ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ВИБРООПОРА

Полезная модель относится к области машиностроения, в частности, к гидравлическим виброопорам, применяемым для демпфирования вибраций, создаваемых работающими силовыми агрегатами транспортных средств и стационарных энергетических установок.
Известна гидравлическая виброопора, содержащая заполненные демпфирующей жидкостью рабочую и компенсационную камеры, ограниченные общим корпусом с закрепленной в нем металлической разделительной перегородкой, выполненной как с периферийной кольцевой полостью и дроссельными каналами, тангенциально примыкающими к ней и камерам, так и с дополнительными дроссельными каналами в ее средней части, сообщающими полость с указанными камерами, из которых рабочая камера ограничена опорной платой и эластичной обечайкой, а компенсационная мембраной. В средней части разделительной перегородки выполнены дополнительные дроссельные каналы диффузорного типа, сообщающие камеры и обращенные диффузорами в сторону, противоположную компенсационной камере, периферийная часть которой выполнена горообразной формы и тангенциально примыкающей к этим каналам (Патент Российской Федерации №2135855, МПК F 16 F 5/00, 9/10, опубл. 27.08.99., Бюл. №24).
К недостаткам известной виброопоры можно отнести относительно невысокие долговечность и эффективность виброгашения, шум при работе.
Указанные недостатки объясняются следующим. Нагретая часть рабочей жидкости, поступая, через диффузоры в верхнюю рабочую камеру, за счет высокой теплопроводности быстро передает тепло ненагретой вращающейся части жидкости. При этом внутренняя часть эластичной обечайки виброопоры сильно нагревается, понижая ее рабочий ресурс. Так как протяженность диффузоров, в среднем, на порядок меньше, чем тракт "дроссельные каналы - кольцевая полость дроссельные каналы", масса нагретой части жидкости, поступающей через диффузоры, значительно превышает массу охлажденной жидкости, поступающей через дроссельные каналы в рабочую камеру. Этот эффект проявляется наиболее сильно при возрастании амплитуды внешнего вибросигнала, а значит усиливается негативное воздействие высоких температур на внутреннюю поверхность обечайки.
Во-вторых, в объеме рабочей камеры имеются области с невозмущенными и маловозмущенными состояниями. Например, на границе рабочей камеры с разделительной перегородкой. Наличие внутри гидравлической виброопоры невозмущенных областей рабочей жидкости снижает ее демпфирующие характеристики, поскольку не полностью поглощается энергия колебаний от внешнего источника.
2
Кроме этого данная виброопора недостаточно эффективно поглощает энергию высокочастотных гармонических составляющих (свыше 500 Гц) входного бибросигнала. В основном поглощение этой энергии происходит за счет структурного демпфирования в обечайке. Но часть ее, иногда значительная, передается от опорной платы на вытеснитель и затем излучается в виде продольных волн в заполненную жидкостью рабочую камеру. Поскольку конвективные и турбулентные потоки в рабочей камере имеют скорости значительно меньше звуковой, то спектральные составляющие вибросигнала свыше 500 Гц поглощаются жесткой перегородкой и передаются на корпус гидроопоры, а затем уже в виде изгибных волн распространяются по жестким элементам транспортного средства. Изгибные волны в узлах транспортного средства являются источниками акустического шума. Дроссельные каналы с диффузорами, обращенными в сторону рабочей камеры, прекращают функционировать уже на частотах 200 Гц. Так, например, при входном вибрационном сигнале со среднеквадратичным значением по ускорению 40 м/с перемещение опорной платы составит порядка 30 микрон. Учитывая, при этом деформацию обечайки в радиальном направлении, составляющую не более 10% от смещения опорной платы, дросселирование рабочей жидкости через каналы с диффузорами прекратится, что снижает эффективность виброгашения.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемой полезной модели является гидравлическая виброопора -Свидетельство на полезную модель №16532, F 16 F 5/00, опубл. 10.01.2001., Бюл. №1, выбранная в качестве ближайшего аналога.
Известная виброопора содержит заполненные демпфирующей жидкостью рабочую и компенсационную камеры, ограниченные общим корпусом с закрепленной в нем разделительной перегородкой, выполненной как с периферийной кольцевой полостью и тангенциально примыкающими к ней и камерам дроссельными каналами, так и с промежуточной камерой с дополнительными дроссельными каналами, сообщающими указанные камеры, из которых рабочая камера ограничена опорной платой и эластичной обечайкой, а компенсационная мембраной. В промежуточную камеру установлена периферийная часть гибкой диафрагмы "Н" - образного сечения, разделяющей рабочую и компенсационную камеры.
Известная виброопора обладает достаточно высокой надежностью и низким уровнем шума при работе. Однако, в процессе эксплуатации данной виброопоры, выявлен ряд недостатков, основные из которых следующие: снижение демпфирования на низких частотах, недостаточно широкий спектр высокочастотных гармоник вибросигнала, подлежащих гашению, недостаточно высокая долговечность.
2
Снижение демпфирования на частотах в несколько Гц обусловлено тем, что при действии на опорную плату знакопеременных нагрузок промежуточная "Н"-образная гибкая диафрагма деформируется и часть рабочей жидкости, которая находится в возникшем при деформации объеме, не участвует в процессе дросселирования. При возрастающих амплитудах входного вибросигнала порядка 30 м/с и при ударах, когда нагрузки могут увеличиться на порядок, прогиб "Н"-образной гибкой диафрагмы достигает 3-4 мм, что сравнимо с деформацией обечайки гидроопоры. При этом объем рабочей жидкости, заполняющей деформированную полость, может составлять 30-40% от всего объема, вытесненной жидкости. Это приводит к снижению демпфирующих характеристик виброопоры на низких (3-15 Гц) частотах.
Гибкая "Н"- образная диафрагма снижает теплоотвод от центрально расположенных областей в рабочей и компенсационной камерах. Вследствие повышения температуры рабочей жидкости в этих областях до 70-100° и выше начинается процесс полимеризации гибкой диафрагмы, расположенной в перегородке, обечайки и мембраны, ограничивающей снизу компенсационную камеру. Поскольку полимеризация указанных элементов повышает жесткость гидроопоры в целом, снижается ее деформация, уменьшается прогиб обечайки и, следовательно, уменьшается объем рабочей жидкости, участвующий в процессе дросселирования, что приводит к снижению демпфирующих характеристик виброопоры во всем диапазоне частот входного вибросигнала. Полимеризация промежуточной "Н"-образной диафрагмы ведет к двум противоположным по своему действию эффектам. Во-первых, повышается жесткость перегородки и некоторая часть рабочей жидкости, заполнявшая деформированный объем, начинает участвовать в процессе дросселирования и на частотах 3-15 Гц улучшаются демпфирующие характеристики. Во-вторых, снижается подавление шума на частотах 1300-2500 Гц, так как диафрагма становится жесткой и четвертьволновые трансформаторы на данных частотах работают неэффективно.
Кроме этого, полимеризация промежуточной "Н"-образной диафрагмы на высоких частотах входных вибросигналов вызывает появление дополнительных напряжений на участках ее наибольшей деформации, которые нарушают внутреннюю структуру мембраны и снижают ресурс ее работы. Такое явление снижает долговечность виброопоры в целом.
Кроме отмеченных недостатков следует обратить внимание на геометрическую форму промежуточной камеры в разделительной перегородке. Поперечное сечение промежуточной камеры представляет собой прямоугольник. Дроссельные каналы, соединяющие промежуточную камеру с рабочей и компенсационной камерами, для создания вихревого потока в промежуточной камере должны быть направлены в нее тангенциально по углом к ее поверхности в 20-30°, что технически трудно осуществимо и требует специальной технологической оснастки. Главным недостатком этого технического решения является ограниченный частотный диапазон. Демпфирование колебаний на частотах свыше 100 Гц малоэффективно.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является улучшение демпфирующих характеристик виброопоры во всем рабочем диапазоне частот, расширение действующего частотного диапазона и повышение ее долговечности.
Указанный технический результат достигается тем, что в гидравлической виброопоре, содержащей заполненные демпфирующей жидкостью рабочую и компенсационную камеры, ограниченные общим корпусом с закрепленной в нем разделительной перегородкой, выполненной как с периферийной кольцевой полостью и тангенциально примыкающими к ней и камерам дроссельными каналами, так и с промежуточной камерой с дополнительными дроссельными каналами, сообщающими указанные камеры, из которых рабочая камера ограничена опорной платой и эластичной обечайкой, а компенсационная мембраной, согласно полезной модели, разделительная перегородка снабжена перемычкой с капиллярами, непосредственно соединяющими рабочую и компенсационную камеры, а периферийная кольцевая полость соединена каналами с промежуточной камерой.
Также, капилляры в перемычке выполнены различного диаметра.
Кроме того, промежуточная камера может быть выполнена эллиптического сечения
Также, промежуточная камера может быть выполнена кругового сечения с меньшим диаметром, чем кольцевая полость.
Каналы, соединяющие кольцевую полость и промежуточную камеру, выполнены с тангенциальными вводами.
Предлагаемое устройство поясняется чертежом, на котором представлен общий вид гидравлической виброопоры в разрезе.
Гидравлическая виброопора содержит корпус 1, прикрепленную к верхней части корпуса 1 эластичную обечайку 2 с опорной платой 3. В корпусе 1 закреплена разделительная перегородка 4, выполненная из материала, обладающего высокой теплопроводностью, например металла. К нижней части корпуса 1 прикреплена эластичная мембрана 5 и поддон 6, предохраняющий мембрану 5 от механических повреждений. Между
мембраной 5 и поддоном 6 образована воздушная полость 7. В корпусе 1 образованы также, герметично закрытые и заполненные демпфирующей жидкостью, рабочая 8 и компенсационная 9 камеры. Разделительная перегородка 4 выполнена как с периферийной кольцевой полостью 10 и тангенциально примыкающими к ней и камерам 8 и 9 дроссельными каналами 11, так и с промежуточной камерой 12 с дополнительными дроссельными каналами 13, сообщающими указанные камеры 8 и 9. При этом рабочая камера 8 ограничена опорной платой 3 и эластичной обечайкой 2, а компенсационная камера 9 эластичной мембраной 5. Разделительная перегородка 4 снабжена перемычкой 14 с капиллярами 15, непосредственно соединяющими рабочую 8 и компенсационную 9 камеры. Периферийная кольцевая полость 10 соединена каналами 16 с промежуточной камерой 12. Капилляры 15 в перемычке выполнены различного диаметра. Сечение промежуточной камеры может быть выполнено в виде эллипса или круга, при этом, во втором случае диаметр круга выполняется меньшим диаметра периферийной кольцевой полости 10. Каналы 16, соединяющие периферийную кольцевую полость 10 и промежуточную камеру 12, выполнены с тангенциальными вводами. Гидравлическая виброопора работает следующим образом. При воздействии на опорную плату 3 статической нагрузки от установки силового агрегата транспортного средства эластичная обечайка 2 деформируется, и объем рабочей камеры 8 несколько уменьшается. Это вызывает повышение давления рабочей жидкости и в компенсационной камере 9, что приводит к деформации эластичной мембраны 5 и увеличению объема компенсационной камеры 9. Вследствие возникшего перепада давлений в рабочей 8 и компенсационной 9 камерах масса жидкости, распределенная в периферийной кольцевой полости 10 и промежуточной камере 12 разделительной перегородки 4, начинает через дроссельные каналы 11 и 13 поступать в компенсационную камеру 9. Поскольку рабочая жидкость практически несжимаема, то одновременно через дроссельные каналы 11 и 13 она поступает в полость 10 и камеру 12 из рабочей камеры 8. Этот процесс закончится только тогда, когда сила статического давления неработающего силового агрегата уравновесит силу сопротивления эластичной обечайки 2. Жесткость обечайки 2 выбирается из условия максимального использования диссипации энергии колебаний в заполняющей виброопору реологической среде-рабочей жидкости. При этом потери энергии в обечайке 2 должны быть минимальными, чтобы не допустить ее нагрева. С учетом силы давления на виброопору силового агрегата и силы сопротивления обечайки при статической нагрузке объемы рабочей 8 и компенсационной 9 камер должны быть равными. Это условие является необходимым, но не достаточным для оптимальной работы виброопоры и увеличения ее ресурса. Для этого еще необходим интенсивный отвод тепла
нагревающейся при работе жидкости. Он обеспечивается выполнением в разделительной перегородке 4 периферийной полости 10 и промежуточной камеры 12, соединенных друг с другом. Именно в указанных полости и камере при наличии сил внутреннего трения при дросселировании и турбулизации потоков нагрев жидкости наибольший. Но, благодаря высокой теплопроводности разделительной перегородки 4 корпуса 1, негативного воздействия на обечайку 2 и эластичную мембрану 5, ограничивающую снизу компенсационную камеру 9, он не оказывает.
При работе силового агрегата, возбуждающего вибрации с широким спектром гармонических составляющих, на виброопору действует знакопеременное давление. Работающий, например, двигатель внутреннего сгорания возбуждает основную гармонику на частоте вращения коленвала, которая энергетически превышает остальные на 15-20 децибел. Следовательно, процесс изменения внешнего давления при стационарной работе силового агрегата можно считать гармоническим.
Условно считаем, что в первый полупериод входного гармонического вибросигнала динамическая нагрузка совпадает со статической. Тогда давление, с учетом несжимаемости жидкости в рабочей 8 и компенсационной 9 камерах резко возрастает, что приводит к растяжению эластичной мембраны 5. Возникший перепад давлений приводит к движению жидкости из рабочей камеры 8 через дроссельные каналы 11 и 13 в кольцевую 10 и промежуточную 12 камеры, где поступившие потоки благодаря тангенциальным вводам приобретают вращательное движение и возбуждают все слои жидкости в этих камерах. При длительной работе виброопоры, когда значительно повышается температура рабочей жидкости и уменьшается ее вязкость, скорость вращательного движения жидкости во всех камерах возрастает. Так как радиус сечения периферийной кольцевой полости 10 в несколько раз превышает радиус сечения промежуточной камеры 12 эллиптического сечения, то линейная скорость прилегающих к внутренней поверхности кольцевой полости 10 слоев не менее чем на порядок превышает линейную скорость слоев рабочей жидкости в промежуточной камере 12. В результате этого движения, давление в периферийной кольцевой полости 10 понижается относительно давления в промежуточной камере 12. За счет разности давлений жидкость из промежуточной камеры 12 начинает поступать через дроссельные каналы 16 в кольцевую полость 10. Происходит более интенсивный нагрев рабочей среды в этих полостях, а следовательно, за счет теплоотвода через металлические элементы, возрастает диссипация энергии внешнего вибросигнала. Одновременно, через дроссельные каналы 11 и 13, жидкость в виде вихревых шнуров выбрасывается в компенсационную камеру 9. Выходы каналов направлены также тангенциально, или близко к ним, к стенкам горообразной части компенсационной камеры 9 под некоторыми углами к
образующей тора. Это обеспечивает спиралеобразное движение вихревых шнуров жидкости в объеме тора. Для усиления эффекта турбулизации направления вихревых шнуров из кольцевой полости 10 и промежуточной камеры 12 противоположны друг другу. Это обеспечивается диаметрально противоположными выходами в горообразную полость дроссельных каналов 11 и 13.
8
В перемычке 14 с дроссельными каналами 15 происходят следующие процессы. Излучение акустических волн от работающего силового агрегата происходит постоянно в рабочую камеру 8 независимо от периода действия основной гармоники входного вибросигнала. Когда фронт акустического сигнала достигает перемычки 14 с дроссельными каналами 15, выполненными в виде капилляров, то волна поглощается перемычкой 14, так как импедансы первоначальной среды распространения в жидкости, заполняющей рабочую камеру 8 и перемычки 14 с капиллярами 15 совпадают. Это происходит при условии смачивания жидкостью внутренней поверхности капилляра. В то же время в перемычке 14 и, следовательно, в разделительной перегородке 4 не возбуждаются изгибные волны благодаря ее неоднородной структуре в продольном направлении. Необходимым условием запирания капилляров 15 на низких частотах, менее 15 Гц, является равенство диаметров капилляра и мениска для рабочей жидкости определенной вязкости. При заполнении виброопоры рабочей жидкостью типа ПМС-200 с динамической вязкостью μ=1,5·10 [P·с] - диаметр капилляров порядка 1,5 мм.
Во втором полупериоде воздействия на виброопору входного вибросигнала давление в камерах понижается. Поэтому объем рабочей камеры 8 увеличивается, а компенсационной 9 уменьшается. Благодаря разности давлений в рабочей 8 и компенсационной 9 камерах через дроссельные каналы 11 жидкость поступает из кольцевой полости 10 и промежуточной камеры 12 в рабочую камеру 8. Так как каналы 11 выполнены с тангенциальным к внутренней поверхности обечайки вводам в рабочую камеру 8, то сразу возникает вращательное движение жидкости. Вводы дроссельных каналов 13 в рабочую камеру направлены к ее центру и, таким образом, жидкость, выбрасываемая через них, возмущает оставшиеся слои в центре рабочей камеры 8.
При поступлении рабочей жидкости из компенсационной камеры 9 через дроссельные каналы 11 и 13 в кольцевую 10 и промежуточную 12 камеры в последних, благодаря тангенциальным вводам каналов, создаются встречные спиралеобразные потоки, как и в первом полу периоде.
Поглощение акустической энергии в данной конструкции виброопоры происходит прежде всего в обечайке 2, так как опорная плата 3, на которую передаются основные высокочастотные составляющие
спектра внешнего вибросигнала, полностью изолирована от рабочей камеры 8 эластичной обечайкой 2. Но некоторая доля высокочастотных составляющих через тонкий слой обечайки 2, покрывающей снизу опорную плату 3, излучается в жидкую среду, заполняющую рабочую камеру 8. Поскольку акустические волны, излучаемые в жидкие среды, являются продольными, то, достигая перемычки 14 с капиллярами 15, они в ней поглощаются не трансформируясь в изгибные волны. Поглощение акустических волн перемычкой 14 с капиллярами 15 происходит более интенсивно на всех частотах диапазона за счет равенства импедансов перемычки и рабочей жидкости.
Благодаря жесткой перемычке 14 с капиллярами 15 циркуляция рабочей жидкости между камерами на низких частотах происходит более интенсивно и вследствие этого возрастает диссипация энергии внешнего вибросигнала. На высоких частотах, более 50 Гц основную роль в диссипации вибросигнала выполняют капилляры 15, заполненные рабочей жидкостью. Жидкость в этих капиллярах действует аналогично инерционному трансформатору.