Динамический гаситель колебаний

Изобретение относится к устройствам для гашения колебаний при действии динамических нагрузок и может быть использовано на объектах, располагающихся на подвижном основании (например, на транспортных средствах).

Предлагаемая полезная модель обеспечивает гашение колебаний объекта защиты (прибора) и развязку взаимодействия между координатами, используя простейшую конструкцию на основе пневмоупругих дополнительных связей. Цель достигается тем, что динамический гаситель колебаний, содержащий две пружины, разнесенные по сторонам, причем нижними концами опираются на основание, верхними концами соединены с объектом защиты, отличающийся тем, что в пружины вставлены штоки, опирающиеся нижними концами на колеса, верхними концами соединены с поршнями, находящихся в цилиндрах, расположенных в полой полости объекта защиты и имеющие возможность двигаться под действием сжатого воздуха, создаваемого системой сжатого воздуха и тем самым обеспечивая режимы динамического гашения на 3-х частотах. Система сжатого воздуха включает компрессор, ресивер, дроссель и трубопровод для подвода воздуха к полой части объекта защиты. Динамическое гашение по координатам y₁ и y₂ реализуется на двух частотах, определяемых из соотношений:

а развязка колебаний реализуется на 3-ей частоте, определяемой по формуле:

.

Изобретение относится к устройствам для гашения колебаний объектов при действии динамических нагрузок и может быть использовано в системах различного назначения, взаимодействующих с подвижным основанием (например, на транспортных средствах).

Во многих областях современной техники часто возникают колебательные движения различных механических систем. Вследствие вибраций увеличиваются динамические нагрузки в элементах конструкций, которые приводят к появлению сбоев в работе аппаратуры, возникновению трещин в конструкциях и других дефектов. В связи с этим, имеет особое значение создание специальных устройств, снижающих динамические нагрузки, а также меняющие свои свойства в зависимости от условий внешнего окружения.

Известен динамический гаситель колебаний [Брысин А.В., Синев А.В. «Динамический гаситель», патент РФ 2261383, F16F 15/00, приоритет 04.06.2003]. Гаситель колебаний содержит рычаг, соединенный с колеблющимся объектом и полый корпус, закрепленный на рычаге и заполненный рабочей средой. Торцы корпуса выполнены в виде мембран, взаимодействующих при превышении пороговых амплитуд с ограничительными упорами, обеспечивающими виброударное гашение колебаний. В корпусе неподвижно закреплена вставка, разделяющая объем с рабочей средой на две камеры. В качестве рабочей среды используется жидкость. Недостаток данного устройства заключается в сложности изготовления, а также в отсутствии конструктивной возможности введения настроечных элементов простых форм (в виде пружин, демпферов, дросселей, давления и др.).

Известен динамический гаситель колебаний [Хоменко А.П. и др. «Динамический гаситель колебаний», полезная модель 48604, МПК F16F 15/00, приоритет 28.12.2004]. Динамический гаситель колебаний содержит объект защиты, упругие элементы и датчики вибраций, дополнительную массу, элементы, ограничивающие перемещение дополнительной массы, а также электронное устройство управления, превращающее систему с двумя степенями свободы в систему с одной степенью свободы и обратно, при прохождении системой частот, определяемых из равенства амплитудно-частотных характеристик одномассовой и двухмассовой систем. Недостатком данного устройства является тот факт, что оно обеспечивает гашение вибрации только при определенных параметрах системы, также к недостаткам можно отнести сложность конструктивного исполнения большого количества кинематических пар, что неизбежно приводит к износу пар с последующим появлением люфтов и связанных с этим ударных взаимодействий.

К наиболее близкому техническому решению, следует отнести динамический гаситель колебаний [Хоменко А.П. и др. «Динамический гаситель колебаний», полезная модель 82802, МПК F16F 15/00, приоритет 22.12.2008].

Динамический гаситель колебаний, содержащий пружину, рычажную систему, отличающийся тем, что упругость реализуется двумя пружинами, разнесенными по сторонам, одним концом они закреплены с основанием, другим - с Г-образными рычагами, которые соединены между собой соединяющей пружиной, к Г-образным рычагам подвешен объект защиты, имеющий одну степень свободы, при этом режимы динамического гашения реализуются на 2-х частотах, определяемых из определенных соотношений.

Целью изобретиния является разработка устройства, которое обеспечивает настройку режимов динамического гашения колебаний с одновременным введением межкоординатных связей в системах с двумя степенями.

Цель достигается тем, что динамический гаситель колебаний, содержащий две пружины, разнесенные по сторонам, причем нижними концами опираются на основание, верхними концами соединены с объектом защиты, отличающийся тем, что в пружины вставлены штоки, опирающиеся нижними концами на колеса, верхними концами соединены с поршнями, находящихся в цилиндрах, расположенных в полой полости объекта защиты и имеющие возможность двигаться под действием сжатого воздуха, создаваемого системой сжатого воздуха и тем самым обеспечивая режимы динамического гашения на 3-х частотах. Система сжатого воздуха включает компрессор, ресивер, дроссель и трубопровод для подвода воздуха к полой части объекта защиты. Динамическое гашение по координатам y₁ и y₂ на двух частотах, определяется из соотношений

по координате y₁:

по координате y₂:

Динамическое гашение и развязка колебаний на 3-ей частоте определяется по формуле:

где ₁,₂ - частоты динамического гашения по координатам y₁ и y₂; ₃ - частота, на которой осуществляется развязка взаимовлияния движений по координатам y₁ и y₂ . М,I - масса и момент инерции объекта защиты; k₁ и k₂ - упругие элементы внешнего подвеса; k₃ - приведенная жесткость воздуха в рабочей полости, которая зависит от давления создаваемого насосом или компрессором;

- отношения расстояний между центром тяжести и точками крепления упругих элементов k₁ и k₂.

Работа предлагаемого устройства поясняется чертежами.

На фиг.1 изображен динамический гаситель колебаний вместе с объектом защиты. На фиг.2 показаны зависимости частот динамического гашения и развязки колебаний от величины упругости воздушной среды. На фиг.1 показан объект защиты 1, пружины - 2, 3, соединительная пневматическая пружина - 4, поршни (рабочая полость) - 5, 6, основание - 7, компрессор - 8, ресивер - 9, дроссель - 10, регулятор - 11, датчики давления - 12.

В предлагаемом устройстве объект защиты 1 имеет две степени свободы движения; колебания основания 7 передаются объекту защиты 1 через обычные пружины 2, 3, пневматическую пружину - 4 и через поршни-толкатели - 5, 6, что, в свою очередь, вызывает соответствующе перемещения поршней и их взаимодействие через пневматическую соединяющую пружину 4.

Устройство работает следующим образом.

При возмущении со стороны основания 7 (фиг.1) объект защиты 1 приходит в движение, определяемое координатами y ₁ и y₂, действием пружин 2, 3 и штоков 5, 6. Взаимодействие между парциальными системами возникает из-за того, что в системе существуют инерционные и упругие перекрестные связи. Движение по одной координате обязательно приводит к движению по другой координате. Необходимые изменения динамического состояния достигаются тем, что в виброзащитной системе объекта имеется пневматическая соединительная пружина 4 с жесткостью k₃ которая может регулироваться во время действия внешних нагрузок. Для измерения параметров динамического состояния имеются датчики 12, которые передают информацию в блок 11 (фиг.1). Насос (или компрессор) 8 в соответствии с сигналом из блока 11 начинает работать и изменяет давление в ресивере 9.

В свою очередь, изменение давления в рабочей полости приводит к изменению параметров, определяющих значения частот для режимов динамического гашения (формулы (1), (2)) или частоты режимов развязки колебательных систем, при котором движение по одной координате не вызывает движение по другой. Дроссель 10 используется для предварительной настройки быстродействия системы.

Предлагаемая виброзащитная система обеспечивает комплекс режима динамического гашения и развязки колебаний, для которых определяются автономно частоты динамического гашения механической колебательной системы, состоящей из объекта защиты и динамического гасителя колебаний. Движение данной системы при кинематическом возмущении можно считать дифференциальными уравнениями (4) и (5):

где y₁ и у₂ - обобщенные координаты или перемещения объекта защиты;

М - масса объекта защиты;

I - момент инерции объекта защиты;

k₁,k₂ -жесткости пружин, соединяющих объект защиты с основанием;

k₃ - жесткость соединительной пневматической пружины (рабочая полость);

z₁ и z₂ - возмущения со стороны основания;

а, b, с -коэффициенты, определяемые соотношениями расстояний от точек закрепления пружин k₁ и k₂ относительно центра тяжести объекта защиты.

Используя преобразования Лапласа, можно по обычным правилам построить структурную схему эквивалентной в динамическом отношении системы автоматического управления и построить передаточные функции

где

- частотное характеристическое уравнение, из которого могут быть найдены две частоты собственных колебаний (при подстановке =j, ); в расчете принимается, что z₁=z₂ =z.

Из формул (6), (7) следует, что для механической системы без трения на определенных частотах (1), (2), (3) реализуются режимы динамического гашения колебаний и развязки колебаний, а данная система может служить «фильтром вибрации» этих частот при защите объекта от внешних воздействий.

Варьируя и массо-инерционными параметрами и жесткостью пневматической пружины, можно изменять диапазоны частот динамического гашения. На фиг.2 а, б, в показано, что частоты динамического гашения находятся в прямолинейной зависимости от величины коэффициента жесткости k₃ который, в физическом смысле, отражает упругие свойства воздуха в рабочей полости объекта, в свою очередь, зависящей от давления, нагнетаемого насосом или компрессором. Как следует из графиков на фиг.2а и 2б - приведенная жесткость виброзащитной системы по сравнению с исходной будет возрастать, а графики зависимости при k₃=0 имеют значения k ₁ и k₂, соответствующие переходным значениям упругости подвески по координатам y₁ и y₂ . Что касается зависимости частоты развязки колебаний по парциальным системам, то график на фиг.2б начинает с нулевого значения.

Настройка динамического гасителя колебаний - амортизатора осуществляется путем предварительного выбора параметров жесткости по координатам y₁ и y₂, то есть параметров k₁ и k₂, которые могут быть выбраны меньших значений (в 1, 5 графа), чем обычно применяемых на практике; жесткость пневматической пружины k₃ задается в соответствии с предполагаемой внешней нагрузкой и отслеживается системой датчиков 12. Интенсивность воздухообмена или скорость перехода системы из одного состояния в другое регулируется дросселем.

Использование такого динамического гасителя колебаний в задачах виброзащиты приборов, установленных на подвижном основании, наиболее эффективно при точной настройке, когда частота внешнего воздействия совпадает с частотой антирезонанса.

Предлагаемое устройство исследовалось методами вычислительного моделирования и обладает возможностями реализации режимов динамического гашения и развязки колебаний при гармонических колебаниях основания.

Коллектив авторов

1. Елисеев Сергей Викторович - директор НИИ современных технологий, системного анализа и моделирования Иркутского государственного университета.

Дом. адрес: 664033, Иркутск, ул. Лермонтова, 313, кв.29.

Тел./факс: 8-395-2-59-84-28, сот.: 665-129.

E-mail: eliseev s@inbox.ru

2. Сигачев Николай Петрович - директор Забайкальского железнодорожного института ИрГУПС. Дом. адрес: 672040, г.Чита, ул. Магистральная, 5, кВ. 40. Тел.: 8914 470 94 00

3. Фомина Инна Владимировна - аспирант Иркутского государственного университета путей сообщения. Дом. адрес: 672030, г.Чита, 5-ый Микрорайон, д.44, кВ. 64.Тел.: 8914 951-13-12.

4. Ермошенко Юлия Владимировна - декан заочного факультета ИрГУПС. Дом. адрес: 664 074, г.Иркутск, ул. 4-ая Железнодорожная, д.72, кВ. 18. Тел.: 8924 6042928.

5. Трофимов Андрей Нарьевич - рук. Инженерного центра ИрГУПС. Дом. адрес: 664033, г.Иркутск, ул. Лермонтова, 333 В, кВ. 62. Тел.: 8 914 882 41 11.

1. Динамический гаситель колебаний, содержащий две пружины, разнесенные по сторонам, причем нижними концами опираются на основание, а верхними концами соединены с объектом защиты, отличающийся тем, что в пружины вставлены штоки, опирающиеся нижними концами на колеса, а верхними концами соединены с поршнями, находящимися в цилиндрах, расположенных в полой полости объекта защиты, и имеющими возможность двигаться под действием сжатого воздуха, создаваемого системой сжатого воздуха и тем самым обеспечивая режимы динамического гашения на 3-х частотах.

2. Динамический гаситель колебаний по п.1, отличающийся тем, что система сжатого воздуха включает компрессор, ресивер, дроссель и трубопровод для подвода воздуха к полой части объекта защиты.

3. Динамический гаситель колебаний по п.1 или 2, отличающийся тем, что динамическое гашение по координатам y₁ и y₂ реализуется на двух частотах, определяемых из соотношений:

а развязка колебаний реализуется на 3-й частоте, определяемой по формуле:

где ₁, ₂ - частоты динамического гашения; ₃ - частота развязки колебаний, k₁ , k₂ - жесткости опорных пружин; k₃ - жесткость пневматической пружины (воздуха в рабочей полости), М, I - масса и момент инерции объекта, - отношения расстояний между точками крепления пружин и центром тяжести объекта.