СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМАМИ ДИНАМИЧЕСКОГО ГАШЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR CONTROL OF DYNAMIC DAMPING OSCILLATIONS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в системах вибрационной защиты оборудования, приборов и аппаратуры, в том числе, в системах защиты и ударов человека оператора на сидениях строительно-дорожных и транспортных машин, а также для оценки динамических свойств систем железнодорожного и автомобильного транспорта.
Изменение динамического состояния различных механических систем в настоящее время связано с введением в структуру виброзащитных систем различных упругих и диссипативных связей. Такие связи представляют собой различного рода пружины или демпферы; в некоторых случаях используются комбинации или блоки упругих и диссипативных элементов, соединенных между собой по определенным правилам. Возможности таких подходов достаточно хорошо изучены и основаны на использовании эффектов изменения жесткости пружин либо в сторону увеличения, либо уменьшения частот собственных колебаний виброзащитной системы. Для ограничения амплитуд колебаний при резонансных явлениях применяются диссипативные устройства, ограничивающие амплитуду колебаний объекта защиты при периодических внешних воздействиях.
Известные решения, как правило, ориентированы на использование возможностей изменения и настройки динамических свойств за счет изменения жесткости пружин и параметров рассеяния энергии колебаний, но такие подходы можно расширить, опираясь на возможности изменения соотношений геометрических параметров и получения эффектов динамического гашения колебаний одновременно по двум координатам. Такие подходы обладают определенными преимуществами, так как не связаны с необходимостью изменения упругих и диссипативных характеристик систем вибрационной защиты.
Известен способ регулирования жесткости виброзащитной системы и устройство для его осуществления [Хоменко А.П., Елисеев С.В., Белокобыльский С.В., Упырь Р.Ю., Трофимов А.Н., Паршута Е.А., Сорин В.В. «Способ регулирования жесткости виброзащитной системы и устройство для его осуществления», патент 2440523 С2 RU, МПК F16F 15/04, приоритет 20.01.2012]. Способ регулирования жесткости заключается в установке пружины с положительной жесткостью и дополнительного упругого элемента в виде вращающихся масс. Вращение масс вокруг вертикальной оси создает центробежные силы, обеспечивающие изменение суммарной жесткости устройства. Вращение масс создает «отрицательную» жесткость, которая зависит от угловой скорости вращения. Упругие дополнительные устройства представлены в виде отдельных масс, соединенных шарнирно с помощью рычагов с основанием и объектом защиты в возможность создания центробежных инерционных сил вращения, вокруг вертикальной оси.
К недостаткам данного изобретения можно отнести сложность настройки процесса и необходимость обеспечения вращения дополнительных масс вокруг вертикальной оси с применением источников энергии.
Известно устройство для гашения колебаний [Елисеев С.В., Савченко А.А., Трофимов А.Н., Паршута Е.А., Артюнин А.И., патент 133232 U1 RU, МПК F16F 7/10, F16F 15/04, приоритет от 10.10.2013]. Устройство для гашения колебаний, содержащее опорную пружину, дополнительную массу, звенья, кинематические пары, отличающееся тем, что объект защиты снабжен опорой, в виде звена, жестко закрепленного одним концом на объекте защиты, другим концом шарнирно опирается на плечо рычага, имеющего в средней части точку опоры, на другом конце рычага расположена дополнительная масса с возможностью перемещения вдоль оси рычага на его конце.
Недостатком данного устройства является гашение колебаний объекта защиты только по одной координате.
Известно изобретение «Способ и устройство для динамического гашения колебаний» [Хоменко А.П., Елисеев С.В., Артюнин А.И., Кинаш Н.Ж., Большаков Р.С., Каимов Е.В., патент 2604250, МПК F16F 15/027, F16F 7/112, приоритет 10.12.2016]. Колебания гасят со стороны основания с помощью инерционных масс, расположенных на стыках рычагов. Обеспечивают расширение диапазона частот гашения колебаний за счет инерционных сил дополнительных масс, установленных в местах соединений нижних рычагов с регулируемым пневмоэлементом. Устройство содержит пружину, расположенную перпендикулярно основанию. Ромбовидная система рычагов содержит шарниры в местах соединения нижних и верхних рычагов. Пружина соединяет нижние рычаги ромбовидной системы и расположена параллельно основанию. Пневмоэлемент регулирует общую жесткость системы и расположен параллельно основанию. Концы пневмоэлемента соединены с продолжениями нижних рычагов. Дополнительные массы расположены в местах соединений и обеспечивают создание инерционных сил, действующих во встречном направлении относительно возмущающих сил основания на всех частотах заданного диапазона.
Недостатками данного изобретения являются сложность конструкции системы, а также гашение колебаний только по одной координате движения объекта защиты.
К наиболее близкому изобретению следует отнести способ настройки режимов работы виброзащитной системы и устройство для его осуществления [Хоменко А.П., Елисеев С.В., Каимов Е.В., Большаков Р.С., Кинаш Н.Ж., патент 2595733, МПК F16F 15/04, F16F 7/08, B60N 2/54, приоритет 13.11.2014]. Способ включает регулировку колебаний рычажной системы путем установки между объектом защиты и основанием пружины и шарнирно-рычажного механизма из двух звеньев, которые одним концом соединяют в центральном шарнире. К центральному шарниру закрепляют дополнительную массу, фиксируют показания акселерометров, обеспечивая настройку режимов работы виброзащитной системы. Виброзащитное устройство для настройки режимов работы виброзащитной системы содержит пружину, дополнительную массу и систему рычагов. Рычажная система выполнена из двух рычагов со скользящими по ним ползунами. Одним концом рычаги соединены между собой в центральном шарнире и снабжены дополнительной массой. Верхний рычаг другим концом соединен с объектом защиты, а нижний рычаг другим концом соединен с основанием. На рычагах помещены акселерометры, соединенные с блоком управления, которые настраивают угол между рычагами, изменяя массу виброзащитной системы. Изобретение позволяет упростить настройку виброзащитной системы с помощью виброзащитного устройства без применения дополнительных источников энергии.
К недостатку данного изобретения следует отнести сложный механизм регулирования динамического состояния виброзащитной системы.
Целью данного изобретения является упрощение конструкции управления динамическим состоянием виброзащитной системы, а также достижение эффекта динамического гашения колебаний объекта защиты одновременно по двум координатам.
Способ управления формированием режимов динамического гашения колебаний в механических системах с несколькими степенями свободы, состоящих из двух массоинерционных элементов, соединенных между собой пружинами по цепному типу, опирающихся на вибрирующую поверхность, заключающийся во введении в систему дополнительной связи в виде рычажного механизма, опорная точка которого закреплена на объекте защиты с одним концом рычага, закрепленным на опорной поверхности, а другим концом через дополнительный упругий элемент соединяют с динамическим гасителем, отличающийся возможностью изменения передаточного отношения рычажного механизма с помощью управляемых устройств.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема для управления режимами динамического гашения колебаний.
На фиг. 2 показана зависимость частоты колебаний объекта защиты от передаточного отношения длин плеч рычага.
На фиг. 1 отмечены: 1, 2 - объекты защиты; 3, 4, 5 - упругие элементы; 6 - рычаг; 7, 8 - сервоприводы; 9 - блок управления; 10 - основание.
1
2
1
2
1
2
3
1
1
Приняты следующие обозначения: m - масса объекта защиты 1; m - масса объекта защиты 2; y - колебания объекта защиты 1; y - колебания объекта защиты 2; k - жесткость упругого элемента 3; k - жесткость упругого элемента 4; k - жесткость упругого элемента 5; z(t) - кинематическое возмущение основания 10;  - длины плеч рычага 6; Q - силовое возмущение; т. А - точка крепления упругого элемента 3 и рычага 6 в основании 10; т. В - точка крепления объекта защиты 1 с упругим элементом 3; т. С - точка вращения рычага 6; т. D - точка крепления упругого элемента 5 с рычагом 6; т. Е - точка крепления объекта защиты 2 с упругим элементом 5; т. С - точка крепления объекта защиты 1 и упругого элемента 4; т. Е - точка крепления объекта защиты 2 и упругого элемента 4.
1
2
1
2
Сущность способа заключается в следующем. Предполагается, что в зависимости от решаемых задач исследуемым объектом защиты могут выступить как элементы m, так и m. Со стороны основания 10 на объекты защиты 1, 2 подают кинематическое возмущение z(t), определяемое известным гармоническим законом, упругие элементы 3, 4, 5 воспринимают динамическую нагрузку и под действием инерционных сил, которые создают массы m и m, воздействуют на рычаг 6, по которому перемещают сервоприводы 7 и 8, которыми регулируют длины  и  Для достижения необходимого эффекта управления режимами динамического гашения колебаний устанавливают блок управления 9, по которому передают команды для сервоприводов 7, 8.
Предлагаемый способ по сравнению с известными аналогичными предложениями позволяет упростить конструкцию виброзащитной системы, при этом расширить возможности гашения колебаний объектов защиты одновременно по двум координатам.
1
2
Для апробации данного способа было проведено математическое моделирование виброзащитной системы, по результатам которого получены зависимости, представленные на фиг. 2. По данному графику можно сделать вывод о том, что при изменении передаточного отношения i в пределах до единицы наблюдается совпадение частот собственных колебаний объектов защиты m и m, что говорит об одновременном гашении амплитуды колебаний данных объектов защиты и способности данного изобретения выполнять управление режимами динамического гашения.