ВИБРОИЗОЛИРУЮЩИЙ МЕХАНИЗМ

Полезная модель относится к устройствам для виброизоляции и может быть использована для защиты человека, машин и оборудования от широкополосных, особенно инфрачастотных, вибраций и низкочастотного вибрационного шума. Это, например, пилоты и пассажиры, конструкция и оборудование вертолетов, непилотируемые летательные аппараты (наносателлиты, дроны), системы высокоскоростного рельсового транспорта, ускорители заряженных частиц, другие современные и перспективные системы «человек-машина» и технические системы.
Известны виброизолирующие механизмы (Vibration isolation platforms, tables and systems, USA, 2019. - доступно на сайте www.minusk.com). В данных механизмах виброизоляция по вертикали достигается с помощью основного упругого элемента «положительной» жесткости, обеспечивающего несущую способность системы и работающего в параллель с дополнительным упругим элементом «отрицательной» жесткости путем его закритического деформирования «в малом». Поэтому суммарная жесткость обоих упругих элементов в вертикальном направлении движения может быть достаточно малой. Также механизмы снабжены упругими балками для виброизоляции в горизонтальном направлении, последовательно соединенные с упругими элементами вертикального направления. В результате создается возможность получения виброизолирующей системы, имеющей достаточно малые частоты собственных колебаний в вертикальном и горизонтальном направлениях.
Недостатком данных механизмов является крайне малый рабочий ход при значительных размерах рабочего пространства виброизолирующей системы, что существенно ограничивает область применения механизмов.
Наиболее близкой к предлагаемому виброизолирующему механизму является виброзащитная платформа (патент РФ 2093730, МПК F16F 13/00, опубл. 20.10.1997), включающая направляющее устройство, основной упругий элемент, а также дополнительный упругий элемент, выполненный в виде цельного модуля из балок, соединенных по концам и параллельно установленных в опорном устройстве с возможностью продольного натяга, при этом рабочая ось балок совпадает с направлением движения, в котором суммарная жесткость обоих упругих элементов имеет наименьшие значения.
Недостатком данной платформы является невозможность обеспечения эффективной виброизоляции в диапазоне инфрачастот, в частности, 0,5-5 Гц. Кроме того, платформа имеет малый рабочий ход при значительных размерах рабочего пространства виброизолирующей системы, что существенно ограничивает область применения платформы.
Задача полезной модели (технический результат) заключается в создании виброизолирующего механизма, свободного от вышеперечисленных недостатков, при существенном расширении области применения для виброизоляции систем «человек-машина» и технических систем.
Поставленная задача решается с помощью виброизолирующего механизма, включающего направляющее устройство, содержащее подвижно взаимосвязанные входной, выходной и промежуточный жесткие элементы, основной упругий элемент «положительной» жесткости и дополнительный упругий элемент знакопеременной жесткости, установленный в опорном устройстве с возможностью деформирования, при этом механизм дополнительно снабжен устройством регулирования жесткости при закритическом деформировании «в большом» и величины рабочего хода дополнительного упругого элемента, а дополнительный упругий элемент выполнен в виде пакета взаимосвязанных тонкостенных элементов из композитного материала, обеспечивающего возможность закритического деформирования «в большом» дополнительного упругого элемента при его сохранении работоспособности.
Дополнительный упругий элемент из композитного материала обеспечивает возможность получения существенно большей величины закритического деформирования «в большом» данного элемента при сохранении работоспособности, причем без увеличения его эффективного размера, что позволяет существенно увеличить рабочий ход механизма и обеспечить эффективность виброизолирующей системы в расширенном диапазоне частот, включая близкие к нулевым значениям, причем без изменения размеров рабочего пространства системы.
Дополнительный упругий элемент может быть выполнен (в зависимости от статической нагрузки системы) в виде одного или нескольких пакетов взаимосвязанных тонкостенных элементов из углеродного волокна.
Дополнительный упругий элемент может быть выполнен (в зависимости от статической нагрузки) также в виде одного или нескольких пакетов взаимосвязанных тонкостенных элементов из арамидов или пластинчатых конструкций на основе графенов.
Использование углеволокна повышает технологичность проектирования компактного дополнительного упругого элемента, обеспечивает возможность закритического деформирования «в большом» в более широком диапазоне, при сохранении работоспособности данного элемента. При определенных проектных условиях, аналогичные свойства дополнительного упругого элемента может обеспечить применение, например, арамидов и пластинчатых конструкций на основе графенов.
Опорный элемент может быть снабжен вкладышами для минимизации трения контактных поверхностей подвижных соединений с дополнительным упругим элементом, что позволяет расширить частотный диапазон эффективности системы, включая частоты, близкие к нулевым значениям.
Устройство регулирования жесткости и величины рабочего хода дополнительного упругого элемента может быть выполнено, например, в виде передачи винт-гайка, гайка которой подвижно соединена с данным упругим элементом, а винт - с опорным элементом. Также устройство может быть выполнено в виде подвижного штифтового соединения.
Для снижения уровня низкочастотного (125-1600 Гц) вибрационного шума, который может частично снижать эффективность виброизолирующей системы при относительных перемещениях, сопоставимых с величиной технологических зазоров в подвижных соединениях виброизолирующего механизма, контактные поверхности подвижных соединений могут быть выполнены из композитов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена с возможностью изменения его трибологических характеристик с помощью полидисперсных наполнителей.
2
3
Предлагаемая полезная модель поясняется следующими примерами, где на фиг. 1 показан вариант компоновки опытного образца виброизолирующего механизма, на фиг. 2 - опытный образец дополнительного упругого элемента в виде, например, балки из композита (пакет тонкостенных элементов из углеволокна), в процессе стендовых испытаний, на фиг. 3 - опорный элемент с размещенными в нем дополнительным упругим элементом и устройством регулирования жесткости при закритическом деформировании «в большом» и величины рабочего хода дополнительного упругого элемента, на фиг. 4 - расчетная схема дополнительного упругого элемента при закритическом деформировании в «большом», на фиг. 5 - расчетная схема дополнительного упругого элемента в исходном деформированном состоянии, на фиг. 6 - статическая (упругая) характеристика дополнительного упругого элемента, выполненная из композита, в сравнении с характеристикой прототипа (см. фиг. 7), на фиг. 8 - статическая (упругая) характеристика заявляемого виброизолирующего механизма, в сравнении с характеристикой прототипа (см. фиг. 9), на фиг. 10 - антифрикционные характеристики вкладышей из композита вида «Аl-АlО», в сравнении с известными антифрикционными материалами, на фиг. 11 - вибрационная (частотная) характеристика системы, в сравнении с характеристикой прототипа (см. фиг.12), на фиг.13 -виброизолирующая система прецизионного оптического прибора, включающая опытный образец виброизолирующего механизма в процессе производственных испытаний, на фиг. 14 - вибрационные (временные) характеристики системы, показанной на фиг. 13, на фиг. 15 - характеристика вибрационного шума при использовании композитов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена с различными полидисперсными наполнителями при варьировании их концентрации.
Виброизолирующий механизм (см. фиг. 1) включает направляющее устройство, состоящее из жестких входного элемента 1, установленного на вибрирующем основании (источнике вибраций), и выходного элемента 2, подвижно взаимосвязанных с помощью жесткого промежуточного элемента 3, обеспечивающего возможность пространственного относительного движения элементов 1 и 2 и выполненного в виде, например, одного или нескольких тел качения из композита на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, основной упругий элемент с «положительной» жесткостью для обеспечения несущей способности механизма при заданном статическом нагружении системы, и выполненный, например, в виде пружин 4, соединяющих элементы 1 и 2, а также дополнительный упругий элемент (см. фиг. 2), выполненный в виде, например, пакета тонкостенных элементов из углеволокна и состоящего из жестко связанных между собой периферийных частей 5 и 6, а также центральной части 7 знакопеременной жесткости, при этом опорные участки дополнительного упругого элемента установлены в опорном устройстве 8 (см. фиг. 3), закрепленном, в свою очередь, на элементе 2, а центральная часть 7 данного упругого элемента подвижно опирается на элемент 3.
Механизм, для упрощения настройки на закритическое деформирование, целесообразно снабдить (см. фиг. 3) устройством регулирования жесткости и величины рабочего хода дополнительного упругого элемента, который может быть выполнен в виде, например, передачи винт-гайка, гайка 9 которой подвижно соединена с периферийными частями 5 и 6 данного упругого элемента, а винт 10 соединен с опорным элементом 8.
Кроме того, опорные участки дополнительного упругого элемента могут быть снабжены вкладышами 11 для взаимодействия с опорным элементом 8.
Для точной настройки («тюнинга») механизма и работы на заданном участке диапазона минимумов суммарной жесткости обоих упругих элементов, введен регулятор 12 начального положения рабочей точки. При малых значениях статической нагрузки (до 600 Н), регулирование выполняют вручную, при нагрузках свыше 1000 Н - с помощью устройства активного управления с микроконтроллером (не показан).
Предлагаемая полезная модель механизма работает следующим образом.
0
0
n,
До начала движения виброизолирующей системы, выполняют упругое закритическое деформирование «в большом» дополнительного упругого элемента, исходя из расчетного значения безразмерного параметра  в пределах расчетного ряда значений параметра, для получения заданной величины стрелы статического прогиба ϖ, как иллюстрируется расчетной схемой на фиг. 4. Для этого (см. фиг. 3) вращают винт 10, толкая гайку 9 и, соответственно, перемещая периферийные части 5 и 6 данного упругого элемента, до получения заданного значения ϖ. Далее (см. фиг. 1 и фиг. 5) нагружают, совместно с основным упругим элементом 4, центральную часть 7 дополнительного упругого элемента номинальной статической нагрузкой P соответствующей подрессоренной массе объекта защиты, до получения заданного диапазона прогибов ϖ в пределах рабочего хода механизма.
При закритическом деформировании в «большом», согласно заданному значению параметра  жесткость дополнительного упругого элемента из композита (например, углеволокна) становится «отрицательной» на достаточно протяженном участке рабочем ходе механизма (см. фиг. 6).
При этом (см фиг. 7), протяженность участка «отрицательной» жесткости при закритическом деформировании в «малом» () геометрически и динамически подобного дополнительного упругого элемента прототипа (из пружинной стали с дополнительной термообработкой), в 5-6 раз меньше. В случае закритического деформирования в «большом», при той же величине параметра  дополнительный упругий элемент прототипа переходит в пластическое состояние, т.е. становится неработоспособным.
Экспериментальное проектирование, стендовые статические и динамические (вибрационные) испытания, а также эксплуатация опытных образцов механизма подтверждают адекватность расчетных моделей согласно заявляемым уравнениям с достаточно высокой точностью.
Введение дополнительного упругого элемента из высокопрочного композита, способного выдерживать закритическое деформирование «в большом», сохраняя работоспособность, в виброизолирующий механизм, увеличивает (см. фиг. 8) в 4,5-5 раз протяженность участка рабочего хода механизма, где суммарная жесткость основного и дополнительного упругих элементов минимальна, в сравнении с прототипом (см. фиг. 9), причем без увеличения размеров рабочего пространства виброизолирующей системы.
Далее, при заданной статической нагрузке, с помощью регулятора 12 выполняют «тюнинг» величины рабочего хода механизма в пределах диапазона минимумов суммарной жесткости обоих упругих элементов, чтобы обеспечить однозначность упругой характеристики дополнительного упругого элемента на участках прямого и обратного хода. «Тюнинг» приводит к небольшому (на 5-8%) сокращению протяженности эффективного рабочего хода. Однако это позволяет (см. фиг. 8) уменьшить структурное трение в механизме почти втрое, что крайне важно для снижения системного демпфирования и расширения диапазона виброизоляции в сторону частот, близких к нулевым значениям. Для сравнения, «тюнинг» практически невозможен в виброизолирующем механизме прототипа, т.к. здесь диапазон минимумов суммарной жесткости крайне мал (см. фиг. 9).
2
3
Дополнительное снижение сил трения в подвижных соединениях жестких элементов и, соответственно, системного демпфирования технически более легко осуществимо с помощью вкладышей 11 из сплавов легких металлов с микроплазменным оксидированием контактных поверхностей. Например, для сплавов алюминия можно получить композит вида «Al-AlO» на контактной поверхности вкладыша. Установка таких вкладышей, для взаимодействия с опорным элементом 8, выполненным, например, из стали, снижает коэффициент трения скольжения в 8-10 раз и более (см. фиг. 10).
0
После статического нагружения и настройки («тюнинга»), приводят в движение виброизолирующую систему, состоящую из взаимосвязанных источника вибрации, виброизолирующего механизма и объекта защиты. Вибрационное движение передается от источника к объекту защиты через механизм (см. примеры на фиг. 11, 12, 13 и 14). На фиг. 11 показано, что механизм снижает вибрации источника, начиная с 6-7 Гц (собственная частота системы ƒ≈5 Гц), если использовать основной упругий элемент 4 без дополнительного упругого элемента. При включенном дополнительном упругом элементе из композита, уровень вибраций, передаваемых на объект защиты, снижается, начиная с 1-2 Гц. При «тюнинге» система становится безрезонансной и эффективной (коэффициент передачи по виброускорению), начиная с частот, близких к нулевым значениям (>0,2 Гц). При этом вибрации, передаваемые на объект защиты, снижаются в 50-80 раз и более. Таким образом, поставленная задача полностью решается с помощью заявляемой полезной модели виброизолирующего механизма.
Для сравнения, с дополнительным упругим элементом прототипа (из пружинных сталей) и «тюнинге», система может быть эффективной, однако начиная с 0,7-1,2 Гц. При этом вибрации, передаваемые на объект защиты, снижаются (см. фиг. 12) лишь в 1,1-1,2 раза, что недостаточно для любой системы «человек-машина» и ряда технических систем.
Для инфрачастотной виброизоляции прецизионного оборудования важным показателем эффективности является также коэффициент передачи по виброперемещению. Фиг. 14 показывает эффективность заявляемой модели механизма для защиты высокоточного оптического прибора на фиг. 13. Здесь опытный образец механизма имеет грузоподъемность до 600 Н. На фиг. 14 показаны вибрационные (временные) характеристики системы: график 1 - входные вибрации (в источнике), графики 2 и 3 - выходные вибрации (на объекте защиты) при пассивном (ручном) и активном (автоматическом) управлении. При применении заявляемой полезной модели механизма, активное управление имеет существенное значение при вибрациях вблизи почти нулевых частот, ƒ→0 Гц. На частотах >0,2 Гц, система может быть эффективной даже при пассивном управлении, а активное управление имеет вспомогательное назначение, для регулирования грузоподъемности системы для тяжелых объектов, от 1500 Н и выше.
В качестве опции целесообразно выполнять контактные поверхности жестких элементов 1, 2 и 3 направляющего устройства из композитов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена с полидисперсными наполнителями определенного типа и концентрации. Элемент 3 из композита обладает достаточной упругостью при виброперемещениях, сопоставимых с размерами технологических зазоров между жесткими элементами, и имеет при этом достаточно высокую грузоподъемность. Опция дополнительно улучшает защиту объекта. Например, фиг. 15 показывает, что элемент 3 из подобного композита позволяет снизить вибрационный шум в акустическом спектре 125-1600 Гц на 10-30 дБ (коэффициент передачи TL), в зависимости от структуры (плотности) полимера, типа и концентрации наполнителей, а также используемого участка рабочей (контактной) поверхности пар элементов 1-3 и 2-3. Графики 1-ф и 1-р показывают эффективность композита без наполнителей, графики 2-ф и 2-р, 3-ф и 3-р, 4-ф и 4-р, 5-ф и 5-р - с микро- и наноразмерными наполнителями разного типа, различной поверхностной активности и масс.-% концентрации; здесь индексы «ф» и «р» означают основную и реверсную рабочие (контактные) поверхности.
Промышленная применимость механизма подтверждается примерами конкретного выполнения (см. опытные образцы на фиг. 1 и фиг. 13), дополнительного упругого элемента (см. опытный образец на фиг. 2), результатами стендовых статических (см. фиг. 6 и фиг. 8), вибрационных (см. фиг. 11) и акустических (см. фиг. 15) испытаний, а также примером опытной эксплуатации механизма (см. фиг. 13 и фиг. 14).
Таким образом, виброизолирующий механизм обеспечивает решение поставленной задачи: эффективную виброизоляцию системы «человек-машина» или технической системы, причем в расширенном диапазоне инфра- и низких частот, наиболее вредных и опасных для человека и техники, включая частоты, близкие к нулевым значениям. Это особенно важно, т.к., наряду с возможностью значительного улучшения качества защиты человека и существующих типов машин и оборудования, механизм дает возможность эффективной защиты систем следующего поколения, для которых крайне важна виброизоляции в диапазоне частот, близких к нулевым значениям, что не представляется возможным с помощью известных механизмов. Например, это ряд пилотируемых и непилотируемых летательных аппаратов, системы высокоскоростного рельсового транспорта в стадии разработки (для перевозок на длинные дистанции), высокоэнергетические системы, такие, например, как ускорители заряженных частиц (стоимость укорителя от 2 до 200 млрд. руб.) для фундаментальных научных исследований и высокотехнологичных промышленных отраслей. Установлено, что улучшение основной технической характеристики (эмиттанса) источников излучения и оптических систем ускорителей не зависит от совершенствования их конструкции и ужесточения технологических допусков. Вместе с тем, структурные инфрачастотные (особенно, 0,2-2 Гц) вибрации, усиливаемые внешними источниками техногенных и природных вибраций, стали критическим ограничивающим фактором перспективного развития ускорителей. Однако теоретические и физические эксперименты показывают, что виброизолирующий механизм согласно заявляемой полезной модели способен обеспечить решение новой научно-технической и индустриальной проблемы.