ВИБРОГАСИТЕЛЬ С БЛОКОМ ЧАСТОТНО ЗАВИСИМОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬЮ ГАШЕНИЯ ВИБРАЦИИ

Полезная модель относится к средствам гашения вибрации различных технических объектов и может быть использована в тепловой и атомной энергетике, судо- и авиастроении, строительстве, машиностроении и других отраслях промышленности.
Известен виброгаситель, содержащий взаимодействующие с защищаемым от вибрации объектом (ЗВО) цилиндрический корпус, размещенную внутри корпуса подвижную электромагнитную систему со снабженным обмоткой сердечником, взаимодействующим через упругий элемент с корпусом виброгасителя, и заполняющую пространство между корпусом и электромагнитной системой демпфирующую жидкость в виде магнитореологической суспензии (МРС) [1] - аналог. К недостаткам [1] можно отнести низкую чувствительность вследствие того, что колебания ЗВО передаются демпфирующей жидкости не непосредственно через перемещающийся в ней сердечник электромагнитной системы, а косвенно через корпус, и из-за фронтального взаимодействия указанного сердечника с поверхностью МРС, уменьшающего влияние на демпфирование жидкостного трения. Кроме того, существенным недостатком аналога [1] является узкий диапазон частот эффективного виброгашения из-за отсутствия возможности частотно зависимой подстройки величин массы корпуса и вязкости демпфирующей жидкости.
Известен виброгаситель, содержащий взаимодействующие с ЗВО цилиндрический корпус, прикрепленные к нему снаружи съемные элементы дополнительной массы (ЭДМ), размещенную внутри корпуса подвижную электромагнитную систему со снабженным управляющей обмоткой сердечником, взаимодействующим через упругий элемент с корпусом виброгасителя, и заполняющую пространство между корпусом и электромагнитной системой демпфирующую жидкость в виде МРС [2] - ближайший аналог. Наличие в этом виброгасителе закрепленных на корпусе съемных ЭДМ и расположение обмотки электромагнитной системы, обеспечивающее высокий уровень трения ее сердечника при перемещении в МРС, улучшают эффективность виброгашения и расширяют частотный диапазон эффективной работы виброгасителя, но в недостаточной степени из-за остающихся двух других недостатков: передачи вибрации сердечнику через корпус и нерегулируемого управления величиной вязкости демпирующей жидкости, вследствие чего данный виброгаситель обладает невысокой эффективностью виброгашения в отношении ЗВО большой массы в области низких частот порядка 2-5 Гц при случайных возмущениях.
Достигаемым результатом полезной модели является повышение эффективности виброгашения в широком частотном диапазоне с обеспечением точной настройки на возникающую в ЗВО частоту вибрационных колебаний.
Это обеспечивается тем, что в виброгасителе, содержащем взаимодействующие с ЗВО цилиндрический корпус, прикрепленные к нему снаружи съемные ЭДМ, размещенную внутри корпуса подвижную электромагнитную систему со снабженным управляющей обмоткой сердечником, взаимодействующим через упругий элемент с корпусом виброгасителя, и заполняющую пространство между корпусом и электромагнитной системой демпфирующую жидкость в виде МРС, согласно полезной модели, с ЗВО жестко соединен сердечник электромагнитной системы, а виброгаситель дополнительно снабжен установленным на указанном сердечнике датчиком частоты вибрации и расположенным вне виброгасителя блоком регистрации и управления (БРУ), вход которого соединен с указанным датчиком, а выход - с управляющей обмоткой электромагнитной системы.
На фиг.1 схематично изображен виброгаситель согласно полезной модели; на фиг.2 - условная схема, поясняющая взаимодействие его основных элементов.
Виброгаситель содержит (фиг.1) взаимодействующие с ЗВО 1 цилиндрический корпус 2 с прикрепленными к нему снаружи съемными ЭДМ 3. Внутри корпуса 2 помещена подвижная электромагнитная система со снабженным управляющей обмоткой 4 сердечником 5, взаимодействующим через упругий элемент (пружину) 6 с корпусом 2 виброгасителя. Пространство между корпусом 2 и электромагнитной системой заполнено демпфирующей жидкостью 7, представляющей собой МРС с частицами карбонильного железа размером от 10 до 100 мкм. Свободный от обмотки 4 конец сердечника 5 электромагнитной системы выведен за пределы корпуса 2 виброгасителя и жестко соединен с ЗВО 1, а виброгаситель дополнительно снабжен установленным на этом сердечнике датчиком 8 частоты вибрации и расположенным вне виброгасителя БРУ 9, вход которого линией 10 соединен с указанным датчиком 8, а выход - линией 11 через усилитель УС 12 с управляющей обмоткой 4 электромагнитной системы. Размещенная внутри корпуса 2 концевая часть сердечника 5 выполнена в виде поршня 13 с продольными сквозными отверстиями 14, а выступающая за пределы корпуса часть сердечника 5 - в виде штока 15 этого поршня. Между верхним уровнем демпфирующей жидкости 7 и корпусом 2 предусмотрен воздушный зазор 16 для обеспечения свободного температурного расширения демпфирующей жидкости 7.
Виброгаситель работает следующим образом. Предварительно виброгаситель настраивают на определенную частоту вибрации в зависимости от массы ЗВО, для чего рассчитывают требуемые количество устанавливаемых на корпусе 2 съемных ЭДМ 3, характеристики упругого элемента 6 и диаметр отверстий 13 в поршневой части сердечника 5. Настроенный таким образом виброгаситель устанавливают на ЗВО. При этом к ЗВО жестко крепится снизу выступающий за пределы корпуса 2 торец штока 15 при его вертикальном расположении, а сам корпус 2 с присоединенными к нему ЭДМ 3 оказывается при этом подвешенным к штоку 15 через упругий элемент 6. Задача последнего в статичном состоянии - не позволить корпусу 2 соприкоснуться с поршнем 13 и исключить его перемещение вне контакта с демпфирующей жидкостью. При возникновении вибрационного процесса в ЗВО 1 прикрепленный к нему шток 15 совершает колебания относительно корпуса 2 виброгасителя. Частотный сигнал от установленного на штоке 15 датчика 8 обрабатывается в БРУ 9. Управляющий сигнал с выхода последнего по линии 11 через усилитель УС 12 подается на обмотку 4 управления. Созданный ею магнитный поток изменяет вязкие свойства МРС 7, что приводит к изменению частотных параметров виброгасителя, соответствующему характеру вибрации ЗВО 1.
y
0
1
Возможность управления эффективностью гашения вибрации виброгасителем согласно полезной модели вытекает из следующих теоретических предпосылок. Приведенная на фиг.2 схема условно изображает виброгаситель поперечных колебаний ЗВО, представляющей собой стержневую конструкцию в виде системы с распределенными параметрами, обладающей конечной длиной l, изгибной жесткостью EJ, плотностью ρ и поперечным сечением F. В сечении с координатой X приложена возбуждающая вибрацию сила P(τ) а в сечении с координатой X установлен магнитожидкостный демпфер в качестве исполнительного элемента (ИЭ), предназначенного для гашения поперечных колебаний ЗВО (в дальнейшем «объект»).
Дифференциальное уравнение поперечных колебаний объекта имеет вид:
Здесь, в дополнение к отмеченным механическим параметрам объекта введены следующие обозначения:
X- продольная координата объекта;
τ - время;
z(Х, τ)- функция вертикального перемещения объекта;
1
h - коэффициент, характеризующий затухание в автономном состоянии объекта;
h - коэффициент, характеризующий затухание в контуре управления.
Силы сопротивления (диссипативные силы) объекта, при наличии которых происходит потеря энергии, определяются силами внешнего затухания, зависящими от сопротивления среды и силами затухания, зависящими от вязкости материала (внутреннее затухание).
Для последнего случая в первом приближении принимается гипотеза, что сила затухания пропорциональна первой степени скорости перемещения объекта в колебательном процессе.
1
Соответственно управляемый параметр h определяется вязкостью магнитожидкостной среды (МРС) электромеханического ИЭ. Здесь также принято, что сила затухания пропорциональна скорости перемещения объекта в колебательном процессе.
i
В расчетной схеме и в уравнении (1) принято также: k - управляемый параметр, определяющий жесткостные характеристики присоединенного магнитожидкостного ИЭ, δ(X-X), i=0,1 - функция Дирака, определяющая местоположение соответственно возмущающей силы и ИЭ.
Ниже выполняются преобразования с уравнением (1), определяется решение для функции перемещения Z(X, τ) с доведением до амплитудно-частотной характеристики и ее анализа в зависимости от параметров настройки ИЭ.
Для придания универсальности результатам решение и анализ удобно представить в безразмерном виде по геометрии и времени.
Введем безразмерные параметры:
Геометрия:
время:
После подстановки обозначений (2) и дополнительных преобразований исходное дифференциальное уравнение приобретет вид:
0
0
В исходном уравнении (1) рассматривается гармоническая возмущающая сила P(τ)=P cos ωτ, где P- амплитуда возмущающей силы, ω - частота вынужденных колебаний.
В преобразованном уравнении (3) принято:
где  - безразмерная частота возбуждения.
Решение уравнения (3) определяется в известном виде произведения двух функций - перемещения и времени:
где функция перемещений задается также в известном виде балочной функцией:
j
Здесь λ - «балочный» коэффициент, соответствующий J-ой форме поперечных колебаний объекта (J=1,2,…∞).
В результате прямых подстановок, а также с использованием свойства ортогональности балочных функций и свойств функции Дирака уравнение в частных производных (3) преобразуется к виду:
После введения дополнительных безразмерных обозначений:
получено обыкновенное дифференциальное уравнение вынужденных колебаний в виде:
1
j
Здесь, параметры ξ и ξ характеризуют диссипативные характеристики в комплексной системе объект-ИЭ виброгашения; k - жесткостные характеристики магнитожидкостного ИЭ; K - известная интегральная структура, зависящая от формы колебаний объекта.
После группировки обозначенных слагаемых и введения обозначений:
уравнение (9) окончательно преобразуется к стандартному виду:
j
1
Очевидно, что предельных своих значений коэффициенты, которые характеризуют диссипативные и жесткостные свойства комплексной системы объект - ИЭ, достигают при размещении ИЭ в пучности колебаний соответствующей формы движения объекта, т.е. в достижении максимума передаточной функции, т.е. при U(x)≈1. Действительно, в этом случае регулировочные параметры (10) приобретают максимальные значения.
При многоформовой вибрации объекта решение об оптимальном размещении ИЭ решается после проведения предварительного спектрального анализа, определения энергоемких форм движения и принятия компромиссного решения по расположению устройства для регулируемого гашения колебаний.
j
j
Таким образом, используя возможности вариабельности упругожесткостных и диссипативных свойств магнитожидкостного преобразователя, представляется возможным варьировать соответствующие параметры комплексной системы - параметры µ и η обыкновенного дифференциального уравнения колебательного типа (11).
При этом имеются два безразмерных отстроенных регулируемых  параметра:
Очевидно, что эффект максимальных возможностей виброзащитной системы определяется неравенствами вида:
Действительно, выражение для амплитуды колебаний системы (амплитудно-частотная характеристика) приобретает вид:
Д
где К- коэффициент динамичности.
Иначе, в развернутом виде
Приняв стандартные обозначения, в виде
выражение (15) приобретет стандартный для анализа вид
Для выражения фазочастотной характеристики соответственно:
1
Таким образом, принцип работы магнитожидкостного ИЭ в функции активного виброгасителя основан на управлении частотной расстройкой от режима вынужденных резонансных колебаний объекта посредством вариации жесткости связи ИЭ k (12, 16) и вязкостного трения ИЭ h (12, 16). Последнее достигается вариацией электромагнитного поля ИЭ в контуре отрицательной обратной связи.
1
В развернутом размерном виде выражение для амплитудно-частотной характеристики объекта при подключении ИЭ k≠0, h≠0, приобретает вид:
Соответствующая функция может быть заложена в БРУ 9 (фиг.1) для реализация частотно зависимого управления работой виброгасителя согласно полезной модели.
Источники информации:
1.Патент RU №2106551, 6F16F15/03,1999.
2. Патент RU №2188349, 7 F16F15/03,1999.