АНТИВИБРАЦИОННОЕ СИДЕНЬЕ

Область техники
Настоящая полезная модель относится к области пассивного демпфирования низкочастотных вибраций, в частности, к антивибрационным сидениям.
Уровень техники
Как известно, общая вибрация, воздействующая на операторов различных производственных механизмов и транспортных средств, может оказывать значительное негативное влияние на здоровье человека. В этой связи актуальной представляется задача обеспечения эффективной защиты операторов от общей вибрации, возникающей на их рабочих местах, в частности, от низкочастотной вибрации с частотами в диапазоне примерно от 5 до 30 Гц. Вибрация в данном частотном диапазоне может вызывать резонансные вынужденные колебания различных внутренних органов человека и тем самым представляет значительную угрозу для здоровья человека.
Существуют различные антивибрационные сиденья для обеспечения защиты операторов от вибраций. Наиболее эффективными решениями в данной области являются специально разработанные сиденья с активной системой поглощения вибраций. Однако сиденья такого типа являются дорогими, занимают много места и потребляют много энергии. Кроме того, такие сиденья подходят для ограниченного спектра областей применения. Альтернативой таким сиденьям являются сиденья с пассивными демпфирующими подкладками, которые могут быть приложены к вибрирующей поверхности в тех местах, на которых должен сидеть оператор.
Из US2016227951, например, известна конструкция для поглощения вибраций и шума. Указанная конструкция содержит корпус, имеющий шумопоглощающий слой, демпфирующий слой для поглощения вибраций и буферный слой, сложенные последовательно. Демпфирующий слой для поглощения вибраций содержит вспомогательный слой, в свою очередь содержащий слой из пенистого материала, имеющего относительно высокую твёрдость, элемент из пенистого материала, имеющего относительно высокую эластичность, и ещё один слой из пенистого материала, имеющего относительно высокую твёрдость, сложенные последовательно. Буферный слой содержит элемент из пенистого материала и множество буферных блоков, расположенных с промежутками на нижней стороне данного элемента из пенистого материала.
Следует, однако, заметить, что одной из проблем, возникающих при применении пассивных вибродемпфирующих систем, является трудность обеспечения эффективной защиты от упомянутой выше низкочастотной вибрации. Как известно из механики, пассивные демпфирующие системы способны снижать амплитуду вибрации с частотой f, только при условии, если она заметно превышает собственную частоту системы f0. Так, например, в простейшем случае пассивной демпфирующей системы без диссипации это имеет место при f>f0√2. При любых более низких частотах возникает нежелательный резонанс, приводящий к негативному эффекту, когда применение пассивной демпфирующей системы обеспечивает не снижение, а, напротив, увеличение амплитуды вибрации. Таким образом, важнейшим параметром пассивных демпфирующих систем, и, в частности, сидений с пассивными демпфирующими прокладками, является их собственная частота, которая для достижения эффективной виброзащиты должна обеспечиваться как можно более низкой.
С другой стороны, сидения с пассивными демпфирующими прокладками должны удовлетворять требования эргономики. В частности, они должны быть удобными для сидения, обеспечивать возможность уверенного контроля оператором положения своего тела, а также возможность удобного доступа к органам управления производственным механизмом или транспортным средством. Все эти требования накладывают ограничения на толщину сидений с пассивными демпфирующими прокладками, которая не может быть слишком большой. Однако, как известно из механики, собственная частота пассивной демпфирующей системы как правило растет при уменьшении ее толщины. По этой причине обеспечение минимальной собственной частоты сидений с пассивными демпфирующими прокладками при дополнительно наложенном условии ограничения их толщины сверху оказывается непростой инженерной задачей. Для ее успешного решения требуется тщательная оптимизация упругих параметров демпфирующих элементов с учетом условий применения, в частности, массы оператора.
Недостатком существующих решений является отсутствие универсальности, в частности, отсутствие возможности регулировки для удовлетворения нужд операторов с различными анатомическими особенностями, в том числе, имеющими различную массу, при сохранении способности эффективного поглощения вибраций. Демпфирующие системы, динамические параметры которых были оптимизированы для оператора заданной расчетной массы, обеспечивают минимально возможную собственную частоту системы (оператор на антивибрационном сидении) лишь для оператора данной заранее заданной массы. В то же время, для операторов с массой, заметно отличающейся от расчетной, собственная частота может значительно повышаться, что приводит к резкому снижению эффективности вибродемпфирования.
Таким образом, задача настоящей полезной модели заключается в создании универсального антивибрационного сиденья, которое обеспечило бы эффективное поглощение вибраций вне зависимости от анатомических параметров оператора при обеспечении требований эргономики, а также экономической эффективности.
Раскрытие сущности полезной модели
Поставленная задача решена посредством антивибрационного сиденья, содержащего жёсткое основание, имеющее первую и вторую основные стороны, демпфирующие элементы и крепёжные средства для прикрепления демпфирующих элементов к первой основной стороне жёсткого основания. Крепёжные средства выполнены разъемными с возможностью открепления демпфирующих элементов от жёсткого основания.
Технический результат данной полезной модели заключается в обеспечении эффективного поглощения вибраций с возможностью учета анатомических параметров оператора и с соблюдением требований эргономики.
Кроме того, указанный технический результат обеспечен в конкретных случаях реализации настоящей полезной модели, указанных далее. В частности, согласно одному варианту реализации, в антивибрационном сиденье крепёжные средства содержат адгезив или механические крепёжных элементы, или их комбинацию.
Согласно другому варианту реализации в антивибрационном сиденье крепёжные средства расположены на демпфирующих элементах, при этом жёсткое основание содержит поверхность, расположенную и выполненную с возможностью взаимодействия с крепёжными средствами.
Согласно ещё одному варианту реализации в антивибрационном сиденье жёсткое основание имеет плоскую форму или анатомическую форму.
Согласно ещё одному варианту реализации антивибрационное сиденье также содержит мягкий слой, выполненный на второй основной стороне жёсткого основания, противоположной первой основной стороне.
Согласно ещё одному варианту реализации в антивибрационном сиденье каждый из демпфирующих элементов содержит фрикционный слой на стороне, противоположной его стороне, которой крепёжные средства прикрепляют демпфирующие элементы к первой основной стороне жёсткого основания.
Согласно ещё одному варианту реализации в антивибрационном сиденье фрикционный слой демпфирующего элемента содержит конструктивные крючки из полимерного материала, выполненные с возможностью прикрепления к тканевым материалам.
Согласно ещё одному варианту реализации в антивибрационном сиденье каждый из демпфирующих элементов имеет начальную толщину в диапазоне от 20 мм до 100 мм, наиболее предпочтительно в диапазоне от 35 мм до 70 мм.
Согласно ещё одному варианту реализации в антивибрационном сиденье сопротивление сжатию каждого демпфирующего элемента при сжатии на 25% составляет приблизительно от 75 Н до 250 Н, предпочтительно от 100 Н до 170 Н, а количество демпфирующих элементов составляет от 4 до 9
Согласно ещё одному варианту реализации в антивибрационном сиденье каждый из демпфирующих элементов содержит один или более демпфирующих слоёв.
Согласно ещё одному варианту реализации в антивибрационном сиденье один или более демпфирующих слоёв по меньшей мере одного демпфирующего элемента выполнены из пенополимера.
Согласно ещё одному варианту реализации в антивибрационном сиденье демпфирующие слои присоединены друг к другу с возможностью открепления посредством адгезива или механических крепёжных элементов.
Согласно ещё одному варианту реализации в антивибрационном сиденье демпфирующие элементы окружены поддерживающей сжимаемой конструкцией, несъёмно прикреплённой к жёсткому основанию.
Согласно ещё одному варианту реализации в антивибрационном сиденье поддерживающая сжимаемая конструкция выполнена из пенополимера.
Краткое описание чертежей
Варианты реализации настоящей полезной модели будут описаны ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг. 1 показан вид сбоку антивибрационного сиденья согласно одному варианту реализации настоящей полезной модели, установленного на вибрирующую поверхность,
на фиг. 2 показан вид сбоку антивибрационного сиденья согласно одному варианту реализации настоящей полезной модели,
на фиг. 3а-3f показаны примеры возможных схем расположения демпфирующих элементов на жёстком основании антивибрационного сиденья.
Осуществление полезной модели
На фиг. 1 показан вид сбоку антивибрационного сиденья 1 согласно одному варианту реализации настоящей полезной модели. Антивибрационное сиденье 1 содержит жёсткое основание 2, имеющее первую и вторую основные стороны 3 и 4, которое может быть выполнено, например, из дерева, фанеры, шпона, стали, дюралюминия, титана, различных сплавов металлов, стеклопластика, углепластика, ПВХ, полипропилена, АБС (акрилонитрилбутадиенстирола), ПММА (полиметилметакрилата), поликарбоната и др. Кроме того, жёсткое основание 2 может иметь, например, форму прямоугольника, квадрата, овала или другую необходимую форму.
К первой стороне 3 жёсткого основания с помощью крепёжных средств разъёмным образом прикреплены демпфирующие элементы 5. Разъёмное соединение может быть обеспечено, например, благодаря использованию крепёжных средств в виде текстильных застежек типа крючок-петля, пластиковых застежек типа грибок-грибок, причём застёжки могут содержать клеящийся слой для прикрепления застёжки к поверхности антивибрационного сиденья или демпфирующего элемента. В частности, в качестве пластических застежек типа грибок-грибок могут быть использованы самоклеящиеся застежки Dual Lock производства компании 3М, такие как Dual Lock SJ4570 или аналогичные. Кроме того, для обеспечения разъёмного соединения могут применяться крепёжные средства в виде различных клейких лент c PSA адгезивом (например, на основе акрилатов или каучуков). Крепёжные средства могут быть расположены как на всей поверхности 3 жёсткого основания 2, так и только на тех частях поверхности 3 жёсткого основания 2, которые предназначены для прикрепления демпфирующих элементов 5. Вследствие использования разъёмного соединения количество демпфирующих элементов 5 может быть легким образом изменено для соответствия заданным условиям работы. Предпочтительно количество демпфирующих элементов 5 выбирается таким, чтобы собственная частота колебаний защищаемого объекта, размещенного на демпфирующих элементах, была минимальной.
Каждый из демпфирующих элементов 5 может содержать по меньшей мере один демпфирующий слой, который может быть выполнен из полимерного демпфирующего материала с малым коэффициентом остаточной деформации. Таким материалом может быть, например, пенополимер с открытыми ячейками, такой как неопрен или натуральный каучук, или с закрытыми ячейками, например, пенополиуретан (первично и вторично вспененный), неопрен, вспененный нитрил, комбинация неопрен/бутадиен-стирольный каучук/этилен-пропиленовый каучук, смесь ПВХ/бутадиен-нитрильный каучук, вспененный силикон, вспененный полиэтилен, вспененный этилен-пропиленовый каучук, бутадиен-нитрильный каучуковая резина и другие полимеры, обеспечивающие подходящие сжимающе-разжимающие свойства.
Демпфирующие слои демпфирующих элементов 5 могут быть соединены друг с другом разъёмным образом с помощью крепёжных средств в виде текстильных застежек типа крючок петля, пластиковых застежек типа грибок-грибок, а также в виде различных клейких лент c PSA адгезивом. Материалы демпфирующих слоёв могут быть одинаковыми или разными в зависимости от условий работы.
В варианте реализации, показанном на фиг. 1, демпфирующие элементы 5 содержат один демпфирующий слой. В данном варианте реализации жесткое основание 2 на своей первой основной стороне 3 содержит часть 6 крепёжных средств, расположенную и выполненную с возможностью взаимодействия с ответной частью 7 крепёжных средств, прочно прикрепленной к демпфирующим элементам. Например, в качестве части 6 может использоваться застежка типа петля (например, самоклеящаяся застежка 3М SJ3527N или аналогичная), нанесенная на первую основную сторону 3 жесткого основания, а в качестве ответной части 7 крепёжных средств может быть использована застежка типа крючок (например, самоклеящаяся застежка 3М SJ3526N или аналогичная). Такая конструкция обеспечивает возможность быстрого изменения количества демпфирующих элементов для адаптации антивибрационного сиденья к заданным условиям работы.
Каждый из демпфирующих элементов предпочтительно имеет начальную толщину, т.е. толщину до их сжимания, в диапазоне от 20 мм до 100 мм, наиболее предпочтительно в диапазоне от 35 мм до 70 мм. Данные диапазоны выбраны с учетом требований эргономики. При этом сопротивление сжатию каждого демпфирующего элемента при сжатии на 25% от его высоты предпочтительно составляет приблизительно от 75 Н до 250 Н, предпочтительно от 100 Н до 170 Н. Данные диапазоны выбраны с целью минимизации собственной частоты системы в виде оператора на антивибрационном сидении для операторов различной массы. Количество демпфирующих элементов, установленных на антивибрационном сидении предпочтительно подбирается в зависимости от массы оператора: чем больше масса оператора, тем большее количество демпфирующих элементов устанавливается. Так, например, согласно некоторым из вариантов реализации настоящей полезной модели в случае демпфирующих элементов, содержащих один демпфирующий слой, выполненный из этилен-пропиленового каучука, для оператора массой 60 кг или менее антивибрационное сиденье содержит 4 элемента; для оператора с массой от 60 до 75 кг – 5 элементов; для оператора массой от 75 до 90 кг – 6 элементов; для оператора массой от 90 до 105 кг – 7 элементов; для оператора массой от 105 до 120 кг – 8 элементов; для операторов массой 120 кг и выше – 9 элементов. Данный вариант реализации позволяет обеспечить примерно одинаковый уровень нагрузки на один демпфирующий элемент для операторов любой массы в диапазоне от 60 до 120 кг, благодаря чему демпфирование происходит в оптимальном режиме и наиболее эффективно. При условии выбора толщины и сопротивления сжатия демпфирующих элементов в рамках описанных выше предпочтительных диапазонов собственная частота указанной системы (оператор на антивибрационном сидении) составляет не более 8 Гц, предпочтительно не более 5 Гц, что позволяет достичь положительного эффекта снижения вибраций в значительной части низкочастотного диапазона вибраций (5-30 Гц).
Стоит отметить, что при некоторых условиях работы, а также некоторым операторам, в зависимости от их анатомических особенностей, может потребоваться предотвращение скольжения антивибрационного сиденья по поверхности, на которую оно установлено. Для этого демпфирующие элементы 5 могут быть снабжены фрикционным слоем 8, на стороне демпфирующих элементов 5, которая обращена к вибрирующей поверхности, на которую устанавливается антивибрационное сиденье. Указанный фрикционный 8 слой обеспечивает трение с поверхностью, на которую устанавливается сидение, что предотвращает скольжение сиденья по указанной поверхности, и может содержать конструктивные полимерные крючки, выполненные с возможностью прикрепления к тканевым материалам.
Кроме того, для соответствия анатомическим особенностям различных операторов, жёсткое основание 2 антивибрационного сиденья 1 может иметь как плоскую, так и анатомическую форму.
Также антивибрационное сиденье на своей второй основной стороне 4, противоположной первой основной стороне 3, может содержать мягкий слой 9, предназначенный для повышения удобства использования сиденья операторами и удовлетворения требованиям эргономики. Следует отметить, что некоторым операторам может потребоваться дополнительный мягкий слой 9 для обеспечения безопасного и комфортного использования антивибрационного сиденья при заданных условиях использования, например, если условия работы требуют длительного использования сиденья. В таких случаях применение сидений с жесткой поверхностью может оказаться недопустимым с точки зрения эргономики, поскольку оно может наносить ущерб здоровью операторов, приводя к застою крови в районе органов таза и вызывая дискомфортные ощущения, такие как боли, онемение и т.п. Применение сидений с дополнительным мягким слоем способно свести к минимуму перечисленные выше негативные эффекты. Мягкий слой 9 может быть выполнен из полимерной пены с открытыми ячейками, например, из неопрена или натурального каучука, или из полимерной пены с закрытыми ячейками, например из пенополиуретана (первично и вторично вспененного), неопрена, вспененного нитрила, комбинации неопрен/бутадиен-стирольный каучук/этилен-пропиленовый каучук, смеси ПВХ/бутадиен-нитрильный каучук, вспененного силикона, вспененного полиэтилена, вспененного этилен-пропиленового каучука, бутадиен-нитрильной каучуковой резины или различных полимеров, обеспечивающие хорошие сжимающе-разжимающие свойства. Кроме того, мягкий слой 9 может быть покрыт обивочным материалом, например, искусственной кожей, винилискожей, натуральной кожей, тканью, флоком, микрофибровым полотном, спанбондом и др. Также мягкий слой 9 может быть выполнен в виде наполнителя, покрытого указанным обивочным материалом, при этом наполнитель может быть выбран из группы, включающей: кокосовую койру, пальмовую койру, латекс, морские водоросли, конский волос, вату, пеньку, полилок (искусственная койра), струтофайбер.
На фиг. 2 показан вариант реализации демпфирующего элемента 5, содержащего два демпфирующих слоя 10 и 11. Демпфирующие слои соединены между собой при помощи крепёжных средств, которые могут представлять собой текстильные застежки типа крючок-петля, пластиковые застежки типа грибок-грибок, причём застёжки могут содержать клеящийся слой для прикрепления застёжки к поверхности демпфирующего слоя. Кроме того, для обеспечения разъёмного соединения могут применяться крепёжные средства в виде различных клейких лент c PSA адгезивом. В примере реализации, показанном на фиг. 2, крепёжные средства представляют собой пластиковую застежку типа грибок-грибок (например, самоклеящаяся застежка 3M SJ4570 или аналогичную), причём одна часть 12 застёжки прикреплена к первому демпфирующему слою 10, а ответная часть 13 застёжки прикреплена ко второму демпфирующему слою 11. Также к стороне второго демпфирующего слоя 11, которая обращена к поверхности, на которую устанавливается антивибрационное сиденье, прикреплён фрикционный слой 8.
Кроме того, в одном варианте реализации полезной модели, антивибрационное кресло 1 может содержать поддерживающую сжимаемую конструкцию, прикреплённую к жёсткому основанию 2 разъёмным или несъёмным образом. Поддерживающая сжимаемая конструкция окружает демпфирующие элементы. Характеристики поддерживающей сжимаемой конструкции подбираются таким образом, чтобы обеспечивать эффективное демпфирование для оператора с минимальным весом (например, 60 кг). При этом легко устанавливаемые демпфирующие элементы обеспечивают необходимое увеличение эффективной жесткости антивибрационного сиденья для обеспечения эффективного демпфирования в случае операторов с большей массой. Материал поддерживающей сжимаемой конструкции кроме того повышает поперечную устойчивость демпфирующей системы.
На фиг. 3а-3f показаны некоторые из вариантов расположения демпфирующих элементов на жёстком основании. Количество демпфирующих элементов выбирается в зависимости от анатомических особенностей оператора и в зависимости от условий выполняемой им работы, в том числе в зависимости от частоты вибрации поверхности, на которую устанавливается антивибрационное сиденье.
Более наглядно варианты реализации настоящей полезной модели проиллюстрированы в приведённых ниже примерах.
Пример 1.
Антивибрационное сиденье, содержащее плоское прямоугольное жёсткое основание, выполненное из стеклопластика, и 4 демпфирующих элемента, выполненных из первично вспененного пенополиуретана, прикреплённых к жёсткому основанию посредством клейкой ленты c PSA адгезивом на основе акрилатов. Схема расположения демпфирующих элементов, использованная в настоящем примере, показана на фиг. 3а. Такая система подходит, например, для оператора весом 60 кг или менее. При этом собственная частота системы (оператор на антивибрационном сидении) не превышает 5 Гц.
Пример 2.
Антивибрационное сиденье, содержащее жёсткое основание, имеющее анатомическую форму, выполненное из дерева, и 6 демпфирующих элементов, выполненных из комбинации неопрен/бутадиен-стирольный каучук/этилен-пропиленовый каучук, прикреплённых к жёсткому основанию посредством застежек типа крючок-петля. Схема расположения демпфирующих элементов, использованная в настоящем примере, показана на фиг. 3с. Такая система подходит, например, для оператора весом 75-90 кг. При этом собственная частота системы (оператор на антивибрационном сидении) не превышает 5 Гц.
Пример 3.
Антивибрационное сиденье, содержащее жёсткое основание, имеющее анатомическую форму, выполненное из углепластика, и 9 демпфирующих элементов, каждый из которых содержит два демпфирующих слоя, один из которых выполнен из вспененного силикона, а другой из неопрена. Демпфирующие слои прикреплены друг к другу и демпфирующие элементы прикреплены к жёсткому основанию посредством застежек типа грибок-грибок. При этом демпфирующие элементы содержат фрикционный слой, расположенный на стороне демпфирующих элементов, которая обращена к поверхности, на которую устанавливается антивибрационное сиденье. Схема расположения демпфирующих элементов, использованная в настоящем примере, показана на фиг. 3f. Такая система подходит, например, для оператора весом 120 кг и более. При этом собственная частота системы (оператор на антивибрационном сидении) не превышает 5 Гц.
Таким образом, благодаря различным вариантам реализации полезной модели обеспечено достижение эффективного поглощения вибраций вне зависимости от анатомических параметров оператора. Иными словами, обеспечено антивибрационное сиденье, которое подходит для использования операторами с различными анатомическими особенностями и с соблюдением требований эргономики.
Настоящая полезная модель не ограничена конкретными вариантами реализации, раскрытыми в описании в иллюстративных целях, и охватывает все возможные модификации и альтернативы, входящие в объем настоящей полезной модели, определенный формулой полезной модели.