Устройство для вибрационной защиты

Устройство для вибрационной защиты относится к области машиностроения, а именно к вибрационной технике по защите человека-оператора от действия вибраций при его работе сидя.

Целью данного технического решения является защита объекта от вибрации за счет динамического взаимодействия инерционных массовых элементов подвески (динамическое противостояние сил). Сущность достигается тем, что устройство для вибрационной защиты содержит сидение оператора, пневматический элемент, систему продвижения воздуха под действием вибрации внутри пневматического элемента, подвеску. Отличие в том, что подвеска состоит из четырех рычагов шарнирно соединенных между собой в точках опор, на крайних рычагах с одной стороны располагается пневматический элемент, с другой стороны располагается дополнительная инерционная масса, рычаги, которые расположены между опорами, соединены шарнирно с опорой сиденья.

Пневматический элемент состоит из верхней части в виде жесткой емкости и нижней части в виде гибкого полого элемента, способного изменять объем, пропуская через раздаточный элемент воздухопровода воздух посредством действия рычага, расположенного между опорой и опорой сидения, под влиянием вибрации и веса оператора.

Построены математические модели и доказана эффективность гашения колебаний кресла оператора.

Устройство относится к области машиностроения, а именно к вибрационной технике по защите человека-оператора от действия вибраций при его работе сидя.

Известно изобретение (RU 2043957 МПК B64G 1/52, G01G 21/24, заявлен 04.01.1992 г.) «Пространственная упругая подвеска прибора космического аппарата».

Сущность заключается в том, что в пространственной упругой подвеске прибора космического аппарата, который содержит амортизаторы, размещенные между корпусом космического аппарата и прибором. Каждый амортизатор выполнен в виде основной вилки, один конец которой жестко закреплен на корпусе космического аппарата, а свободные концы, направленные в сторону прибора, соединены между собой упругими элементами и размещенными между ними соединительными элементами.

Плоскость основной вилки расположена в вертикальной плоскости ортогональной системы координат. Она снабжена дополнительными вилками, плоскость каждой из которых перпендикулярна плоскости соответствующей основной вилки, и каждая из которых жестко соединена одним концом с прибором, а другими концами, направленными на встречу свободным концам соответствующей основной вилки, соединена соосно расположенными, направленными навстречу друг друга пружинами с соединительными элементами соответствующей основной вилки. Упругий элемент выполнен в виде пружины.

Оси, проходящие через середину соединительных элементов в линию пересечения плоскостей основной и соответствующей ей дополнительных вилок каждого амортизатора совмещены с соответствующими осями ортогональной системы координат с началом в центре масс прибора.

Окончание пружин, закрепленные на корпусе, основной и дополнительный виток выполнены диэлектрическими, а соединительный элемент выполнен в виде диска из электроизоляционного материала с изолированными друг от друга металлизированными поверхностями, каждая из которых электрически соединена с парой пружин, одна из которых закреплена на конце основной вилки, а другая - на конце соответствующей дополнительной вилки.

К недостаткам следует отнести, что данная конструкция позволяет использовать элементы амортизатора для передачи к оборудованию электрического сигнала, и не решает проблему снижения вибрации. Кроме того, данное устройство предназначено для работы в космосе и при очень низких частотах, в нашем случае, частоты выше на два порядка.

Наиболее близкой по технической сущности является изобретение к патенту (RU 2093381, МПК B60N 2/02, заявлен 10.01.1995 г.) «Виброзащитная подвеска сидения». Предложенная подвеска осуществляет защиту человека как вертикальных, так и низкочастотных горизонтальных вибраций за счет уменьшения суммарной жесткости упругого подвеса при смещениях в горизонтальной плоскости.

Это достигается за счет исключения влияния упругости тросов корректора жесткости на общую жесткость подвески в горизонтальных направлениях. Для этого середина отрезков тросов корректора жесткости закреплена на втулке симметрично относительно центрального отверстия, через которое с радиальным зазором проходит стержень, один конец которого соединен с несущей опорой с возможностью регулировочного перемещения. На другом конце закреплено ограничительное устройство, которое позволяет втулке свободно перемещаться только в горизонтальной плоскости. В вертикальной плоскости за счет корректора жесткости реализуется режим квазинулевой жесткости.

К недостаткам следует отнести, что предлагаемое решение использует эффект изменения жесткости в пределах деформированных элементов и имеют ограничители, что приводит к возникновению динамических ударов. Известно изобретение, которое тоже решает ту же задачу виброзащиты подвесных сидений человека-оператора (RU 2255008, МПК, заявлен 21.04.2003 г.) «Кресло машиниста локомотива».

Сущность изобретения заключается в том, что кресло содержит трубчатый каркас сиденья, спинку кресла с поролоновыми подушками, подлокотниками, опорный диск, шток, внутренний цилиндр подвески сиденья, фиксатор, пружину, опирающуюся на основание подвески, катки-виброизоляторы с осями и кронштейнами их крепления.

Отличие заключается в том, что для активной системы виброзащиты машиниста от вредных вибраций оно содержит аэродинамический генератор колебаний с профильной стенкой. Имеется возможность регулировать амплитудно-частотные характеристики параметров вибрации. При этом шток соединен с опорным диском с прокладкой-диафрагмой из упругого материала и проходит через направляющую втулку с манжеткой, которая соединена с внутренним цилиндром подвески сиденья.

Внешний цилиндр подвески сиденья соединен с направляющей втулкой фиксатором, причем, несколько катков-виброизоляторов из упругого материала, изолирующие от вертикальных колебаний. Подвески, закрепленные на осях кронштейнов и соединенные с внутренним цилиндром, перекатываются по нижней или верхней полкам круга. Круг закреплен к внешнему цилиндру подвески сиденья. Катки-виброизоляторы, изготовленные из упругого материала, изолирующие от горизонтальных вибраций, закреплены на вертикальных осях, соединенных внешней поверхностью стенки внутреннего цилиндра подвески сиденья с другой стороны. Данное техническое решение имеет следующие недостатки. Предлагаемый эффект гашения вибрации основан на изменении жесткости упругого содержания воздуха, что не обеспечивает надежности защиты объекта от вибрации.

Целью данного технического решения является защита объекта от вибрации за счет динамического взаимодействия инерционных массовых элементов подвески (динамическое противостояние сил). Цель достигается тем, что устройство для вибрационной защиты содержит сидение оператора, пневматический элемент, систему продвижения воздуха под действием вибрации внутри пневматического элемента, подвеску. Отличие в том, что подвеска состоит из четырех рычагов шарнирно соединенных между собой в точках опор, на крайних рычагах с одной стороны располагается пневматический элемент, с другой стороны располагается дополнительная инерционная масса, рычаги, которые расположены между опорами, соединены шарнирно с опорой сиденья.

Пневматический элемент состоит из верхней части в виде жесткой емкости и нижней части в виде гибкого полого элемента, способного изменять объем, пропуская через раздаточный элемент воздухопровода воздух посредством действия рычага, расположенного между опорой и опорой сидения, под влиянием вибрации и веса оператора. Устройство поясняется чертежом и схемой. На фиг.1 дана общая схема устройства. На фиг.2 приведены кривые гашения вибрации.

На фиг.1 показано: сидение оператора - 1; опора сиденья оператора - 2; пневматический элемент - 4; подвеска - 3, состоящая из четырех рычагов, соединенных шарнирно на двух опорах - 5; дополнительная инерционная масса - 6. Пневматический элемент состоит из верхней части в виде жесткой емкости, нижней части в виде гибкой полой части. Для перекачки воздуха под влиянием вибрации и тяжести оператора имеется воздухопровод с раздаточным устройством 7. Имеется также опора 8, на которую опирается рычаг 9, обеспечивающий передачу движения опоры сиденья оператора 2 на раздаточное устройство 7. Рычаг 10 обеспечивает соединение опоры сиденья оператора 2 с основанием 11.

Устройство работает следующим образом. Когда на сидение оператора 1 садится оператор, то под его весом М опора сиденья 2 идет вниз. Рычаг 10 ограничивает перемещение опоры сиденья 2 в сторону. Рычаг 9, перемещаясь вниз, открывает возможность раздаточному устройству 7 подать по воздухопроводу дополнительную порцию воздуха. Объем воздуха зависит от веса (М) оператора: чем тяжелее оператор, тем больше передается объем воздуха. Одновременно опора сиденья оператора 2, опираясь на сочлененную подвеску 3, обеспечивает ее движение вниз, тем самым к гашению колебаний включается дополнительная инерционная масса 6 и пневматический элемент 4. Выпуская или дополняя воздух в пневматический элемент 4 в зависимости от дополнительной инерционной массы 6 и вибрации всей системы, происходит мягкое гашение колебаний.

На фиг.2 кривая 1 соответствует малому значению приведенной массы, формируемой устройством для преобразования движения. Кривая 2 соответствует режиму, в котором возможно получение падающей ветви амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) системы. Физический смысл каждого значения АЧХ - отношение амплитуд колебаний на сидении к амплитуде колебаний основания. Часто такое отношение называют коэффициентом передачи колебаний. Ниспадающая ветвь на АЧХ в частотном интервале от О до частоты собственных колебаний означает, что в низкочастотной области, особенно опасной для человека, коэффициент передачи колебаний будет меньше единицы.

Кривая 3 на фиг.2 показывает свойства обычной системы. В низкочастотной области в обычной системе, а также в системе с устройствами для преобразования движения АЧХ имеет нарастающий характер до частоты собственных колебаний или частоты резонанса.

Предлагаемые формулы (9), (10) используются для выбора параметров системы, если предполагается интерес к особенностям свойств систем с учетом возможностей в их вариантах (кривая 1, кривая 2).

В приложении представлен расчет гашения колебаний сиденья оператора с помощью предложенного устройства.

Приложение

Оценка динамических свойств устройства виброзащитной системы

Цель предлагаемого изобретения заключается в том, чтобы простейшим способом обеспечить гашение колебаний подвески сидения человека-оператора от действия вибрации в области низких частот (дорезонансной области).

Сущность предлагаемого изобретения поясняется нижеследующим описанием. На фиг.1 показана схема подвески сидения с устройством для преобразования движения для защиты от действия вибрации в области низких частот. Эта схема является принципиальной схемой подвески сидения оператора с возможностями защиты от вибраций в области низких частот. Обозначения представлены выше в описании изобретения. Для этой схемы может быть построена математическая модель.

Особенностью предлагаемого изобретения является то, что подвижная подвеска через рычажные соединения имеет связь с дополнительным инерционным механизмом, имеющим массу m₁. Движения скобы или вертикальное перемещение человека-оператора массой М сопровождается преобразованием относительного движения с помощью рычажных механизмов. Преобразование движения приводит к изменению значений приведенных масс, они могут быть увеличены или уменьшены за счет изменения геометрических параметров механизмов или устройств преобразования движения. В физическом плане преобразование движения связано с возникновением дополнительных инерционных сил, которые при определенных условиях создают эффекты динамического гашения, полезные тем, что в определенном диапазоне частот они снижают амплитуд вынужденных колебаний объекта защиты. Построение математической модели основано на использовании формализма Лагранжа.

Кинетическая энергия виброзащитной системы определяется сумой энергии объекта массой М, энергии пригруза массой m₁ и приведенной массы m. Абсолютное движение объекта массой М складывается из переносного движения z и относительного движения - поворота рычага относительно точки О. Принимая, что через y обозначена координата движения относительно абсолютно неподвижной системы, найдем выражение для кинетической энергии

где , , а знак «-» отражает свойство рычажного механизма при вращении вокруг точек О и О₁ изменять направление скорости относительного движения на противоположное, при этом соответствующим образом изменяется и величина самой скорости (отметим, что рассматриваются малые движения).

Принимая , , получим

или

Если кинетическую энергию выразить через y₁, то

Потенциальная энергия системы в координатах, связанных с неподвижной системой отсчета, принимает вид

В случае выбора координат у₁

где К_пр - коэффициент жесткости, определяемый последовательным соединением пневмобаллона (жесткость k₁) и демпферной камеры (жесткость k₀), .

С учетом вышеприведенного, можно получить модель в виде дифференциального уравнения движения по координате y:

Для координаты y₁ получим соответственно

Передаточная функция в такой системе имеет вид

Запишем выражение для построения амплитудно-частотной характеристики системы, используя (9)

где

Из полученной математической модели, можно найти частоты, которые в первом приближении, могут соответствовать провалам и пикам АЧХ:

На фиг.2 кривая 1 соответствует малому значению приведенной массы, формируемой устройством для преобразования движения. Кривая 2 соответствует режиму, в котором возможно получение падающей ветви амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) системы. Физический смысл каждого значения АЧХ - отношение амплитуд колебаний на сидении к амплитуде колебаний основания. Часто такое отношение называют коэффициентом передачи колебаний. Ниспадающая ветвь на АЧХ в частотном интервале от О до частоты собственных колебаний означает, что в низкочастотной области, особенно опасной для человека, коэффициент передачи колебаний будет меньше единицы.

Кривая 3 на фиг.2 показывает свойства обычной системы. В низкочастотной области в обычной системе, а также в системе с устройствами для преобразования движения АЧХ имеет нарастающий характер до частоты собственных колебаний или частоты резонанса.

Предлагаемые формулы (9), (10) используются для выбора параметров системы, если предполагается интерес к особенностям свойств систем с учетом возможностей в их вариантах (кривая 1, кривая 2).

1. Устройство для вибрационной защиты, содержащее сиденье оператора, пневматический элемент, систему продвижения воздуха под действием вибрации внутри пневматического элемента, подвески, отличающееся тем, что подвеска установлена на двух опорах и состоит из четырех рычагов шарнирно соединенных между собой в точках опор, на крайних рычагах с одной стороны располагается пневматический элемент, с другой стороны - дополнительная инерционная масса, рычаги которые расположены между опорами, соединены шарнирно с опорой сиденья.

2. Устройство для вибрационной защиты по п.1, отличающееся тем, что пневматический элемент состоит из верхней части в виде жесткой емкости и нижней части в виде гибкого полого элемента, способного изменять объем, пропуская через раздаточный элемент воздухопровода воздух посредством действия рычага, расположенного между опорой и опорой сиденья, под влиянием вибрации и веса оператора.

3. Устройство для вибрационной защиты по п.1, отличающееся тем, что опора сиденья имеет ограничение степени свободы благодаря рычагу, который соединен с опорой сиденья и основанием.