ВИБРОИЗОЛЯТОР С КВАЗИНУЛЕВОЙ ЖЕСТКОСТЬЮ
BUMPER WITH QUASI-ZERO STIFFNESS

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для виброизоляции технологического оборудования, аппаратов и приборов, а также человека-оператора от воздействия вибрационных и ударных нагрузок.
Известна виброопора (патент №2294857, кл. B62D 24/02, 2007 г.), которая предназначается для крепления кузова к раме автомобиля с изменяемой жесткостной характеристикой и состоит из резиновой подушки, основания виброопоры и перемещающейся втулки с самостопорящейся резьбовой частью, на верхней цилиндрической части которой имеется шестигранник под ключ, при перемещении втулки подушка изменяет свою вертикальную жесткость обратно пропорционально длине выступающей части.
Недостатком является наличие легкоизнашиваемых элементов, отсутствие возможности уменьшения жесткости виброопоры до нуля.
Прототипом заявляемого изобретения служит виброизолятор с квазинулевой жесткостью (патент №2298119, кл. F16F 7/08, 2007 г.), который может быть использован для защиты технологического оборудования, аппаратуры и приборов, а также человека-оператора от воздействия вибрационных и ударных нагрузок.
Виброизолятор с квазинулевой жесткостью содержит плоские упругие и демпфирующие элементы. При этом плоские упругие элементы выполняют в виде пакета упругих элементов арочного типа. Демпфирование колебаний осуществляют с помощью вязкоупругого демпфера, выполненного в виде упругодемпфирующего кольца, связанного с упругими элементами через втулки и расположенного в плоскости, перпендикулярной вертикальной оси пакета упругих элементов, за счет радиальной деформации упругих элементов.
Упругодемпфирующее кольцо имеет в поперечном сечении форму круга, эллипса, треугольника, квадрата, прямоугольника, многоугольника. Полость упругодемпфирующего кольца может быть заполнена вязкой жидкостью или сжатым до определенного давления воздухом или газом.
Недостатком прототипа является сложность конструкции, использование упругодемпфирующих элементов сужает рамки практического использования изобретения. Кроме того, прототипу присущи недостаточная область квазинулевой жесткости и отсутствие возможности удобной вариации заданной малой жесткости.
Технической задачей заявляемого изобретения является создание практичного простого виброизолятора с отсутствием легкоизнашиваемых элементов, большой областью квазинулевой жесткости и узлом регулировки жесткости виброизолятора и компенсации неточностей монтажа.
Поставленная задача решается тем, что в виброизоляторе с квазинулевой жесткостью, включающем упругие элементы сжатия и растяжения с линейной характеристикой, согласно предлагаемому изобретению квазинулевую жесткость получают путем параллельной установки упругих элементов сжатия между двух пластин, стягиваемых парами двухзвенных механизмов, шарнирно соединенных между собой и пластинами, к центру двухзвенных механизмов присоединен упругий элемент растяжения и регулятор натяжения, причем суммарная жесткость упругих элементов растяжения равна или несколько меньше суммарной жесткости упругих элементов сжатия.
На фигуре 1 показана конструкция виброизолятора с квазинулевой жесткостью. На фигуре 2 схематично изображен корректор жесткости в слабо напряженном состоянии. На фигуре 3 схематично изображен корректор жесткости в значительно напряженном состоянии. На фигуре 4 изображены силовые характеристики корректора жесткости I, упругих элементов сжатия II и силовая характеристика виброизолятора с квазинулевой жесткостью III. На фигуре 5 изображены силовые характеристики виброизолятора с квазинулевой жесткостью: A - при незначительном ослаблении регулятора натяжения; B - при значительном ослаблении регулятора натяжении.
В виброизоляторе с квазинулевой жесткостью звенья 1 соединены между собой с помощью шарнирного соединения 2 и соединены шарнирными соединениями 3 с пластинами 4. Шарнирные соединения 2 стягиваются упругим элементом растяжения 5 и регулятором натяжения 6 упругого элемента растяжения 5. Упругие элементы сжатия 7 находятся между пластинами 4. Нагрузка 8, сжимающая виброизолятор, прикладывается перпендикулярно к пластинам 4. Звенья 1, шарнирные соединения 2 и 3, упругие элементы растяжения 5 образуют корректор жесткости.
Силовая характеристика корректора жесткости является ниспадающей в рабочей области. Если упругие элементы растяжения 5 установлены так, что при вертикальном положении звеньев 1 упругие элементы растяжения 5 были в ненапряженном состоянии или незначительно провисали, то силовая характеристика корректора жесткости будет иметь вид графика I (фигура 4). При параллельном подсоединении корректора жесткости к упругим элементам сжатия 7, имеющим линейную силовую характеристику или близкую к ней, представленную графиком II, силовые характеристики I и II сложатся и получится силовая характеристика III виброизолятора, обладающая большой областью квазинулевой жесткости.
При установке упругих элементов растяжения 5 в ненапряженном состоянии или незначительно провисающим при вертикальном положении звеньев 1 жесткость виброизолятора с квазинулевой жесткостью будет оцениваться как суммарная жесткость упругих элементов сжатия 7 минус суммарная жесткость упругих элементов растяжения 5. Таким образом, чтобы жесткость виброизолятора приближалась к квазинулевому значению, необходимо выбрать упругие элементы так, чтобы суммарная жесткость растянутых упругих элементов 5 была равной или несколько меньшей суммарной жесткости упругих элементов сжатия 7.
Виброизолятор с квазинулевой жесткостью работает следующим образом.
При сжатии виброизолятора пластины 4 сближаются, вызывая сжатие упругих элементов сжатия 7. Также сближаются между собой шарнирные соединения 3, тем самым отклоняя звенья 1 во вне виброизолятора, при этом вызывая растяжение упругих элементов растяжения 5. Нагрузка 8 распределяется на упругие элементы сжатия 7 и корректор жесткости, формируя силовую характеристику с квазинулевой жесткостью (график 3, фигура 3). Регулятор натяжения 6 изменяет натяжение упругого элемента растяжения 5.
По мере увеличения длины регулятора натяжения 6 силовая характеристика виброизолятора становится все более крутой, увеличивая жесткость виброизолятора, но при этом и увеличивая диапазон оптимальных нагрузок виброизолятора, на которых будет обеспечиваться заданная квазинулевая жесткостью. На фигуре 5 качественно представлены силовая характеристика A при незначительном ослаблении регулятора натяжения и силовая характеристика B при значительном ослаблении регулятора натяжения.
Регулятор натяжения 6 помогает формировать необходимую силовую характеристику виброизолятора в зависимости от необходимой жесткости виброизолятора и диапазона оптимальных нагрузок виброизолятора. Также при помощи регулятора натяжения можно компенсировать неточности монтажа и неточный выбор жесткости упругих элементов.
Регулятором натяжения 6 может быть любое устройство для стягивания и выбирания слабины, например талреп. Упругим элементом сжатия 7 может быть любой упругий элемент, имеющий устойчивость при сжатии, например металлические цилиндрические или конические пружины, резина, эластичные полимерные материалы, пневмопружины и т.д. Упругим элементом растяжения 4 может быть любой элемент, который обладает большим диапазоном упругой деформации, например цилиндрические пружины растяжения, резиновые жгуты, пневмопружины и т.д. Шарнирные соединения 2 и 3 могут быть любые, обеспечивающие минимальное трение при движении звеньев 1 в плоскости фигуры 1, при этом исключающие движение звеньев 1 и пластины 4 в направлении, перпендикулярном плоскости фигуры 1. Для этого могут служить различные болтовые соединения, серьги и т.д. Звенья 1 могут быть изготовлены в виде пластин, планок, стержней, серег и тому подобных конструкционных элементов.
Благодаря квазинулевой жесткости на большой области сжатия виброизолятора виброизолируемый объект почти не испытывает на себе переменные динамические воздействия от вибраций и внешних возбуждающих переменных и ударных сил, виброизолирует фундамент, повышает надежность работы и долговечность виброизолируемого объекта. Регулятор натяжения 6 позволяет менять силовую характеристику виброизолятора и придать ему необходимые параметры, компенсировать неточности монтажа и выбора упругих элементов, таким образом делая виброизолятор более гибким в применении и снижая требования к его производству.