МАГНИТОУПРАВЛЯЕМАЯ ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ВИБРООПОРА
MAGNETICALLY CONTROLLED HYDRAULIC VIBRO BEARING

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к магнитореологическим амортизаторам, применяемым для демпфирования вибраций, создаваемых работающими силовыми агрегатами транспортных средств, стационарными энергетическими установками, противооткатными устройствами.
Известна гидравлическая виброопора, содержащая заполненные демпфирующей жидкостью рабочую и компенсационную камеры, ограниченные общим корпусом с закрепленной в нем разделительной перегородкой. Разделительная перегородка выполнена с внутренней полостью и дроссельными каналами, сообщающими внутреннюю полость с указанными камерами, из которых рабочая камера ограничена опорной платой и эластичной обечайкой, а компенсационная - мембраной (патент US 4650168 «Elastic engine mount with hydraulic damping» МПК F16F 9/08, от 17.03.87 г.). При действии на опорную плату внешнего вибросигнала за счет повысившегося внутреннего давления в рабочей камере и благодаря дроссельным каналам, соединяющим компенсационную и рабочую камеры через внутреннюю полость в перегородке, повышается давление в компенсационной камере. Поскольку это давление превышает атмосферное, то деформируется эластичная мембрана, ограничивающая снизу компенсационную камеру. За счет возникающей при этом разности давлений в рабочей и компенсационной камерах начинается процесс дросселирования рабочей жидкости по внутреннему кольцеобразному каналу. При смене полярности внешнего вибросигнала, т.е. во втором полупериоде действия вибронагрузки, движение жидкости в каналах происходит в обратном направлении. Для обеспечения смены направления циркуляции рабочей жидкости необходимо, прежде всего, остановить поток рабочей жидкости, а затем с возрастающим ускорением заставить ее двигаться в обратном направлении. Этот процесс способствует возрастанию времени переходных процессов в гидравлической виброопоре и расширяет, таким образом, петлю гистерезиса линий нагрузки и разгрузки виброопоры, что приводит к возрастанию диссипации энергии колебаний.
Недостатком данной виброопоры является различная эффективность демпфирования в каждом полупериоде входного вибросигнала. Кроме того повышается доля нелинейных искажений выходного вибросигнала, поскольку гармонический сигнал превращается в искаженный меандр. Происходит «перекачка» энергии низкочастотного гармонического входного вибросигнала в энергию высокочастотных, кратных основной, гармоник. Это приводит к тому, что высокочастотные составляющие, распространяясь по жестким элементам конструкции транспортного средства, трансформируются в изгибные волны и служат источниками внутреннего шума. Еще один недостаток описанной виброопоры заключается в том, что при низких температурах рабочая жидкость имеет неньютоновские свойства. Поэтому для обеспечения качественного демпфирования при низких температурах необходимо затратить добавочное время для придания ей ньютоновских свойств во всех режимах и организовать ее интенсивное движение по кольцеобразному каналу. Наконец, в данной конструкции гидравлической виброопоры имеются области, в которых остаются невозмущенные слои рабочей жидкости, не участвующие в поглощении энергии внешнего вибросигнала. Это явление ограничивает функциональные возможности гидравлической виброопоры и снижает эффект виброгашения на низких частотах входного вибросигнала. Таким образом, данная виброопора обладает невысокой надежностью и ресурсом, так как повышенная амплитуда входного вибросигнала при ударных нагрузках приводит к быстрому разрушению виброопоры.
По патенту DE 3526607 «Elastic mount with hydraulic damping», МПК F16F 13/00 от 29.01.1987 г. известна гидравлическая виброопора, содержащая заполненные демпфирующей жидкостью рабочую и компенсационную камеры, ограниченные общим корпусом с закрепленной в нем разделительной перегородкой, снабженной средствами сообщения камер. Рабочая камера ограничена опорной платой и эластичной обечайкой, а компенсационная - мембраной. Средства сообщений между камерами выполнены в виде полостей и дроссельных каналов, размещенных в разделительной перегородке.
В первом полупериоде входного гармонического вибросигнала при направлении нагрузки вертикально вниз рабочая жидкость из рабочей камеры вытесняется в компенсационную камеру. В процессе дросселирования по каналам разделительной перегородки из рабочей камеры в компенсационную жидкость движется по закручивающейся к центру разделительной перегородки спирали, выход которой расположен рядом с центром разделительной перегородки. Движение жидкости по каналу происходит с возрастающим сопротивлением за счет центробежных сил инерции. Это приводит к тому, что повышающееся сопротивление току жидкости в первом полупериоде снижает линейность характеристики, и рабочая жидкость выбрасывается в компенсационную камеру, имея повышенную температуру, которая тем выше, чем больше сопротивление потоку. Высокая температура рабочей жидкости негативно влияет на гибкую резиновую мембрану, повышая с течением времени ее твердость. Во втором полупериоде, когда направление внешней нагрузки меняет полярность, начинается обратный процесс дросселирования рабочей жидкости из компенсационной камеры в рабочую. При этом в центре разделительной перегородки происходит всасывание рабочей жидкости, которая, не взаимодействуя с периферийными областями рабочей жидкости, поступает через окно в заборную полость и далее в рабочую камеру. Поскольку в компенсационной камере отсутствует конвективный теплообмен между слоями рабочей жидкости, отвод тепловой энергии разделительной перегородкой малоэффективен. Это приводит к тому, что жидкость, поступающая в рабочую камеру, имеет повышенную температуру. Вследствие этого снижается ее вязкость и динамическая жесткость виброопоры в целом. Поэтому происходит неравномерное гашение вибрации в первом и втором полупериодах входного гармонического вибросигнала. А это означает, что спектр выходного сигнала обогащается дополнительными высокочастотными гармоническими составляющими, которые не способствуют снижению уровня шума.
Еще один недостаток данной виброопоры заключается в том, что и в рабочей, и в компенсационной камерах имеются области невозмущенного состояния рабочей жидкости, объем которых по отношению к суммарному объему рабочей и компенсационной камер достигает 50%. Это значительно снижает функциональные возможности виброопоры.
По патенту RU 2135855 «Гидравлическая виброопора», МПК F16F 5/00, F16F 9/10 от 20.08.1997 г. известна виброопора, содержащая заполненные демпфирующей жидкостью рабочую и компенсационную камеры, ограниченные общим корпусом с закрепленной в нем металлической разделительной перегородкой. Перегородка выполнена 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. Рабочая камера ограничена опорной платой и эластичной обечайкой, а компенсационная - мембраной. При этом 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 торообразной формы и тангенциально примыкающей к этим каналам. В первом полупериоде входного гармонического вибросигнала движение демпфирующей жидкости через диффузорные дроссельные каналы осуществляется из рабочей камеры в компенсационную. Пока предельное напряжение сдвига в рабочей жидкости не достигло критической величины, протекание рабочей жидкости через дроссельные каналы затруднено из-за значительной ее вязкости. Благодаря резким границам раздела сред на нижней стороне разделительной перегородки даже при незначительном повышении давления на опорную плату, у острых кромок на выходе каналов в компенсационную камеру возникают резкие градиенты сдвиговых напряжений, вызывающие возмущение вязкопластичной среды и перемещение слоев жидкости относительно друг друга. Располагая тангенциально направленные дроссельные каналы под различными углами к образующей торообразной полости, спиралеобразные шнуры и потоки будут обладать разной длиной шагов, что вызовет интенсивный конвективный теплообмен. Во втором полупериоде направления векторов статической и динамической нагрузок находятся в противофазе. Поскольку диффузоры в перегородке имеют прямой выход в рабочую камеру, то поток жидкости здесь не образует турбулентных участков. Сопротивление потоку рабочей жидкости в верхнюю рабочую камеру во втором полупериоде будет превышать сопротивление потоку через эти же каналы в компенсационную камеру в первом полупериоде. Дополнительное сопротивление потоку компенсирует уменьшение жесткости эластичной обечайки во втором полупериоде входного воздействия и общая жесткость гидравлической виброопоры остается практически постоянной.
Недостатком данной виброопоры является ее небольшой рабочий ресурс. Из-за того что масса нагретой части жидкости, поступающей через диффузоры в рабочую камеру значительно превышает массу охлажденной жидкости, поступающей через дроссельные каналы, внутренняя часть эластичной обечайки виброопоры сильно нагревается, понижая ее рабочий ресурс. Кроме того, на границе рабочей камеры с разделительной перегородкой имеются области с невозмущенными и маловозмущенными состояниями. Наличие внутри гидравлической виброопоры невозмущенных областей демпфирующей жидкости снижает демпфирующие характеристики виброопоры, поскольку не полностью поглощается энергия колебаний от внешнего источника. К тому же данная виброопора недостаточно эффективно поглощает энергию высокочастотных гармонических составляющих (свыше 500 Гц) входного вибросигнала. 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.
Ближайшим аналогом разработанного устройства является устройство, известное по патенту RU 2407929 «Гидравлическая виброопора», МПК F16F 13/08 от 17.07.2009 г. Гидравлическая виброопора содержит заполненные демпфирующей магнитореологической жидкостью рабочую и компенсационную камеры, ограниченные общим корпусом с закрепленной в нем металлической разделительной перегородкой. Перегородка выполнена с периферийной кольцевой полостью и тангенциально примыкающими к ней и камерам дроссельными каналами, и с промежуточной камерой с дополнительными дроссельными каналами в ее средней части. При этом рабочая камера ограничена опорной платой и эластичной обечайкой, а компенсационная - мембраной. Виброопора имеет выполненную внутри металлической разделительной перегородки перемычку с капиллярами, соединяющими рабочую и компенсационную камеры, и периферийную кольцевую полость соединенную каналами с промежуточной камерой. Дополнительно она снабжена двумя соленоидами, которые через усилитель мощности последовательно соединены с фазовращателем, согласующим усилителем и акселерометром. А выход согласующего усилителя соединен с осциллографом и блоком управления, который в свою очередь, соединен с фазовращателем. Соленоид может быть выполнен в виде отдельных электромагнитов, расположенных на противоположных сторонах разделительной перегородки с противоположными полюсами.
При стационарной работе любого силового агрегата (источника вибрации) на виброопору действует знакопеременное давление. В первом полупериоде входного периодического вибросигнала динамическая нагрузка совпадает со статической. Тогда давление с учетом несжимаемости жидкости в рабочей и компенсационной камерах резко возрастает, что приводит к растяжению гибкой мембраны. Возникший перепад давлений приводит к движению жидкости из рабочей камеры через дроссельные каналы в кольцевую и промежуточную камеры. Во втором полупериоде воздействия на виброопору входного вибросигнала давление в камерах понижается, и все описанные процессы проходят в обратном порядке. Благодаря разности давлений в рабочей и компенсационной камерах через дроссельные каналы жидкость поступает из кольцевой и промежуточной полостей в рабочую камеру. При поступлении рабочей жидкости из компенсационной камеры через дроссельные каналы в кольцеобразную и промежуточную камеры в последних, благодаря тангенциальным вводам каналов, создаются встречные спиралеобразные потоки, как и в первом полупериоде.
Недостатком описанной виброопоры является невозможность контролирования вязкости демпфирующей магнитореологической жидкости, поскольку действие магнитного поля эффективно лишь в области его неоднородности (приблизительно на половине длины дроссельных каналов, выполненных в виде капилляров). Дроссельные каналы, выполненные в диамагнитной металлической разделительной перегородке за пределами соленоидов, еще в меньшей степени подвергаются действию магнитного поля. Кроме того, в промежуточных камерах, расположенных внутри перегородки, магнитореологическая жидкость не подвергается действию магнитного поля, и со временем там образуется осадок магнитных частиц из магнитореологической жидкости. При ударных нагрузках на виброопору этот осадок взбалтывается, и твердые частички попадают в дроссельные каналы, расположенные за пределами действия магнитного поля. Такое явление вызывает «тромбы» в этих каналах. И таким образом снижается эффективность и надежность работы магнитоуправляемой гидравлической виброопоры.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение эффективности и надежности работы магнитоуправляемой гидравлической виброопоры за счет управления вязкостью демпфирующей магнитореологической жидкости при ее движении во всей рабочей зоне.
Указанный технический результат достигается благодаря тому, что разработанная магнитоуправляемая гидравлическая виброопора также, как и виброопора, которая является ближайшим аналогом, содержит заполненные демпфирующей магнитореологической жидкостью рабочую и компенсационную камеры, ограниченные общим корпусом с закрепленной в нем диамагнитной металлической разделительной перегородкой, при этом рабочая камера ограничена опорной платой и эластичной обечайкой, а компенсационная - мембраной, внутри диамагнитной металлической разделительной перегородки выполнены дроссельные каналы, соединяющие рабочую и компенсационную камеры.
Новым в разработанной магнитоуправляемой гидравлической виброопоре является то, что диамагнитная металлическая разделительная перегородка выполнена в виде двух коаксиальных цилиндров, размещенных внутри сердечника с обмотками индуктора, смещенными друг относительно друга на 360/n градусов, где n=3, 6, 12, а дроссельными каналами, соединяющими рабочую и компенсационную камеры, служат продольные каналы, выполненные в центральной части внутреннего коаксиального цилиндра и цилиндрический зазор между внутренним и внешним коаксиальными цилиндрами, причем длина каждого продольного канала равна длине окружности основания внутреннего коаксиального цилиндра, к тому же в верхнем и нижнем основаниях внешнего коаксиального цилиндра выполнены отверстия, соединяющие цилиндрический зазор с рабочей и компенсационной камерами, при этом обмотки индуктора подключены к преобразователю переменного напряжения, на вход которого поступает сигнал с первого акселерометра, прикрепленного к опорной плате, а второй акселерометр, расположенный на выходе магнитоуправляемой гидравлической виброопоры, соединен с регистратором выходного сигнала.
В первом частном случае реализации разработанного устройства отверстия, соединяющие цилиндрический зазор с рабочей и компенсационной камерами, выполнены в верхнем и нижнем основаниях внешнего коаксиального цилиндра равномерно по окружностям.
Во втором частном случае реализации разработанного устройства отверстия, соединяющие цилиндрический зазор с рабочей и компенсационной камерами, выполнены в верхнем и нижнем основаниях внешнего коаксиального цилиндра группами в сегментах расположения обмоток индуктора.
На фиг. 1 представлена схема реализации разработанной магнитоуправляемой гидравлической виброопоры.
На фиг. 2 представлены волновые диаграммы токов трехфазных обмоток индуктора.
Разработанная магнитоуправляемая гидравлическая виброопора состоит из заполненных демпфирующей магнитореологической жидкостью рабочей камеры 1 и компенсационной камеры 2, ограниченных общим корпусом 3. Кроме того, рабочая камера 1 ограничена опорной платой 4 и эластичной обечайкой 5, а компенсационная камера 2 - мембраной 6. В корпусе 3 виброопоры закреплена диамагнитная металлическая разделительная перегородка, выполненная в виде двух коаксиальных цилиндров (внутреннего коаксиального цилиндра 7 и внешнего коаксиального цилиндра 8), размещенных внутри сердечника 9 с обмотками 10 индуктора. В центральной части внутреннего коаксиального цилиндра 7 выполнены продольные каналы 11, соединяющие рабочую камеру 1 и компенсационную камеру 2. К тому же между внутренним коаксиальным цилиндром 7 и внешним коаксиальным цилиндром 8 выполнен цилиндрический зазор 12, также соединяющий рабочую камеру 1 и компенсационную камеру 2.
В верхнем и нижнем основаниях внешнего коаксиального цилиндра 8 выполнены входные отверстия 13 и, соответственно, выходные отверстия, соединяющие цилиндрический зазор 12 с рабочей камерой 1 и компенсационной камерой 2.
В частном случае реализации разработанного устройства входные отверстия 13 и выходные отверстия выполняют в верхнем и нижнем основаниях внешнего коаксиального цилиндра 8 равномерно по окружностям. Этот способ размещения отверстий прост в реализации, что удешевляет устройство в целом.
В другом частном случае для более эффективного управления магнитореологической жидкостью магнитными полями, создаваемыми обмотками 10 индуктора, входные отверстия 13 и выходные отверстия выполняют в верхнем и нижнем основаниях внешнего коаксиального цилиндра 8 в сегментах расположения обмоток 10 индуктора.
При действии на опорную плату 4 внешней силы сверху вниз, в первом полупериоде, деформируемая обечайка 5 создает повышенное давление в рабочей камере 1. Так как демпфирующая магнитореологическая жидкость, заполняющая внутренний объем корпуса 3, является несжимаемой, то деформируется упругая мембрана 6. Поэтому уменьшается объем рабочей камеры 1. Вследствие этого часть демпфирующей магнитореологической жидкости из рабочей камеры 1 выталкивается через входные отверстия 13 в цилиндрический зазор 12 и далее через выходные отверстия в компенсационную камеру 2. Другая часть магнитореологической жидкости из рабочей камеры 1 поступает в компенсационную камеру 2 через продольные каналы 11.
Кроме того, при действии знакопеременной нагрузки на опорную плату 4, появляется электрический сигнал с первого акселерометра 14, прикрепленного к опорной плате 4. Этот сигнал поступает на вход преобразователя переменного напряжения 15 и далее на обмотки 10 индуктора. Возникающее при этом магнитное поле в цилиндрическом зазоре 12 действует на находящуюся в нем демпфирующую магнитореологическую жидкость. Кроме поступательного движения возникает и вращательное движение магнитореологической жидкости с частотой равной частоте основной гармоники входного вибросигнала.
Регулирование вязкости демпфирующей магнитореологической жидкости в заявленной магнитоуправляемой гидравлической виброопоре осуществляют за счет изменения напряженности вращающегося магнитного поля, ортогонального по отношению к направлению движения демпфирующей магнитореологической жидкости во всех дроссельных каналах, соединяющих рабочую камеру 1 и компенсационную камеру 2, то есть в продольных каналах 11 и в цилиндрическом зазоре 12. Для создания вращающегося магнитного поля в цилиндрическом зазоре 12 виброопоры используют сердечник 9 с обмотками 10 индуктора, подключенные к преобразователю переменного напряжения 15. Сердечник 9 с обмотками 10 индуктора выполняют роль статора асинхронного двигателя. В роли ротора выступает магнитореологическая жидкость, заполняющую пространство между внутренним коаксиальным цилиндром 7 и внешним коаксиальным цилиндром 8.
A
B
C
A
B
C
Обмотки 10 индуктора могут быть смещены друг относительно друга на 360/n градусов, где n=3, 6, 12. В частном случае при n=3 обмотки 10 индуктора смещены друг относительно друга на 120 градусов. На трехфазные обмотки 10 индуктора подают синусоидальное входное напряжение с преобразователя переменного напряжения 15. Напряжения U, U и U в фазах вызывают соответствующие токи I, I и I, сдвинутые на 120 градусов по отношению друг к другу. Магнитные поля, возбуждаемые токами обмоток 10 индуктора, также сдвинуты по фазе на 120 градусов. Таким образом, они создают вращающееся магнитное поле, которое позволяет поддерживать вязкость демпфирующей магнитореологической жидкости однородной по всему ее объему, находящемуся в продольных каналах 11 и в цилиндрическом зазоре 12.
Этот частный случай применения трехфазных обмоток 10 индуктора является простым и дешевым в изготовлении. При n=6, 12 обмотки 10 индуктора будут соответственно шестифазными и двенадцатифазными. Применение многофазных обмоток индуктора, более трех фаз, связано с усложнением технологии изготовления магнитоуправляемой гидравлической виброопоры. Однако применение шестифазных и двенадцатифазных обмоток индуктора позволяет повысить точность управления магнитным полем в переходных режимах, в моменты пуска, реверса и достичь более надежной работы в случае обрыва одной из фазовых обмоток.
При идеализации трехфазных обмоток 10 индуктора вращение магнитного поля является равномерным и осуществляется с частотой питающего напряжения, деленной на число пар полюсов трехфазной машины. Например, при питании индуктора с одной парой полюсов напряжением с частотой 50 Гц частота вращения магнитного поля составит также 50 Гц.
Магнитное поле, проходя через демпфирующую магнитореологическую жидкость, увеличивает ее вязкость за счет действия магнитных сил. Эти силы заставляют магнитные частицы выстраиваться вдоль линий магнитной индукции, одновременно повышая гидравлическое сопротивление в зазоре. Поскольку магнитореологическая жидкость является диэлектриком ввиду диспергирования частиц поверхностно-активными веществами в диэлектрической среде, то вихревые токи в ней практически отсутствуют. Для правильной работы магнитоуправляемой гидравлической виброопоры это условие является весьма важным.
Таким образом, движение рабочей жидкости в продольных каналах 11 и в цилиндрическом зазоре 12 происходит по спирали, что приводит к дополнительному трению и снижению седиментации. Второй акселерометр 16 преобразует демпфированный сигнал в электрический сигнал, поступающий на регистратор. По значению и спектру выходного сигнала со второго акселерометра 16 судят о результатах демпфирования. Выходной сигнал второго акселерометра 16 и входной сигнал первого акселерометра 14 сравнивают по амплитудам и спектрам. Результат демпфирования определяют по формуле:
где ΔA - результат демпфирования, выраженный в децибелах (дБ),
вх
А - входной вибросигнал регистрируемый первым акселерометром 14,
вых
А - выходной сигнал регистрируемый вторым акселерометром 16.
В конкретной реализации магнитоуправляемой гидравлической виброопоры внешний и внутренний коаксиальные цилиндры выполнены из латуни. Цилиндрический зазор между ними составил 1,5 мм. Внешний и внутренний коаксиальные цилиндры размещены внутри сердечника, выполненного из листов электротехнической стали. Корпус виброопоры изготовлен из стали Ст 3. Проведенные испытания в частотном диапазоне от 10 Гц до 100 Гц показали эффективность данной виброопоры порядка 25-30 децибел.
Таким образом, применение управляемого вращающегося магнитного поля, направленного по нормали к направлению движения демпфирующей магнитореологической жидкости в дроссельных каналах (в продольных каналах и в цилиндрическом зазоре), позволяет контролировать вязкость демпфирующей магнитореологической жидкости и исключать возможность выпадения в осадок частичек магнитореологической жидкости, достигая, таким образом, повышенной эффективности и надежности работы магнитоуправляемой гидравлической виброопоры.