взаимодействия устройства для преобразования движения, в котором частота динамического гашения колебаний и условия запирания на высоких частотах внешних воздействий определяются отношением коэффициента жесткости упругого элемента и величиной приведенной массы устройства для преобразования движения.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства. Приняты обозначения: 1 - объект защиты; 2, 3 - датчики; 4 - упругий элемент; 5 - устройство для преобразования движения; 6 - пневматическая камера; 7 - компрессор; 8 - электромагнитный воздушный дроссель; 9 - блок управления; 10 - основание; y - колебания объекта защиты 1; m - масса объекта защиты 1; k - жесткость упругого элемента 4; J - момент инерции устройства для преобразования движения 5; z - кинематическое возмущение основания 10.
Основным элементом виброизолятора является устройство для преобразования движения (УПД) в виде винтового несамотормозящегося механизма. УПД состоит из ходового винта и гайки - маховика, которые закрепляются с корпусом виброизолятора, таким образом, чтобы обеспечивались возможности для относительного движения элементов. Гайка - маховик закрепляется в специальном «кармане» с использованием эффектов шарикового подшипника для уменьшения неконтролируемых сил сопротивления.
Вторая основная часть виброизолятора представляет собой пневматический баллон, который не только выполняет функции упругого элемента с настраиваемой жесткостью, но одновременно является защитным кожухом виброизолятора.
Переменность жесткостных характеристик виброизолятора и возможности системы поднастройки или адаптации к условиям внешних воздействий обеспечивается системой измерения состояния объекта, выработки управляющего сигнала и изменения жесткости баллона за счет изменения давления воздуха.
Работа системы происходит следующим образом. Со стороны основания 10 на объект защиты 1 передаются кинематические возмущения z. Упругий элемент 4 одним концом крепят с основанием 10, а другим - устройством для преобразования движения 5 для восприятия малозначительных внешних воздействий. При увеличении значений частоты внешнего воздействия датчики 2, 3 передают данные об изменении динамического состояния объекта защиты 1 в блок управления 9, который дает команду на включение компрессора 7, который подает воздух в демпферную камеру 6 для увеличения жесткости упругого элемента 4. Под действием давления воздуха демпферной камеры 6 гайка - маховик в устройстве для преобразования движения 5 начинает перемещаться по винту, создавая инерционные силы, способствующие компенсации вибрационных воздействий основания 10. При понижении значений параметров внешних кинематических возмущений блок управления 9 дает команду электромагнитному воздушному дросселю 8 произвести уменьшение давления в демпферной камере 6 путем открытия дроссельной заслонки, после чего происходит стабилизация работы виброзащитной системы.
Предлагаемое устройство существенным образом расширяет динамические свойства виброизолятора в плане реализации возможностей реагировать на изменения параметров внешних вибраций и удерживать режим динамического гашения колебаний в заданных частотных ограничениях.