ДИНАМИЧЕСКИЙ ГАСИТЕЛЬ КОЛЕБАНИЙ

Полезная модель относится к устройствам для гашения колебаний при действии динамических нагрузок и может быть использована на объектах, расположенных на подвижном основании (например, транспортных средствах).
При движении транспортных средств по упругому основанию возникают колебательные движения. Вследствие возникающих вибраций, увеличиваются динамические нагрузки на элементы конструкций транспортных средств, что приводит к возникновению трещин и других дефектов. Вибрация также приводит к нарушению целостности электрических контактов приборов и оборудования. Поэтому создание конструкций, направленных на снижение динамических нагрузок, имеет особое значение.
Известно устройство, предназначенное для гашения колебаний обрессоренных частей грузовых вагонов [Пат. RU №2328395, МПК B61F 5/12, 15.08.2006], представленное как фрикционный гаситель колебаний. Устройство, включающее корпус, снабженный расположенной внутри корпуса объемно-сжатой вставкой, выполненной из эластомера, и, по меньшей мере, двумя поршнями, установленными в соответствующих отверстиях корпуса и контактирующими со вставкой, причем поверхность трения расположена на одном из поршней, другой поршень установлен с помощью предварительно сжатого упругого элемента, а корпус контактирует с надрессорной балкой без взаимного перемещения. Недостатком устройства является узкая область применения, только на ходовой части железнодорожного транспорта.
Фрикционный гаситель колебаний железнодорожного транспортного средства [Пат. RU 2130560, МПК F16F 7/08 B61F 5/12 B60G 13/02, 1997.03.04], содержащий нажимной конус, раздвижные клинья, перемещающиеся внутри стакана, и наружную пружину, размещенную между фланцем стакана и опорным кольцом, прижатым к фланцам раздвижных клиньев, отличающийся тем, что он снабжен водилами для передачи нагрузки от нажимного конуса на раздвижные клинья, шарнирно соединенными с нажимным конусом и раздвижными клиньями, при этом точка давления на раздвижной клин расположена посередине трущихся (соприкасающихся) поверхностей. Недостатком данной конструкции является то, что по мере увеличения частоты колебаний объекта происходит заклинивания гасителя колебаний, что ведет к недостаточному рассеиванию энергии колебаний.
Наиболее близка к изобретению по технической сущности и достигаемому результату виброзащитное устройство [Пат.US 991083, МПК F16F 15/03 13.08.81], снабженное взаимодействующими с внутренней поверхностью корпуса фрикционными колодками и связывающими их с гайкой-маховиком упругими элементами и стержнями с шарнирами, обеспечивающими перемещение колодок в плоскости вращения гайки-маховика, а на внутренней поверхности корпуса выполнены углубления, радиальный размер которых больше радиального размера гайки-маховика с фрикционными колодками. Недостатком данного устройства является малая площадь контакта фрикционных колодок с корпусом, что приводит к быстрому износу колодок.
Предлагаемая полезная модель обеспечивает динамическое гашение колебаний, используя конструкцию на основе взаимодействия фрикционной муфты с гайкой-маховиком с участием винтовой связи. Независимо от величины износа фрикционной муфты, обеспечивается постоянство силовой характеристики гасителя, что повышает стабильность его работы.
Использование такого динамического гасителя в задачах виброзащиты транспортных средств позволяет снижать значения вибрации при различных режимах внешних воздействий без изменения конструкционных параметров виброзащитной системы.
Указанная цель достигается тем, что динамический гаситель колебаний, содержащий корпус, гайку-маховик, винт, закрепленный на основании, пружину, отличающийся тем, что корпус закреплен жестко с объектом защиты, внутри корпуса установлена фрикционная муфта, которая верхним концом соединена с прижимной пружиной, а снизу опирается на диск, соединенный жестко при помощи втулки с гайкой маховиком, причем винт проходит через все устройство.
Изобретение поясняется чертежами:
на фиг.1 дана конструктивная схема динамического гасителя колебаний,
на фиг.2 показана амплитудно-частотная характеристика при первом режиме работы,
на фиг.3 показана амплитудно-частотная характеристика при втором режиме работы,
на фиг.4 показана амплитудно-частотная характеристика при третьем режиме работы.
На фиг.1 представлена конструктивная схема динамического гасителя колебаний. На ней обозначены: объект защиты 1 с ограничителем степени свободы 7, пружина 2, которая соединяет объект защиты 1 с основанием 8. На объекте защиты 1 устанавливается корпус динамического гасителя 9, в корпусе 9, расположены гайка-маховик 4 и фрикционная муфта 5. Винт 6 проходит по оси корпуса динамического гасителя 9, через прижимную пружину 3, далее фрикционную муфту 5, диск 10, через гайку-маховик 4, выходит из корпуса 1 и идет вдоль пружины 2, нижний конец жестко закрепляется с основанием 8. Причем отверстие фрикционной муфты 5 не имеет резьбы и диаметр отверстия больше диаметра винта 6.
Диск 10 и гайка-маховик 4 жестко соединены втулкой 11, что дает возможность им вращаться как одно целое и иметь один момент инерции.
Гайка-маховик 4 снабжена подшипниками 12, а фрикционная муфта 5 снабжена подшипниками 13.
1
Предлагаемая полезная модель работает следующим образом. Основание 8 имеет колебания обозначенное y, а объект защиты 1 имеет колебания обозначенное y.
Колебания основания 8 передаются объекту защиты 1 через пружину 2 и винт 6, который в свою очередь создает (вызывает) вращение гайки-маховика 4. Гашение колебаний объекта защиты 1 осуществляется с помощью прижатия фрикционной муфты 5 прижимной пружиной 3 к диску 10. При колебании всей конструкции винт 6 закреплен жестко, неподвижно, в то время как гайка-маховик 4 вместе с втулкой 11 и диском 10 начинают вращаться. При действии прижимной пружины 3 фрикционная муфта 5 прижимается к диску 10. И благодаря сопротивлению сухого трения гайки-маховика 4 вращение задерживается, а следовательно, идет гашение колебаний объекта.
Оценку состояния динамического гашения колебаний объекта можно провести из дифференциального уравнения, описывающего движение данной системы при кинематическом возмущении.
В области низких частот дифференциальное уравнение движения будет иметь вид
В выражении (1) приняты обозначения: k коэффициент жесткости пружины 2; b - коэффициент сил сопротивления вязкого трения (в предположении, что диссипация энергии колебаний допускает эквивалентное представление по гипотезе Фогта); L - приведенный момент инерции устройства для преобразования движения из поступательного во вращательное при условии жесткой связи гайки-маховика 4 и фрикционной муфты 5; m - масса объекта защиты; y(t) - функция, определяющая кинематическое возмущение.
С учетом (1) передаточная функция системы примет вид (2):
Если принять, что b=0 (первый режим работы, когда трение будет определяться приведенными массоинерционными параметрами устройства для преобразования движения) тогда частота динамического гашения определиться выражением
В свою очередь значение L можно найти из следующих соображений. Кинетическая энергия устройства преобразования движения имеет вид
где r - радиус отверстия под резьбу гайки-маховика 4, а i - передаточное отношение устройства для преобразования движения из поступательного во вращательное. Таким образом
пр
1
2
1
2
где J=J+J; J - момент инерции гайки-маховика 4, a J - момент инерции фрикционной муфты 5.
Однако, при достижении внешних гармонических возмущений до определенной частоты (в сторону повышения) в системе будет действовать эффект наличия сил сухого трения, в виде момента сил сухого трения. Вместе с тем, такая интерпретация учета сил сухого трения приводит к тому, что в динамике виброзащитной системы, а следовательно, и в ее математической модели, появляется дополнительный член, который отражает специфику действия сил сухого трения. Это будут члены уравнения, представляющие собой некоторые постоянные (константы), которые имеют знак в зависимости от направления относительной скорости движения. Отметим, что сами по себе, силы сухого трения, не препятствуют режиму резонанса, как такового, но деформируют амплитудно-частотные характеристики виброзащитной системы, поскольку рассеивание энергии колебаний влияет на частоты собственных колебаний.
Соответствующим образом при высоких частотах изменится уравнение (1):
Передаточная функция системы в этом случае примет вид
где b' - коэффициент сил сопротивления вязкого трения от устройства для преобразования движения из поступательного во вращательное и с учетом введения члена  соответствующего физической сущности процесса взаимодействия гайки-маховика 4 и фрикционной муфты 5.
Из формул (2) и (7) следует, что для механической системы на определенных частотах реализуются независимые от массы объекта защиты режимы динамического гашения колебаний, а данная система может служить фильтром вибраций этих частот при защите объекта от внешних воздействий.
Преимуществом динамического гасителя колебаний в том, что при определенных режимах гашения вибрации внешних воздействий реализуется функция самонастройки путем перехода из одного режима работы в другой.
При разработке конструктивных схем динамического гасителя, варьируя массоинерционными параметрами гайки-маховика и фрикционной муфты, а также моментом трения путем изменения усилия прижимной пружины можно изменять диапазоны частот динамического гашения, а также пределы режимов работы.
3
Для апробации предложенного динамического гасителя колебаний было проведено моделирование при следующих физических параметров элементов виброзащитной системы: m=1500 кг; k=100·10 Н/м; =2000 кг; =100 кг; =100 кг; b=700, при которых были получены амплитудно-частотные характеристики для трех характерных режимов работы (фиг.2-4).
1
2
Первый режим (при низких частотах колебаний), показанный на фиг.2, когда гайка-маховик 4 и фрикционная муфта 5 составляют одно целое и момент инерции вращающихся масс (они совершают возвратно-колебательное движение) равен сумме двух моментов инерции - маховика J и фрикционной муфты J. На фиг.2 видно, что идет быстрое увеличение амплитуды и достижение резонанса системы, дальше происходит резкий спад амплитуды в противофазе и в точкой А реализуется режим динамического гашения, с повышением частоты система переходит в режим запирания.
Второй режим (переходный, по мере увеличения частоты колебаний объекта), показанный на фиг.3, где сначала силы трения достаточно больше, чтобы не было проскальзывания гайки-маховика 4 и фрикционной муфты 5. Затем на определенной частоте начинается проскальзывание фрикционной муфты 5 относительного гайки-маховика 4 и в системе начинается рассеивание энергии относительного движения. На фиг.3 видно, что происходит сглаживание амплитуды и режим динамического гашения перестает носить точечный характер, появляется определенная зона эффективности ВС.
При третьем режиме (при высоких частотах внешнего воздействия), показанном на фиг.4, возникает проскальзывание гайка-маховик 4 относительно фрикционной муфты 5. На фиг.4 видно значительное снижении уровня запирания системы, что существенно увеличивает эффективность работы динамического гасителя колебаний. Таким образом, введение в конструкцию предлагаемую фрикционную муфту 5 позволяет получить систему, обладающую расширенной зоной эффективной работы в зарезонансной области.
Из представленных на фиг.2-4 графиках видно, что на всех режимах работы гасителя колебаний осуществляется более эффективное гашение колебаний по сравнению с аналогом.