Пневматическая виброизолирующая опора
PNEUMATIC VIBRATION-ISOLATING SUPPORT

Изобретение относится к машиностроению и предназначено для защиты людей, приборов и механизмов от воздействия вибрации. Изобретение может быть использовано в системах виброизоляции стационарных объектов, а также кабин и отсеков, установленных на шасси транспортных средств и транспортно-технологических машин и комплексов.
Известна пневматическая виброизолирующая опора, включающая внешнюю обойму, внутренний пуансон и пневматический упругий элемент в виде двух тороидальных эластичных армированных элементов, которые расположены оппозитно друг другу, имеют замкнутый контур с поперечным сечением в виде окружности (Патент US №2883131, опубликован 21.04.1959, МПК F16F 15/023/).
Недостатками данной виброизолирующей опоры являются:
1) малый рабочий ход в осевом и боковом направлениях;
2) высокая осевая и боковая жесткость;
3) недостаточная угловая жесткость;
4) в случае утечки газа из герметичной полости возможны неконтролируемые перемещения объекта виброзащиты;
5) невозможность регулирования уровня упругодемпфирующих свойств.
Известен упругодемпфирующий элемент для подвесок транспортных средств (Патент RU №2184889, опубликован 10.07.2002, МПК F16F 9/04). Устройство упругодемпфирующего элемента включает эластичный армированных элемент в форме усеченной сферы с разомкнутым поперечным профилем, внешнюю обойму, которую формируют крышка и распорка, и внутренний пуансон с регулируемым дросселем. Сопряжение эластичного армированного элемента с внешней обоймой и внутренним пуансоном образуют герметичную полость, уровень давления газа в которой определяет основные эксплуатационные свойства упругодемпфирующего элемента. Давление газа в герметичной полости элемента возможно регулировать за счет закачивания газа через золотниковой устройство.
Основным недостатком данного упругодемпфирующего элемента являются недостаточная угловая и боковая жесткость.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является пневматическая виброизолирующая опора (Авторское свидетельство СССР №1677405, опубликовано 15.09.1991, МПК F16F 9/04), содержащая: внешнюю обойму со сферической полостью; внутреннего пуансона в виде сферического поршня, связанного посредством штока с опорной площадкой объекта виброизоляции; заполненный сжатым газом пневматический упругий элемент в виде эластичного армированного элемента с замкнутым контуром и тороидальной формы. Пневматический упругий элемент размещен в корпусе виброизолирующей опоры и охватывает часть поверхности сферического внутреннего пуансона.
Недостатками данной виброизолирующей опоры являются:
1) высокая стоимость из-за необходимости применения сложных технологий изготовления пневматического упругого элемента тороидальной оболочки с замкнутым контуром;
2) низкая долговечность пневматического упругого элемента из-за процессов трения и износа в местах его сопряжения с внешней обоймой и внутренним пуансоном;
3) недостаточная угловая жесткость;
4) в случае утечки газа из пневматического упругого элемента возможны неконтролируемые перемещения объекта виброзащиты;
5) невозможность регулирования уровня упругодемпфирующих свойств.
Несмотря на выделенные недостатки последнее техническое решение по своей технической сущности наиболее близко предлагаемому и принято в качестве прототипа.
Задачей изобретения является - снижение стоимости конструкции виброизолирующей опоры, повышение ее надежности, улучшение эксплуатационных показателей и обеспечение возможности их регулирования в процессе эксплуатации.
Технический результат - разделение контура пневматического упругого элемента на два оппозитно расположенных эластичных армированных элемента, минимизация или полное исключение трения между эластичными армированными элементами и другими деталями виброизолирующей опоры, приложение к верхней и нижней части внутреннего пуансона разнонаправленных возвращающий боковых усилий, обусловленных деформацией стенок эластичных армированных элементов, а также регулирование избыточного давления в пневматическом упругом элементе и поглощении энергии колебаний в результате перетекания газа из виброизолирующей пневматической опоры в атмосферу и обратно.
Указанный технический результат достигается за счет того, что пневматическая виброизолирующая опора, содержит внешнюю обойму, внутренний пуансон и пневматический упругий элемент, формирующие внутреннюю герметичную полость, заполненную сжатым газом, причем пневматический упругий элемент в поперечном сечении имеет разомкнутый контур и состоит из верхнего и нижнего эластичных армированных элементов, установленных оппозитно друг к другу, причем верхний и нижний эластичные армированные элементы своими внутренними бортами закреплены на внутреннем пуансоне, а внешними на внешней обойме так, что их сопряжение с внешней обоймой и внутренним пуансоном формирует внутреннюю герметичную полость.
Между внутренней герметичной полостью и внешней обоймой, которая состоит из трех жестко закрепленных между собой частей, предусмотрена буферная полость, сообщающаяся через дроссель с атмосферой.
Конструкция предусматривает золотниковое устройство для закачивания газа во внутреннюю герметичную полость.
На фиг. 1 показана пневматическая виброизолирующая опора и ее основные элементы.
На фиг. 2 показаны верхний и нижний эластичные армированные элементы с их основными частями.
На фиг. 3 показана расчетная схема пневматической виброизолирующей опоры для расчета боковой нагрузочной характеристики.
На фиг. 4 показана расчетная схема пневматической виброизолирующей опоры для расчета боковой нагрузочной характеристики (вид сверху).
На фиг. 5 показана область растяжения стенки эластичного армированного элемента.
На фиг. 6 показана область сжатия стенки эластичного армированного элемента.
Описание позиций и принятые обозначения на фиг. 1-6:
1 - внешняя обойма;
2 - внутренний пуансон;
3 - верхний эластичный армированный элемент;
4 - нижний эластичный армированный элемент;
5 - золотниковое устройство;
6 - внутренняя герметичная полость;
7 - буферная полость;
8 - дроссель;
9, 10 - конусные детали опорного устройства;
11 - ограничитель хода.
12, 13 - круговые участки верхнего и нижнего эластичного армированного элемента соответственно;
14, 15 - цилиндрические участки верхнего и нижнего эластичного армированного элемента соответственно;
16, 17 - внешние борта верхнего и нижнего эластичного армированного элемента соответственно;
18, 19 - внутренние борта верхнего и нижнего эластичного армированного элемента соответственно.
Описание устройства
Пневматическую виброизолирующую опору (Фиг. 1) устанавливают между источником вибрации и объектом виброзащиты. Ее конструкция включает внешнюю обойму 1, внутренний пуансон 2, а также верхний 3 и нижний 4 эластичные армированные элементы с разомкнутым контуром, установленные оппозитно друг другу. Все перечисленные элементы осесимметричны. Во внешнюю обойму 1 ввернуто золотниковое устройство 5, обеспечивающее закачивание газа во внутреннюю герметичную полость 6 пневматической виброизолирующей опоры. Буферная полость 7 пневматической виброизолирующей опоры, образованная нижним эластичным армированным элементом 4, внешней обоймой 1 и внутренним пуансоном 2, сообщается через дроссель 8 с атмосферой. Нижние части внешней обоймы 1 и внутреннего пуансона 2 снабжены опорным устройством в виде конусных деталей 9 и 10. Опорное устройство 10 иметь дроссель 8, обеспечивающего перетекание воздуха из буферной полости 7 в атмосферу и обратно.
Также внешняя обойма 1 снабжена ограничителем хода 11, ограничивающим максимальные перемещения внутреннего пуансона 2 относительно внешней обоймы 1 по всем направлениям.
Верхний 3 и нижний 4 эластичные армированные элементы (Фиг. 2) имеют круговые участки 12 и 13, цилиндрический участок 14 и 15, а также внешние борта 16 и 17 и внутренние борта 18 и 19. С помощью внутренних бортов 18 и 19 эластичные армированные элементы герметично закрепляются на внутреннем пуансоне 2, а с помощью внешних бортов 16 и 17 - на внешней обойме 1.
Внешняя обойма 1 состоит трех элементов, жестко соединенных между собой при помощи болтового, винтового, сварочного, клеевого, заклепочного или др. типа соединения. Сопряжение элементов внешней обоймы 1 обеспечивает надежную и герметичную фиксацию внешнего борта 16 верхнего эластичного элемента и внешнего борта 17 нижнего эластичного элемента.
Внутренний пуансон 2 состоит из двух элементов, жестко соединенных между собой при помощи болтового, винтового, сварочного, клеевого, заклепочного или др. типа соединения.
Сопряжение элементов внутреннего пуансона 2 с конусной деталью опорного устройства 9 обеспечивает надежную и герметичную фиксацию внутреннего борта 18 верхнего эластичного элемента и внутреннего борта 19 нижнего эластичного элемента.
Пневматическая виброизолирующая опора работает следующим образом
При закачивании через золотниковое устройство 5 сжатого газа в герметичную полость 6 (Фиг. 1) внутренний пуансон 2 самоустанавливается и фиксируется относительно внешней обоймы 1.
Во время эксплуатации со стороны источника вибрации на виброизолирующую опору действуют нагрузки в осевом, боковом и угловом направлениях. При осевых нагрузках внутренний пуансон 2 перемещается относительно внешней обоймы 1 (Фиг. 1) вверх и вниз при этом круговые участки нижнего и верхнего эластичного армированного элемента 12 и 13 (Фиг. 2) перекатываются по направляющим поверхностям внешней обоймы 1 и внутреннего пуансона 2, что исключает трения скольжения основных элементов виброопоры по эластичному армированному элементу и повышает его надежность.
ст
В случае закрепления внешней обоймы 1 на опорном основании внутренний пуансон 2 воспринимает статическую нагрузку P (Фиг. 1) от виброизолируемого объекта
э1
э2
0
где D, D - эффективные диаметры соответственно нижнего и верхнего эластичного армированного элемента; p - статическое давление в герметичной полости 6 (Фиг. 1).
Изменение упругой силы при изменении величины перемещения внутреннего пуансона 2 относительно внешней обоймы 1 обеспечивается за счет сжатия газа во внутренней герметичной полости 6 пневматической виброизолирующей опоры, обусловленного изменением объема этой полости (Фиг. 1).
При боковом смещении внутреннего пуансона 2 относительно внешней обоймы 1 (Фиг. 3 и 4) в области сжатия эластичных армированных элементов 3 4 происходит увеличение эффективной площади опоры, а в зоне растяжения - уменьшение этой площади.
б сум
Суммарная возвращающая боковая сила T представляет собой сумму трех составляющих (Фиг. 3):
в
1) Т - обусловленной деформацией стенки верхнего эластичного армированного элемента;
н
2) Т - обусловленной деформацией стенки нижнего эластичного армированного элемента;
эф
3) T - обусловленной изменением эффективной площади при боковом смещении S внутреннего пуансона относительно внешней обоймы.
Можно записать
б сум
в
н
эф
T = T+T+T.
в
н
Выражение для сил T,
в,н
в,н
0в,н
в,н
в,н
в,н
где индекс «в» относится к верхнему эластичному армированному элементу; индекс «н» - к нижнему эластичному армированному элементу; G - модуль сдвига стенки материала верхнего или нижнего эластичного армированного элемента; h - толщина стенки материала верхнего или нижнего эластичного армированного элемента; Δθ - дополнительное изменение угла θ армирующей нити эластичного армированного элемента на радиусе, соответствующего борту внутреннего пуансона d (Фиг. 1); ρ - радиус круговых участков верхнего или нижнего эластичных армированных элементов.
0в,н
Значение Δθ можно определить из выражения
в,н
Модуль сдвига G материала стенки эластичного армированного элемента определяется по формуле
в,н
с
r
с
c
r
где n - число слоев армирующего корда верхнего или нижнего эластичного армированного элемента; γ, γ = 1-γ - объемные концентрации армирующего корда и эластичного связующего материала соответственно; G, G- модули сдвига армирующего корда и эластичного связующего материала соответственно.
эф
Составляющая боковой силы T при поперечном смещении внутреннего пуансона 2 определяется так
и
где p - избыточное давление газа в герметичной полости;  - уменьшение эффективной площади в области растяжения стенки в интервале изменения угла β (Фиг. 3-5) от 0 до π/2 для верхнего и нижнего эластичного армированного элемента;  - увеличение эффективной площади в области сжатия стенки в интервале изменения угла β (Фиг. 3, 4, 6) от 0 до π/2 для верхнего и нижнего эластичного армированного элемента.
iв,н
С учетом величины смещения центра кривизны профиля верхнего и нижнего эластичного армированного элемента (Z) при их деформации изменение эффективных площадей можно определить как
в
н
эф
в
н
эф
В случае углового смещения внутреннего пуансона 2 относительно внешней обоймы 1 на внутренний пуансон 2 силы Т и Т действуют навстречу друг другу и при это формируется возвращающий момент. Также выравниванию внутреннего пуансона 2 способствует составляющая T, величина которой определяется так же как и при боковой деформации. Совокупное действие составляющих Т, Т и T обеспечивает повышение угловой жесткости виброопоры как одного из основных эксплуатационных свойств.
При колебаниях внутреннего пуансона 2 относительно внешней обоймы 1 или внешней обоймы 1 относительно внутреннего пуансона 2 с допустимыми амплитудами происходит изменение объема внутренней герметичной полости 6 пневматической виброизолирующей опоры, что приводит к изменению внутреннего давления газа в этой полости и изменение суммарной эффективной площади эластичных армированных элементов 3 и 4. Одновременно происходит перетекание воздуха из буферной полости 7 через дроссельное отверстие 8, что повышает демпфирующие свойства пневматической виброизолирующей опоры. Если амплитуды колебаний в осевом и поперечном направлениях достигают предельных значений, то включается в работу ограничитель хода 11, ограничивающий перемещения внутреннего пуансона 2 относительно внешней обоймы 1 по всем направлениям.
В случае аварийной утечки сжатого газа из герметичной полости 6 пневматической виброизолирующей опоры под действием веса виброизолируемого объекта внутренний пуансон 2 опускается вниз и фиксируется от неконтролируемых перемещений с помощью опорного устройства, состоящего из конусных деталей 9 и 10, которые исключают неконтролируемые перемещения объекта виброзащиты. При этом эластичные армированные элементы 3 и 4 предохраняются от разрушения.