УСТРОЙСТВО ВИБРОИЗОЛЯЦИИ С АРРЕТИРОВАНИЕМ
VIBRATION INSULATION DEVICE WITH CAGING

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для уменьшения негативного влияния вибрации на функционирование защищаемого объекта, например, для увеличения точности позиционирования инструмента. Арретирование предотвращает устройство от возможного повреждения при транспортировке или хранении. Виброизоляция и арретирование осуществляются рабочими телами из сплавов с эффектом памяти формы.
Известно устройство виброизоляции с арретированием [1], содержащее корпус, рабочие тела из сплава с эффектом памяти формы и связанный с ними защищаемый объект. Изолирование защищаемого объекта от вибрации корпуса осуществляется упругой и неупругой амортизацией колебаний в рабочих телах. Неупругое гашение вибрации или демпфирование происходит в рабочих телах наиболее интенсивно в мартенситном состоянии сплава или при мартенситном превращении, наведенном напряжением. Для предотвращения повреждений защищаемого объекта и устройства при транспортировке или хранении применяется арретирование. При арретировании увеличивают жесткость соединения защищаемого объекта с корпусом. Арретирование в данном устройстве производиться путем нагрева рабочих тел до аустенитного состояния сплава и удержания данной температуры во время арретирования. Существенным недостатком этого виброизолятора являются необходимость непрерывного подвода энергии для обеспечения арретирования и возможность потери арретирования при потере энергоснабжения.
Известно устройство виброизоляции с арретированием, содержащее в общем корпусе трансмиссию мартенситного двигателя арретира [2] и устройство [1]. Двигатель имеет два рабочих тела из сплава с эффектом памяти формы, установленных на корпусе. Каждое рабочее тело двигателя, кинематически связано с арретиром защищаемого объекта. Одно рабочее тело при нагреве включает арретирование, другое при нагреве производит разарретирование. В состоянии арретирования энергия не потребляется. Существенным недостатком данного устройства является сложность или избыточность конструкции, обусловленные наличием одной группы рабочих тел, предназначенных для виброгашения, и другой группы рабочих тел, участвующих в управлении арретированием.
Известно устройство виброизоляции с арретированием [3], содержащее корпус, рабочие тела из сплава с эффектом памяти формы и неподвижный постоянный магнит, установленные на корпусе, другой конец каждого рабочего тела оснащен ферримагнитным диском, подсоединяемым к защищаемому объекту и имеющим магнитную память. В состоянии виброизоляции диски вместе с защищаемым объектом находится вдали от неподвижного магнита. Защищаемый объект имеет возможность колебаться около положения равновесия сил, действующих со стороны неподвижного магнита и рабочих тел. В состояние арретирования устройство переходит при нагреве одного рабочего тела, оно перемещает защищаемый объект, приближая ферромагнитный диск к неподвижному магниту, который притягивает и удерживает его при арретировании. Для разарретирования или обратного перехода в состояние виброизоляции нагревается другое рабочее тело. Оно отрывает ферримагнитный диск вместе с защищаемым объектом от соответствующего неподвижного магнита, освобождая его от арретирования.
Недостатком данного устройства является нестабильность работы, связанная с возможностью функционального отказа, в виде неконтролируемого арретирования. В двух положениях защищаемого объекта: при арретировании и при виброизоляции сила, обеспечивающая арретирование, имеет одно и то же направление. Это сила электромагнитного притяжения магнитов. Она имеет минимальное значение в точке равновесия защищаемого объекта в положении виброизоляции, и возрастая, принимает максимальное значение в другом крайнем положении при арретировании. Таким образом, с ростом амплитуды колебаний возрастает возможность самопроизвольного арретирования.
Заявляемое изобретение свободно от указанных недостатков.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение стабильности функционирования, за счет того, что в крайних положениях защищаемого объекта: виброизоляция или арретирование, сила электромагнитного взаимодействия, обеспечивающая арретирование, имеет различные направления.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство оснащено подвижным якорем, соединенным с корпусом рабочими телами, и подвижным постоянным магнитом, установлены на якоре, несущем защищаемый объект, при этом последовательности расположения полюсов магнитов в крайних положениях якоря имеют различное чередование, а сила их электромагнитного взаимодействия отличается направлением.
Кроме того указанный технический результат достигается тем, что в положении якоря при виброизоляции одноименные полюса подвижного и неподвижного магнитов расположены на минимальном расстоянии, а сила их электромагнитного взаимодействия есть отталкивание.
Кроме того указанный технический результат достигается тем, что в положении якоря при арретировании разноименные полюса подвижного и неподвижного магнитов расположены на минимальном расстоянии, а сила их электромагнитного взаимодействия есть притяжение.
Таким образом, при самопроизвольном смещении якоря с защищаемым объектом из позиции виброизоляции якорь должен всегда пройти участок, на котором сила отталкивания магнитов будет нарастать, препятствуя его удалению от положения равновесия. Это обеспечивает стабильность функционального состояния виброизоляции, и исключает возможность неконтролируемого арретирования.
Сущность изобретения представлена на фиг.1-6.
На фиг.1 приведена кинематическая схема устройства с якорем, находящимся в положении виброизоляции.
На фиг.2 приведена кинематическая схема устройства с якорем, находящимся в положении арретирования.
На фиг.3 изображено рабочее тело, осуществляющее виброгашение и управление арретированием.
На фиг.4 представлен результат испытания взаимодействия подвижного и неподвижного постоянных магнитов.
На фиг.5 показаны виброграмма корпуса и амплитудно-частотная характеристика его вибрации. Единица измерения амплитуды - ускорение свободного падения.
На фиг.6 показаны виброграмма и амплитудно-частотная характеристика вибрации защищаемого объекта, снятые одновременно с виброграммой корпуса
Устройство виброизоляции с арретированием (см. фиг.1 или 2, они имеют единую нумерацию позиций), выполненное согласно данному изобретению, содержит якорь в виде трубы 1, на который монтируется защищаемый объект 2. Рабочие тела 3 и 4 из сплава с эффектом памяти формы (никелид титана) изготовлены в виде прорезных пружин (см. фиг.3), покрытых пленочным электронагревателем. Они фиксируются на якоре. Центра рабочих тел связаны с осью 5, являющейся частью корпуса. Для арретирования якоря служат два кольцеобразных постоянных магнита, закрепленных соответственно: подвижный 6 - на якоре, а неподвижный 7 - на корпусе.
При работе устройства (см. фиг.1) его якорь 1 связан с защищаемым объектом 2, а корпус - с источником вибраций. Низкая жесткость прорезных пружин 3 и 4 обеспечивает режим виброизоляции. Если частота вынуждающих вибраций будет близка к резонансной, амплитуда колебаний якоря возрастет, но ее величина вследствие высоких демпфирующих свойств никелида титана будет ниже, чем при использовании чисто упругих прорезных пружин. Эффективность изолирования падает на частоте резонансной для устройства. Для снижения вредных последствий данного явления возможно изменить частоту резонансных колебаний устройства. Для этого изменяют механические параметры рабочих тел путем изменения их температуры в интервале, содержащем температуры прямого и обратного мартенситных превращений. Контролируемое изменение температуры рабочих производится пленочными электронагревателями. Форма и размер арретирующих магнитов 6 и 7 выбраны такими, что они отталкивается при небольших смещениях якоря 1 при виброизоляции. Эта сила меняет направление на притяжение магнитов (см. фиг.2), если смещение превысит некоторую критическую величину. Чтобы арретирование было возможным, рабочие тела 3, 4 в виде прорезных пружин устанавливают с предварительным натягом, так что силы, с которыми они действуют на якорь 1, противоположны и равны друг другу. Арретирование производится посредством активации нагревом рабочего тела 3, которое создает силу, стремящуюся сблизить магниты 6 и 7. Когда перемещение достигает критической величины, сила взаимодействия магнитов становится притягивающей и перемещение скачком возрастает до предельного значения. Магниты обеспечивают состояние арретирования и после остывания арретирующего рабочего тела 3. Обратный переход в состояние виброизоляции или демпфирования можно производить только после остывания арретирующего рабочего тела 3. Для этого необходимо активировать другую прорезную пружину 4, которая создает силу, отдаляющую магниты друг от друга.
Заявленное изобретение было апробировано в лабораторных условиях Санкт-Петербургского Государственного Университета.
В результате испытаний было подтверждено достижение указанного технического результата: в двух крайних положения защищаемого объекта: виброизоляция или арретирование, сила электромагнитного взаимодействия, обеспечивающая арретирование, имеет различные направления.
Пример 1. Проводилось измерение силы электромагнитного взаимодействия двух магнитов. Результаты испытания взаимодействия подвижного и неподвижного постоянных кольцевых магнитов, размещенных соосно, приведены на фиг.4. В зависимости от относительного смещения магнитов преобладает одно из взаимодействий: либо взаимодействие разноименных полюсов - магниты притягиваются; либо взаимодействие одноименных полюсов - магниты отталкиваются. В положении, когда сила взаимодействия равна нулю, их относительное смещение или расстояние между ними принято равным нулю.
Пример 2. При испытании 2 проверялись виброизолирующие качества устройства. На якорь монтировался макет защищаемого объекта. Устройство устанавливалось на вибростенд. К якорю и корпусу устройства крепились датчики ускорения. В результате испытания были получены одновременные виброграммы и амплитудно-частотные характеристики вибрации корпуса и защищаемого объекта, (см. фиг.5 и 6). Вибростенд имитировал предельную вибрационную нагрузку. Анализ результатов показывает, что устройство обеспечивает как минимум десятикратное уменьшение ускорения, возникающего в процессе вибрации в широком диапазоне частот. Амплитуда ускорений защищаемого объекта, лежит в диапазоне величин, допустимом техническими требованиями. В процессе испытания на вибростенде самопроизвольного арретировании и разарретирования защищаемого объекта и якоря не наблюдалось.
Список использованных источников
1. Patent US 6290037 Vibration absorber using shape memory material; C1 F16F 7/10.
2. A.c. 11492833 Трансмиссия мартенситного двигателя. В.А. Лихачев, В.Ф. Мозгунов. F03G 7/06.
th
3. М. Kohl, В. Krevet Smart Microactuation Devices Using Shape Memory and Magnetic Effects/ Book of Abstracts/ 5 ECCOMAS Thematic Conference on Smart Structures and Materials SMART' 11, Saarbrucken, Juli 6-8, 2011.