ЭЛЕКТРОПНЕВМАТИЧЕСКИЙ УПРУГИЙ ЭЛЕМЕНТ
ELECTROPNEUMATIC FLEXIBLE MEMBER

Изобретение относится к амортизационным устройствам, в частности с использованием газа в камерах с эластичными стенками.
Известно устройство пневматической подвески (а.с. №842295, М. кл. F16F 9/04), содержащее резинокордную оболочку с крышкой, образующие основную рабочую полость, дополнительную емкость, установленную соосно и внутри основной рабочей полости, расположенную между ними перегородку, на которой жестко закреплено клапанное цилиндрическое устройство со штоком. Клапанное устройство приводится в действие штоком при непосредственном воздействии на него крышки, жестко перемещающейся вместе с амортизируемым объектом. В перегородке расположено калиброванное отверстие для перетекания газа в процессе работы. Основной и дополнительный упругие элементы пневматической подвески установлены между подрессоренной и неподрессоренной массами амортизируемого объекта.
Основным недостатком устройства является нестабильность демпфирующих свойств подвески и низкая эффективность диссипации энергии колебаний объекта.
Известен также пневматический упругий элемент, описанный в заявке на изобретение 2008119890 РФ, М. кл. F16F 9/04, опубликованной 27.11.2009. Бюл. №33 (прототип), содержащий резинокордную оболочку, рабочую и дополнительную емкости и расположенную между ними перегородку, причем рабочая и дополнительная емкости заключены в нижний цилиндрический стакан с отверстием на верхнем торце стакана, а на верхнем торце дополнительной емкости соосно последней установлен вспомогательный упругий элемент, содержащий вспомогательную резинокордную оболочку, вспомогательные рабочую и дополнительную емкости и расположенную между ними вспомогательную перегородку, вспомогательная рабочая емкость помещена в верхний цилиндрический стакан, жестко закрепленный на верхнем торце нижнего цилиндрического стакана, вспомогательная дополнительная емкость расположена в отверстии верхнего торца нижнего цилиндрического стакана, причем дополнительная емкость жестко соединена своим верхним торцом с основанием вспомогательной дополнительной емкости и со стойками, проходящими через направляющие отверстия верхнего торца нижнего цилиндрического стакана и связывающими амортизируемый объект с пневматическим упругим элементом, на перегородке жестко закреплен первый цилиндр с центральным осевым отверстием, внутри полости первого цилиндра установлен первый запорный электромагнитный клапан, перекрываемый на ходе отбоя, а на вспомогательной перегородке жестко закреплен второй цилиндр с центральным осевым отверстием, внутри полости второго цилиндра установлен второй запорный электромагнитный клапан, перекрываемый на ходе сжатия, причем оба запорных электромагнитных клапана подключены к системе управления клапанами.
Система управления клапанами содержит преобразователь перемещения объекта, формирователь сигнала скорости объекта, блок разделения управления, блоки управления ключами, силовые ключи для подключения обмоток электромагнитов запорных клапанов к источнику питания, причем преобразователь перемещения объекта соединен с формирователем сигнала скорости объекта, который соединен с блоком разделения управления, его выходы соединены с входами блоков управления силовыми ключами, а выходы этих блоков соединены с управляющими входами силовых ключей.
Основным недостатком устройства является то, что при колебаниях амортизируемого объекта с большой амплитудой и высокой частотой происходит аккумулирование массы газа в дополнительных объемах обоих упругих элементов и снижение демпфирующих свойств устройства вследствие инерционности процессов перетекания массы газа через клапана. Эти процессы имеют место как при ходе сжатия, так и при ходе отбоя пневматического упругого элемента.
Задача изобретения состоит в увеличении демпфирующих свойств при ходах сжатия и отбоя пневматического упругого элемента.
Поставленная задача достигается тем, что в известном пневматическом упругом элементе, содержащем основной упругий элемент, состоящий из резинокордной оболочки, рабочей емкости, дополнительной емкости, перегородки между ними с отверстием, связывающим обе емкости, с установленным в нем первым электромагнитным клапаном, с возможностью перекрытия на ходе отбоя, и вспомогательный упругий элемент, состоящий из вспомогательной резинокордной оболочки, вспомогательной рабочей емкости, вспомогательной дополнительной емкости, вспомогательной перегородки между ними с отверстием, связывающим обе вспомогательные емкости, с установленным в нем вторым электромагнитным клапаном, с возможностью перекрытия на ходе сжатия, причем основной упругий элемент заключен в нижний цилиндрический стакан с отверстием на верхнем торце стакана, а на верхнем торце дополнительной емкости соосно последней установлен вспомогательный упругий элемент, вспомогательная рабочая емкость помещена в верхний цилиндрический стакан, жестко закрепленный на верхнем торце нижнего цилиндрического стакана, вспомогательная дополнительная емкость расположена в отверстии верхнего торца нижнего цилиндрического стакана, причем дополнительная емкость жестко соединена своим верхним торцом с основанием вспомогательной дополнительной емкости и со стойками, проходящими через направляющие отверстия верхнего торца нижнего цилиндрического стакана и связывающими амортизируемый объект с пневматическим упругим элементом, а оба электромагнитных клапана подключены к системе управления, согласно изобретению, на дне вспомогательной дополнительной емкости размещен динамический гаситель колебаний, включающий электродвигатель, имеющий на валу барабан с намотанным на него тросом, причем один конец троса проходит через соосные отверстия с уплотнениями во вспомогательной перегородке, на верхнем торце вспомогательной рабочей емкости и закреплен на верхнем торце вспомогательной рабочей емкости, второй конец троса - проходит через соосные отверстия с уплотнениями в основании вспомогательной дополнительной емкости, на верхнем торце дополнительной емкости, в перегородке и закреплен на дне рабочей емкости, а электродвигатель подсоединен к системе управления. Основной упругий элемент и вспомогательный упругий элемент могут быть выполнены несоосно относительно друг друга.
Электродвигатель может быть асинхронным, в этом случае система управления содержит соединенные последовательно преобразователь перемещения объекта, формирователь сигнала скорости объекта, блок разделения сигнала управления, а также два блока управления ключами, силовые ключи для подключения обмоток электромагнитов клапанов к источнику питания, формирователь трехфазного напряжения прямой последовательности, формирователь трехфазного напряжения обратной последовательности, силовой коммутатор, причем выходы блока разделения сигнала управления соединены с входами обоих блоков управления ключами, с обоими формирователями трехфазного напряжения прямой и обратной последовательности и входом управления силового коммутатора, выходы блоков управления ключами соединены с управляющими входами силовых ключей, а выходы обоих формирователей трехфазного напряжения прямой и обратной последовательности соединены с силовыми входами силового коммутатора, силовые выходы которого соединены со статорными обмотками асинхронного электродвигателя.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где
- на фиг.1 представлена конструктивная схема;
- на фиг.2 представлена система управления.
Электропневматический упругий элемент содержит основной упругий элемент 1, состоящий из резинокордной оболочки 2, рабочей емкости 3, дополнительной емкости 4, перегородки 5 между ними с отверстием и установленным в нем первым электромагнитным клапаном 6, и вспомогательный упругий элемент 7, состоящий из вспомогательной резинокордной оболочки 8, вспомогательной рабочей емкости 9, вспомогательной дополнительной емкости 10, вспомогательной перегородки 11 между ними с отверстием и установленным в нем вторым электромагнитным клапаном 12. Основной упругий элемент 1 заключен в нижний цилиндрический стакан 13 с отверстием 14 на верхнем торце 15 стакана. На верхнем торце 16 дополнительной емкости 4 соосно последней установлен вспомогательный упругий элемент 7, вспомогательная рабочая емкость 9 помещена в верхний цилиндрический стакан 17, жестко закрепленный на верхнем торце 15 нижнего цилиндрического стакана 13. Вспомогательная дополнительная емкость 10 расположена в отверстии 14 верхнего торца 15 нижнего цилиндрического стакана 13, причем дополнительная емкость 4 жестко соединена своим верхним торцом 16 с основанием 18 вспомогательной дополнительной емкости 10 и со стойками 19, проходящими через направляющие отверстия 20 верхнего торца 15 нижнего цилиндрического стакана 13 и связывающими амортизируемый объект с электропневматическим упругим элементом. Оба электромагнитных клапана 6 и 12 подключены к системе управления 21. На дне вспомогательной дополнительной емкости 10 размещен электродвигатель 22, имеющий на валу 23 барабан 24 с намотанным на него тросом 25.
Один конец троса 25 проходит через соосные отверстия 26 с уплотнениями в основании 18 вспомогательной дополнительной емкости 10, на верхнем торце 16 дополнительной емкости 4, через отверстие 27 с уплотнением в перегородке 5 и закреплен на дне рабочей емкости 3 с помощью узла крепления троса 28. Второй конец троса 25 проходит через соосные отверстия 29 с уплотнениями во вспомогательной перегородке 11 и отверстие 30 с уплотнением на верхнем торце 31 вспомогательной рабочей емкости 9 и герметично закреплен на верхнем торце 31 вспомогательной рабочей емкости 9 с помощью устройства крепления троса 32. Электродвигатель 22 подсоединен к системе управления 21.
Наиболее предпочтительно использовать в качестве электродвигателя 22 асинхронный электродвигатель, т.к. он наиболее прост по конструкции, по обслуживанию в процессе эксплуатации, наиболее дешевый по стоимости по сравнению с электродвигателями других типов. В этом случае система управления 21 содержит соединенные последовательно преобразователь перемещения объекта 33, формирователь сигнала скорости объекта 34, блок разделения сигнала управления 35, а также два блока управления 36 и 37 ключами, силовые ключи 38 и 39 для подключения обмоток электромагнитов клапанов 6 и 12 к источнику питания, формирователь трехфазного напряжения прямой последовательности 40, формирователь трехфазного напряжения обратной последовательности 41, силовой коммутатор 42. Выходы блока разделения сигнала управления 35 соединены с входами обоих блоков управления 36 и 37 ключами, с формирователями трехфазного напряжения 40, 41 и входом управления силового коммутатора 42. Выходы блоков управления 36 и 37 ключами соединены соответственно с управляющими входами силовых ключей 38 и 39. Выходы формирователей трехфазного напряжения 40 и 41 соединены с силовыми входами силового коммутатора 42, силовые выходы которого соединены со статорными обмотками асинхронного электродвигателя 22.
Электропневматический упругий элемент работает следующим образом.
ст
В статическом положении устройства и при колебаниях с малой амплитудой сила тяжести амортизируемого объекта уравновешивается только за счет избыточного давления Р сжатого газа в рабочей емкости 3 основного упругого элемента 1, т.е.:
ст
Mg=Р,
где М - масса амортизируемого объекта;
g - ускорение свободного падения.
При колебаниях амортизируемого объекта происходит вертикальное смещение дополнительных емкостей 4 и 10 относительно неподвижных нижнего 13 и верхнего 17 цилиндрических стаканов.
При перемещении амортизируемого объекта вниз в процессе его колебательного движения осуществляется ход сжатия для основного упругого элемента 1, при этом система управления 21 включает клапан 6 и давление в емкостях 3 и 4 основного упругого элемента 1 изменяется одинаково. Одновременно происходит ход отбоя для вспомогательного упругого элемента 7, при этом система управления 21 выключает клапан 12. Вспомогательный упругий элемент 7 работает лишь с объемом полости 9.
Трос 25 всегда находится в натянутом состоянии, трос 25 сохраняет связь с барабаном 24, перематываясь по нему. Сохранение натяга троса 25 и барабана 24 обеспечивается благодаря необходимому углу охвата барабана 24 тросом 25, определяемому по формуле Эйлера [Путята Т.В., Можаровский Н.С., Соколов Н.Г., Гордийко Ф.П. Прикладная механика. Киев: Вища школа, 1977. - С.422]:
1
2
fα
S=Se
1
где S - сила натяжения ведущей ветви троса,
2
S - сила натяжения ведомой ветви троса,
e - основание натуральных логарифмов,
f - коэффициент трения скольжения между тросом и барабаном,
α - угол охвата барабана тросом.
Также одновременно блок управления 21 через силовой коммутатор 42 подключает к статорным обмоткам электродвигателя 22 формирователь трехфазного напряжения прямой последовательности 40. При этом электродвигатель 22 создает крутящий момент, преобразуемый в окружную силу на барабане 24, посредством троса 25, передаваемую на дополнительные емкости 4, 10 и стойки 19 и противодействующую перемещению вниз амортизируемого объекта. Это усиливает демпфирующие свойства устройства. Электромагнитная сила электродвигателя 22 противодействует перемещению амортизируемого объекта вниз, снижая ход перемещения амортизируемого объекта. Энергия колебаний амортизируемого объекта преобразуется в тепловые потери в роторных и статорных цепях электродвигателя 22.
При перемещении амортизируемого объекта вверх в процессе его колебательного движения осуществляется ход отбоя для основного упругого элемента 1, при этом система управления 21 выключает клапан 6. Основной упругий элемент 1 работает лишь с объемом рабочей емкости 3. Одновременно происходит ход сжатия для вспомогательного упругого элемента 7, при этом в начале хода сжатия система управления 21 включает клапан 12, давление между емкостями 9 и 10 выравнивается и в процессе хода сжатия изменяется одинаково. Также одновременно блок управления 21 через силовой коммутатор 42 подключает к статорным обмоткам электродвигателя 22 формирователь трехфазного напряжения обратной последовательности 41. При этом электродвигатель 22 создает крутящий момент противоположного направления вращения по сравнению с перемещением амортизируемого объекта вниз в процессе его колебательного движения. Крутящий момент преобразуется в окружную силу на барабане 24, посредством троса 25, передаваемую на дополнительные емкости 4, 10 и стойки 19 и противодействующую перемещению вверх амортизируемого объекта. Это усиливает демпфирующие свойства устройства. Электромагнитная сила электродвигателя 22 противодействует упругой силе сжатого газа рабочей емкости 3, при этом снижается ход перемещения амортизируемого объекта вверх и энергия колебаний, возвращаемая основным упругим элементом 1 обратно амортизируемому объекту.
При следующем перемещении вниз амортизируемого объекта все процессы повторяются.
Система управления 21 работает следующим образом.
При незначительных колебаниях амортизируемого объекта, когда их размах не превышает определенного порогового значения, динамический гаситель колебаний в работе не участвует, в гашении колебаний участвуют только упругие элементы 1 и 7. При значительных колебаниях амортизируемого объекта система управления 21 подключает в работу динамический гаситель колебаний.
Преобразователь перемещения 33 объекта формирует сигнал, пропорциональный перемещению амортизируемого объекта. В соответствие с сигналом преобразователя перемещения 33 объекта формирователь сигнала скорости 34 объекта образует разнополярные сигналы, при перемещении объекта вниз формируется сигнал положительной полярности, а при перемещении объекта вверх - сигнал отрицательной полярности. Устройство разделения управления 35 в зависимости от знака сигнала формирует управляющее воздействие на включение электромагнитных клапанов 6 и 12 и на включение формирователей трехфазного напряжения 40 и 41, на их подключение через силовой коммутатор 42 к статорным обмоткам электродвигателя 22.
При сжатии газа в основном упругом элементе 1 формирователь сигнала скорости 34 объекта выдает положительный сигнал. Блок разделения управления 35 при сигнале положительной полярности включает блок управления 36 ключом, который подает сигнал на силовой ключ 38, подключающий обмотку электромагнита клапана 6 к источнику питания. При этом электромагнитный клапан 6 открывается и соединяет емкости 3 и 4 основного упругого элемента 1. Одновременно блок разделения управления 35 включает в работу формирователь трехфазного напряжения прямой последовательности 40, подключает силовые выходы силового коммутатора 42 к статорным обмоткам электродвигателя 22. При этом электродвигатель 22 создает крутящий момент, преобразуемый в окружную силу на барабане 24, посредством троса 25, передаваемую на дополнительные емкости 4, 10 и стойки 19 и противодействующую перемещению вниз амортизируемого объекта. Это усиливает демпфирующие свойства устройства.
При расширении газа в основном упругом элементе 1 формирователь сигнала скорости 34 объекта выдает отрицательный сигнал. Блок разделения управления 35 при сигнале отрицательной полярности включает блок управления ключом 37, который подает сигнал на силовой ключ 39, подключающий обмотку электромагнита клапана 12 к источнику питания. При этом электромагнитный клапан 12 открывается и соединяет емкости 9 и 10 вспомогательного упругого элемента 7. Одновременно блок разделения управления 35 включает в работу формирователь трехфазного напряжения обратной последовательности 41, подключает силовые выходы силового коммутатора 42 к статорным обмоткам электродвигателя 22. При этом электродвигатель 22 создает крутящий момент противоположного направления вращения по сравнению с перемещением амортизируемого объекта вниз в процессе его колебательного движения. Крутящий момент преобразуется в окружную силу на барабане 24, посредством троса 25 передаваемую на дополнительные емкости 4, 10 и стойки 19 и противодействующую перемещению вверх амортизируемого объекта. Это усиливает демпфирующие свойства устройства. Электродвигатель 22 в процессе колебаний амортизируемого объекта работает в повторно-кратковременном режиме с реверсированием момента.
Предлагаемое устройство обеспечивает увеличение демпфирующих свойств при высокочастотных составляющих внешнего воздействия с большими амплитудами за счет введения в конструкцию устройства динамического гасителя колебаний в виде электродвигателя, работающего в повторно-кратковременном режиме на ходах отбоя и сжатия электропневматического упругого элемента.