СПОСОБ ДЕМПФИРОВАНИЯ КОЛЕБАНИЙ ПОДВИЖНОЙ СИСТЕМЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
PROCEDURE FOR DAMPING OSCILLATIONS OF MOVABLE SYSTEM AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области демпфирования и гашения механических колебаний и может быть использовано для гашения вредных колебаний в различных механических системах.
Известен способ демпфирования механических колебаний, заключающийся в том, что на колеблющемся объекте устанавливают сосуд с вязкой жидкостью и помещают в нее рабочий орган, в качестве которого используют жидкость, не смешивающуюся с вязкой жидкостью и имеющую отличную от нее плотность /1/.
Недостаток способа заключается в отсутствии возможности управлять процессом демпфирования плавно, например, по программе, поскольку в способе создание дополнительной диссипативной силы сопротивления обусловлено первоначальным объемным соотношением вязких жидкостей-компонент.
Известен способ магнитожидкостной амортизации, заключающийся в том, что между основанием и подвижным элементом располагают постоянный магнит и магнитную жидкость, которую наносят на поверхность постоянного магнита до принятия им формы замкнутых силовых линий /2/.
Недостаток способа заключается в ограниченности максимальной дополнительной диссипативной силы сопротивления, поскольку коэрцитивная сила постоянных магнитов постоянна и не зависит от мощности и амплитуды возмущающих механических колебаний.
В качестве прототипа на способ выбран способ демпфирования колебаний подвижной системы, заключающийся в том, что колебания демпфируют путем приложения к системе дополнительной диссипативной силы сопротивления, которую модулируют импульсным сигналом путем возбуждения импульсов магнитного поля в демпфирующей магнитной жидкости /3/.
Недостатком способа является использование только одного фактора для создания дополнительной диссипативной силы сопротивления, а именно - фактора увеличения вязкости магнитной жидкости. Это ограничивает мощность дополнительной диссипативной силы сопротивления и, соответственно, снижает эффективность демпфирования.
Цель изобретения - повышение эффективности демпфирования колебаний подвижной системы.
Поставленная цель достигается тем, что колебания демпфируют путем приложения к системе дополнительной диссипативной силы сопротивления путем возбуждения импульсов магнитного поля в демпфирующей магнитной жидкости, причем дополнительную диссипативную силу сопротивления создают в области демпфирующей магнитной жидкости, которая пространственно предваряет передний фронт перемещения части подвижной системы, погруженной в магнитную жидкость в направлении перемещения.
Способ осуществляется следующим образом.
Часть подвижной системы помещают в магнитную жидкость. При перемещении этой части подвижной системы в области магнитной жидкости, которая пространственно предваряет передний фронт перемещения этой части в направлении перемещения, возбуждают импульсы магнитного поля.
Для пояснения способа рассмотрим устройство для его реализации на примере автомобильного амортизатора.
Известны устройства демпфирования колебаний подвижной системы (амортизаторы), содержащие цилиндр, заполненный магнитной жидкостью, подвижные шток с поршнем, размещенные в корпусе, соленоидную катушку, охватывающую корпус и подключаемую к источнику питания /4-8/. Недостатком таких устройств является отсутствие гидродинамического торможения магнитной жидкости в кольцевом зазоре между поршнем и цилиндром в процессе демпфирования.
Демпфирование осуществляется только за счет увеличения вязкости магнитной жидкости при воздействии магнитного поля. Т.е. из двух факторов создания дополнительной диссипативной силы демпфирования используется только один.
В качестве прототипа на устройство выбрано устройство для реализации способа демпфирования, содержащее цилиндр, заполненный магнитной жидкостью, подвижные шток с поршнем, размещенные в цилиндре, соленоидные катушки, одна из которых охватывает цилиндр, а вторая размешена в нем и каждая из которых подключена к собственному источнику питания /9/.
Недостатком такого устройства, несмотря на наличие двух соленоидных катушек, является использование только одного фактора создания дополнительной диссипативной силы демпфирования (увеличение вязкости магнитной жидкости при воздействии магнитного поля). Т.е. эффективность демпфирования магнитным полем является не максимально возможной.
Цель предлагаемого устройства - повышение эффективности демпфирования.
Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для демпфирования колебаний подвижной системы, содержащем цилиндр, заполненный магнитной жидкостью, подвижные в осевом направлении шток с поршнем, размещенные в цилиндре, соленоидную катушку из нескольких секций, охватывающую цилиндр и подключаемую к регулируемому источнику питания, регулируемый источник питания содержит измерители положения и направления перемещения поршня, выходы которых соединены с первым и вторым информационными входами логического блока, силовой вход которого соединен с источником питания, а выход соединен с управляющим входом коммутатора, причем выходы коммутатора соединены со входами секций соленоидной катушки.
Устройство (чертеж) из поршня 1, штока 2, соединенных с подвижной системой (например, колеса автомобиля 3, закрепленного на специальной подвеске 4), колебания которой демпфируются и передаются в ослабленном виде массивной малоподвижной части 5 (например, корпусу автомобиля). Корпус демпфера 6 является замкнутым и выполнен из магнитопроводящего материала. Поршень 1 и шток 2, являющиеся частью подвижной системы, помещены в цилиндр 7, заполненный магнитной жидкостью 8. Цилиндр 7 расположен внутри многосекционной соленоидной катушки 9, сердечником которой являются цилиндр 7 и корпус демпфера 6. Входы каждой секции многосекционной соленоидной обмотки катушки 9 соединены с выходами коммутатора электрического напряжения 10, один из входов которого соединен с источником питания 11, а второй с выходом логического блока (микропроцессором) 12. Один из входов логического блока соединен с выходом датчика положения 13, а второй - с выходом датчика направления перемещения 14. Датчик положения 13 и датчик направления перемещения 14 определяют соответственно положение и направление перемещения поршня 1 демпфирующего элемента (амортизатора). Пружина амортизатора 15 вместе с массой малоподвижной части 5 задает начальную жесткость подвижной системы.
Устройство работает следующим образом.
В исходном состоянии, когда отсутствуют неровности дороги для колеса 3 автомобиля, поршень 1 амортизатора, шток 2 и малоподвижная часть 5 автомобиля находятся во взаимнонеперемещаемом положении, т.е. поршень 1 занимает фиксированное положение относительно секций 9 соленоидной катушки. Это взаимное расположение подвижных частей и малоподжвижных частей системы определяется начальной технологической настройкой (пружинами амортизатора 15, начальными положениями элементов, нагрузкой на подвеску 4 автомобиля).
При возникновении неровностей на дорожном покрытии при движении автомобиля колесо 3 перемещается вниз (яма) или вверх (бугор), увлекая за собой подвеску 4 и, соответственно, поршень 1 амортизатора и шток 2. Для определенности допустим, что колесо 3 во время движения автомобиля наехало на бугор, т.е. переместится вверх (по рисунку). При этом датчик перемещения 13 зафиксирует перемещение поршня 1 амортизатора вверх, а датчик положения 14 зафиксирует, на какое расстояние от начального положения сместится поршень 1 вверх. Из-за инерционности малоподвижной части 5 (например, корпуса автомобиля) перемещение поршня 1 вверх будет означать такое же перемещение поршня 1 относительно секций 9 соленоидной катушки. Логический блок 12 через коммутатор 10 подает питание от источника питания (аккумулятора) 11 на ту секцию соленоидной катушки 9, которая пространственно предваряет перемещение поршня 1 по направлению движения. Это будет та секция, которая в каждый момент совпадает с плоскостью, которую можно мысленно провести через торцевую поверхность поршня, которая находится на переднем фронте движения. Т.о. при движении поршня 1 вверх под напряжение будут попадать секции 9 катушки, которые как бы пересекаются плоскостью, мысленно проводимой через верхнюю (по рисунку) торцевую поверхность поршня 1. Логический блок 12 это легко может осуществить даже на элементах жесткой логики (не говоря уже о микропроцессорном варианте) с учетом сигналов с датчиков 13 и 14.
Как только направление перемещения поршня 1 сменится на противоположное (колесо 3 попало в яму и поршень 1 амортизатора перемещается вниз) определяющей будет секущая плоскость, которую мысленно можно провести через нижнюю (по рисунку) торцевую поверхность поршня 1. Т.о. положение секции 9 соленоидной катушки, которая пространственно предваряя перемещение поршня 1, подключается к напряжению питания, определяет та торцевая поверхность поршня 1, которая находится в момент движения на переднем фронте перемещения поршня. По рисунку получается, что при движении поршня 1 вверх пространственную область предварения определяет верхняя торцевая поверхность поршня 1, а при движении вниз - нижняя торцевая поверхность поршня 1.
А теперь, что это дает. Во всех приведенных аналогах /4-8/ и прототипе /9/ подача напряжения на соленоидные катушки приводит к увеличению вязкости магнитной жидкости. Это первый и единственный фактор создания дополнительной диссипативной силы сопротивления при перемещении поршня 1 в цилиндре 7 в среде магнитной жидкости 8. Эффективность такого диссипативного демпфирования зависит полностью от свойств магнитной жидкости, и, в частности, от степени увеличения вязкости магнитной жидкости при воздействии магнитного поля. В настоящее время свойства классических магнитных жидкостей таковы, что максимальное увеличение вязкости при воздействии магнитного поля не превышает 25-30%. Авторам встречались рекламные материалы по специальным типам магнитных жидкостей (т.н. магнитореологические суспензии), в которых, якобы, вязкость меняется при воздействии магнитного поля «в разы». Но никаких конкретных данных и, тем более, никаких коммерческих материалов рекламодатели не представили. На самом деле классическая магнитная жидкость исходя из ее трехфакторной структуры (магнетит, основа (керосин, например) и олеиновая кислота (поверхностно-активное вещество)) принципиально не может увеличить свою вязкость «в разы», поскольку процентное соотношение магнетита не превышает от структуры полного объема 30%. И это при том, что увеличение вязкости магнитной жидкости, например, на 30% приводит как факт к увеличению дополнительной диссипативной силы сопротивления при перемещении поршня 1 в цилиндре 7 в среде магнитной жидкости 8. А вот насколько - еще вопрос. По крайней мере, это увеличение дополнительной диссипативной силы сопротивления будет гораздо меньше 30% и это тоже факт, поскольку сама по себе вязкость магнитной жидкости входит в уравнение ее движения как один из параметров, который линейно связан с величиной дополнительной диссипативной силы сопротивления и коэффициент веса значительно меньше единицы.
Итак, в аналогах и прототипе воздействие магнитного поля приводит к 30% увеличению вязкости магнитной жидкости. На этом и основан демпфирующий эффект.
M
H
M
H
M
H
M
H
В заявленном случае демпфирование происходит следующим образом. При движении поршня 1 в любую сторону (вниз или вверх) в области, предваряющей пространственно его перемещение, «дежурная» секция соленоидной катушки 9 формирует в пределах своей секции магнитное поле (остальные секции обесточены). Поскольку магнитная жидкость принципиально неполярная среда, она течет в область наибольшей напряженности магнитного поля. Это означает, что при движении поршня 1 куда угодно по направлению (в процессе демпфирования) магнитная жидкость в кольцевом зазоре между поршнем 1 и цилиндром 7 будет протекать в направлении перемещения поршня 1. Следует учесть, что при перемещении поршня 1 при отсутствии поля и при его наличии магнитная жидкость 8 в кольцевом зазоре между поршнем 1 и цилиндром 7 всегда перемещается противоположно перемещению поршня (уравнение Навье-Стокса и профиль течения, как правило Пуазейлев). Налицо 2 скорости магнитной жидкости 8 в кольцевом зазоре: V - механическая скорость магнитной жидкости за счет перемещения поршня 1 в цилиндре 7 независимо от магнитного поля (всегда направлена противоположно перемещению поршня 5); V - магнитная скорость магнитной жидкости за счет наличия градиента магнитного поля в кольцевом зазоре при подаче напряжения на секцию, предваряющую пространственно перемещения поршня 1 в цилиндре 7 (всегда однонаправлена с перемещением поршня 1). Возникают условия: V>V - демпфирование нормальное и поршень 1 может перемещаться, поскольку магнитное поле не полностью его тормозит; V=V - демпфирование отсутствует, поскольку и подвижная, и неподвижная части «соединены» в единое целое; V<V - передемпфирование, когда магнитное поле усиливает колебания подвижной системы, выводя ее при определенных условиях из устойчивого положения и приводя к разрушениям.
Как видим, второй демпфирующий фактор принципиально позволяет построить систему демпфирования, полностью перекрывающую диапазон «жесткости», который принципиально не достижим при использовании первого фактора создания дополнительной диссипативной силы сопротивления при демпфировании. Т.о. эффективность демпфирования в предложенном способе и устройстве, его реализующем, по сравнению со всеми аналогами и прототипами является абсолютной.
Кстати, ни один из многочисленных патентов не только SU и RU, но и US, GB, ЕР, которые были рассмотрены на этапе подготовки заявки, не использовали второй фактор демпфирования, который предлагается в настоящей заявке.
Предлагаемый способ и устройство рекомендуются в виброизолирующей технике для снижения вибрации оснований машин и оборудования при динамических и кинематических воздействиях. Изобретение может быть использовано для гашения колебаний транспортных средств, манипуляторов роботов, демпфирования ударных нагрузок, при конструировании магнитожидкостных амортизаторов.
Источники информации
1. А.с. СССР 665150 F16F 6/00 - аналог на способ
2. А.с. СССР 1213283 F16F 6/00 - аналог на способ
3. А.с. СССР 81944 F16F 6/00 - прототип на способ
4. А.с. СССР 1021835 F16F 6/00 - аналог на устройство
5. А.с. СССР 1062450 F16F 6/00 - аналог на устройство
6. А.с. СССР 1147875 F16F 6/00 - аналог на устройство
7. А.с. СССР 1592612 F16F 6/00 - аналог на устройство
8. А.с. СССР 1796797 F16F 6/00 - аналог на устройство
9. А.с. СССР 804946 F16F 6/00 - прототип на устройство