АКТИВНОЕ ДВУХКАСКАДНОЕ ВИБРОЗАЩИТНОЕ УСТРОЙСТВО

Полезная модель относится к области приборостроения, механики систем с авторегулированием, а более конкретно, к конструкции активных виброзащитных устройств.
Многие современные измерительные приборы и технологическая аппаратура нуждаются в эффективной защите от вибраций. К ним относятся: 1) рентгеновская дифрактометрия высокого разрешения (плосковолновая топография, малоугловое рассеяние в пленочных технологиях, метод стоячих волн и т.д.); 2) микрозондовая аппаратура, микроскопы, наноманипуляторы для исследований и технологий в области микро- и наноэлектроники, наномеханики; 3) лазерные экспериментальные и технологические устройства; 4) аппаратура, для выращивания биологических и неорганических кристаллов (этот список может быть продолжен). Столь же велика потребность в активной защите от вибраций чувствительной аппаратуры на космических аппаратах, самолетах, и других транспортных средствах.
Дорогостоящие массивные фундаменты в подвальных помещениях не всегда способны изолировать аппаратуру от колебаний, которые возбуждаются грузовыми автомобилями, автобусами, троллейбусами, железнодорожными составами. В таких случаях активные виброзащитные панели являются единственным средством защиты от вибраций. Они существенно снижают требования к уровню шумов на месте расположения чувствительной аппаратуры.
Известно активное виброзащитное устройство, состоящее из механической части, содержащей опорную плиту с четырьмя упругими опорами, поддерживающих несущую плиту, на которой установлены восемь акселерометров и восемь сервисных магнитоэлектрических движителей (Патент РФ РФ №2337390 «Активная виброзащитная панель (бокс) с компенсацией сигнала наклона акселерометров для стационарных условий и транспортных средств», МПК G05D 19/00, приоритет от 09.10.2006 г.) Данный патент выбран в качестве прототипа предлагаемого устройства.
Основным недостатком прототипа является то, что, несмотря на расширение границы активного диапазона в сторону низких частот (от ≈2 Гц до ≈0,2 Гц) и увеличение максимального коэффициента подавления колебаний (от ≈40 дБ до ≈60 дБ), которые достигаются в этой конструкции, существует ряд конкретных применений, для которых достигнутые параметры являются недостаточными из-за невозможности с помощью отдельных активных виброзащитных устройств получить необходимые характеристики.
-6
-3
Технической задачей настоящей полезной модели является создание активного виброзащитного устройства, обеспечивающего увеличение диапазона регулируемых параметров, что позволит защитить приборы особо чувствительные к вибрациям (допустимый уровень вибраций ≤10 g), которые по необходимости устанавливаются на опорах с высоким уровнем вибрации (≥10 g), а также гарантировать защиту чувствительных к вибрациям приборов на транспортных средствах.
Следует отметить, что круг экспериментальной и технологической аппаратуры, особо чувствительной к вибрации достаточно широк, к нему, например, относятся: 1) рентгеновская дифрактометрия высокого разрешения (плосковолновая топография, малоугловое рассеяние в пленочных технологиях, метод стоячих волн и т.д.), 2) микрозондовая аппаратура, микроскопы, наноманипуляторы для исследований и наномеханики и микро- и наноэлектроники, 3) лазерные экспериментальные и технологические устройства, 4) аппаратура, для выращивания биологических и неорганических кристаллов
На земле наиболее неблагоприятными для размещения чувствительной аппаратуры являются здания, расположенные вблизи от транспортных магистралей или содержащие собственные источники шумов. На транспортных средствах (самолет, вертолет, автомобиль) существенны вибрации в диапазоне частот от (2-4)Гц до (50-100)Гц, поэтому для эффективной защиты чувствительных приборов, таких, например, как точные гравиметры, нужны виброзащитные устройства с крутизной характеристики не менее 50 дБ/дек, что не достижимо при использовании известных конструкций.
Техническим результатом является расширение области применения активного виброзащитного устройства и повышение надежности работы чувствительных контрольно-измерительных приборов.
Поставленные техническая задача и результат достигаются в результате того, что в активном виброзащитном устройстве, содержащем механическую часть, имеющую опорную плиту с четырьмя упругими опорами, поддерживающими несущую плиту, на которой установлены восемь акселерометров и восемь сервисных магнитоэлектрических движителей, на несущую плиту установлены упругие опоры, поддерживающие дополнительную несущую плиту, на которой установлены восемь акселерометров и восемь сервисных магнитоэлектрических движителей, двух электронных шестиканальных авторегуляторов. Названные авторегуляторы соединены так, что обе несущие плиты представляют собой включенные последовательно парциальные активные виброзащитные устройства, подавляющие шесть мод колебаний несущих плит, так что модуль функции передачи двухкаскадного устройства является произведением модулей функций передачи парциальных активных виброзащитных устройств.
Сущность полезной модели поясняется схемами и графиками, представленными на фигурах.
Фиг.1 - Одномодовая конструкция двухкаскадного активного виброзащитного устройства;
Фиг.2 - Частотная зависимость модуля петлевой функции передачи парциального виброзащитного устройства;
Фиг.3 - Частотная характеристика коэффициента передачи парциального виброзащитного устройства;
Фиг.4 - Частотная зависимость полного коэффициента передачи двухкаскадного виброзащитного устройства;
Фиг.5 - Частотная зависимость полного коэффициента передачи двухкаскадного виброзащитного устройства, адаптированного для микрогравиметра авиационного базирования.
Предлагаемая конструкция двухкаскадного активного виброзащитного устройства, значительно расширяет область применения рассматриваемой аппаратуры.
Одномодовая конструкция двухкаскадного активного виброзащитного устройства представлена схематически на Фиг.1. Здесь 1 - опорная плита, 2 - защищаемый объект, 3 - упругая опора, 4 - несущая плита, 5 - акселерометр, 6 - сервисный магнитоэлектрический движитель, 7 - электрическая цепь авторегулирования/управления, 8 - упругая опора, 9 - дополнительная несущая плита, 10 - акселерометр, 11 - сервисный магнитоэлектрический движитель и 12 - электрическая цепь авторегулирования/управления. Из схемы следует, что механическая часть устройства содержит два узла, которые представляют собой парциальные активные виброзащитные устройства, соединенные последовательно, причем несущая плита 4 нижнего узла является опорной плитой верхнего узла, в котором применена дополнительная несущая плита 9.
Активное двухкаскадное виброзащитное устройство функционирует следующим образом. Опорную плиту 1 жестко устанавливают на рабочую поверхность (стол, фундамент, корпус транспортного средства) с недопустимо высоким для защищаемой аппаратуры уровнем вибрации, так что задачей устройства является изоляция защищаемого объекта 2 от вибраций опорной плиты 1. На опорной плите 1 установлены упругие опоры 3, поддерживающие несущую плиту 4, к которой крепятся акселерометр 5 и подвижный упор магнитоэлектрического движителя 6. Вместе с электрическими цепями 7 указанные узлы образуют замкнутую цепь управления, содержащую упругий осциллятор (несущая плита 4, установленная на упругих опорах 3), акселерометр 5, электронные цепи 7 и сервисный магнитоэлектрический движитель 6. В данной механоэлектрической цепи колебания несущей плиты 4 подавляются, причем активный диапазон частот и максимальный коэффициент подавления колебаний (или коэффициента передачи) определяются параметрами электрических цепей управления 7.
Последовательно с рассмотренным выше первым каскадом активного виброзащитного устройства установлен второй каскад, опирающийся на несущую плиту 4. На несущей плите 4 установлены упругие опоры 8, поддерживающие несущую плиту 9, к которой крепятся акселерометр 10 и подвижный упор магнитоэлектрического движителя 11. Вместе с электрическими цепями 12 указанные узлы образуют замкнутую цепь управления, содержащую упругий осциллятор (несущая плита 9, установленная на упругих опорах 8), акселерометр 10, электронные цепи 12 и сервисный магнитоэлектрический движитель 11. В данной механоэлектрической цепи колебания несущей плиты 9 подавляются, причем активный диапазон частот и максимальный коэффициент подавления колебаний (или коэффициента передачи) определяются параметрами электрических цепей управления 12.
При последовательном включении двух парциальных активных виброзащитных устройств полный коэффициент передачи равен произведению коэффициентов передачи парциальных виброзащитных устройств.
В реальной конструкции на каждой несущей плите (4 и 9) установлены восемь акселерометров и восемь сервисных движителей. Измеряются все моды колебаний несущих плит и с помощью шести цепей управления (на каждое парциальное устройство) подавляются все шесть мод колебаний несущих плит, три торсионные и три поступательные. Полная высота двухкаскадного устройства будет составлять ≈120 мм.
A
M
D
A
M
D
A
M
D
A
D
Устойчивость и динамические характеристики каждого парциального авторегулятора определяются правильно рассчитанной петлевой функцией передачи Н(iω)=М(iω)·К(iω), где М(iω) - функция передачи электрических цепей, а K(iω) - полная функция передачи механической системы. Последняя может быть представлена как произведение K(iω)=К(iω)·К(iω)·К(iω), где К(iω), К(iω), К(iω) - функции передачи, соответственно, акселерометра, механического осциллятора/подвеса, магнитоэлектрического движителя. Обычно конструкции акселерометров и магнитоэлектрических движителей выбирают так, чтобы в активном диапазоне частот они не вносили существенного сдвига фазы в К(iω), в таком случае можно считать K(iω)=K·К(iω)·K, где К и К коэффициенты передачи акселерометров и движителей, соответственно.
Петлевая функция передачи, рассчитанная с учетом отмеченных выше условий, может иметь следующий вид:
Здесь первый сомножитель отражает квадратичную частотную зависимость сигнала акселерометра, второй представляет функцию передачи интегратора, третий - корректора, а четвертый - механического осциллятора.
0
Частотная зависимость модуля петлевой функции передачи схематически показана на Фиг.2. Видно, что при частотах ниже частоты резонанса механического осциллятора 1/2πT≈10 Гц, рассматриваемая зависимость описывается прямой с наклоном ≈30 дБ/дек, а выше частоты резонанса - прямой с наклоном ≈-20 дБ/дек. При такой частотной зависимости модуля петлевой функции передачи |Н(iω)| очевидно, что максимальное значение |Н(iω)|, которое достигается в точке резонанса, зависит от нижней границы активного диапазона частот. Из Фиг.2 видно, что при нижней границе активного диапазона частот ≈0,2 Гц, достигается максимум |Н(iω)|≈60 дБ (сплошная кривая), а при нижней границе ≈2 Гц, только <40 дБ (пунктирная кривая).
a
Частотная зависимость модуля петлевой функции передачи |H(iω)|, показанная на Фиг.2, дает удовлетворительную частотную характеристику коэффициента подавления колебаний К(ω), показанную на Фиг.3 в том случае, когда виброзащитное устройство предназначено для изоляции защищаемого объекта от внешней среды, то есть от вибрации опорной плиты (t). В этом случае, при частотах выше резонанса упругого осциллятора, полный коэффициент подавления колебаний представляет собой произведение коэффициентов подавления активной цепи и пассивного элемента (несущая плита, установленная на упругих опорах). Поскольку частотные зависимости этих двух сомножителей представляют собой прямые с наклоном противоположного знака, -20 дБ/дек и +20 дБ/дек, полная зависимость K(ω) выше частоты резонанса имеет вид плато, как показано на Фиг.3. Здесь, также, как на Фиг.2, сплошная кривая соответствует нижней границе активного диапазона частот ≈0,2 Гц, а пунктирная, ≈2 Гц.
Эффективность парциального активного виброзащитного устройства, показанная на Фиг.3, для используемого уровня техники является предельной. Поэтому для ряда применений, требующих большего коэффициента подавления и большей крутизны кривой в области ниже частоты механического резонанса, оптимальной может быть двухкаскадная конструкция активного виброзащитного устройства, значительно увеличивающая эффективность обычных активных виброзащитных устройств. Двухкаскадное включение парциальных активных виброзащитных устройств является механическим аналогом электрической цепи из двух соединенных последовательно фильтров верхних частот.
На Фиг.4 показана частотная зависимость полного коэффициента передачи K(ω) двухкаскадного устройства, который равен произведению коэффициентов передачи двух парциальных устройств. Сплошная кривая на графике соответствует нижней границе активного диапазона ≈2 Гц, а пунктирная, ≈0,2 Гц. Видно, что наклон кривых передачи в области частот ниже резонанса механического осциллятора достигает значения ≈-60 дБ/дек, а максимальный коэффициент подавления колебаний равен ≈60 дБ и ≈120 дБ, соответственно.
Двухкаскадные активные виброзащитные устройства с характеристиками, приведенными на Фиг.4, могут быть успешно использованы там, где эффективность обычных устройств недостаточна.
Во-первых, это защита особо чувствительной к вибрациям измерительной или технологической аппаратуры, располагающейся на опорах с повышенным уровнем вибраций. Важно, что двухкаскадная конструкция легко адаптируется под заданные уровни вибраций опоры и остаточный уровень вибраций несущей плиты путем оптимизации таких параметров парциальных виброзащитных устройств, как петлевая функция передачи Н(iω), мощность сервисных движителей, чувствительность цепей измерения вибраций. Может быть достигнут наклон кривой подавления колебаний до ≈60 дБ/дек, а максимальный коэффициент подавления колебаний (остаточный уровень вибрации несущей плиты) будет ограничиваться только тепловыми шумами механической конструкции [Аки К., Ричардс П. Количественная сейсмология, М.: Мир, 1983] и цепей измерения вибраций.
Во-вторых, это защита чувствительной к вибрации аппаратуры на транспортных средствах. Примерами могут быть автономные навигационные системы, а также прецизионные гравиметры, использующиеся для геологической разведки с борта самолета или вертолета.
Конкретным примером может служить двухкаскадное активное виброзащитное устройство, адаптированное к условиям защиты высокочувствительных гравиметров GT-1A/2A на борту самолетов (вертолетов). Гравиметры мирового уровня GT-1A/2A (производство ЗАО НТП «Гравтехнология») широко используются для аэрографических и геологоразведочных работ российскими и ведущими зарубежными кампаниями. Однако предельная чувствительность измерительной ячейки гравиметров не реализуется полностью из-за вибраций на борту самолетов (вертолетов). Так стояночная чувствительность ≈0,1 мГал в полете ухудшается до ≈0,6 мГал из-за недостаточной эффективности используемой пассивной защиты от бортовых вибраций. По оценке, использование активных виброзащитных устройств вместо пассивных может десятикратно понизить влияние бортовых вибраций на их чувствительность (или СКВ погрешность измерения силы тяжести). Установлены, согласованные с производителем гравиметров, основные требования к активным виброзащитным устройствам: 1) граничная частота активного диапазона ≈1 Гц по шести модам колебаний и 2) кривая подавления колебаний с наклоном не менее 40 дБ/дек, 3) конструкция активной системы не должна выходить за габариты пассивного демпфера.
Из Фиг.5 видно, что двухкаскадная конструкция виброзащитного устройства удовлетворяет указанным требованиям. На графике пунктирной линией обозначена частотная зависимость коэффициента передачи пассивной защиты, это прямая с наклоном -20 дБ/дек. Двухкаскадная активная защита обеспечивает, как видно, граничную частоту ≈1 Гц, наклон кривой подавления колебаний ≈-60 дБ/дек, и максимальный коэффициент подавления ≈60 дБ при частотах выше резонанса механического подвеса. Если учесть, что максимальные вибрации на борту самолета расположены в интервале частот от единиц Гц до ≈100 Гц, видно, что эффективность двухкаскадного устройства в данном случае весьма высока. (При необходимости она может быть повышена.).
Вышеизложенное свидетельствует о промышленной применимости полезной модели.