Устройство для гашения колебаний
OSCILLATION DAMPING DEVICE

Устройство относится к области машиностроения и может быть использовано в подвесках транспортных средств, оборудования, различных приборов и аппаратуры, а также в конструкциях кресел человека-оператора.
Изменение динамического состояния различных механических систем в настоящее время связано с введением в структуру виброзащитных колебательных систем различных связей в виде устройств, способных изменять частоты собственных колебаний и режимы динамического гашения, что позволяет обеспечить необходимые свойства виброзащитной системы. Возможности данных подходов определяются элементами конструктивной реализации устройств, способных рассеивать энергию колебаний. В связи с этим актуальным направлением является поиск рациональных решений, основанных на изменении динамического состояния виброзащитных систем.
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, МПК 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. Также к недостаткам следует отнести 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.
Известно изобретение «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.
Виброзащитное устройство предусматривает, что упругие дополнительные устройства представлены в виде отдельных масс, соединенных шарнирно с помощью рычагов с основанием и с объектом защиты с возможностью создания центробежных инерционных сил при вращении вокруг вертикальной оси.
К недостаткам данного устройства следует отнести невозможность изменения упруго-диссипативных свойств виброзащитной системы.
К наиболее близкому техническому решению следует отнести техническое решение «Устройство для регулирования упругодиссипативных свойств виброзащитной системы» [Елисеев С.В., Артюнин А.И., Каимов Е.В., Елисеев А.В., патент 142137 U1 RU, МПК F16F 15/02, приоритет 09.01.2014]. Устройство для регулирования упругодиссипативных свойств виброзащитной системы, содержащее упругие элементы, отличающееся тем, что между объектом защиты и возбудителем колебаний установлена система нижних и верхних рычагов в виде ромба, по малой диагонали установлены основная пружина и базовый демпфер, которые соединены одним концом с объектом защиты и другим концом с возбудителем колебаний; параллельно основной пружине и базовому демпферу установлены по обе стороны дополнительные демпферы, связанные скользящими соединениями и регулируемые блоком управления при появлении резонансных колебаний объекта защиты.
К недостатку данной полезной модели следует отнести сложность настройки упруго-диссипативных свойств системы на требуемый режим динамического состояния объекта защиты.
Цель предлагаемого устройства заключается в том, чтобы расширить диапазон регулирования упруго-диссипативных свойства виброзащитной системы и динамического состояния объекта защиты.
Устройство для гашения колебаний, содержащее систему нижних и верхних рычагов в виде ромба, внутри ромба имеется вертикальная пружина, отличающееся тем, что дополнительно в шарнирных соединениях нижних и верхних рычагов ромба размещены равные массы, между массами установлено устройство для преобразования движения, выполненное в виде винтового несамотормозящегося механизма, причем для дополнительного гашения параллельно устройству для преобразования движения установлена пружина, концы которой закреплены в шарнирных соединениях ромба.
На фиг. 1 показана схема виброзащитной системы.
На фиг. 1 представлены: объект защиты 1; массы 2, 3; рычаги 4, 5; устройство для преобразования движения в виде винтового несамотормозящегося механизма 6; дополнительный упругий элемент 7; пружина 8; основание 9.
0
1
2
Введены также следующие обозначения: М - масса объекта защиты; y - амплитуду колебаний объекта защиты 1;  - длины плеч рычагов 4;  - длины плеч рычагов 5; z - кинематическое возмущение основания 9; α - величина угла между рычагом 4 и осью пружины 8; β - величина угла между рычагом 4 и осью пружины 8; k - жесткость пружины 8; k - жесткость дополнительного упругого элемента 7; m - значение масс 2, 3; Q - силовое возмущение; т. А - точка крепления рычагов 4, 5 с инерционным элементом 2 и винтовым механизмом 6; т. В - точка крепления рычагов 4, 5 с инерционным элементом 3 и винтовым механизмом 6; т. А - крепление рычагов 4, 5 и пружины 8 с основанием 9; т. А - точка крепления рычагов 4, 5 и пружины 8 с объектом защиты 1;
Устройство работает следующим образом: со стороны основания 9 возникают вертикальные колебания объекта защиты 1. Колебания передаются через систему, содержащую упругие элементы. В заданном режиме колебания гасятся с помощью пружины 8. В случае увеличения значения внешнего воздействия начинают работать винтовой механизм 6 и дополнительный упругий элемент 7, которые преобразуют инерционные силы, возникшие в результате колебаний элементов 2 и 3, в воздействия, компенсирующие кинематическое возмущение основания 9.
Предлагаемое устройство для гашения колебаний позволяет изменять свойства системы путем введения устройств для преобразования движения и дополнительных упругих элементов, преобразующих инерционные силы масс в воздействия, компенсирующие кинематическое возмущение основания.
По результатам численного эксперимента было установлено, что представленная система позволяет добиться устойчивого состояния динамического равновесия как при малых силовых и кинематических возмущениях, так и при их увеличении и достижении больших значений. Математические расчеты прилагаются в теоретическом обосновании.
Приложение
Теоретическое обоснование
0
Рассматривается система вибрационной защиты, которая состоит из основного блока, в состав которого входит объект защиты массой М с пружиной жесткостью k и специального механического колебательного контура, образованного дополнительными механизмами, в шарнирах А и В которых закреплены массоинерционные элементы m. Кроме того, точки соединены между собой упругим элементом с жесткостью k.
Углы наклона стержней с длинами  и  α и β определяются конфигурацией системы по отношению к положению статического равновесия. Все движения элементов системы рассматриваются как малые. Кроме упругого элемента с жесткостью k точки А и В связаны между собой устройством для преобразования движения; L представляет собой приведенную массу устройства для преобразования движения, которая формирует инерционные взаимодействия между тт. А и В. В качестве такого устройства может быть, например, использован несамотормозящийся винтовой механизм.
В качестве внешних возмущений рассматривается силовое воздействие Q, а также кинематическое - в виде известного гармонического движения основания опорной поверхности z(t). При рассмотрении особенностей движения элементов системы учитывается, что в ней одновременно реализуется одно из внешних воздействий: силовое или кинематическое. Задача исследования заключается в разработке метода построения математических моделей для виброзащитных систем, в состав которых вводятся механизмы, создающие дополнительные контуры для динамических взаимодействий и новые физические эффекты, и режимы динамического состояния.
Задача исследования заключается в разработке метода построения математических моделей для виброзащитных систем, в состав которых вводятся механизмы, создающие дополнительные контуры для динамических взаимодействий и новые физические эффекты, и режимы динамического состояния.
Силовое возмущение системы (Q≠0, z(t)=0). Принципиальная схема кинематических соотношений в относительных движениях элементов системы представлена на рис. 1.
1
0
0
Скорость точки В может быть определена с помощью мгновенного центра скоростей O (рис. 1). На рис. 1 введена вспомогательная система координат xBy, которая имеет параллельные оси с системой координат неподвижного базиса. Из схемы на рис. 1 следует, что:
, которое является передаточным отношением рычажных связей.
0
Для определения горизонтальных отклонений тт. А и В в относительных смещениях в направлении оси х, то можно ввести соотношение:
Суммарная деформация пружин k в данном случае составит:
Скорость относительных движений тт. А и В определяются соотношениями:
Используя формализм Лагранжа, уравнение движения системы можно записать в виде:
После преобразований Лапласа при нулевых начальных условиях передаточная функция системы на рис. 1 определится:
где  - комплексная переменная, «-» соответствует обозначению переменной по Лапласу.
Для оценки возможностей изменения динамических свойств системы на рис. 2 (а÷е) приведены варианты построения структурных схем.
2
2
Отметим, что элемент с передаточной функцией 2map отражает массоинерционные свойства присоединенных масс во вращательных шарнирах А и В. Частота собственных колебаний системы определяется выражением:
Из (8) следует, что свойства системы существенным образом зависят от конфигурации механизмов (углы α и β), отношения длин звеньев  и , а также от массоинерционных свойств дополнительных масс и устройства для преобразования движения.
При силовом возмущении исходная расчетная схема, по существу, сводится к механической колебательной системе обычного вида. При этом параметры такой системы обладают возможностями настройки за счет изменения формы механизмов и условий динамического взаимодействия между собой их элементов. Такого рода устройства могут применяться в различных технических приложениях.
2
Кинематическое возмущение системы (Q=0, z≠0). В этом случае принципиальная схема кинематических соотношений (Рис. 3) будет отличаться от схемы на рис. 1 использованием еще одного мгновенного центра скоростей O и представлениями о том, что точки А и В будут участвовать в двух видах движения: относительное, которое связано с движением объекта защиты М, и переносное - создаваемое движением основания (z(t)≠0).
Запишем уравнение движения системы при кинематическом возмущении:
После преобразований Лапласа (9) примет вид:
Передаточная функция системы при кинематическом возмущении со стороны опорной поверхности (Рис. 1) принимает вид:
Из передаточной функции (11) можно сделать определенное заключение о возможных динамических свойствах системы. В частности, в системе возможен режим динамического гашения колебаний, а также «запирание» на высоких частотах, при определенных соотношениях параметров.
Оценка динамических свойств системы при кинематическом возмущении. Отметим, что система имеет частоту собственных колебаний:
что совпадает с выражением (8).
В отличие от случая силового возмущения в данном случае в системе может быть определена частота динамического гашения:
При р→∞ система при кинематическом возмущении «запирается» и отношение амплитуд колебаний на входе и выходе системы принимает значение:
Введем настроечный коэффициент R, который определяется выражением:
На рис. 4 представлены зависимости между функцией R, углами установки α и β, а также значениями параметра L/m. Функция R может принимать критическое значение, равное нулю, откуда можно найти необходимые соотношения. Если R=0, то:
Если такое условие выполняется, то оно определяет такой вид передаточной функции (11), при котором исключается режим динамического гашения колебаний. Поскольку рассматриваемая система соотносится с задачами поиска и разработки способов и средств описания вибрационных возмущений, то интерес представляет сопоставление амплитудно-частотных характеристик при различных значениях параметра R.
Амплитудно-частотные характеристики существенным образом зависят от соотношения параметров вводимых дополнительных связей тем, что динамические режимы виброзащитных систем могут выбираться, а их параметры регулироваться соответствующим подбором значений, характеризующих конфигурацию системы и наличие в структуре определенных элементов.
В физическом смысле такая ситуация отражает проявления динамических взаимодействий, создаваемых переносными силами инерции, создающими условия для компенсации внешних воздействий.