Магнитореологический гаситель колебаний

В заявке предлагается магнитореологический виброгаситель, предназначенный для ликвидации вертикальных колебаний груза на подвеске подъемного крана. Виброгаситель содержит датчик массы поднимаемого груза, датчик длины подъемного каната и блок вычисления частоты вынужденных колебаний груза на канате. Указанный блок содержит пять усилителей с настраиваемыми коэффициентами усиления, три блока умножения, два сумматора, компаратор и задатчик. Датчик массы соединен со входом первого усилителя, с первым и вторым входами первого блока умножения и с первым входом второго блока умножения, датчик длины каната соединен со входом второго усилителя, со вторым входом второго блока умножения и с первым и вторым входами третьего блока умножения; выходы первого и второго усилителей соединены с первым сумматором, выходы первого, второго и третьего блока умножения соединены, соответственно, с третьим, четвертым и пятым усилителями. Выходы последних соединены со вторым сумматором, выход первого сумматора соединен с первым входом компаратора, задатчик подключен ко второму входу компаратора, выход компаратора связан со входом второго сумматора, а выход этого сумматора подключен к электромагниту. В соответствии с частотой вынужденных колебаний виброгаситель управляет напряжением электромагнита, изменяющего вязкость магнитореологической суспензии, заполняющей полость виброгасителя, и эффективно ликвидирует колебания.

Предлагаемая полезная модель относится к средствам гашения механических колебаний и может быть использована для гашения вертикальных колебаний объекта транспортирования при эксплуатации подъемно-транспортных машин типа кранов с крюковой подвеской, закрепленной на канате.

В настоящее время магнитореологические гасители механических колебаний, аналогичные предлагаемому, известны. К ним относится, например, «Магнитореологический виброгаситель», защищенный патентом РФ 2106551, кл. F16F 15/03. Он содержит корпус, заполненный демпфирующей средой, в качестве которой применена магнитореологическая суспензия. В корпусе размещена также подвижная масса (груз) и электромагнитная система. Подвижная масса установлена относительно полюсных наконечников магнитопровода системы с зазорами, а магнитореологическая суспензия размещена в зазорах. При эксплуатации виброгасителя его устанавливают на колеблющемся объекте и, в соответствии с частотой колебаний объекта, настраивают. Для этого на электромагнитную систему подают определенное напряжение, оно создает определенное магнитное поле, а магнитореологическая суспензия в созданном магнитном поле приобретает определенную вязкость. Вязкость создает определенную виброгасящую способность устройства, обеспечивающую гашение колебаний объекта на данной частоте.

Существуют и другие виброгасители-аналоги, в частности, «Гаситель колебаний», защищенный патентом РФ 2188349, кл. F16F 15/03. Он содержит корпус, магнитореологическую суспензию и размещенную в корпусе электромагнитную систему с подвижным сердечником. Сердечник выполнен в виде катушки, на которой размещена обмотка управления, и закреплен внутри корпуса на двух плоских пружинах. Щеки катушки образуют кольцевые зазоры, в которых размещена суспензия, а на внешней поверхности корпуса, посредством фиксаторов, закреплены съемные кольцевые грузы. При использовании виброгасителя, его устанавливают на колеблющемся объекте на упругом основании и, в соответствии с частотой колебаний объекта, настраивают. Для этого на катушку подают определенное напряжение, в результате чего суспензия приобретает определенную вязкость. Вместе с этим, снимая или добавляя определенное число съемных грузов с внешней поверхности корпуса виброгасителя, регулируют его массу. Эти две совместные операции дают возможность подобрать необходимую виброгасящую способность устройства и, так же как и в предыдущем случае, обеспечивают гашение колебаний на данной частоте.

Описанные устройства, будучи правильно настроенными, обладают высокой виброгасящей способностью на данной частоте. Однако, они не перенастраиваются автоматически при изменении частоты колебаний объекта, на котором они устанавливаются. Этого недостатка лишен магнитореологический гаситель колебаний, описанный в статье A.M.Кабакова, А.И.Пабата и А.Н.Орлова «Защита машиниста крана от вибраций», опубликованной в журнале «Безопасность труда в промышленности», 1977, 5, стр.26. Указанный гаситель колебаний также может рассматриваться как аналог. Он позволяет гасить вертикальные колебания крюковой подвески подъемно-транспортной машины типа крана и содержит корпус, установленный на крюковой подвеске машины электромагнит и магнитореологическую суспензию, размещенные внутри корпуса, груз (цельный или составной), размещенный в суспензии и вне ее и прикрепленный к корпусу посредством пружин, вибродатчик и блок управления, закрепленные на корпусе гасителя. Выход вибродатчика соединен со входом блока управления, а выход блока управления соединен с электромагнитом. При использовании виброгасителя его устанавливают на крюковой подвеске крана и с помощью блока управления настраивают на определенную среднюю частоту в диапазоне возможных частот колебаний подвески (он, обычно, соответствует 5-15 Гц). При подъеме или опускании объекта транспортирования его, после перемещения на нужную высоту, фиксируют тормозом (это обусловлено правилами эксплуатации грузоподъемных машин). При торможении возникают вертикальные колебания подвески с объектом транспортирования и вибродатчик выдает сигнал, соответствующий частоте этих колебаний. Сигнал поступает на блок управления, а тот, в свою очередь, корректирует напряжение, подаваемое на электромагнит. Последний изменяет вязкость магнитореологической суспензии и корректирует виброгасящую способность гасителя колебаний. Если частота колебаний подвески с объектом выше средней, то эта способность увеличивается, если ниже, то уменьшается. Таким образом, рассматриваемый виброгаситель-аналог перенастраивается автоматически и обеспечивает эффективное гашение колебаний не только на частоте, на которую заранее настроен, но и в диапазоне других частот.

Несмотря на достоинства, данный аналог не лишен и недостатков. Он довольно сложен по конструкции, а потому не всегда надежен в эксплуатации. Вызвано это, прежде всего, тем, что в нем использован вибродатчик. Датчик дает сигнал довольно сложного спектра. Для того, чтобы надежно управлять электромагнитом, избежать неоправданных потерь энергии в нем, из сигнала нужно выделить основную гармонику. Это требует применения в блоке управления системы частотных фильтров и соответствующих виброусилителей. Если это октавные фильтры (как это обычно принято при виброизмерениях), то их требуется восемь, и, соответственно, нужно восемь усилителей. Вместе с тем, применение сложного блока управления можно избежать, если отказаться от использования вибродатчика. Это позволит упростить блок управления и гаситель колебаний в целом. В результате повысится и надежность устройства. Эта задача решена при разработке гасителя колебаний, защищенного Патентом РФ 99089, кл. F16F 9/53 и принятого нами за прототип. Результатом ее решения явилось упрощение конструкции и повышение надежности магнитореологического гасителя колебаний при использовании его в процессе эксплуатации подъемно-транспортных машин типа кранов. Технический эффект, достигнутый при этом, был обеспечен тем, что современные краны, как правило, снабжены датчиками длины каната, на котором закреплена крюковая подвеска (датчиками высоты подъема транспортируемого объекта) и датчиками массы объекта (широко применяются, например, устройства фирмы Топау-электроник и др.). Такие датчики позволяют повысить безопасность эксплуатации кранов в соответствии с требованиями Ростехнадзора, автоматизировать учет и нормирование подъемно-транспортных работ и пр. Конструктивно же технический эффект был достигнут за счет того, что магнитореологический гаситель колебаний, принятый за прототип, содержит блок управления, корпус, установленный на крюковой подвеске подъемно-транспортной машины, электромагнит и магнитореологическую суспензию, размещенные внутри корпуса, груз, размещенный в суспензии и вне ее и прикрепленный к корпусу посредством пружин, и снабжен датчиком массы объекта транспортирования, датчиком длины каната, на котором закреплена крюковая подвеска, а блок управления выполнен в виде первого и второго усилителей с регулируемыми коэффициентами усиления, задатчика напряжения, двухвходового сумматора напряжений и компаратора, причем датчик массы соединен с входом первого усилителя, датчик длины каната соединен с входом второго усилителя, выход первого усилителя соединен с первым входом двухвходового сумматора, выход второго усилителя - со вторым входом двухвходового сумматора, выход этого сумматора соединен с шиной ввода в компаратор вычитаемого, выход задатчика - с шиной ввода в компаратор уменьшаемого, а выход компаратора подключен к электромагниту.

Работа виброгасителя-прототипа основана на экспериментально установленной зависимости

f=А-В·М-C·L=А-(В·М+C·L),

где М - масса объекта транспортирования, L - длина каната, на котором закреплена крюковая подвеска, А, В, С - константы, характеризующие упругие свойства каната, f - частота вынужденных колебаний объекта транспортирования и подвески на канате длины L. Эта зависимость аппроксимирует экспериментальные данные с точностью, характеризуемой показателем корреляции R²⁼ 91%. С соответствующей точностью производится и «подстройка» гасителя-прототипа под частоту вынужденных колебаний. Во многих случаях это не является препятствием на пути применения такого виброгасителя, однако иногда это делает его практически неприменимым. Это имеет место, обычно, в тех случаях, когда требуется точное позиционирование объектов транспортирования краном. Например, при установке заготовок на металлорежущие станки и т.п.

В связи с изложенным возникает задача разработки предлагаемой полезной модели, выражающаяся в создании магнитореологического гасителя колебаний с более точной подстройкой под частоту вынужденных колебаний, чем прототип. Технический эффект, достигаемый при этом, выразится в обеспечении возможности более точного позиционирования объектов транспортирования, причем объектов различной массы и перемещаемых на различную высоту. Повысится и долговечность эксплуатации кранов, поскольку при более точной подстройке гасителя колебаний последние будут быстрее затухать, а это уменьшит усталостные разрушения металлоконструкций кранов.

Конструктивно решение задачи и описанный технический эффект при разработке предлагаемой полезной модели были достигнуты тем, что магнитореологический гаситель колебаний, содержащий корпус, установленный на крюковой подвеске подъемно-транспортной машины, электромагнит и магнитореологическую суспензию, размещенные внутри корпуса, груз, размещенный в суспензии и вне ее и прикрепленный к корпусу посредством пружин, и блок управления, снабженный датчиком массы объекта транспортирования, датчиком длины каната, на котором закреплена крюковая подвеска, и выполненный в виде первого и второго усилителей с регулируемыми коэффициентами усиления, задатчика напряжения, двухвходового сумматора напряжений и компаратора, причем датчик массы соединен с входом первого усилителя, датчик длины каната соединен с входом второго усилителя, выход первого усилителя соединен с первым входом двухвходового сумматора, выход второго усилителя - со вторым входом двухвходового сумматора, выход двухвходового сумматора соединен с шиной ввода в компаратор вычитаемого, а выход задатчика - с шиной ввода в компаратор уменьшаемого, дополнительно снабжен первым, вторым и третьим двухвходовыми блоками умножения сигналов, третьим, четвертым и пятым усилителями с регулируемыми коэффициентами усиления и четырехвходовым сумматором, выход датчика массы соединен с первым и вторым входами первого блока умножения и первым входом второго блока умножения, выход датчика длины каната соединен с первым и вторым входами третьего блока умножения и со вторым входом второго бока умножения, выход первого блока умножения соединен со входом третьего усилителя, выход второго блока умножения соединен со входом четвертого усилителя, выход третьего блока умножения соединен со входом пятого усилителя, выход третьего усилителя соединен с первым входом четырехвходового сумматора, выход четвертого усилителя связан со вторым входом четырехвходового сумматора, выход пятого усилителя связан с третьим входом четырехвходового сумматора, выход компаратора подключен к четвертому входу четырехвходового сумматора, а выход четырехвходового сумматора соединен с электромагнитом.

Схема предлагаемого гасителя колебаний показана на рисунке.

Гаситель имеет корпус 1, установленный на крюковой подвеске 2 подъемно-транспортной машины. Внутри корпуса 1 размещены электромагнит 3 и магнитореологическая суспензия 4. Имеется также груз 5, прикрепленный к корпусу 1 посредством пружин, выполненных в виде упругих стержней 6. Груз 5 (он может быть изготовлен в виде цельного кольца или отдельных частей с дросселирующими отверстиями) размещается в суспензии 4. При необходимости он может быть составным, таким, что его часть 7 может быть размещена вне корпуса 1 на наконечниках стержней 6 и установлена на резьбе. Стержни 6 также являются частью груза 5. Помимо перечисленного, гаситель включает в себя датчик 8 массы объекта транспортирования, датчик 9 длины каната, на котором закреплена крюковая подвеска 2, первый 10 и второй 11 усилители с регулируемыми коэффициентами усиления, задатчик напряжения 12 и двухвходовой сумматор напряжений 13 и компаратор 14. Датчик массы 8 соединен с входом усилителя 10, датчик длины каната 9 соединен с входом усилителя 11, выход усилителя 10 соединен с первым входом сумматора 13, выход усилителя 11 соединен со вторым входом сумматора 13, выход сумматора 13 соединен с шиной ввода в компаратор 14 вычитаемого сигнала, выход задатчика 12 соединен с шиной ввода в компаратор 14 уменьшаемого сигнала. Кроме того, гаситель снабжен первым 15, вторым 16 и третьим 17 двухвходовыми блоками умножения сигналов, третьим 18, четвертым 19 и пятым 20 усилителями с регулируемыми коэффициентами усиления и четырехвходовым сумматором 21. Выход датчика массы 8 соединен с первым и вторым входами блока 15 и первым входом блока 16, выход датчика длины каната 9 соединен с первым и вторым входами блока 17 и вторым входом блока 16, выход блока 15 соединен со входом усилителя 18, выход блока 16 соединен со входом усилителя 19, выход блока 17 соединен со входом усилителя 20, выходы усилителей 18, 19, 20, соответственно, соединены с первым, вторым и третьим входами четырехвходового сумматора 21, выход компаратора 14 соединен с четвертым входом сумматора 21, а выход последнего связан с электромагнитом 3.

Работа предлагаемого гасителя колебаний основана на экспериментально установленной зависимости

f=A-(B·M+C·L)+D·M²+E·L ²+K·M·L,

где М - масса объекта транспортирования, L - длина каната, на котором закреплена крюковая подвеска, А, В, С, D, Е, К - константы, характеризующие упругие свойства каната, f - частота вынужденных колебаний объекта транспортирования и подвески на канате длины L. Эта зависимость, в отличии от зависимости, реализованной в прототипе, аппроксимирует экспериментальные данные с точностью, характеризуемой показателем корреляции R² =95% (на 4% выше).

Перед использованием гасителя колебаний его вначале настраивают. Для этого, ориентируясь на объект транспортирования некоторой средней массы М, перемещаемой краном на высоте, соответствующей средней длине каната L, в зависимости от марки примененного каната выбирают значения констант А, В, С, D, Е, К. С помощью задатчика 12 в компаратор вводят напряжение, соответствующее А, затем коэффициенты усиления первого и второго усилителей 10 и 11 принимают равными, соответственно, В и С и настраивают усилители на эти коэффициенты. Аналогично коэффициенты усиления усилителей 18, 20 и 19 принимают равными, соответственно, D, Е и К и настраивают эти усилители на эти коэффициенты. Далее устанавливают на крановой подвеске объект средней массы М, поднимают его на высоту, соответствующую средней длине каната L и тормозят. Возникают вертикальные колебания. Повторяя это несколько раз, регулируют положение грузов так, чтобы колебания затухали как можно быстрее. Гаситель колебаний настроен. Теперь его можно эксплуатировать не перенастраивая при транспортировке любых грузов (перенастройка потребуется только при замене каната).

При дальнейшей эксплуатации происходит автоматическое определение массы М и длины L, также автоматическое определение величин ВМ и CL, DM², EL² и KML, частоты f и ее отображение на выходе сумматора 21.

Это напряжение подается на электромагнит 3, он, в свою очередь, создает магнитное поле, заставляющее магнитореологическую суспензию 4 приобрести вязкость, при которой демпфирующая способность гасителя будет близка к частоте колебаний объекта транспортирования и крюковой подвески. В результате, колебания объекта с подвеской быстро затухнут. Это будет осуществлено с точностью, на 4% превышающей точность работы прототипа, что будет способствовать повышению точности позиционирования объектов транспортирования краном и повышению долговечности работы крана за счет уменьшения усталостных разрушений металлоконструкций крана.

Магнитореологический гаситель колебаний, содержащий корпус, установленный на крюковой подвеске подъемно-транспортной машины, электромагнит и магнитореологическую суспензию, размещенные внутри корпуса, груз, размещенный в суспензии и вне ее и прикрепленный к корпусу посредством пружин, блок управления, снабженный датчиком массы объекта транспортирования, датчиком длины каната, на котором закреплена крюковая подвеска, и выполненный в виде первого и второго усилителей с регулируемыми коэффициентами усиления, задатчика напряжения, двухвходового сумматора напряжений и компаратора, причем датчик массы соединен с входом первого усилителя, датчик длины каната соединен с входом второго усилителя, выход первого усилителя соединен с первым входом двухвходового сумматора, выход второго усилителя - со вторым входом двухвходового сумматора, выход двухвходового сумматора соединен с шиной ввода в компаратор вычитаемого, а выход задатчика - с шиной ввода в компаратор уменьшаемого, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен первым, вторым и третьим двухвходовыми блоками умножения сигналов, третьим, четвертым и пятым усилителями с регулируемыми коэффициентами усиления и четырехвходовым сумматором, выход датчика массы соединен с первым и вторым входами первого блока умножения и первым входом второго блока умножения, выход датчика длины каната соединен с первым и вторым входами третьего блока умножения и со вторым входом второго блока умножения, выход первого блока умножения соединен со входом третьего усилителя, выход второго блока умножения соединен со входом четвертого усилителя, выход третьего блока умножения соединен со входом пятого усилителя, выход третьего усилителя соединен с первым входом четырехвходового сумматора, выход четвертого усилителя связан со вторым входом четырехвходового сумматора, выход пятого усилителя связан с третьим входом четырехвходового сумматора, выход компаратора подключен к четвертому входу четырехвходового сумматора, а выход четырехвходового сумматора соединен с электромагнитом.