СПОСОБ ВИБРОГАШЕНИЯ КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ ВРАЩАЮЩИХСЯ СИСТЕМ И ВЯЗКОСТНЫЙ ВИБРОГАСИТЕЛЬ ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА ВИБРОГАШЕНИЯ
METHOD FOR VIBRATION DAMPING OF TORSIONAL OSCILLATIONS OF ROTATING SYSTEMS AND A VISCOSITY VIBRATION DAMPER FOR IMPLEMENTING A METHOD FOR VIBRATION DAMPING

Группа изобретений относится к области общего и специализированного машиностроения и применима для гашения крутильных колебаний вращающихся систем, например, валов, цилиндров, бурильных колонн.
Известен способ уменьшения колебаний бурильной колонны, включающий установку виброгасителя в бурильную колонну, через которую прокачивается буровой раствор (авторское свидетельство СССР №1273493, дата приоритета 15.06.1983, дата публикации 30.11.1986, авторы: Янтурин А.Ш. и др., RU).
Недостатками данного способа, относящегося к активным методам гашения вибраций бурильной колонны, являются: ограниченная функциональная возможность демпфирования, направленная на гашение колебаний, возникающих только при использовании шарошечных долот, которые вызывают образование ухабов забоя скважины, а также невозможность осуществления способа относительно других технологических процессов.
Наиболее близким из известных решений к заявленному способу виброгашения крутильных колебаний вращающихся систем является способ виброгашения бурильной колонны, включающий установку виброгасителя в бурильную колонну, через которую прокачивается буровой раствор, и преобразование силы давления бурового раствора с помощью привода микроперемещений органа внедрения в породу для изменения силы сопротивления вращению бурильной колонны (патент РФ №2722678 С1, дата приоритета 17.12.2019, дата публикации 03.06.2020, авторы: Башмур К.А. и др., RU, прототип).
К недостаткам прототипа способа относится его ограниченная функциональная возможность виброгашения, обусловленная тем, что гашение происходит только при условии протекания среды, также существует риск разрушения ствола скважины вследствие взаимодействия органа внедрения с породой о стенки скважины.
Известен демпфер, содержащий корпус, рабочая полость которого заполнена жидкой средой, и расположенный внутри корпуса маховик, имеющий равномерно расположенные по окружности сквозные вырезы, в каждом из которых находится грузик, закрепленный внутри маховика с возможностью радиального перемещения, (патент РФ №2405991 С1, дата приоритета 13.04.2009, дата публикации 10.12.2010, авторы: Абдуллин А. Л. и др., RU).
К недостаткам известного демпфера относятся: большие габариты; наибольшая эффективность достигается только при частоте вращения коленчатого вала, совпадающей с частотой собственных колебаний маховика; сложность конструкции и ремонта.
Известен динамический виброгаситель крутильных колебаний, содержащий корпус с расположенным внутри него маховиком, в теле которого закреплены грузы. Маховик выполнен в виде системы двухзвенника, состоящего из шарнирно закрепленных двухтрубных амортизаторов, с одного конца входящих в массу-шарнир, с другого, посредством приваренного кронштейна и проушин, в грузы в виде цилиндрических сегмент-планок, между которыми вставлены эластичные элементы, на зазор Δ, совместно с грузами, отстоящие от шайбы с маховой массой в виде полого цилиндра (патент РФ №2536302 С1, дата приоритета 23.07.2013, дата публикации 20.12.2014, авторы: Башмур К.А, Петровский Э.А., RU).
К недостаткам аналога относятся: крупные габариты виброгасителя и наличие частей конструкции, тесно контактирующих со стенкой скважины, что может привести к ее разрушению, а также ограниченная возможность применения устройства в других технологических процессах.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является виброгаситель, содержащий полый цилиндрический корпус, в котором выполнены, по меньшей мере, пара симметричных радиальных отверстий, в каждом из которых установлен с помощью сварного или резьбового соединений патрубок с навинченной на него крышкой со сквозным центральным отверстием, а в полости патрубка и в отверстии его крышки расположен привод микроперемещений, на котором снаружи смонтирован рабочий орган внедрения в породу (патент РФ №2722678 С1, дата приоритета 17.12.2019, дата публикации 03.06.2020, авторы: Башмур К.А. и др., RU, прототип).
К недостаткам прототипа относятся: наличие частей конструкции, тесно контактирующих со стенкой скважины, что может привести к ее разрушению, а также ограниченная возможность применения устройства в других технологических процессах по причине обязательного условия протекания жидкости в трубном пространстве для функционирования устройства.
Технической проблемой, решаемой группой изобретений, является создание эффективного способа виброгашения крутильных колебаний вращающихся систем и универсального вязкостного виброгасителя для осуществления способа виброгашения путем конструктивного усовершенствования виброгасителя, расширяющего его эксплуатационные и функциональные возможности применительно для гашения крутильных колебаний вращающихся систем: валов, цилиндров, бурильных колонн, а также увеличивающего его надежность.
Для решения технической проблемы предложен способ виброгашения крутильных колебаний вращающихся систем, включающий установку в систему виброгасителя с приводом микроперемещений, контактирующего с внешней средой, создание зависящей от частоты вращения системы передачи силового воздействия на привод микроперемещений виброгасителя, а также создание элементом виброгасителя силы сопротивления вращению, зависящей от частоты оборотов системы, посредством внешней среды. Новым является то, что силовое воздействие на привод микроперемещений получают при помощи изменения сил инерции системы при изменении количества ее оборотов, для создания силы сопротивления вращению используют текучую среду, при этом силу сопротивления вращению создают при помощи перемещения элементов сопротивления, которыми вызывают силы давления и вязкостного трения среды, приводом микроперемещений, увеличивая или уменьшая площадь и силы взаимодействия элементов сопротивления со средой при увеличении или уменьшении количества оборотов системы соответственно, а воздействие силы сопротивления вращению получают от потока или неподвижной среды.
Согласно изобретению, степень виброгашения регулируют посредством изменения площади взаимодействия элементов сопротивления со средой, изменяя угол установки элементов сопротивления к плоскости вращения виброгасителя.
Согласно изобретению, степень виброгашения регулируют посредством замены типа среды и изменения рабочих характеристик среды.
Согласно изобретению, степень виброгашения регулируют посредством изменения силы сопротивления вращению регулированием скорости потока среды.
Согласно изобретению, степень виброгашения регулируют посредством изменения сопротивления вращению путем создания дополнительных сил трения при взаимодействии элементов сопротивления со средой.
Для решения технической проблемы предложен вязкостный виброгаситель крутильных колебаний вращающихся систем для осуществления способа виброгашения, содержащий полый цилиндрический корпус, в котором выполнены, по меньшей мере, пара симметричных радиальных отверстий, в каждом из которых установлена втулка, в полости которой с возможностью возвратно-поступательного движения установлен привод микроперемещений, на котором смонтирован элемент сопротивления среде. Новым является то, что радиальные отверстия в корпусе выполнены глухими, а элемент сопротивления среде выполнен в виде пластины, закреплен на боковой поверхности привода и установлен с одной стороны в выполненную глухой со стороны обратной корпусу втулку с прямоугольным продольном пазом в стенке для возвратно-поступательного перемещения элемента сопротивления центробежно-инерционным приводом микроперемещений, с другой стороны - в кожухе, выполненном в виде профиля с полостью, повторяющей форму элемента сопротивления, и установленном на стыке корпуса и втулки сверху последней над прямоугольным продольным пазом.
Согласно изобретению, элемент сопротивления среде в продольном сечении выполнен в виде прямоугольного сектора круга.
Согласно изобретению, элемент сопротивления среде выполнен вогнутым в поперечном сечении или с вогнутыми стенками.
Согласно изобретению, втулка установлена в корпусе с помощью резьбового соединения и с возможностью регулирования угла ее поворота вокруг собственной оси.
Согласно изобретению, элемент сопротивления среде и центробежно-инерционный привод микроперемещений выполнены воедино литыми.
Согласно изобретению, на торце центробежно-инерционного привода микроперемещений выполнен кольцевой сегментарный герметизирующий выступ, перекрывающий продольный паз в стенке втулки для предотвращения попадания среды в привод.
Согласно изобретению, виброгаситель может быть помещен во внешнюю капсулу, заполненную средой.
Согласно изобретению, элемент сопротивления среде снабжен рельефом поверхности частично или полностью.
Согласно изобретению, элемент сопротивления среде выполнен или с шероховатостью, или с микрорельефом, или с макрорельефом.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 - фиг. 2 представлен общий вид виброгасителя с местным разрезом; на фиг. 3 - схематичное изображение втулки с установленным на ней кожухом; на фиг. 4 - вид Б на фиг. 3; на фиг. 5 -исходное положение элемента сопротивления среде; на фиг. 6 - конечное рабочее положение элемента сопротивления среде.
Вязкостный виброгаситель крутильных колебаний вращающихся систем содержит полый цилиндрический корпус 1, соединяемый с валом посредством резьбового или разъемного соединений, например, шлицевого или шпоночного. В корпусе 1 выполнено, как минимум, два радиальных глухих отверстия 2, расположенных равномерно по окружности, в каждое из которых установлена, например, посредством резьбового соединения втулка 3, имеющая прямоугольный продольный паз 4, выполненный от открытого конца втулки во всю длину ее резьбовой части и длину, равную 2h-x от конца резьбы (фиг. 5). Над прямоугольным продольным пазом 4 на стыке корпуса 1 и втулки 3 к последней на расстоянии длины резьбы приварен кожух 5 длиной h, как показано на фиг. 3 и фиг. 4, для создания начального сопротивления вращению. Во втулку 3 установлен центробежно-инерционный привод микроперемещений. В качестве примера конструкции приведен центробежно-инерционный привод микроперемещений, состоящий из цилиндра 6 массой m для возвратно-поступательного перемещения под действием центробежной силы и примыкающего к нему упругого элемента 7, например пружины или сильфона, регулирующего перемещение цилиндра 6 величиной сжатия, пропорциональной воспринятой нагрузке. Центробежно-инерционный привод микроперемещений оснащен кольцевым сегментарным герметизирующим выступом 8, закрывающим прямоугольный продольный паз 4 и перекрывающим его на длину х (фиг. 5) для обеспечения герметизации втулки 3, а также снабжен элементом сопротивления среде 9 в виде пластины для увеличения площади сопротивления вращению. Кожух 5 выполнен в виде профиля с полостью, повторяющей форму элемента сопротивления 9 с возможностью его возвратно-поступательного перемещения в кожухе 5. Для обеспечения герметизации соединения кожуха 5 и элемента сопротивления среде 9 второй установлен в первый с углублением на длину величиной х в конечном рабочем положении (фиг. 6).
Элемент сопротивления среде 9 в продольном сечении может быть выполнен в виде прямоугольного сектора круга с целью уменьшения действующей на него динамической нагрузки, увеличения обтекаемости и, соответственно, уменьшения вероятности его загиба или повреждения. Элемент сопротивления среде 9 может быть выполнен вогнутым в поперечном сечении или с вогнутыми стенками с целью увеличения сопротивления вращению за счет добавления задержанной массы среды.
Втулка 3 установлена в корпусе 1 на резьбовом соединении с возможностью регулирования угла ее поворота вокруг собственной оси для регулирования степени виброгашения.
Для увеличения надежности конструкции элемент сопротивления среде 9 и центробежно-инерционный привод микроперемещений могут быть выполнены воедино литыми.
Вязкостный виброгаситель крутильных колебаний вращающихся систем может быть помещен во внешнюю капсулу со средой, если исходная система не погружена в среду.
Для увеличения степени виброгашения элемент сопротивления среде 9 может быть выполнен или с шероховатостью, или с микрорельефом, или с макрорельефом.
Вязкостный виброгаситель крутильных колебаний вращающихся систем с центробежно-инерционным приводом микроперемещений, представленным в примере выполнения на фиг. 1 и фиг. 2, используется для реализации способа виброгашения крутильных колебаний вращающихся систем следующим образом.
В начальном положении сопротивление вращению оказывает только кожух 5, который полностью скрывает элемент сопротивления среде 9. При вращении установленного на валу корпуса 1 с закрепленными на нем втулками 3 воспринятая центробежно-инерционным приводом микроперемещений центробежная сила вызывает смещение цилиндра 6 массой m внутри втулки 3 от центра к периферии вдоль прямоугольного продольного паза 4, в котором одновременно с цилиндром 6 перемещается элемент сопротивления среде 9. Данное смещение регулируется величиной сжатия упругого элемента 7, перемещение которого ограничено стенкой втулки 3. Ход цилиндра 6 с элементом сопротивления среде 9 поясняется на фиг.5 и фиг. 6. При смещении цилиндра 6 элемент сопротивления среде 9 выходит из кожуха 5 на величину не более h-x, равную величине сжатия упругого элемента 7. Тем самым, к контактирующей со средой площади кожуха 5 добавляется площадь элемента сопротивления среде 9, чем увеличивается сопротивление вращению по мере увеличения количества оборотов системы.
По мере изменения (увеличения или уменьшения) количества оборотом системы силовое воздействие цилиндра 6 на упругий элемент 7 также будет изменяться (увеличиваться или уменьшаться), что повлечет за собой изменение (увеличение или уменьшение) величины смещения цилиндра 6 от его исходного положения и, соответственно, изменение (увеличение или уменьшение) площади сопротивления среде. Вследствие этого будет изменяться (увеличиваться или уменьшаться) сила сопротивления вращению.
В составе заявляемого вязкостного виброгасителя, кроме приведенного в примере выполнения центробежно-инерционного привода микроперемещений, могут быть использованы другие конструкции центробежно-инерционного привода. При этом по мере изменения количества оборотом системы воздействие центробежной силы на центробежно-инерционный привод микроперемещений, площадь сопротивления среде и сила сопротивления вращению также будут изменяться, как указано в примере выполнения.
Таким образом, техническим результатом использования предлагаемых изобретений является создание способа виброгашения крутильных колебаний вращающихся систем и эффективного вязкостного виброгасителя для его осуществления путем его конструктивного усовершенствования, расширяющего его эксплуатационные и функциональные возможности, а также увеличивающего его надежность, в частности, за счет: отсутствия требования наличия в исходной вращающейся системе среды или ее протекания; уменьшения массы и габаритов виброгасителя; включения в конструкцию элементов сопротивления среде; возможности варьирования количеством элементов для гашения колебаний; возможности регулирования изначальных параметров устройства; полной автономности; нетрудоемкого ремонта и практически не требуемого технического обслуживания виброгасителя.