СПОСОБ НАСТРОЙКИ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ВИБРОЗАЩИТНОЙ СИСТЕМЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF ADJUSTING OPERATING MODES OF ANTI-VIBRATION SYSTEM AND DEVICE THEREFOR

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в системах вибрационной защиты оборудования, приборов и аппаратуры, в том числе в системах защиты и ударов человека-оператора на сидениях строительно-дорожных и транспортных машин.
Изменение динамического состояния различных механических систем в настоящее время связано с введением в структуру виброзащитных систем различных упругих и диссипативных связей. Такие связи представляют собой различного рода пружины или демпферы; в некоторых случаях используются комбинации или блоки упругих и диссипативных элементов, соединенных между собой по определенным правилам. Возможности таких подходов достаточно хорошо изучены и основаны на использовании эффектов изменения жесткости пружин либо в сторону увеличения, либо уменьшения частот собственных колебаний виброзащитной системы. Для ограничения амплитуд колебаний при резонансных явлениях применяются диссипативные устройства, ограничивающие амплитуду колебаний объекта защиты при периодических внешних воздействиях.
Известные решения, как правило, ориентированы на использование возможностей изменения и настройки динамических свойств за счет изменения жесткости пружин и параметров рассеяния энергии колебаний, но такие подходы можно расширить, опираясь на возможности изменения массоинерционных свойств виброзащитных систем, применяя эффекты увеличения или уменьшения параметров приведенных массоинерционных свойств виброзащитных систем. Такие подходы обладают определенными преимуществами, так как не связаны с необходимостью изменения упругих и диссипативных характеристик систем вибрационной защиты.
Известно устройство для защиты от вибраций [Остроменский П.И., Никифоров И.С., Кинаш Н.Ж., Остроменская В.А. «Виброзащитная подвеска сидения», патент 2156192 С2 RU, МГЖ B60N 2/54, приоритет от 15.07.1996]. Виброзащитная подвеска сиденья, содержащая несущую опору и подвесную опору, между которыми закреплен основной упругий подвес и корректор жесткости - дополнительный упругий подвес с неустойчивым средним положением равновесия, отличающаяся тем, что корректор жесткости выполнен из двух одинаковых, сжатых до овальной формы упругих кольцевых элементов, расположенных друг против друга симметрично относительно продольной оси симметрии сиденья, причем ближайшие участки упругих кольцевых элементов прикреплены шарнирно к одной опоре, а диаметрально противоположные участки кольцевых элементов шарнирно соединены с другой опорой, при этом большие оси симметрии сжатых упругих кольцевых элементов и оси всех их шарнирных соединений с опорами параллельны продольной оси сиденья. Виброзащитная подвеска сиденья, отличающаяся тем, что каждый упругий кольцевой элемент выполнен из троса. Виброзащитная подвеска сиденья, отличающаяся тем, что каждый упругий кольцевой элемент выполнен в виде бухты, намотанной, например, из пружинной ленты или проволоки с возможностью относительного перемещения витков с трением. Недостатком данного изобретения является наличие неустойчивого среднего положения корректора, что при динамических воздействиях может привести к неустойчивости виброзащитной системы в целом. К недостаткам следует отнести конструктивные сложности настройки и изменения параметров системы, а также невозможность изменять параметры виброзащитной системы в широком диапазоне частот.
Известен способ виброизоляции и виброизолятор с квазинулевой жесткостью [Кочетов О.С., Кочетова М.О., Ходакова Т.Д. «Способ виброизоляции и виброизолятор с квазинулевой жесткостью», патент 2298119 CI RU, МПК F16F 7/08, F16F 9/06, приоритет от 19.09.2005]. Способ виброизоляции, заключающийся в том, что виброизолируемый объект устанавливают на плоские упругие элементы, а демпфирование колебаний осуществляют с помощью демпфера, при этом плоские упругие элементы выполняют в виде пакета упругих элементов арочного типа, а 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. Виброизолятор с квазинулевой жесткостью, содержащий плоские упругие и демпфирующие элементы, при этом плоские упругие элементы выполнены в виде пакета упругих элементов арочного типа в виде набора чередующихся во взаимно перпендикулярных направлениях плоских пружин, опирающихся на основание, а демпфирующий элемент виброизолятора выполнен в виде упругодемпфирующего кольца из эластомера, расположенного по замкнутому контуру в плоскости, перпендикулярной оси виброизолятора, и взаимодействующего с втулками, которые связаны с опорными участками плоских пружин посредством заклепок, причем упругодемпфирующее кольцо имеет в поперечном сечении форму круга, эллипса, треугольника, квадрата, прямоугольника, многоугольника. Виброизолятор с квазинулевой жесткостью, отличающийся тем, что упругодемпфирующее кольцо выполнено полым и имеет в поперечном сечении форму круга, эллипса, треугольника, квадрата, прямоугольника, многоугольника. Виброизолятор с квазинулевой жесткостью, отличающийся тем, что полость упругодемпфирующего кольца заполнена вязкой жидкостью или сжатым до определенного давления воздухом или газом. Недостатками данного изобретения являются необходимость при гашении колебаний использовать дополнительно демпфер вязкого трения; невозможность настройки устройства в процессе работы на необходимые режимы, в частотности отстраиваться от резонансных частот, осуществлять настройку режимов динамического гашения, получать условия «отрицательной» жесткости.
К наиболее близкому техническому решению следует отнести «Способ регулирования жесткости виброзащитной системы и устройство для его осуществления» [Хоменко А.П., Елисеев С.В., Белокобыльский С.В., Упырь Р.Ю., Трофимов А.Н., Паршута Е.А., Сорин В.В. «Способ регулирования жесткости виброзащитной системы и устройство для его осуществления», патент 2440523 С2 RU, МПК F16F 15/04, приоритет 20.01.2012]. Способ регулирования жесткости заключается в установке пружины с положительной жесткостью и дополнительного упругого элемента в виде вращающихся масс. Вращение масс вокруг вертикальной оси создает центробежные силы, обеспечивающие изменение суммарной жесткости устройства. Вращение масс создает «отрицательную» жесткость, которая зависит от угловой скорости вращения.
Упругие дополнительные устройства представлены в виде отдельных масс, соединенных шарнирно с помощью рычагов с основанием и объектом защиты в возможность создания центробежных инерционных сил вращения, вокруг вертикальной оси.
К недостаткам данного изобретения можно отнести сложность настройки процесса и необходимость обеспечения вращения дополнительных масс вокруг вертикальной оси с применением источников энергии.
Цель предлагаемого изобретения заключается в том, чтобы упростить способ настройки виброзащитной системы с помощью виброзащитного устройства без применения дополнительных источников энергии.
Предлагаемый способ настройки режимов работы виброзащитной системы включает регулировку колебаний рычажной системы, отличающийся тем, что устанавливают между объектом защиты и основанием пружину и шарнирно-рычажный механизм из двух звеньев, которые одним концом соединяют в центральном шарнире, к которому также закрепляют дополнительную массу, фиксируют показания акселерометров и с помощью блока управления настраивают угол между рычагами, изменяя массу виброзащитной системы, обеспечивая настройку режимов работы виброзащитной системы.
Виброзащитное устройство для настройки режимов работы виброзащитной системы, содержащее пружину, дополнительную массу и систему рычагов, отличающееся тем, что рычажная система выполнена из двух рычагов со скользящими по ним ползунами, одним концом рычаги соединены между собой в центральном шарнире и снабжены дополнительной массой, верхний рычаг другим концом соединен с объектом защиты, а нижний рычаг другим концом соединен с основанием, на рычагах помещены акселерометры, соединенные с блоком управления.
На фиг. 1 показана схема для настройки режимов работы виброзащитной системы.
На фиг. 2 показаны амплитудно-частотные характеристики в зависимости от выбора параметров виброзащитной системы.
На фиг. 1 показаны: объект защиты 1; пружина 2; рычаги 3, 4; ползуны 5, 6; блок управления 7; силовые коммуникации 8; акселерометры 9, 10; дополнительная масса 11; основание 12.
Введены следующие обозначения: М - масса объекта защиты 1; к - жесткость пружины 2; l - длина рычагов 3 и 4; у - обобщенная координата относительно неподвижного базиса; z - кинематическое возмущение; α и β - углы расположения звеньев 3 и 4; т - дополнительная масса 11. Внешнее воздействие носит кинематический характер - основание колеблется по известному закону (движение принято гармоническим).
Способ работает следующим образом: между основанием и объектом защиты устанавливается пружина. Параллельно пружине устанавливают шарнирно-рычажный механизм из двух звеньев с установленной в центральном шарнире дополнительной массой, которая, в отличие от прототипа, совершает не вращательное движение вокруг неподвижной точки, а поступательное, изменяя свое положение при движении звеньев. Движение рычагов и дополнительной массы осуществляют за счет блока управления и ползунов. Режим работы виброзащитной системы контролируют через блок управления информации, совмещенный с блоком управления.
Способ реализован с помощью устройства, которое работает следующим образом: через основание 12 и пружину 2 на объект защиты 1 передаются колебания. Акселерометры 9 и 10 определяют частоту внешнего воздействия и амплитуды колебаний объекта защиты 1 и передают значения в блок управления 7 через силовые коммуникации 8. Блок управления 7 настроен на установленный диапазон частот внешнего воздействия и амплитуд колебаний объекта защиты 1 для работы виброзащитной системы в заданном режиме. В случае выхода значений частоты внешнего воздействия и амплитуды колебаний объекта защиты 1 за установленные пределы, блок управления 7 дает команду ползунам 5, 6 на перемещение по рычагам 3, 4 и смещение дополнительной массы 11. При изменении углов расположения рычагов 3, 4 и дополнительной массы 11 создаются дополнительные инерционные силы, что существенным образом меняет вид амплитудно-частотных характеристик, определяющих режим работы виброзащитной системы.
Предлагаемый способ настройки режимов работы виброзащитной системы, по сравнению с известными виброзащитными системами для объекта защиты, позволяет изменять свойства системы путем введения рычажных элементов, положение которых может изменяться при использовании специальных устройств перемещения, что обеспечивает возможность изменять значение приведенной массы виброзащитной системы и расширить возможности виброзащиты при колебаниях основания.
По результатам математического моделирования было установлено, что изменение углов установки звеньев рычажного механизма принципиальным образом определяет форму амплитудно-частотной характеристики. Выбор амплитудно-частотных характеристик зависит от специфики и условий задачи виброзащиты и виброизоляции и рассматриваемого диапазона частот внешних воздействий.
На фиг. 2 изображены зависимости (кривые 1÷3) изменения амплитуды колебаний от частоты внешнего воздействия в пределах от 0 до 150 Гц. При этом, изменяя углы установки рычажного механизма, получено три режима работы виброзащитной системы: кривая 1 - система имеет резонанс, после которого амплитуда колебаний стремится к нулю; кривая 2 - в системе наблюдаются резонанс и эффект динамического гашения (частота динамического гашения 32 Гц), затем амплитуда снизу стремится к конечному пределу; кривая 3 - проявляется резонанс, после чего амплитуда колебаний стремится сверху к такому же, что и на кривой 2. Стоит отметить, что на всех амплитудно-частотных характеристиках значение собственной частоты колебаний объекта защиты неизменно, из чего можно сделать вывод, что предлагаемый способ настройки виброзащитной системы и устройство для его осуществления подтверждают свою эффективность в указанных областях применения. Теоретическое обоснование способа дается в приложении.
Способ настройки режимов работы виброзащитной системы и устройство для его осуществления
Приложение
2
<mover accent="true"><mi>z</mi><mo>˙</mo></mover>
Используя мгновенный центр скоростей (т. O при), найдем, что компонента скорости т. В при движении основания со скоростью
(назовем это переносном движением) определится:
или:
2
1
Что касается определения скорости точки В при кинематическом возмущении, то она (Рис. 1) будет иметь две компоненты:  (вектор скорости перпендикулярен BO). Вторая компонента скорости т. В формируется при  а вектор скорости будет перпендикулярен AO.
Таким образом:
0
0
Найдем проекции на оси координат у, х:
Тогда:
Откуда:
Введем обозначение:
Используя выше приведенные подходы и выражения (1) ÷(9), запишем уравнения движения системы при кинематическом возмущении:
или:
В операторной форме (10) имеет вид:
Для оценки динамических свойств системы воспользуемся передаточной функцией:
1
где a и b соответственно определяются выражениями (2) и (9).
Вид амплитудно-частотных характеристик системы при кинематическом возмущении z, определяемый из (12) будет зависеть от знака b, что следует из (9).
При определенных сочетаниях α и β b принимает отрицательные и положительные значения.
При частоте внешнего воздействия:
наступает резонанс как для случая b<0, так и b>0. Вместе с тем, при b<0 виброзащитной системе возникает режим динамического гашения колебаний при частоте внешнего возмущения:
При увеличении частоты внешнего воздействия амплитудно-частотные характеристики стремятся к одному и тому же пределу (сверху и снизу):
В случае b=0 в виброзащитной системе наступает резонанс, а затем амплитуда колебаний стремится к нулю.