СИСТЕМА ВИБРОИЗОЛЯЦИИ
VIBRATION INSULATION SYSTEM

Изобретение относится к системам виброизоляции, применяемым в транспортном машиностроении.
К наиболее близкому техническому решению следует отнести систему виброизоляции по патенту РФ на полезную модель №84487, которая содержит как минимум две пружины, каждая пружина одним концом закреплена на объекте защиты, другим концом соединена с основанием, на одной из пружин размещена дополнительная масса, причем жесткость этой пружины зависит от частоты внешнего воздействия.
Недостатком известной системы является наличие зоны неэффективной работы в области низких частот внешнего воздействия, а также сравнительно невысокое демпфирование.
Технически достижимый результат - повышение эффективности виброизоляции путем введения в систему дополнительного демпфирования.
Это достигается тем, что в системе виброизоляции, состоящей из упругих элементов, дополнительной массы, между основанием и объектом защиты установлен параллельно упругому элементу модуль, состоящий из дополнительной массы, соединения гайка - винт, дополнительного упругого элемента, причем гайка размещена на подшипниках на объекте защиты, винт одним концом соединен с гайкой, другим концом жестко закреплен с дополнительной массой, которая опирается на дополнительный упругий элемент, соединенный с основанием, упругий элемент выполнен в виде кольцевой конусной пружины, состоящей из набора конусных дисков, причем набор составлен из последовательно чередующихся дисков большего и меньшего диаметров с отогнутыми в противоположные стороны краями по радиусу, обеспечивающему сопряжение дисков одного с другим, набор состоит по крайней мере из одного внешнего и двух внутренних кольцевых упругих конусных дисков, размещенных между основанием и крышкой пружины, при этом каждый из внешних и внутренних кольцевых упругих конусных дисков выполнен в виде усеченных конусных поверхностей и содержит по крайней мере три радиальных паза, направленных от большего основания усеченного конуса к меньшему основанию, причем каждый из радиальных пазов заканчивается отверстием для снятия напряжений, а сопряжение боковых конусных поверхностей внешних кольцевых упругих конусных дисков с боковыми конусными поверхностями внутренних кольцевых упругих конусных дисков выполнено в виде сферических сегментов радиусом R, имеющихся на каждом из дисков в количестве двух, расположенных соответственно у большего основания усеченного конуса и меньшего основания каждого из дисков, при этом сферические сегменты выполнены заедино с коническими поверхностями каждого из дисков и направлены в разные стороны от образующей конической поверхности, т.е. один сферический сегмент каждого диска направлен внутрь конической поверхности, а другой - наружу, а на крышке закреплен сетчатый демпфер своим основанием, выполненным в виде пластины с закрепленной на ней нижней шайбой, которая фиксирует на основании демпфера сетчатый упругий элемент, верхняя часть которого фиксируется верхней нажимной шайбой, жестко соединенной с центрально расположенным кольцом, охватываемым соосно расположенным кольцом, жестко соединенным с основанием сетчатого демпфера.
На фиг. 1 представлена схема системы виброизоляции, на фиг. 2 - вариант выполнения упругого элемента 2, на фиг. 3 - общий вид одного из дисков пружины в свободном состоянии.
1
2
1
2
1
2
2
На фиг. 1 введены следующие обозначения: y, y - обобщенные координаты массы m, и m соответственно; k, k - жесткости упругих элементов 2 и 4; Lp - приведенные массо-инерционные характеристики устройства с преобразованием движения.
Система виброизоляции содержит объект защиты 1, расположенный в шарнирных направляющих 9 типа «катков», установленных между объектом защиты 1 и неподвижной стойкой 10, жестко установленной на основании 7. Объект защиты 1 опирается на упругий элемент 2, параллельно которому установлен инерционный модуль 6 механизма преобразования движения дополнительной массы 5, состоящий из гайки 3 на подшипниках, взаимодействующей с одним из концов винта 8, дополнительного упругого элемента 4, один конец которого жестко закреплен на основании 7, а другой - на дополнительной массе 5 со стороны основания 7. На дополнительной массе 5, со стороны гайки 3, закреплен свободный конец винта 8.
Система виброизоляции работает следующим образом.
Под действием переменной внешней силы Р объект защиты 1 приводится в колебательное движение. Колебательные движения объекта защиты приводит в движение встроенную на подшипниках гайку модуля 6. Гайка модуля 6 при колебании объекта защиты 1 вверх начинает вращаться в одну сторону, при движении вниз - в другую сторону. Вращение гайки модуля 6 через винт модуля 6 либо приподнимает дополнительный груз 5, либо затем опускает, причем при поднимании дополнительного груза дополнительный упругий элемент растягивается, что также приводит к гашению колебаний, при опускании дополнительного груза 5 дополнительный упругий элемент 4 сжимается и тем самым также гасит колебания. Для апробации предложенной конструкции было проведено моделирование при различных физических параметрах элементов колебательной системы. Амплитудно-частотная характеристика начинается из начала координат и в области низких частот не превышает зоны эффективной работы виброзащитной системы по сравнению с существующими аналогами, амплитудно-частотная характеристика которых берет свое начало выше нулевой линии значения амплитуд колебаний и не обеспечивает минимальные значения амплитуд колебаний в области низких частот.
2
1
1
1
В рассматриваемом случае объект защиты массой m совершает колебания с обобщенной координатой у. Внешняя сила приложена к массе m; m совершает колебания с обобщенной координатой у. Для определения режимов эффективной работы предлагаемой полезной модели составим уравнения движения, используя уравнение Лагранжа второго рода, которые позволяют получить выражение для амплитудно-частотной характеристики предлагаемой виброзащитной системы. Не детализируя процесс составления уравнений, используем преобразования Лапласа и получим выражение для передаточной функции виброзащитной системы, которая используется для построения амплитудно-частотных характеристик:
1соб
1
2
1
3
Принципиальные отличия в свойствах системы проявляются в возможности получения зоны эффективной виброзащиты на участке 0-ω. Чтобы ее найти, решим уравнение (1). Примем, что m=m=m, k=k=k, тогда
или
где
огр
огр
Физический смысл А(ω) заключается в том, что А'(ω) определяет необходимый уровень эффективности вибрационной защиты.
огр
Если принять, что А'(ω)=ak, то границы частотного интервала могут быть определены
При а=1
1coб
При выборе m=L можно получить, что нижняя граница  будет находиться левее нижней частоты собственных колебаний ω.
Предлагаемая конструкция обеспечивает эффективное гашение колебаний в области низких частот внешнего воздействия за счет использования механизма с преобразованием относительного движения (на примере устройства «винт-гайка»).
Упругий элемент 2 (фиг. 2, 3) выполнен в виде кольцевой конусной пружины, которая состоит из набора, включающего по крайней мере один внешний 11 и два внутренних 12 и 14 кольцевых упругих конусных диска (фиг. 2), размещенных между основанием 22 и крышкой 33 пружины. Каждый из внешних 12, 13, 15 и внутренних 12, 14, 16, 17 кольцевых упругих конусных дисков выполнен в виде усеченных конусных поверхностей и содержит по крайней мере три радиальных паза 18, направленных от большего основания 21 усеченного конуса к меньшему основанию 20. Каждый из радиальных пазов 18 заканчивается отверстием 19 для снятия напряжений.
Сопряжение боковых конусных поверхностей внешних 11, 13, 15 кольцевых упругих конусных дисков с боковыми конусными поверхностями внутренних 12, 14, 16, 17 кольцевых упругих конусных дисков выполнено в виде сферических сегментов радиусом R, имеющихся на каждом из дисков в количестве двух, расположенных соответственно у большего основания 21 усеченного конуса и меньшего основания 20 каждого из дисков. При этом сферические сегменты выполнены заедино с коническими поверхностями каждого из дисков и направлены в разные стороны от образующей конической поверхности, т.е. один сферический сегмент каждого диска направлен внутрь конической поверхности, а другой - наружу.
1
2
1
1
2
Высота внутреннего конуса f внешнего кольцевого конусного диска 11 выполнена по расчету, а высота f внутреннего конуса внутреннего кольцевого конусного диска 12 выполнена, например, несколько больше, чем f. Для создания опоры пружины при выборе хода ее на максимальную величину и для ограничения перемещения кольцевого упругого конусного диска 13 онимеет высоту H, например, несколько большую высоты Н кольцевого упругого конусного диска 15. Для фиксации пружины на вибрирующем основании (на чертеже не показано) служит центральное отверстие 26 в основании 22 пружины, а для крепления виброизолируемого объекта (на чертеже не показан) - центральное резьбовое отверстие 24 в крышке 33 пружины, собранной, например, как показано на фиг. 2, - из семи кольцевых конусных дисков, находящихся в свободном состоянии. Число внешних и внутренних дисков может быть различным в зависимости от жесткости и величины хода пружины.
1
2
2
1
Для использования кольцевой конусной пружины без направляющей гильзы или центрирующей оправки внутренний диаметр Д кольцевого упругого конусного диска 11 и наружный диаметр Д кольцевого упругого конусного диска 12, а также внутренний диаметр d кольцевого упругого конусного диска 17 и наружный диаметр d кольцевого упругого конусного диска 12 выполнены, например, по подвижной посадке.
Сетчатый демпфер (фиг. 2) закреплен на крышке 33 основанием 32, выполненным в виде пластины с закрепленной на ней нижней шайбой 27, которая фиксирует на основании 32 сетчатый упругий элемент 28, верхняя часть которого фиксируется верхней нажимной шайбой 29, жестко соединенной с центрально расположенным кольцом 30, охватываемым соосно расположенным кольцом 31, жестко соединенным с основанием 32.
3
Плотность сетчатой структуры упругого сетчатого элемента 28 находится в оптимальном интервале величин: 1,2…2,0 г/см, причем материал проволоки упругих сетчатых элементов - сталь марки ЭИ-708, а диаметр ее находится в оптимальном интервале величин 0,09…0,15 мм.
Возможен вариант, когда поверхность 23, расположенная на основании 22, по его периметру, имеющая внутренний профиль, эквидистантный профилю контактирующего с ним внешнего сферического сегмента внутреннего кольца 12, опирающегося на основание 22, покрыта слоем фрикционного материала, состоящего из композиции, включающей следующие компоненты, при их соотношении в мас. %: смесь резольной и новолачной фенолоформальдегидных смол в соотношении 1:(0,2-1,0) 28÷34%, волокнистый минеральный наполнитель, содержащий стеклоровинг или смесь стеклоровинга и базальтового волокна в соотношении 1:(0,1-1,0), 12÷19%, графит 7÷18%, модификатор трения, содержащий технический углерод в виде смеси с каолином и диоксидом кремния, 7÷15%, баритовый концентрат 20÷35%, тальк 1,5÷3,0%.
Возможен вариант, когда боковые конусные поверхности внутренних кольцевых упругих конусных дисков и сферических сегментов покрыты вибродемпфирующим материалом, например полиуретаном.
Сетчатый демпфер работает следующим образом.
При колебаниях виброизолируемого объекта (на чертеже не показан), расположенного на верхней нажимной шайбе 29, упругий сетчатый элемент 28 воспринимает как вертикальные, так и горизонтальные нагрузки, ослабляя тем самым динамическое воздействие на виброизолируемый объект, т.е. обеспечивается пространственная виброзащита и защита от ударов.
Кольцевая конусная пружина работает следующим образом.
Под нагрузкой Р кольцевые конусные диски взаимодействуют один с другим одновременно как внешними, так и внутренними рабочими поверхностями своих сферических сегментов. В процессе работы энергия от воспринимаемых пружиной нагрузок расходуется на упругую деформацию каждого кольцевого конусного диска, например, по аналогии, как с каждым витком винтовой пружины, а также на рассеивание энергии за счет трения при перемещении их сферических сегментов, например, по аналогии, как осуществляется демпфирование при «сухом трении». Кроме того, в предлагаемой конструкции значительно уменьшается напряжение на кромках колец пружины по сравнению с тарельчатыми пружинами, что позволяет повысить допускаемые напряжения в материале и, следовательно, нагрузку, а также несколько увеличить величину хода. Перемещение кольцевых конусных дисков обеспечивает разность нагрузочных и разгрузочных характеристик пружины за один ход ее под нагрузкой, что, в свою очередь, обеспечивает, например, некоторое повышенное затухание механических колебаний системы в целом. Пружина выполнена так, что изготовление ее кольцевых конусных дисков можно осуществить из разных материалов и различных заготовок, например из листовых стальных и цветных литейных сплавов, а также из соответствующих неметаллических материалов, в том числе и из пластических масс и им подобных материалов.
Возможен вариант, когда основание 32 сетчатого демпфера (фиг. 2), закрепленного на крышке 33 пружины, содержит три промежуточных вибродемпфирующих слоя: первый слой - из дисперсного упругодемпфирующего материала, в котором может быть использована крошка, например, из следующих материалов: резины, пробки, пенопласта, капрона, вспененного полимера, а также крошка твердых вибродемпфирующих материалов, например, таких как пластикат типа «Агат», «Антивибрит», «Швим» с размером фракций крошки 1,5÷2,5 мм, второй слой - из вязаных упругих синтетических нитей, причем размер ячеек, вязаных из упругих синтетических нитей, на 10÷15% меньше размеров фракций крошки вибродемпфирующих материалов; и третий слой - из сплошного демпфирующего материала, в котором может быть использована губчатая резина, иглопробивной материал типа «Вибросил» на базе кремнеземного или алюмоборосиликатного волокна, а также нетканый вибродемпфирующий материал.