Виброгаситель с блоком пьезоактуаторного гашения вибраций
Устройство относится к области виброзащиты и предназначено для гашения колебаний различных объектов, подверженных действию вибраций и может быть использовано как на стационарных (например, фермы для морских буровых платформ, мачты сотовой и спутниковой связи), так и на мобильных (например, силовые рамы подвески двигателей летательных аппаратов) объектах. Технический результат, достигаемый с помощью предлагаемого устройства заключается в исключении задержки начала процесса виброгашения (повышение быстродействия), в обеспечении надежности этого процесса и расширении диапазона частот демпфирования колебаний составных конструкций сложной конфигурации. Полезная модель решает задачу повышения эффективности демпфирования (гашения) колебаний составных конструкций сложной конфигурации. Сущность полезной модели состоит в том, что виброгаситель содержит пьезоэлектрический актуатор, блок регистрации и управления соединенный с микроЭВМ, датчик ускорений, наклеенные на различных звеньях объекта тензодатчики деформаций, электромагнитный возбудитель вынужденных колебаний и оптический измеритель малых перемещений, обеспечивающие контроль эффективности работы виброгасителя. 2 з.п.,2 илл.
Устройство относится к области виброзащиты и предназначено для гашения (демпфирования) колебаний различных объектов, подверженных действию вибраций и может быть использовано как на стационарных (например, буровые вышки, мачты сотовой и спутниковой связи), так и на мобильных (например, транспортные средства) объектах.
Различные сооружения и объекты строительных и машиностроительных конструкций эксплуатируются в условиях динамического воздействий, которые вызывают вибрации и колебательные движения, достигающие зачастую предельно допустимых уровней. Это приводит к накапливанию повреждений в элементах конструкций, а иногда и разрушению. Для предотвращения возможных аварий необходимость создания методов и средств для управления и гашения вибраций очевидна.
Известен простейший динамический гаситель Фрама (Елисеев С.В. Механические системы с дополнительными связями. Новосибирск: Наука. СО РАН-1990, [1]). В таком устройстве защищаемый от вибраций объект рассматривается в виде модели, представляющей собой сосредоточенную массу m, прикрепленную к основанию упругой пружиной с жесткостью К. При приближении частоты возбуждения колебаний к частоте собственных колебаний объекта амплитуда колебаний существенно возрастает. Для их уменьшения к объекту прикрепляется динамический гаситель колебаний, представляющий собой сосредоточенную массу mг и пружину с жесткостью Kг. Подбор определенных значений параметров mг и Kг позволяет добиться динамического гашения колебаний на определенной дискретной частоте внешнего воздействия. При стохастическом характере внешних воздействий значения всех собственных частот объекта, как правило, неизвестны. Поэтому описанное техническое решение виброгасителя имеет ограниченную область применения для объектов с заранее известными резонансными частотами колебаний.
Известно устройство «Виброгаситель с блоком частотно зависимого управления эффективностью гашения вибраций» (Полезная модель к патенту 
88087. МПК 8 F16F 15/03. Приор. 16.07.2009. Бюлл. изобр. 3. Опубл. 27.10.2009) [2], принимаемое за прототип. Это устройство, содержит съемные элементы дополнительной массы, подвижную электромагнитную систему (ЭМС), являющуюся управляющим звеном и взаимодействующую через упругий элемент с корпусом виброгасителя, цилиндрический корпус с демпфирующей жидкостью (магнитореологическая суспензия) внутри его, а также датчик частоты вибраций и блок регистрации и управления. Гашение вибраций осуществляется в этом устройстве благодаря демпфированию колебаний сердечника ЭМС демпфирующей жидкостью, заполняющей пространство между корпусом и ЭМС. Это устройство хоть и позволяет демпфировать колебания объекта в достаточно широком диапазоне частот, регистрируемых имеющимся в нем датчиком частоты вибраций, но не обеспечивает необходимого быстродействия. Это обусловлено тем, что в этом виброгасителе имеется цилиндрический корпус с демпфирующей жидкостью в виде магнитореологической суспензии внутри корпуса, взаимодействующей через сердечник ЭМС с защищаемым от вибрации объектом. Эта демпфирующая жидкость является вязкоупругим элементом, который и вызывает существенное увеличение времени реагирования сердечника ЭМС на входные сигналы, поступающие на вход ЭМС. Это запаздывание момента воздействия сердечника (управляющего звена ЭМС) на защищаемый от вибраций объект снижает эффективность виброгашения, т.к. описанное устройство не успевает среагировать на резонансы собственных частот, достаточно близкие друг к другу в спектре частот. Это особенно важно для сложных составных объектов, у которых при действии внешних динамических воздействий возбуждаются различные формы колебаний в различных элементах (звеньях) конструкции. Амплитуды смещений в каком-либо из этих элементов (звеньев) вполне могут достичь критически опасных значений. Виброгаситель, установленный произвольно на каком-либо одном элементе (звене) объекта (это следует из описания известного устройства) реагирует на некую интегральную частоту вибраций, которая может отличаться от резонансной частоты другого элемента (звена), что и снижает эффективность виброгашения.
Технический результат, достигаемый с помощью предлагаемого устройства, заключается в исключении задержки начала процесса виброгашения (повышение быстродействия), в обеспечении надежности этого процесса и расширении диапазона частот демпфирования колебаний составных конструкций сложной конфигурации.
Полезная модель решает задачу повышения эффективности демпфирования (гашения) колебаний составных конструкций сложной конфигурации.
Сущность полезной модели состоит в том, что она включает в себя управляющее звено, датчик частоты вибраций, функции которого в расширенном объеме выполняет жестко прикрепленный к объекту датчик ускорений, блок регистрации и управления, вход которого соединен с выходом указанного датчика, а выход - с входом управляющего звена виброгасителя, выполненного в виде пьезоэлектрического актуатора (ПА), наклеенного на поверхности защищаемого от вибраций объекта. ПА преобразует электрическое напряжение, поступающее от блока регистрации и управления в динамические смещения защищаемого объекта, гасящие смещения объекта, вызванные внешними воздействиями. Это напряжение генерируется блоком регистрации и управления в моменты возникновения резонансных колебаний в защищаемом объекте, регистрируемых датчиком ускорений, выход которого связан с входом блока регистрации и управления. Наличие в виброгасителе отмеченных выше признаков и их взаимодействие позволяют достичь технического результата - исключение задержки начала процесса виброгашения и повышение его надежности.
Расширение диапазона частот демпфирования (гашения) колебаний составных конструкций сложной геометрии осуществляется благодаря наличию в схеме виброгасителя дополнительных признаков - тензодатчиков деформации, наклеенных на всех звеньях защищаемого от вибраций составного объекта. Это осуществляется благодаря тому, что выходной сигнал датчика ускорений корректируется в блоке регистрации и управления выходными сигналами тензодатчиков деформаций. В результате ПА генерирует динамические смещения при наступлении резонансов не только в одном звене объекта, на котором установлен датчик ускорений, но и в других звеньях защищаемого от вибраций составного объекта. Частотная взаимосвязь выходных сигналов от датчика ускорений и тензодатчиков, программно реализуемая в блоке регистрации и управления обеспечивает расширение диапазона частот.
Обеспечение надежности процесса виброгашения решается благодаря наличию в предлагаемом устройстве модуля контроля эффективности виброгашения, состоящего из электромагнитного возбудителя вынужденных колебаний (ЭМВ) и оптического измерителя малых перемещений (ОИ). С помощью ЭМВ, после замыкания переключателя, в объекте (в отсутствие внешних воздействий) возбуждаются колебания на выявленных ранее датчиком ускорений резонансных частотах и регистрируются поперечные смещения свободного конца одного из звеньев составного объекта. Эти смещения измеряются с помощью включенного в схему виброгасителя цифрового ОИ. Если ПА обеспечивает полное виброгашение во всем диапазоне зарегистрированных ранее частот резонансов объекта, то смещение, определяемое в режиме контроля ОИ близко к нулю с учетом погрешности измерений, что и фиксируется микро-ЭВМ (ПК), на вход которого подключен выход ОИ. Описанная контрольная операция, реализуемая через цепи ЭМВ, ОИ и блока регистрации и управления, состоящие из взаимозависимых элементов (признаков) предлагаемого устройства позволяет обеспечить более высокую, чем в известных устройствах, надежность виброгашения и достичь, таким образом, заявленного технического результата.
Сущность изобретения поясняется чертежами, иллюстрирующими схему и процесс виброгашения на примере устройства для гашения колебаний (вибраций) элемента составной конструкции треугольной конфигурации, являющегося типовым для форменных конструкций, эксплуатируемых в условиях сильных динамических воздействий внешней среды.
На фиг.1 приведена структурная схема виброгасителя. Устройство (фиг.1) включает в себя следующие компоненты. Защищаемый от вибраций объект в виде треугольной рамы 1, жестко закрепленный в основании 2 снабжен пьезоэлектрическим актуатором 3. На звеньях рамы наклеены три тензодатчика деформаций 4 (Тд1, Тд2, Тд3), а на одном из звеньев рамы закреплен датчик ускорений 5, причем у свободного конца этого звена на отдельном жестком основании установлен электромагнитный возбудитель вынужденных колебаний 6, на входе которого имеется переключатель 7. На виброизолированном основании размещен оптический измеритель малых перемещений 8. Выходы датчиков 4, 5 подключены к выходам блока регистрации и управления 9, соединенного с микро-ЭВМ 10.
Устройство работает следующим образом: при действии на объект внешнего динамического воздействия, блок регистрации и управления 9 обрабатывает сигналы с датчиков ускорений 5 и деформаций 4 таким образом, что при возникновении резонансов колебаний на одном из звеньев объекта этот блок подает электрическое напряжение на входы пьезоэлектрического актуатора 3. Последний трансформирует подаваемое на его электроды напряжение в динамическое смещение звеньев объекта таким образом, что амплитуды поперечных смещений на зарегистрированной датчиками резонансной частоте уменьшаются, т.е. осуществляется демпфирование - гашение опасных смещений звеньев объекта.
Для оценки степени повышения эффективности виброгашения с помощью пьезоактуатора был проведен натурный эксперимент по демпфированию колебаний (вибраций) модели рамы треугольной конфигурации в широком диапазоне частот (до 800 Гц) колебаний, которые возбуждались с помощью электромагнитного возбудителя колебаний. На фиг.2 приведены, полученные с помощью микро-ЭВМ 10, осциллограммы процесса гашения (демпфирования) колебаний рамы треугольной конфигурации, на резонансной частоте 
р=23 Гц: а) вибросмещения; б) деформации, зарегистрированные тензодатчиками. Из графика вибросмещений (фиг.2,а) следует, что амплитуды вынужденных колебаний после включения пьезоактуатора уменьшились в 6 раз, что доказывает высокую эффективность процесса виброгашения. Длительность переходного процесса, равная 0,15 с (этот интервал выделен на фиг.2 коротким отрезком со стрелками) в основном короче, чем межрезонансный промежуток для составных конструкций испытанного типа. Эти данные подтверждают повышенное быстродействие предложенного устройства по сравнению с аналогами.
Предложенная схема виброгасителя позволяет демпфировать вибрации составных конструкций сложной конфигурации в широком диапазоне частот колебаний, что расширяет диапазон применения этого виброгасителя по сравнению с известными аналогами.
Для обеспечения надежности процесса виброгашения в составных конструкциях сложной конфигурации в схему предложенного виброгасителя включен новый отсутствующий в прототипе конструкционный признак - модуль контроля эффективности процесса виброгашения, включающий в себя электромагнитный возбудитель колебаний свободного конца рамы 6, переключатель 7 и оптический измеритель малых перемещений 8.
Этот модуль работает следующим образом: при работе актуатора 3 на каждой из зарегистрированных резонансных частот оптический измеритель 8 посылает рабочие цифровые сигналы в блок памяти компьютера 10. На следующем этапе актуатор выключается и колебания защищаемого объекта возбуждаются на соответствующей частоте электромагнитным возбудителем 6 (замыкаются контакты переключателя 7) и оптический измеритель 8 посылает калибровочный цифровой сигнал в компьютер 10, который сравнивается с рабочим сигналом.
Разница уровней этих сигналов регистрируется блоком контроля компьютера и определяется величиной отклонения от нуля амплитуды поперечных смещений - параметром виброгашения. Заложенные в блок памяти микро-ЭВМ допустимые отклонения (на всех резонансных частотах) сравниваются с измеренными. При этом нулевой сигнал на выходе блока контроля свидетельствует о надежности работы виброгасителя. Описанная выше процедура контроля параметров виброгашения отсутствует в известных решениях, что также является доказательством преимущества предлагаемого устройства перед известными.
Список литературы
1. Елисеев С.В. Механические системы с дополнительными связями. Новосибирск: Наука. СО РАН. - 1990. С.58.
2. Виброгаситель с блоком частотно зависимого управления эффективностью гашения вибраций. Полезная модель к патенту 88087. МПК F16F 15/03. Приор, от 16.07.2009. Бюл. изобр. 30.
1. Виброгаситель, содержащий взаимодействующий с защищаемым от вибраций объектом датчик частоты вибраций и расположенный вне виброгасителя блок регистрации и управления, вход которого соединен с выходом указанного датчика, а выход - с входом управляющего звена виброгасителя, отличающийся тем, что управляющее звено виброгасителя выполнено в виде пьезоэлектрического актуатора, прикрепленного через клеевую прослойку к поверхности защищаемого от вибраций объекта, причем первый вход пьезоэлектрического актуатора соединен напрямую с первым выходом блока регистрации и управления, а второй его вход подключен ко второму выходу этого блока, а в качестве датчика частоты используется жестко прикрепленный к защищаемому от вибраций объекту датчик ускорений, выход которого соединен с входом блока регистрации и управления.
2. Виброгаситель по п.1 отличающийся тем, что он дополнительно содержит наклеенные на поверхностях звеньев защищаемого от вибраций объекта тензодатчики деформаций, выходы которых соединены с входами блока регистрации и управления, причем выход последнего соединен с входом микро-ЭВМ.
3. Виброгаситель по п.1 отличающийся тем, что содержит расположенный вблизи поверхности защищаемого от вибраций объекта, предназначенный для контроля его вибросмещений электромагнитный возбудитель вынужденных колебаний, вход которого соединен через переключатель с входом блока регистрации и управления.
4. Виброгаситель по п.1 отличающийся тем, что в него включен оптический измеритель малых перемещений, выход которого соединен с входом микро-ЭВМ.
