СИСТЕМА ВИБРОИЗОЛЯЦИИ
VIBRATION INSULATION SYSTEM

Изобретение относится к системам виброизоляции, применяемым в транспортном машиностроении.
К наиболее близкому техническому решению следует отнести систему виброизоляции по патенту РФ на полезная модель №84487, которая содержит как минимум две пружины, каждая пружина одним концом закреплена на объекте защиты, другим концом соединена с основанием, на одной из пружин размещена дополнительная масса, причем жесткость этой пружины зависит от частоты внешнего воздействия.
Недостатком известной системы является наличие зоны неэффективной работы в области низких частот внешнего воздействия, а также сравнительно невысокое демпфирование.
Технически достижимый результат - повышение эффективности виброизоляции путем введения в систему дополнительного демпфирования.
Это достигается тем, что в системе виброизоляции, состоящей из упругих элементов, дополнительной массы, между основанием и объектом защиты установлен параллельно упругому элементу модуль, состоящий из дополнительной массы, соединения гайка - винт, дополнительного упругого элемента, причем гайка размещена на подшипниках на объекте защиты, винт одним концом соединен с гайкой, другим концом жестко закреплен с дополнительной массой, которая опирается на дополнительный упругий элемент, соединенный с основанием, упругий элемент выполнен в виде пружинного демпфера сухого трения, содержащего нижнюю и верхнюю опорные пластины, между которыми коаксиально и концентрично установлены наружная с правым углом подъема витков и внутренняя с левым углом подъема витков пружины, при этом нижняя опорная пластина является основанием, на котором нижние фланцы пружин закреплены жестко, а между верхней опорной пластиной и верхним фланцем внутренней пружины с левым углом подъема витков расположен демпфер сухого трения, состоящий из двух соприкасающихся между собой нижнего и верхнего цилиндрических дисков, при этом нижний диск жестко связан с верхним фланцем внутренней пружины, а верхний диск жестко связан с верхней опорной пластиной, при этом на поверхностях цилиндрических дисков демпфера сухого трения, обращенных друг к другу, выполнены концентричные диаметральные канавки на одном из дисков и выступы - на другом диске, входящие друг в друга, а в качестве материалов нижнего и верхнего цилиндрических дисков демпфера сухого трения может быть использован спеченный фрикционный материал на основе меди, содержащий цинк, железо, свинец, графит, вермикулит, медь, хром, сурьму и кремний, при следующем соотношении компонентов, мас.%: цинк 6,0÷8,0; железо 0,1÷0,2; свинец 2,0÷4,0; графит 3,0÷7,0; вермикулит 8,0÷12,0; хром 4,0÷6,0; сурьма 0,05÷0,1; кремний 2,0÷3,0; медь - остальное.
1
2
1
2
1
2
2
На фиг. 1 представлена схема системы виброизоляции, на фиг. 2 - вариант выполнения упругого элемента 2. На фиг. 1 введены следующие обозначения: y, у - обобщенные координаты массы m и m соответственно; k, k- жесткости упругих элементов 2 и 4; Lp - приведенные массоинерционные характеристики устройства с преобразованием движения.
Система виброизоляции содержит объект защиты 1, расположенный в шарнирных направляющих 9 типа «катков», установленных между объектом защиты 1 и неподвижной стойкой 10, жестко установленной на основании 7. Объект защиты 1 опирается на упругий элемент 2, параллельно которому установлен инерционный модуль 6 механизма преобразования движения дополнительной массы 5, состоящий из гайки 3 на подшипниках, взаимодействующей с одним из концов винта 8, дополнительного упругого элемента 4, один конец которого жестко закреплен на основании 7, а другой - на дополнительной массе 5 со стороны основания 7. На дополнительной массе 5, со стороны гайки 3, закреплен свободный конец винта 8.
Система виброизоляции работает следующим образом.
Под действием переменной внешней силы Р объект защиты 1 приводится в колебательное движение. Колебательные движения объекта защиты приводит в движение встроенную на подшипниках гайку модуля 6. Гайка модуля 6 при колебании объекта защиты 1 вверх начинает вращаться в одну сторону, при движении вниз - в другую сторону. Вращение гайки модуля 6 через винт модуля 6 либо приподнимает дополнительный груз 5, либо затем опускает, причем при поднимании дополнительного груза дополнительный упругий элемент растягивается, что также приводит к гашению колебаний, при опускании дополнительного груза 5 дополнительный упругий элемент 4 сжимается и тем самым также гасит колебания. Для апробации предложенной конструкции было проведено моделирование при различных физических параметрах элементов колебательной системы. Амплитудно-частотная характеристика начинается из начала координат и в области низких частот не превышает зоны эффективной работы виброзащитной системы по сравнению с существующими аналогами, амплитудно-частотная характеристика которых берет свое начало выше нулевой линии значения амплитуд колебаний и не обеспечивает минимальные значения амплитуд колебаний в области низких частот.
2
1
1
1
В рассматриваемом случае объект защиты массой m совершает колебания с обобщенной координатой у. Внешняя сила приложена к массе m; m совершает колебания с обобщенной координатой у. Для определения режимов эффективной работы предлагаемой полезной модели составим уравнения движения, используя уравнение Лагранжа второго рода, которые позволяют получить выражение для амплитудно-частотной характеристики предлагаемой виброзащитной системы. Не детализируя процесс составления уравнений, используем преобразования Лапласа и получим выражение для передаточной функции виброзащитной системы, которая используется для построения амплитудно-частотных характеристик:
1соб
Принципиальные отличия в свойствах системы проявляются в возможности получения зоны эффективной виброзащиты на участке 0-ω. Чтобы ее найти, решим уравнение (1).
1
2
1
3
Примем, что m=m=m, k=k=k, тогда
или
где
огр
огр
Физический смысл А(ω) заключается в том, что А'(ω) определяет необходимый уровень эффективности вибрационной защиты.
огр
Если принять, что А'(ω)=ak, то границы частотного интервала могут быть определены
При a=1
1
1соб
При выборе m=L, можно получить, что нижняя граница ω' будет находиться левее нижней частоты собственных колебаний ω.
Предлагаемая конструкция обеспечивает эффективное гашение колебаний в области низких частот внешнего воздействия за счет использования механизма с преобразованием относительного движения (на примере устройства «винт-гайка»).
Упругий элемент (фиг. 2) выполнен в виде пружинного демпфера сухого трения, который содержит нижнюю 11 и верхнюю 12 опорные пластины, между которыми коаксиально и концентрично установлены наружная 15 с правым углом подъема витков и внутренняя 16 с левым углом подъема витков пружины. Нижняя опорная пластина 11 является основанием, на котором нижние фланцы пружин 15 и 16 закреплены жестко, а между верхней опорной пластиной 12, на которой устанавливается виброизолируемый объект (на чертеже не показано), и верхним фланцем внутренней пружины 16 с левым углом подъема витков расположен демпфер сухого трения, состоящий из двух соприкасающихся между собой нижнего 13 и верхнего 14 цилиндрических дисков. При этом нижний диск 13 жестко связан с верхним фланцем внутренней пружины 16, а верхний диск 14 жестко связан с верхней опорной пластиной 12. Верхний 14 цилиндрический диск демпфера сухого трения выполнен из стали, а нижний 13 цилиндрический диск выполнен из фрикционного материала, выполненного из композиции, включающей следующие компоненты при их соотношении, в мас.%:
смесь резольной и новолачной фенолоформальдегидных
смол в соотношении 1:(0,2-1,0)
28÷34
волокнистый минеральный наполнитель, содержащий
стеклоровинг или смесь стеклоровинга и
базальтового волокна в соотношении 1:(0,1-1,0)
12÷19
графит
7÷18
модификатор трения, содержащий технический углерод
в виде смеси с каолином и диоксидом кремния
7÷15
баритовый концентрат
20÷35
тальк
1,5÷3,0
Возможен вариант, когда в качестве материалов нижнего 13 и верхнего 14, цилиндрических дисков демпфера сухого трения может быть использована сталь, жесткий вибродемпфирующий материал, например типа «Агат», вышеуказанный фрикционный материал, а также различные сочетания этих материалов в паре сухого трения демпфера.
Возможен вариант, когда в целях повышения коэффициента демпфирования системы виброизоляции на поверхностях цилиндрических дисков 13 и 14 демпфера сухого трения, обращенных друг к другу, выполнены концентричные диаметральные канавки 17, на одном из дисков и выступы 18 на другом диске. Эти входящие друг в друга поверхности взаимодействуют друг с другом без зазоров, что приводит к увеличению поверхностей трения, а следовательно, к увеличению коэффициента демпфирования системы.
Возможен вариант, когда в качестве материалов нижнего и верхнего цилиндрических дисков демпфера сухого трения может быть использован спеченный фрикционный материал на основе меди, содержащий цинк, железо, свинец, графит, вермикулит, медь, хром, сурьму и кремний при следующем соотношении компонентов, мас.%:
цинк 6,0-8,0; железо 0,1-0,2; свинец 2,0-4,0; графит 3,0-7,0; вермикулит 8,0-12,0; хром 4,0-6,0; сурьма 0,05-0,1; кремний 2,0-3,0; медь - остальное.
Возможен вариант, когда верхний цилиндрический диск 14 выполнен из эластомера, например резины или другого эластичного материала, обладающего высокими демпфирующими свойствами, а нижний цилиндрический диск 13 выполнен из стали.
Пружинный демпфер сухого трения работает следующим образом.
Наружная 15 и внутренняя 16 пружины демпфера воспринимают значительные статическую и динамическую нагрузки от машины и передают на поддерживающую конструкцию существенно уменьшенную величину динамической нагрузки.
Две пружины 15 и 16, вставленные одна в другую, работают на сжатие, при этом внешняя пружина 15 правого угла подъема поворачивает жестко прикрепленную к ней верхнюю металлическую опорную пластину 12 в одну сторону, а внутренняя пружина 16 левого угла подъема - жестко прикрепленный к ней нижний цилиндрический диск 13 демпфера сухого трения в другую сторону. Таким образом, используется эффект взаимного поворота в разные стороны концевых витков пружин 15 и 16 вокруг вертикальной оси, благодаря чему в составной опорной плоскости демпфера сухого трения возникают диссипативные силы, т.е. появляется сухое трение. Введение в демпфер сухого трения элемента из резины с повышенным в 10÷15 раз внутренним трением приводит к уменьшению амплитуд колебаний машины в пуско-остановочных режимах в 2÷3 раза. При ударных воздействиях логарифмический декремент затухания колебаний уменьшается.
Возможен вариант, когда в качестве материалов нижнего и верхнего цилиндрических дисков демпфера сухого трения использован фрикционный материал, выполненный из композиции, включающей следующие компоненты при их соотношении, в мас.%: смесь резольной и новолачной фенолоформальдегидных смол в соотношении 1:(0,2-1,0) - 8÷34%; волокнистый минеральный наполнитель, содержащий стеклоровинг или смесь стеклоровинга и базальтового волокна в соотношении 1:(0,1-1,0) - 12÷19%; графит - 7÷18%; модификатор трения, содержащий технический углерод в виде смеси с каолином и диоксидом кремния - 7÷15%; баритовый концентрат - 20÷35%; тальк - 1,5÷3,0%.