Способ динамического гашения колебаний объекта защиты и устройство для его осуществления
METHOD OF PROTECTED OBJECT DYNAMIC OSCILLATIONS DAMPING AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к машиностроению, в частности к способам и устройствам виброзащиты и виброизоляции, а также к моделям подвески различных транспортных средств.
Промышленное оборудование и аппаратура эксплуатируются в условиях интенсивного динамического нагружения, что создает сопутствующие вибрационные нагрузки на основные узлы и агрегаты этих машин. Для уменьшения или нейтрализации влияния вибраций на работу оборудования в целом и его составных частей, в частности, в структуру механизма вводятся дополнительные элементы, необходимые для демпфирования колебаний объекта или для реализации режимов динамического гашения на каком-то этапе его работы. Вопросы теории физического явления в динамике механических колебательных системах подробно рассмотрены в работах отечественных и зарубежных ученых, в том числе в [1-3].
Задачи виброзащиты и виброизоляции также востребованы при проектировании систем подвески автомобилей и других транспортных средств различного назначения. Это позволяет снизить влияние вибрационных воздействий на узлы и детали спроектированных средств передвижения и транспортировки различных грузов, а также повысить комфортность.
Несмотря на всю разработанность данного раздела динамики машин и оборудования гашение колебаний может быть отнесено к числу актуальных научно-технических проблем современного машиноведения и машиностроения, в том числе нерешенными остаются вопросы учета взаимодействий между элементами в системах с двумя и более степенями свободы.
Известен целый ряд конструктивных решений и теоретических разработок для создания динамических гасителей колебаний, но вопрос одновременного гашения колебаний по нескольким степенями свободы остается мало изученным.
Технический уровень
Патентный поиск выявил несколько изобретений, посвященных динамическому гашению колебаний в системах с несколькими степеней свободы, имеющих в своей структуре дополнительные элементы, механизмы и устройства для преобразования движения.
Известен способ виброзащиты мобильных технологических машин [Устинов Ю.Ф., Муравьев В.А., Жулай В.А. и др. Способ виброзащиты мобильных технологических машин. Патент №2310781 С2, МПК F16F 15/02, B60G 17/02, приоритет 20.11.2007], заключающийся в соединении защищаемого от вибрации объекта с источником возбуждения посредством виброизоляторов. Виброизоляторы содержат соединенные между собой различные по жесткости упругие элементы, между которыми установлена жесткая связь, состоящая из болтов, гаек, шайб, оси, перемычек и пластин. Для работы машины в транспортном или рабочем режиме схему соединения упругих элементов и общую приведенную жесткость виброизолятора изменяют путем устранения или восстановления жестких связей между упругими элементами. Достигается снижение вибрации кабины (кузова) мобильной технологической машины при ее работе как в рабочем стационарном положении (рабочем режиме), так и при ее перемещении, то есть при работе в транспортном режиме.
Недостатками данного изобретения является отсутствие учета движения по второй координате движения, а также к одновременному динамическому гашению колебаний по двум координатам.
Известна также конструкция виброизолятора [Кочетов О.С., Стареева М.О., Стареева М.М. Виброизолятор тросовый. Патент №2509930 С2, МПК F16F 7/14, F16F 13/00, приоритет 20.03.2014], содержащая упругий элемент из отрезков стального троса, выполненных дугообразной формы, которые расположены в ряд слева и справа по длине верхней и нижней опорных плит, в которых посредством планок закреплены концы отрезков стального троса, а вершины дуг отрезков стального троса обращены к вертикальной оси виброизолятора. Крепление виброизолируемого объекта осуществляется посредством резьбовых отверстий, оси которых параллельны между собой и лежат в вертикальной плоскости, проходящей через вертикальную ось виброизолятора. По длине верхней и нижней опорных плит и в планках выполнены продольные канавки для запрессовки концов троса, или по длине верхней и нижней опорных плит и в планках выполнены резьбовые отверстия для закрепления концов троса с помощью винтов 9. По длине верхней и нижней опорных плит вдоль всей длины планок закреплены в ряд слева и справа от вертикальной оси виброизолятора гидравлические демпферы, которые могут быть установлены как по всей длине планок, так и с определенным (постоянным) или переменным шагом в зависимости от характеристик виброизолируемого объекта.
Каждый из гидравлических демпферов содержит шток, жестко закрепленный в днище, соосной с ним цилиндрической гильзы с образованием герметичной кольцевой полости между внешней поверхностью штока и внутренней поверхностью цилиндрической гильзы, днище которой закреплено во втулке, жестко связанной с основанием защищаемого объекта. В кольцевой полости расположена пружина, которая нижним торцом опирается в днище, а верхним - в поршень, выполненный в виде диска, и расположенный с дросселирующим зазором относительно штока.
В верхней части штока расположена подвижная относительно штока крышка, состоящая из кольцевого фланца с уплотнением относительно штока и жестко связанной с фланцем втулки, соосной со штоком и охватывающей внешнюю поверхность цилиндрической гильзы через уплотнение. Коаксиально штоку расположена пружина, верхний торец которой опирается в крышку, а нижний - в поршень. На крышке фиксируется опорный элемент виброизолируемого объекта.
При колебаниях виброизолируемого объекта дугообразные отрезки троса воспринимают как вертикальные, так и горизонтальные нагрузки, ослабляя тем самым динамическое воздействие на виброизолируемый объект, т.е. обеспечивается пространственная виброзащита и защита от ударов. За счет трения между стальными жилами троса происходит рассеивание колебательной энергии и снижение передачи усилий на фундамент.
Колебания виброизолируемого объекта передаются на шток, при этом пружина воспринимает вертикальные нагрузки, ослабляя тем самым динамическое воздействие. Существенно повысить демпфирование в системе на резонансных режимах работы можно за счет диссипации энергии при прохождении среды через дросселирующие отверстия в поршне. Существенно повысить демпфирование в системе на резонансных режимах работы можно за счет диссипации энергии при прохождении среды через дросселирующий зазор в поршне.
Изобретение имеет ряд недостатков, в частности, отсутствие управления динамическим состоянием системы при работе виброизолятора. Учет динамического гашения колебаний по двум координатам также не рассматривается.
Известно устройство [Теплоухов В.В., Дмитриев B.C., Янгулов B.C. Устройство стабилизации лидара в плоскости горизонта. Патент №2335673 С2, МПК F16F 15/08, G12B 5/00, F16F 11/00, приоритет 10.10.2008], содержащее лидар, в состав которого входят два телескопа: излучатель и приемник. Оптические элементы телескопов установлены на общем корпусе, представляющем собой рамную конструкцию. В состав корпуса входят (верхнее и нижнее) кольца, связанные между собой укосинами.
Лидар установлен на верхнее кольцо корпуса. Верхнее кольцо закреплено через расположенные по периметру корпуса упруго-вязкие амортизаторы, состоящие из параллельно попарно установленных упругих элементов 6 и жидкостных демпферов линейного типа, к кронштейнам. Кронштейны в свою очередь закреплены на основании автомобиля.
К верхнему кольцу прикреплены упругий элемент и демпфер. Упругий элемент может быть выполнен в виде цилиндрической винтовой пружины сжатия или многожильной винтовой пружины сжатия, имеющей более пологую характеристику при малых габаритах, или может представлять собой рессору по типу автомобильной. Другим концом упругий элемент крепится к кронштейну.
В процессе транспортирования для исключения поломок элементов подвижной части от соударения с корпусом имеются два транспортных арретира, которые жестко фиксируют в пространстве подвижную часть механической системы (нижнее кольцо с кронштейнами).
Демпфер представляет типовую конструкцию демпфирующего устройства линейного типа и состоит из цилиндрического корпуса, закрепленного на верхнем кольце; поршня, закрепленного на кронштейне. Поршень может линейно перемещаться в корпусе демпфера, при этом поршень связан с кронштейном через развязывающее устройство, позволяющее поршню совершать небольшие угловые перемещения в корпусе демпфера. Внутренняя полость корпуса демпфера заполнена очень вязкой (например, полисилоксановой) жидкостью.
Таким образом, лидар установлен через упруговязкие амортизаторы (пружина, демпфер) на кронштейнах, которые в свою очередь крепятся к автомобилю. Маятниковая подвижная система имеет центр масс (ц.м.) ниже плоскости расположения упруговязких амортизаторов.
В рабочем режиме лидара на него действуют вибрационные механические нагрузки от работающего двигателя автомобиля, который служит генератором электропитания функционально связанных с лидаром систем (навигации, газоанализа, информационной, телевизионной, метеосистемы).
Из-за наличия маятниковости механической системы (лидар - корпус) в любой момент времени обеспечивается вертикальное положение этой механической системы вдоль вертикали место, а подвес рамы упругих элементов и демпферов позволяет производить гашение колебаний от внешних механических воздействий, например от работы двигателя автомобиля на холостом ходу в рабочем режиме лидара.
Несмотря на заявленный в техническом результате эффект гашения колебаний изобретение имеет недостатки, связанные с учетом динамического гашения колебаний по двум степеням свободы. В системе также отсутствуют элементы, управляющие динамическим состоянием.
За прототип принят способ [Говердовский В.Н., Чанг Мён Ли. Способ виброизоляции пилота вертолета и подвеска сиденья для реализации способа. Патент №2597042 С1, МПК B64D 11/06, B60N 2/50, приоритет 10.09.2016], который заключается в том, что вводят в подвеску дополнительный упругий элемент с регулируемой жесткостью параллельно действию первого упругого элемента. Минимизируют суммарную жесткость обоих упругих элементов на заданном интервале амплитуд относительных перемещений системы, определяемом условиями ее безопасной работы. Формируют и активируют дополнительный сигнал управления параметрами упругого элемента на частоте, меньшей основной частоты собственных колебаний системы. Подвеска сиденья содержит направляющий механизм, упругий элемент и устройство управления параметрами упругого элемента. Подвеска снабжена дополнительным упругим элементом с регулируемой знакопеременной жесткостью, установленным параллельно действию первого упругого элемента. Устройство управления содержит два канала, один из которых имеет возможность активации на частоте, меньшей основной частоты вибрационного движения системы. Достигается расширение диапазона частот виброизоляции при заданных ограничениях амплитуд относительных перемещений
Подвеска сиденья для реализации способа содержит направляющий механизм, включающий основание, две пары рычагов, размещенных в параллельных плоскостях симметрично продольной оси подвески и образующих между собой и выходным структурным элементом кинематическую цепь подвижных соединений с помощью подшипников, при этом элемент снабжен площадкой для крепления посадочного места сиденья с возможностью его перемещения и фиксации с помощью механизма в процессе настройки, а также упругий элемент, выполненный, например, в виде бесштоковой пневматической пружины. Наряду с этим подвеска снабжена дополнительным упругим элементом, выполненным, например, в виде двух съемных модулей, компактно размещенных в параллельных плоскостях на внешних поверхностях основания, при этом каждый модуль содержит пружины, центральную втулку и корпус, а также устройство предварительной настройки пружины, причем пружины изготовлены в виде взаимозаменяемых наборов пластинок из пружинной стали, одни концы которых размещены в пазах, выполненных с определенным угловым шагом на центральной втулке, установленной в подшипниковой опоре на основании, а другие концы - в пазах, выполненных с таким же угловым шагом на корпусе с возможностью закритического упругого деформирования при сборке и настройке, причем втулки снабжены, например, шлицами для силового замыкания с рычагами, а корпусы жестко связаны с основанием. Кроме того, подвеска снабжена устройством управления параметрами упругого элемента, содержащим блок 14 отбора воздуха из пневматической сети вертолета, блок подготовки воздуха и по меньшей мере два канала управления, один из которых (условно, канал управления №1) содержит воздушный распределитель с электромагнитным исполнительным механизмом, а другой (условно, канал управления №2) - воздушный распределитель с электромагнитным исполнительным механизмом, при этом устройство снабжено датчиком угловых перемещений рычагов относительно основания, датчиком воздушного давления на входе в пружину и контроллером, состоящим из программируемого микропроцессора, снабженного источником питания и работающего по заданному набору алгоритмов.
Недостатком данного изобретения является: отсутствие в системе динамического гашения колебаний, в том числе по двум степеням свободы.
Целью предлагаемого изобретения является обеспечение одновременного гашения колебаний объекта защиты по двум координатам.
Способ динамического гашения колебаний, заключающийся в использовании виброзащитной системы для гашения вращательных и поступательных колебательных движений, возникающих при вибрациях основания, передаваемых на объект защиты через пружины, отличается тем, что вводят параллельно упругим элементам в систему винтовые несамотормозящиеся механизмы, снабженные гайками-маховиками, зубчатые колеса, связанные через штоки с дисками и соединенные с гайками-маховиками, закрепленными в шарикоподшипниковых опорах на объекте защиты, регулируют вращение дисков путем использования тормозных устройств, связанных с блоком управления, осуществляют формирование связи между парциальными системами, при помощи блока управления и системы датчиков настраивают соотношение параметров системы и создают эффект одновременного динамического гашения колебаний по двум координатам.
Устройство динамического гашения колебаний, представляющее собой виброзащитную систему, отличается введением двух несамотормозящихся винтовых механизмов параллельно пружинам, соединением их гаек-маховиков с зубчатыми колесами, связанными штоками с дисками, причем диски снабжены тормозными накладками, управляемыми через реостаты при помощи блока измерения и обработки сигналов, получаемых от системы датчиков, что позволяет регулировать параметры виброзащитной системы для реализации совместных режимов динамического гашения колебаний одновременно по двум степеням свободы.
Устройство регулирования момента инерции, связывающее гайки-маховики несамотормозящихся винтовых механизмов, вводимых параллельно пружинам, отличается тем, что представляет собой зубчатую передачу, состоящую из зубчатых колес, связанных через штоки с дисками, снабженными тормозными накладками, что позволяет регулировать момент инерции объекта защиты и связность движений между несамотормозящимися винтовыми механизмами.
Способ и устройство поясняются расчетной схемой на фиг. 1.
На фиг. 1 обозначены: основание 1, объект защиты 14, опирающийся на два симметрично расположенных блока, каждый из которых состоит из упругого элемента 6, 7 и винтового несамотормозящегося механизма, содержащего винт 4, 5 и гайку-маховик 8, 9, закрепленную в шарикоподшипниковой опоре на объекте защиты, зубчатые колеса 10, 11, соединенные штоками 12, 13 с дисками 15, 16 через отверстия в объекте защиты 14.
Оба блока имеют тормозные устройства 17, 18, через реостаты 19, 20 соединенные с блоком управления и обработки информации 21, к которому присоединена система датчиков, установленных на основании 2, 3 и на объекте защиты 22, 23.
1
2
Изобретение работает следующим образом (фиг. 1). Движения основания 1, измеряемые датчиками 2, 3 через упругие элементы 6, 7 с жесткостями k и k и параллельно присоединенные несамотормозящиеся винтовые механизмы 4, 5 передаются на объект защиты 14, имеющий датчики 22, 23.
Управляющий блок 21 обрабатывает информацию об амплитуде и частоте колебаний, собранную датчиками 2, 3 и 22, 23, после чего в зависимости от их показаний при помощи реостатов 19, 20 изменяет усилие нажатия тормозных накладок 17, 18 на диски 15, 16, соединенные через штоки с зубчатыми колесами 10, 11, тем самым посредством зубчатого зацепления с гайками-маховиками 8, 9 регулируется момент инерции в винтовых несамотормозящихся механизмах.
1
2
Применение зубчатых колес позволяет контролировать согласованность движений парциальных систем с координатами у и у соответственно и реализовать режим одновременного динамического гашения колебаний по двум координатам, что в прототипе не рассматривается.
Литература
1. Нашиф А., Джоунс Д., Хендерсон Дж. Демпфирование колебаний. М.: Мир, 1988. - 448 с.
2. Карамышкин В.В. Динамическое гашение колебаний. Л.: Машиностроение, 1988. - 108 с.
3. Елисеев С.В., Хоменко А.П. Динамическое гашение колебаний: концепция обратной связи и структурные методы математического моделирования. Новосибирск, 2014. 357 с.