Виброизолирующее устройство
VIBRATION ISOLATION DEVICE

Изобретение относится к устройствам активной виброзащиты крупногабаритных объектов.
,
Известно виброизолирующее устройство, описанное в патенте RU 2277651, МПК F16F 9/04 заявл. 21.01.2005; опубл. 10.06.2006 г., содержащее основание и, по крайней мере, одну пару упругих элементов. С одной стороны к каждому упругому элементу в паре прикреплен поддон с упором, которым упругие элементы обращены один к другому с зазором для размещения защищаемого объекта. С противоположной стороны к каждому упругому элементу прикреплен ресивер, жестко связанный с основанием. Полости ресивера и упругого элемента соединены между собой посредством сквозного канала и обратного клапана относительно упругого элемента. Полость ресивера связана с источником рабочего газа, а также связана с внешней средой через перепускной клапан, заслонка которого снабжена закрепленным на основании сильфоном, полость которого посредством канала связана с полостью ресивера.
,
Недостатком этого устройства является то, что низкий уровень демпфирования колебаний защищаемого объекта при воздействии вертикальных и горизонтальных возбуждающих сил из-за слабых демпфирующих свойств пневматических упругих элементов приводит к необходимости применения в устройстве гидродемпферов, наличие которых влечет за собой, кроме относительно невысокой надежности, возможность возникновения поперечных изгибающих (срезающих) нагрузок, производимых горизонтальными составляющими возбуждающих сил, на штоки гидродемпферов при их контакте с бортами поддонов, также то, что возможно возникновение вибропроводимости за счет контактных напряжений, производимых вертикальными составляющими возбуждающих сил при контакте концевых ограничителей хода отбоя гидродемпферов с бортами поддонов,  также и то, что при ударе сверху (по рисунку) и, вследствие этого, движении основания вниз поддон нижней части устройства упирается в концевые ограничители хода штоков нижних (по рисунку) гидродемпферов, выдвигая при этом штоки из гидродемпферов, «В результате чего сопротивление гидродемпферов 48 увеличивается, и упор 33 с поддоном 32 отстает от амортизируемого объекта 1» (с. 11 описания патента RU 2277651 МПК F16F 9/04 заявл. 21.01.2005; опубл.10.06.2006 г.). Это приводит к ослаблению крепления защищаемого объекта, и его перемещение по фторопластовым пластинам упора верхнего поддона может быть неограниченным и, следовательно, недопустимым.
Известно также виброизолирующее устройство, описанное в патенте
,
RU 2736068, МПК F16F 15/023, F16F 9/04 заявл. 20.03.2020; опубл.11.11.2020 г., содержащее телескопическое направляющее устройство, выполненное в виде встречно направленных наружного и внутреннего стаканов с установленными между ними резинокордной оболочкой  и центрирующими элементами. Упругий элемент выполнен в виде равномерно расположенных вокруг наружного стакана пневматических виброизоляторов, каждый из которых состоит из корпуса, плунжера и резинокордной оболочки между ними. Корпус шарнирно прикреплен к опорной плите, установленной на защищаемом объекте. Плунжер соединен шарнирно с плитами, установленными на площадках выступов основания. На торце внутреннего стакана телескопического направляющего устройства установлена герметизирующая перегородка с клапанным электромагнитным устройством. На плунжерах всех пневматических виброизоляторов установлены герметизирующие перегородки с клапанными электромагнитными устройствами. Резинокордная оболочка каждого из пневматических виброизоляторов упругого элемента подключена к отдельному источнику сжатого воздуха посредством клапанного электромагнитного устройства.
Недостатком известного виброизолирующего устройства является необходимость установки и поддержания телескопического направляющего устройства в вертикальном положении, т.к. работоспособность резинокордной оболочки направляющего устройства, работающей на сжатие, зависит от силы тяжести, а также то, что существует возможность возникновения вибропроводимости, обусловленной наличием жестких механических контактов в соединениях звеньев кинематических связей между источником возбуждения и защищаемым объектом, содержащих наружные и внутренние стаканы и центрирующие элементы телескопического направляющего устройства.
Известна также пневматическая пружина растяжения, описанная в авторском свидетельстве на изобретение № 1100441 СССР, М. кл. F16F 9/04, заявл. 07.09.1979; опубл. 30.06.1984 г., содержащая резинокордную оболочку, заполненную сжатым газом, и соединенные с торцами оболочки фланец для крепления защищаемого объекта и опору для крепления виброизолятора, резинокордная оболочка выполнена в виде цилиндра, в котором угол расположения перекрещивающихся армирующих нитей корда составляет 0-54° к образующей цилиндра. Работа на растяжение при подвешивании защищаемого объекта к пневматической пружине растяжения обеспечивается за счет тяги, связывающей фланец, размещенный на нижнем торце оболочки, с подвешиваемым объектом, и тяги, связывающей опору, размещенную на нижнем торце, с основанием.
Недостатком известной пневматической пружины растяжения является ограниченная производительность демпфирования в большей части частотного диапазона колебаний защищаемого объекта сил из-за пассивного характера демпфирования.
Техническим результатом от использования предложенного устройства является повышение демпфирующих свойств пневматических элементов виброизолирующего устройства во всем амплитудно-частотном диапазоне внешних воздействий, обеспечение независимости расположения пары упругих элементов относительно направления силы тяжести и устранение вибропроводимости.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном виброизолирующем устройстве, содержащем основание и, по крайней мере, одну пару упругих элементов, с одной стороны к каждому упругому элементу в паре прикреплен поддон с упором, которым упругие элементы обращены один к другому с зазором для размещения защищаемого объекта, с противоположной стороны каждого упругого элемента установлен источник сжатого воздуха, жестко связанный с основанием, полости источника сжатого воздуха и упругого элемента соединены между собой, каждый упругий элемент выполнен, согласно заявляемому техническому решению, в виде пневматического виброизолятора, содержащего корпус, опору и резинокордную оболочку между ними. Резинокордная оболочка каждого виброизолятора выполнена в виде цилиндра, в котором угол  расположения перекрещивающихся армирующих нитей корда составляет 15-50° к образующей цилиндра и соединена с отдельным источником сжатого воздуха посредством клапанного электромагнитного устройства. Корпус прикреплен шарнирно к поддону, опора соединена шарнирно с основанием. Корпус и опора каждого виброизолятора содержат фланцы и диски крепления, между которыми закреплены торцы резинокордной оболочки. На опоре каждого пневматического виброизолятора установлена герметизирующая перегородка с клапанным электромагнитным устройством. Каждое  клапанное электромагнитное устройство подключено к отдельной системе управления, каждая система управления клапанным электромагнитным устройством содержит последовательно соединенные преобразователь перемещения защищаемого объекта, формирователь сигнала скорости объекта, блок управления силовым ключом, силовой ключ для подключения обмотки клапанного электромагнитного устройства к источнику питания. Поддоны с упорами выполнены с возможностью их соединения посредством шарнирных тяг, содержащих разъемные части.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где
- на фиг. 1 представлено предложенное виброизолирующее устройство, общий вид в разрезе;
- на фиг. 2 представлена структурная схема системы управления клапанным электромагнитным устройством.
Виброизолирующее устройство содержит, по крайней мере, одну пару одинаковых зеркально симметричных частей, расположенных с зазором между ними для размещения защищаемого объекта 1. Обе части виброизолирующего устройства закреплены на общем основании 2, содержащем две параллельные стенки 3 и 4, к каждой из которых прикреплена своя часть виброизолирующего устройства.
,
Одна из пары одинаковых частей виброизолирующего устройства содержит упругий элемент 5. С одной стороны к упругому элементу 5 прикреплен поддон 6 с упором 7, выполненным в виде пластины из мягкого упругого материалаа с противоположной стороны упругого элемента 5 размещен источник сжатого воздуха 8, жестко связанный с основанием 2.
Упругий элемент 5 выполнен в виде пневматического виброизолятора, содержащего корпус 9, опору 10 и резинокордную оболочку 11 между ними.
https://elibrary.ru/item.asp?id=23192245&pff=1
Резинокордная оболочка 11 упругого элемента 5 выполнена в виде цилиндра, в котором угол расположения перекрещивающихся армирующих нитей корда составляет 15-50° к образующей цилиндра [Определение возможности и эффективности применения рукавного амортизатора растяжения типа РАР в качестве виброизолятора //Онуфриенко А.В., Аникин Е.С., Горбатюк А.А. ФГУП «НПП «Прогресс», с.283- 293 / Защита от повышенного шума и вибрации: Сборник докладов Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, 18-20 марта 2015 г., СПб/ Под ред. Н.И. Иванова; СПб, 2015. 689 с. ISBN 978-5-91753-100-7 /  ] .
Корпус 9 шарнирно прикреплен к поддону 6 с упором 7.Опора 10 шарнирно соединена со стенкой 3 основания 2. Корпус 9 и опора 10 содержат фланцы 12 и диски крепления 13, между которыми закреплены торцы резинокордной оболочки 11. На диске крепления 13 опоры 10 закреплена герметизирующая перегородка 14 с клапанным электромагнитным устройством 15, посредством которого резинокордная оболочка 11 подключена к источнику сжатого воздуха 8.
,
Другая часть из пары одинаковых частей виброизолирующего  устройства  содержит упругий элемент 16. С одной стороны к упругому элементу 16 прикреплен поддон 17 с упором 18, выполненным в виде пластины из мягкого упругого материалаа с противоположной стороны упругого элемента 16 размещен источник сжатого воздуха 19, жестко связанный с основанием 4.
Упругий элемент 16 выполнен в виде пневматического виброизолятора, содержащего корпус 20, опору 21 и резинокордную оболочку 22 между ними.
https://elibrary.ru/item.asp?id=23192245&pff=1]
Резинокордная оболочка 22 упругого элемента 16 выполнена в виде цилиндра, в котором угол расположения перекрещивающихся армирующих нитей корда составляет 15-50° к образующей цилиндра [Определение возможности и эффективности  применения рукавного амортизатора  растяжения типа РАР в качестве виброизолятора //Онуфриенко А.В., Аникин Е.С., Горбатюк А.А. ФГУП «НПП «Прогресс», с.283- 293 / Защита от повышенного шума и вибрации: Сборник докладов Все- российской научно-практической конференции с международным участием, 18-20 марта 2015 г., СПб/ Под ред. Н.И. Иванова; СПб, 2015. 689 с. ISBN 978-5-91753-100-7 /  .
Корпус 20 шарнирно прикреплен к поддону 17 с упором 18.Опора 21 шарнирно соединена со стенкой 4 основания 2. Корпус 20 и опора 21 содержат фланцы 23 и диски крепления 24, между которыми закреплены торцы резинокордной оболочки 22. На диске крепления 24 опоры 21 закреплена герметизирующая перегородка 25 с клапанным электромагнитным устройством 26, посредством которого резинокордная оболочка 22 подключена к источнику сжатого воздуха 19.
Система управления 27 клапанными электромагнитными устройствами 15, 26 содержит последовательно соединенные преобразователь перемещения объекта 28, формирователь сигнала скорости защищаемого объекта 29, блок управления 30, силовой ключ 31 для подключения клапанных электромагнитных устройств 15, 26 к источнику питания 32 и размещена снаружи соответствующего пневматического виброизолятора.
Для закрепления защищаемого объекта поддоны выполнены с возможностью их соединения посредством шарнирных тяг 33, по меньшей мере, одна из которых содержит разъемные части 34 и 35.
Виброизолирующее устройство работает следующим образом.
В исходном положении защищаемый объект 1 размещается между поддонами 6 и 17 на упорах 7 и 18 из мягкого упругого материала, поддоны 6 и 17  соединяются шарнирными тягами 33, при этом обеспечивается возможность извлечения защищаемого объекта 1 посредством разъединения разъемных частей 34, 35 шарнирных тяг 33, а также перемещений защищаемого объекта 1 в пределах деформации упоров 7 и 18, устраняется возможность деформации защищаемого объекта 1, а также исключается возможность неограниченных перемещений защищаемого объекта 1 относительно поддонов 6 и 17.
Далее защищаемый объект 1 удерживается в равновесии за счет усилия, развиваемого при давлении воздуха внутри резинокордной оболочки 11 для противодействия силе тяжести защищаемого объекта 1, т. к. в резинокордной оболочке 22, находящейся в разгруженном состоянии при открытом клапанном электромагнитном устройстве 26 под давлением , длине , диаметре  и угле  наклона нитей корда, дополнительные усилия не создаются.
Затем резинокордная оболочка 22 приводится из исходного состояния в рабочее состояние под давлением сжатого воздуха, подаваемого из источника сжатого воздуха 19 в резинокордную оболочку 22, и при значениях давления  достигает определенной длины , диаметра  игла  наклона нитей корда. Клапанное электромагнитное устройство 26 закрывается. В резинокордной оболочке 22 создается дополнительная к силе тяжести защищаемого объекта осевая распирающая сила [Корнеев С.А., Соколовский З.Н., Русских Г.С. и др. Учет влияния растяжимости нитей корда на расчетные параметры резинокордных оболочек /
Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2012. - № 3. С. 75], приводящая к сближению торцов резинокордной оболочки 22.
Далее давление сжатого воздуха в резинокордной оболочке 11 устанавливается так, чтобы создать усилие, превышающее исходное, для приведения защищаемого объекта 1 в требуемое положение, с учетом осевой составляющей усилия, развиваемого в резинокордной оболочке 22.
Под действием установленной нагрузки резинокордная оболочка 22 дополнительно растягивается, длина ее увеличивается до размера , диаметр уменьшается до , угол расположения нитей корда уменьшается до . Уменьшение установленной нагрузки приводит к обратимым изменениям указанных величин.
Таким образом, система вновь приведена в состояние равновесия при действующих силах: силе тяжести защищаемого объекта 1, силе натяжения резинокордной оболочки растяжения 22 и противодействующему им усилию, развиваемому в резинокордной оболочке 11 под действием избыточного давления воздуха. При наличии избыточного давления воздуха и/или растяжении резинокордных оболочек 11, 22 происходит соосное установление корпусов 9, 20, опор 10, 21 и резинокордных оболочек 11, 22 без центрирующих элементов и, следовательно, исключаются жесткие кинематические связи между основанием 2 и защищаемым объектом 1 и возможность возникновения виброповодимости, т. к. защищаемый объект 1 изолирован от основания 2 резинокордными оболочами 11, 22.
Виброизоляция объекта в вертикальном направлении осуществляется при относительном перемещении основания 2 и защищаемого объекта 1 и изменении состояния упругих элементов 5 и 16 вследствие деформации резинокордных оболочек 11 и 22 под действием сил инерции и усилий, развиваемых в резинокордных оболочках11 и 22, приводящих к изменению длин, диаметров и углов расположения нитей корда.
При движении защищаемого объекта 1 вниз (фиг.1) резинокордная оболочка 11 растягивается, ее объем уменьшается вследствие увеличения длины, уменьшения диаметра и уменьшения угла расположения нитей корда, давление воздуха в ней возрастает, клапанное электромагнитное устройство 15 при этом закрыто, а в резинокордной оболочке 22 давление сжатого воздуха уменьшается вследствие уменьшения длины, увеличения диаметра и увеличения угла расположения нитей корда, в пределе до исходных значений угла расположения нитей корда  и других размеров, клапанное электромагнитное устройство 26 при этом закрыто. Таким образом, сила растяжения резинокордной оболочки 11между корпусом 9 и опорой 10 увеличивается, а сила растяжения резинокордной оболочки 22 между корпусом 20 и опорой 21 уменьшается, не препятствуя растяжению резинокордной оболочки 11.
При смене направления движения вниз на движение защищаемого объекта 1 вверх (фиг.1)  за счет накопленной энергии сжатого воздуха внутри резинокордной оболочки 11 система управления 27 клапанным электромагнитным устройством 15 соединяет кратковременно полость резинокордной оболочки 11 с атмосферой, в результате давление в полости резинокордной оболочки 11 снижается, и снижается энергия сжатого газа в полости резинокордной оболочки 11.
Одновременно клапанное электромагнитное устройство 26 открывается и соединяет кратковременно полость резинокордной оболочки 22 с источником сжатого воздуха 19. Увеличение давления воздуха в полости резинокордной оболочки 22 приводит к увеличению силы сопротивления движению вверх (фиг.1), клапанное электромагнитное устройство 26 закрывается.
При дальнейшем движении защищаемого объекта 1 вверх (фиг.1) объем резинокордной оболочки 11 увеличивается, давление воздуха в ней уменьшается, при этом клапанное электромагнитное устройство 15 закрыто.
Одновременно резинокордная оболочка 22 дополнительно растягивается, ее длина увеличивается, диаметр уменьшается, угол расположения нитей корда уменьшается, давление увеличивается, растет сила сопротивления движению вверх. При этом клапанное электромагнитное устройство 26 закрыто.
Таким образом, при каждом растяжении резинокордной оболочки 22 и происходящем при этом уменьшении ее объема и увеличении давления и роста силы сопротивления движению защищаемого объекта 1 вверх (фиг.1) при закрытом клапанном электромагнитном устройстве 26 происходит демпфирование.
,
В начале следующего движениязащищаемого объекта 1 вниз (фиг.1) клапанные электромагнитные устройства 15 и 26 открываются, соединяя кратковременно полости резинокордных оболочек 11 и 22 с атмосферой, и закрываются, обеспечивая установление избыточного давления в полостях резинокордных оболочек 11 и 26, соответствующего значениям давления в исходном положении объекта. Таким образом, при каждом кратковременном изменении давления в полостях резинокордных оболочек 11 и 22 посредством клапанных электромагнитных устройств 15 и 26 происходит пневматическое демпфирование [«Поскольку резинокордный материал обладает гистерезисными свойствами, амортизатор имеет большую величину демпфирования» А. с. 1100441 СССР, МПК F16F 9/04. Пневматический амортизатор растяжения / М.Л. Пиновский, Г.А. Колоколов, А. И. Хомяков, М. В. Муштайкина. - 2276072/18-28; заявл. 07.09.79; опубл. 30.06.84, предпоследний абзац описания], т. к. при растяжении происходит значительное увеличение демпфирующих свойств резинокордной оболочки 11 упругого элемента 5 по сравнению с резинокордной оболочкой сжатия, используемой в устройстве, описанном в патенте RU 2277651, МПК F16F 9/04заявл. 07.09.79; опубл. 10.06.2006.
Это подтверждается расчетными формулами для определения усилий, развиваемых посредством резинокордных оболочек.
Усилие, развиваемое  посредством  резинокордной  оболочки  сжатия, определяется по формуле  [Корнеев С.А., Корнеев В.С., Зубарев А.В. и др. Основы технической теории пневматических амортизаторов : монография / Минобрнауки России, ОмГТУ. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2016. - 148 с. формула 1.2, с. 25]:
, ,                     (1)
где  – вес защищаемого объекта,  – усилие, развиваемое резинокордной оболочкой сжатия против силы тяжести защищаемого объекта,  – абсолютное давление  сжатого воздуха в резинокордной оболочке 5,  – атмосферное давление воздуха,  – эффективная площадь резинокордной оболочки  5, определяемая из условий [Корнеев С.А., Корнеев В.С., Зубарев А.В. и др. Основы технической теории пневматических амортизаторов : монография /
Минобрна уки России, ОмГТУ. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2016. – 148 с., формула 1.7 , с. 29]:
,   ,        (2)
,
где  и  – диаметры наружного и внутреннего стаканов пневматического виброизолятора  (например, телескопического направляющего устройства  2), из которых определяется  радиус эффективной  площади  резинокордной  оболочки сжатия; для устройства [патент RU 2277651, МПК F16F 9/04заявл. 07.09.79; опубл. 10.06.2006] применение указанной формулы допустимо, т. к. достаточно близки диаметры эластичного (упругого) элемента и ресивера. Усилие, развиваемое  посредством  резинокордной  оболочки  растяжения, определяется по формуле [Корнеев  С.А., Соколовский З.Н., Русских Г.С. и др. Учёт влияния растяжимости нитей корда на расчётные параметры резинокордных оболочек / Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. – 2012. – № 3. С. 69 –76., с. 75]:
.                  (3)
При равенстве радиуса эффективной площади резинокордной оболочки сжатия и радиуса резинокордной оболочки растяжения развиваемые в оболочках усилия соотносятся как
.                                 (4)
Виброизоляция объекта в горизонтальном направлении осуществляется при относительном перемещении основания 2 и защищаемого объекта 1 и изменении состояния упругих элементов 5 и 16 вследствие одновременной упругой деформации резинокордных оболочек 11 и 22 в результате изменения длин, диаметров и углов расположения нитей корда под действием сил инерции и усилий, развиваемых в резинокордных оболочках 11 и 22. При горизонтальном возбуждении одновременно растягиваются обе резинокордные оболочки, возникающие горизонтальные составляющие усилий препятствуют растяжению, возвращая резинокордные оболочки в строго вертикальное положение.
Кроме того, виброизоляция объекта в горизонтальном направлении может быть достигнута установкой дополнительной пары упругих элементов, общая продольная ось которых расположена под углом к направлению силы тяжести, т. к. силовые характеристики резинокордных оболочек растяжения не зависят от направления силы тяжести [А. с. 1281408 СССР, МПК B25J 17/00, 18/00. Манипулятор / А.Б. Корчагин, М.Л. Пиновский, И.А. Трибельский, Д.С. Ривкина. - 3930695/25-08; Заявл. 19.07.85; Опубл. 07.01.87].
При ударном воздействии на основание, например, сверху, резинокордная оболочка 11 сжимается, а резинокордная оболочка 22 растягивается при движении основания относительно еще неподвижного объекта, по сигналу системы управления 27 уменьшается давление в резинокордной оболочке 22, тем самым устраняется возможность ее перегрузки вследствие излишнего растяжения и увеличения давления в дополнение к избыточному давлению, созданному при подготовке системы к работе. При ударе снизу подобным образом уменьшается давление в резинокордной оболочке 11. По окончании ударов давление газа в резинокордных оболочках 11 или 22 приводится в исходное состояние за счет подачи сжатого газа из соответствующих источников по сигналам систем управления.
При малой амплитуде колебаний необходимый уровень демпфирования может обеспечиваться при отключенных клапанных электромагнитных устройствах.
Таким образом, предлагаемое виброизолирующее устройство обеспечивает кратное повышение демпфирующих свойств за счет более высоких гистерезисных свойств резинокордных оболочек по сравнению с резинокордными оболочками сжатия и, что необходимо особо отметить, за счет осуществления демпфирования в резинокордных оболочках как в неподвижных положениях системы (при смене направления движения защищаемого объекта), так и при движении системы; также обеспечивается возможность независимого расположения общей продольной оси пары упругих элементов предлагаемого виброизолирующего устройства относительно направления силы тяжести; также достигается практически полное устранение вибропроводимости за счет отсутствия жестких кинематических связей между защищаемым объектом и основанием, что обеспечивается посредством размещения защищаемого объекта между резинокордными оболочками, тем самым осуществляется практически полная изоляция подрессоренной и неподрессоренной масс в широком диапазоне частот возбуждающих вибрацию воздействий  [Пиновский, М.Л. Пневматические упругие элементы с резинокордными оболочками. Расчёт, конструирование, изготовление и эксплуатация / М.Л. Пиновский, Г.А. Колоколов. – М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1977. – 132 с.].
Обеспечение независимости расположения пары упругих элементов предлагаемого виброизолирующего устройства относительно направления силы тяжести значительно расширяет возможности применения предложенного устройства при наличии силы тяжести, а также в ее отсутствие, т. к. положение защищаемого объекта определяется, в первую очередь, усилиями растяжения резинокордных оболочек, зависящих от избыточного давления внутри резинокордных оболочек, при этом наличие силы тяжести только изменяет соотношение усилий растяжения резинокордных оболочек.
Устранение вибропроводимости, достигаемое в предложенном устройстве, позволяет повысить качество виброизоляции защищаемого объекта и защиты персонала.