УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДЕМПФИРОВАНИЯ КРУТИЛЬНОГО ВОЗМУЩЕНИЯ ПОЛОГО ПРИВОДНОГО ВАЛА
DAMPING DEVICE OF TORSION EXCITATION OF HOLLOW DRIVE SHAFT

Данное изобретение относится к устройству для демпфирования крутильного возмущения полого приводного вала.
Известно выполнение приводных валов таким образом, что их критические скорости (скорости, при которых они резонируют) не совпадают с рабочими скоростями приводимого в действие оборудования. Это помогает исключать крутильное возмущение приводного вала. Однако не всегда возможно так выполнять приводной вал. Кроме того, крутильное возмущение приводного вала может возникать за счет работы другого оборудования, не приводимого в действие приводным валом, но расположенного вблизи. Крутильное возмущение приводного вала может возникать за счет работы оборудования, соединенного с приводимым в действие оборудованием, например соединенного с помощью электрического контура. Это происходит, в частности, в связи с распространением высокомощного электронного управляющего оборудования с использованием тиристоров.
Когда приводной вал является недостаточно устойчивым для выдерживания возникающего в нем крутильного возмущения, то этому противодействуют с помощью: увеличения прочности приводного вала; уменьшения величины крутильных напряжений, прикладываемых к приводному валу, и демпфирования крутильного возмущения самого приводного вала. Данное изобретение относится к последнему из этих трех альтернативных решений.
В WO-2005/121594-А2 раскрыто устройство для демпфирования крутильного возмущения приводного вала.
Согласно данному изобретению предлагается устройство для демпфирования крутильного возмущения полого приводного вала, при этом устройство содержит: удлиненный элемент, который проходит вдоль внутреннего пространства приводного вала, при этом один конец элемента закреплен на одном конце приводного вала, а другой конец элемента расположен у другого конца приводного вала; и гидравлическое демпфирующее устройство, закрепленное на другом конце приводного вала для демпфирования колебаний другого конца элемента, при этом гидравлическое демпфирующее устройство включает в себя: цилиндропоршневую систему, имеющую первую и вторую цилиндрические камеры; резервуар для гидравлической жидкости; и гидравлический контур, с помощью которого гидравлические камеры соединены с резервуаром для гидравлической жидкости, при этом гидравлическое демпфирующее устройство расположено так, что любой поток утечки гидравлической жидкости из первой и второй гидравлических камер через границу раздела между поршнем и цилиндром проходит в резервуар для гидравлической жидкости, при этом резервуар для гидравлической жидкости окружает удлиненный элемент и проходит вдоль внутреннего пространства полого приводного вала от одного конца элемента к другому концу.
В устройстве согласно предыдущему абзацу предпочтительно, что цилиндропоршневая система включает в себя поршень, расположенный в стенке резервуара.
В устройстве согласно предыдущему абзацу, предпочтительно, что исполнительный рычаг проходит в радиальном направлении наружу от удлиненного элемента на другом конце элемента, при этом рычаг воздействует на поршень.
В устройстве согласно предыдущему абзацу предпочтительно, что пара исполнительных рычагов проходит в радиальном направлении наружу от удлиненного элемента, при этом рычаги расположены на противоположных сторонах элемента и гидравлическое демпфирующее устройство содержит: первую и вторую цилиндропоршневые системы, при этом один рычаг воздействует на первую цилиндропоршневую систему, а другой рычаг воздействует на вторую цилиндропоршневую систему, при этом первая цилиндропоршневая система проходит по линии колебаний одного рычага, а вторая цилиндропоршневая система проходит по линии колебаний другого рычага; и гидравлический контур, с помощью которого первая и вторая гидравлические камеры цилиндропоршневых систем соединены с резервуаром для гидравлической жидкости.
В устройстве согласно предыдущему абзацу предпочтительно, что каждая цилиндропоршневая система содержит единственный цилиндр, содержащий единственный поршень, при этом каждый поршень расположен вдоль своего цилиндра с образованием у каждого конца цилиндра первой и второй гидравлических камер цилиндропоршневой системы.
В устройстве согласно предыдущему абзацу предпочтительно, что гидравлический контур содержит первую и вторую секции, причем каждая секция содержит первую и вторую ветви, соединенные параллельно, при этом одна ветвь содержит ограничитель потока, а другая ветвь содержит контрольный клапан, который обеспечивает прохождение потока лишь в одном направлении от резервуара, при этом первая секция соединена между резервуаром и как первой гидравлической камерой первой цилиндропоршневой системы, так и диагонально противоположной второй гидравлической камерой второй цилиндропоршневой системы, а вторая секция соединена между резервуаром и как второй гидравлической камерой первой цилиндропоршневой системы, так и диагонально противоположной первой гидравлической камерой второй цилиндропоршневой системы.
В устройстве согласно абзацу перед предыдущим абзацем предпочтительно, что первая цилиндропоршневая система содержит первую пару цилиндропоршневых узлов, расположенных противоположно друг другу по линии колебаний одного исполнительного рычага, при этом поршни первой пары цилиндропоршневых узлов опираются на противоположные стороны одного рычага, а вторая цилиндропоршневая система содержит вторую пару цилиндропоршневых узлов, расположенных противоположно друг другу по линии колебаний другого исполнительного рычага, при этом поршни второй пары цилиндропоршневых узлов опираются на противоположные стороны другого рычага.
В устройстве согласно предыдущему абзацу предпочтительно, что каждый цилиндропоршневой узел содержит пружину, расположенную в его гидравлической камере, которая прижимает ее поршень к исполнительному рычагу, и поршень каждого узла содержит ограничитель потока и контрольный клапан, соединенные параллельно, которые соединены между гидравлической камерой узла и резервуаром для гидравлической жидкости, при этом контрольный клапан позволяет текучей среде протекать лишь в одном направлении из резервуара.
В устройстве согласно двум предыдущим абзацам предпочтительно, что поршень каждого цилиндропоршневого узла включает исполнительное плечо, которое проходит от поршня в основном радиально наружу, при этом радиально наружный конец каждого исполнительного плеча опирается на одну сторону исполнительного рычага.
В устройстве согласно предыдущим шести абзацам предпочтительно, что резервуар для гидравлической жидкости проходит вокруг пары исполнительных рычагов.
В устройстве согласно предыдущему абзацу предпочтительно, что нагруженный пружиной поршень, расположенный вблизи гидравлического демпфирующего устройства и на оси вращения приводного вала, создает давление в резервуаре для гидравлической жидкости.
Ниже приводится описание примеров выполнения изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
фиг.1 - продольный разрез полого приводного вала и устройства согласно данному изобретению;
фиг.2 - разрез по линии II-II на фиг.1;
фиг.3 - альтернатива показанному на фиг.2;
фиг.4 - цилиндропоршневой узел, используемый на фиг.3, в увеличенном масштабе;
фиг.5 - модификация фиг.3.
Как показано на фиг.1, полый приводной вал 1 приводится во вращение приводом 3 и приводит во вращение блок 5. Устройство согласно данному изобретению, содержит жесткий к скручиванию сплошной цилиндрический передаточный элемент 7, концентричный валу 1, пару исполнительных рычагов 9а, 9b и гидравлическое демпфирующее устройство 11. Демпфирующее устройство 11 соединено между валом 1 и приводимым во вращение блоком 5. Привод 3 соединен с валом 1 с помощью креплений 13, при этом демпфирующее устройство 11 включено между валом 1 и приводимым во вращение блоком 5 с помощью креплений 15, а исполнительные рычаги 9а, 9b соединены с передаточным элементом 7 с помощью креплений 17. Крепления 13 также прикрепляют один конец элемента 7 к концу вала 1, соединенному с приводом 3. Элемент 7 проходит вдоль внутреннего пространства полого вала 1. Рычаги 9а, 9b расположены у одного конца элемента 7, удаленного от крепления элемента 7 к валу 1, и проходят в радиальном направлении наружу от элемента 7 на угловом расстоянии 180º друг от друга. Рычаги 9а, 9b проходят с обеспечением связи с гидравлическим демпфирующим устройством 11. Описание точной природы этой связи будет приведено ниже. Находящийся под давлением резервуар 19 для гидравлической жидкости сохраняется вокруг элемента 7 и рычагов 9а, 9b. Текучая среда сжимается нагруженным пружиной поршнем 21, расположенным в приводимом во вращение блоке 5. Поршень 21 соединен с резервуаром 19 через гофрированную мембрану 23.
Колебательное скручивание вала 1 за счет крутильного возмущения приводит к соответствующему относительному вращательному перемещению между рычагами 9а, 9b и демпфирующим устройством 11. Например, при скручивании обращенного к приводимому во вращение конца вала 1 по часовой стрелке обращенный к приводу конец вала 1 скручивается против часовой стрелки. Скручивание по часовой стрелке конца на стороне приводимого во вращение блока вызывает соответствующее скручивание по часовой стрелке демпфирующего устройства 11, соединенного с этим концом, а скручивание против часовой стрелки конца на стороне привода вызывает соответствующее скручивание против часовой стрелки передаточного элемента 7, скрепленного с этим концом, и тем самым соответствующее скручивание против часовой стрелки рычагов 9а, 9b. Относительное угловое положение демпфирующего устройства 11 и рычагов 9а, 9b соответствует скручиванию в данный момент времени вала 1.
Как показано на фиг.2, гидравлическое демпфирующее устройство 11 содержит первую и вторую цилиндропоршневые системы 25, 27, находящийся под давлением резервуар 19 для гидравлической жидкости, первое и второе ограничительные отверстия 29, 31 и первый и второй контрольные клапаны 33, 35.
Первая и вторая цилиндропоршневые системы 25, 27 содержат каждая единственный цилиндр 37, 39, содержащий единственный поршень 41, 43. Каждый поршень 41, 43 расположен в основном центрально вдоль своего цилиндра 37, 39 с образованием у каждого конца цилиндра 37, 39 первой и второй гидравлических камер 45a, 45b, 47a, 47b. Вдоль каждого поршня 41, 43 прорезана центрально щель 49а, 49b для приема одного конца 51а, 51b соответствующего исполнительного рычага 9а, 9b. Каждая цилиндропоршневая система 25, 27 проходит по линии колебаний конца 51а, 51b соответствующего исполнительного рычага 9а, 9b.
Путь прохождения текучей среды между диагонально противоположными гидравлическими камерами 45а, 47b и находящимся под давлением резервуаром 19 содержит первую и вторую ветви, соединенные параллельно, при этом одна ветвь содержит ограничительное отверстие 31, а другая ветвь содержит контрольный клапан 35. Аналогичным образом путь прохождения текучей среды между диагонально противоположными гидравлическими камерами 47а, 45b и резервуаром 19 содержит первую и вторую ветви, соединенные параллельно, при этом одна ветвь содержит ограничительное отверстие 29, а другая ветвь содержит контрольный клапан 33. Ограничительные отверстия 29, 31 выполнены так, что проходящий через них поток является ламинарным. Контрольные клапаны обеспечивают прохождение потока текучей среды лишь в одном направлении от резервуара 19. Контрольные клапаны 33, 35 выполнены с обеспечением небольшого падения давления и быстрого реагирования.
Гидравлическое демпфирующее устройство 11 работает следующим образом.
Как показано, в частности, на фиг.2, если за счет крутильного возмущения приводного вала 1 исполнительные рычаги 9a, 9b вращаются в направлении часовой стрелки, то это приводит к принудительному перемещению вправо поршня 41 цилиндропоршневой системы 25 и влево поршня 43 цилиндропоршневой системы 27. Это приводит к уменьшению размера гидравлических камер 47a, 45b с вытеснением текучей среды из камер 47a, 45b. Вытесненная текучая среда проходит через ограничительное отверстие 29 в находящийся под давлением резервуар 19 (следует отметить, что контрольный клапан 33 позволяет проходить потоку лишь в одном направлении из резервуара 19). За счет потока в резервуар 19 и давления в резервуаре 19 текучая среда также вытекает из резервуара 19. Она проходит через контрольный клапан 35 и попадает в гидравлические камеры 45a, 47b. Разница давления как в первой паре камер 45а, 47а, так и во второй паре камер 45b, 47b равна разнице давления в ограничительном отверстии 29 и пропорциональна моменту, противодействующему угловому скручиванию вала 1. Поскольку поток через ограничительное отверстие 29 зависит от скорости углового скручивания вала 1, то создается точный демпфирующий момент, который пропорционален угловой скорости скручивания. При условии, что в ограничительном отверстии 29 сохраняется ламинарный поток, демпфирование является чисто линейным и вязким по природе.
Если крутильное возмущение вала 1 приводит к вращению рычагов 9a, 9b в направлении против часовой стрелки, то гидравлическое демпфирующее устройство работает, как и прежде, но в обратном направлении. Таким образом, текучая среда выходит из камер 45а, 47b, проходит через ограничительное отверстие 31, входит и выходит из резервуара 19, проходит через контрольный клапан 33 и входит в камеры 47а, 45b. В этом случае разница давления как в первой паре камер 45а, 47а, так и во второй паре камер 45b, 47b равна разнице давления в ограничительном отверстии 31.
Если динамические характеристики всей системы заданы правильно, то ограничительные отверстия 29, 31 могут обеспечивать фиксированное ограничение, т.е. изменения их ограничения невозможны. Это приводит к снижению стоимости. Однако в менее хорошо заданной системе можно применять изменяемые ламинарные отверстия для обеспечения регулируемого демпфирования. В этом случае уровень демпфирования можно регулировать для согласования с фактическими текущими условиями.
Гидравлические системы в течение их срока службы могут терять сжимаемость из-за образования пузырьков газа/воздуха. Это приводит к незначительным последствиям во многих гидравлических системах, однако в указанной выше системе может приводить к неисправности, поскольку требуется мгновенный демпфирующий момент в ответ на очень небольшие угловые смещения. Пузырьки газа/воздуха образуются за счет кавитации в гидравлической жидкости, т.е. отрицательного давления в гидравлической жидкости, что приводит к выделению газа/воздуха, обычно присутствующего в гидравлической жидкости, из раствора с образованием пузырьков газа/воздуха. Кавитация обычно возникает, когда гидравлическая жидкость втягивается в камеру за счет расширения камеры. В указанной выше системе кавитация предотвращается за счет использования: (i) находящегося под давлением резервуара 19 и (ii) контрольных клапанов 33, 35, параллельных отверстиям 29, 31 (контрольные клапаны позволяют текучей среде протекать в обход ограничительных отверстий при протекании в камеры 45а, 47а, 45b, 47b, что обеспечивает быструю реакцию на расширение камер 45а, 47а, 45b, 47b).
Следует отметить, что находящийся под давлением резервуар 19 компенсирует колебания объема внутри гидравлического контура. Такие колебания могут возникать за счет износа (например, на контактных поверхностях, где концы 51а, 51b исполнительных рычагов 9а, 9b упираются в поршни 41, 43), изменения температуры и утечки гидравлической жидкости.
Следует отметить, что утечка гидравлической жидкости из камер 45а, 47а, 45b, 47b через границы раздела между поршнями 41, 43 и цилиндрами 37, 30 происходит в резервуар 19, так что она остается в замкнутом гидравлическом контуре и не мешает работе.
Показанное на фиг.3 альтернативное гидравлическое демпфирующее устройство 53 содержит первую и вторую цилиндропоршневые системы 55, 57 и находящийся под давлением резервуар 19 для гидравлической жидкости (как резервуар 19 на фиг.2). Первая система 55 содержит пару цилиндропоршневых узлов 59а, 59b, расположенных противоположно друг другу на линии колебаний конца 51а исполнительного рычага 9а, при этом поршни узлов 59а, 59b упираются в противоположные стороны конца 51а. Аналогичным образом вторая цилиндропоршневая система 57 содержит пару цилиндропоршневых узлов 61а, 61b, расположенных противоположно друг другу на линии колебаний конца 51b исполнительного рычага 9b, при этом поршни узлов 61а, 61b упираются в противоположные стороны конца 51b. Каждый цилиндропоршневой узел 59а, 59b, 61а, 61b содержит поршень 63а, 63b, 63с, 63d, гидравлическую камеру 65а, 65b, 65с, 65d, пружину 67а, 67b, 67с, 67d, ограничительное отверстие 69а, 69b, 69с, 69d и контрольный клапан 71а, 71b, 71с, 71d. Каждая пружина 67а, 67b, 67с, 67d расположена в соответствующей камере 65а, 65b, 65с, 65d и смещает соответствующий поршень 63а, 63b, 63с, 63d к одной стороне конца 51а, 51b исполнительного рычага 9а, 9b (следует отметить, что эта система саморегулируется при любом износе концов 51а, 51b). Каждый поршень 67а, 67b, 67с, 67d содержит ограничительное отверстие 69а, 69b, 69с, 69d и контрольный клапан 71а, 71b, 71с, 71d, соединенные параллельно. Ограничительные отверстия 69а, 69b, 69с, 69d и контрольные клапаны 71а, 71b, 71с, 71d включены между камерами 65а, 65b, 65с, 65d и находящимся под давлением резервуаром 19. Каждый контрольный клапан 71а, 71b, 71с, 71d обеспечивает прохождение текучей среды лишь в одном направлении от резервуара 19.
Гидравлическое демпфирующее устройство 53 работает следующим образом.
Если за счет крутильного возмущения приводного вала 1 исполнительные рычаги 9а, 9b вращаются в направлении часовой стрелки, то это принудительно смещает вправо поршень 63b цилиндропоршневого узла 59b и влево поршень 63с цилиндропоршневого узла 59с. Это уменьшает размер гидравлических камер 65b, 65с, вытесняя текучую среду из камер 65b, 65с. Вытесненная текучая среда проходит через ограничительные отверстия 69b, 69с в находящийся под давлением резервуар 19 (следует отметить, что контрольные клапаны 71b, 71с позволяют проходить текучей среде лишь в одном направлении от резервуара 19). За счет потока в резервуар 19 и нахождения резервуара 19 под давлением текучая среда также выходит из резервуара 19. Она проходит через контрольные клапаны 71а, 71d и попадает в гидравлические камеры 65а, 65d. Разница давления как в паре камер 65а, 65b, так и в паре камер 65с, 65d равна разнице давления в ограничительных отверстиях 69b, 69с и пропорциональна моменту, противодействующему угловому скручиванию вала 1. Поскольку поток через ограничительные отверстия 69b, 69с зависит от угловой скорости скручивания вала 1, то создается точный демпфирующий момент, который пропорционален угловой скорости скручивания. При условии обеспечения ламинарного потока через ограничительные отверстия 69b, 69с демпфирование является чисто линейным и вязким по природе.
Если крутильное возмущение вала 1 приводит к вращению рычагов 9a, 9b в направлении против часовой стрелки, то гидравлический демпфирующий контур работает, как и прежде, но в обратном направлении. Таким образом, текучая среда выходит из камер 65а, 65d, проходит через ограничительные отверстия 69а, 69d, входит и выходит из резервуара 19, проходит через контрольные клапаны 71а, 71b и входит в камеры 65b, 65с. В этом случае разница давления как в первой паре камер 65а, 65b, так и во второй паре камер 65с, 65d равна разнице давления в ограничительных отверстиях 69а, 69d.
Аналогично показанному на фиг.2 гидравлическому демпфирующему устройству любая утечка гидравлической жидкости из камер 65а, 65b, 65с, 65d через границы раздела между поршнями 63а, 63b, 63с, 63d и их цилиндрами происходит в резервуар 19, так что она остается в замкнутом гидравлическом контуре и не мешает работе.
В показанном на фиг.3 гидравлическом демпфирующем устройстве требуемые ограничительные отверстия и контрольные клапаны расположены внутри первой и второй цилиндропоршневых систем 55, 57. Это облегчает изготовление и отлично от показанного на фиг. 2 гидравлического демпфирующего устройства, в котором ограничительные отверстия и контрольные клапаны расположены снаружи первой и второй цилиндропоршневых систем 25, 27.
На фиг.4 показана более детально структура цилиндропоршневого узла 59а. Структура цилиндропоршневых узлов 59b, 61a, 61b такая же. Если конец 51а исполнительного рычага 9а перемещается вправо, то это позволяет поршню 63а перемещаться вправо под действием пружины 67а. Это создает падение давления между резервуаром 19 и камерой 65а, которое перемещает влево против действия пружины 73 контрольного клапана 71а конический конец 75 контрольного клапана 71а. Это отводит конический конец 73 от согласованного отверстия 77 поршня 63а, открывая клапан 71а и позволяя текучей среде проходить в камеру 65а. Если конец 51а исполнительного рычага 9а перемещается влево, то это сжимает пружины 67а и 73, уменьшая размер камеры 65а и вызывая прохождение текучей среды из камеры 65а через ограничительное отверстие 69а в резервуар 19. Следует отметить, что когда конец 51а перемещается вправо или влево, то головка поршня 63а всегда остается прижатой к концу 51а под действием пружины 67а.
Гидравлическое демпфирующее устройство на фиг.5 является таким же, как на фиг.3, за исключением добавления исполнительных плеч к поршням 63а, 63b, 63с, 63d, и изменения формы находящегося под давлением резервуара 19 в основном в прямоугольную форму. Это позволяет перемещать цилиндропоршневые системы 59а, 59b, 61а, 61b внутрь, обеспечивая создание более компактного, в целом круглого гидравлического демпфирующего устройства.