Виброгаситель с блоком частотно зависимого управления эффективностью гашения вибрации

Полезная модель относится к средствам гашения вибрации различных технических объектов и может быть использована в тепловой и атомной энергетике, судо- и авиастроении, строительстве, машиностроении и других отраслях промышленности. Достигаемым результатом изобретения является повышение эффективности виброгашения в широком частотном диапазоне с обеспечением точной настройки на возникающую в защищаемым от вибрации объекте (ЗВО) частоту вибрационных колебаний. Это обеспечивается тем, что, согласно изобретению, с ЗВО жестко соединен сердечник расположенной в заполненном магнитореологической суспензией корпусе виброгасителя электромагнитной системы, а виброгаситель дополнительно снабжен установленным на указанном сердечнике датчиком частоты вибрации и расположенным вне виброгасителя блоком регистрации и управления, вход которого соединен с указанным датчиком, а выход - с управляющей обмоткой электромагнитной системы. 1 п. ф-лы, 2 ил.

Полезная модель относится к средствам гашения вибрации различных технических объектов и может быть использована в тепловой и атомной энергетике, судо- и авиастроении, строительстве, машиностроении и других отраслях промышленности.

Известен виброгаситель, содержащий взаимодействующие с защищаемым от вибрации объектом (ЗВО) цилиндрический корпус, размещенную внутри корпуса подвижную электромагнитную систему со снабженным обмоткой сердечником, взаимодействующим через упругий элемент с корпусом виброгасителя, и заполняющую пространство между корпусом и электромагнитной системой демпфирующую жидкость в виде магнитореологической суспензии (МРС) [1] - аналог. К недостаткам [1] можно отнести низкую чувствительность вследствие того, что колебания ЗВО передаются демпфирующей жидкости не непосредственно через перемещающийся в ней сердечник электромагнитной системы, а косвенно через корпус, и из-за фронтального взаимодействия указанного сердечника с поверхностью МРС, уменьшающего влияние на демпфирование жидкостного трения. Кроме того, существенным недостатком аналога [1] является узкий диапазон частот эффективного виброгашения из-за отсутствия возможности частотно зависимой подстройки величин массы корпуса и вязкости демпфирующей жидкости.

Известен виброгаситель, содержащий взаимодействующие с ЗВО цилиндрический корпус, прикрепленные к нему снаружи съемные элементы дополнительной массы (ЭДМ), размещенную внутри корпуса подвижную электромагнитную систему со снабженным управляющей обмоткой сердечником, взаимодействующим через упругий элемент с корпусом виброгасителя, и заполняющую пространство между корпусом и электромагнитной системой демпфирующую жидкость в виде МРС [2] - ближайший аналог. Наличие в этом виброгасителе закрепленных на корпусе съемных ЭДМ и расположение обмотки электромагнитной системы, обеспечивающее высокий уровень трения ее сердечника при перемещении в МРС, улучшают эффективность виброгашения и расширяют частотный диапазон эффективной работы виброгасителя, но в недостаточной степени из-за остающихся двух других недостатков: передачи вибрации сердечнику через корпус и нерегулируемого управления величиной вязкости демпирующей жидкости, вследствие чего данный виброгаситель обладает невысокой эффективностью виброгашения в отношении ЗВО большой массы в области низких частот порядка 2-5 Гц при случайных возмущениях.

Достигаемым результатом полезной модели является повышение эффективности виброгашения в широком частотном диапазоне с обеспечением точной настройки на возникающую в ЗВО частоту вибрационных колебаний.

Это обеспечивается тем, что в виброгасителе, содержащем взаимодействующие с ЗВО цилиндрический корпус, прикрепленные к нему снаружи съемные ЭДМ, размещенную внутри корпуса подвижную электромагнитную систему со снабженным управляющей обмоткой сердечником, взаимодействующим через упругий элемент с корпусом виброгасителя, и заполняющую пространство между корпусом и электромагнитной системой демпфирующую жидкость в виде МРС, согласно полезной модели, с ЗВО жестко соединен сердечник электромагнитной системы, а виброгаситель дополнительно снабжен установленным на указанном сердечнике датчиком частоты вибрации и расположенным вне виброгасителя блоком регистрации и управления (БРУ), вход которого соединен с указанным датчиком, а выход - с управляющей обмоткой электромагнитной системы.

На фиг.1 схематично изображен виброгаситель согласно полезной модели; на фиг.2 - условная схема, поясняющая взаимодействие его основных элементов.

Виброгаситель содержит (фиг.1) взаимодействующие с ЗВО 1 цилиндрический корпус 2 с прикрепленными к нему снаружи съемными ЭДМ 3. Внутри корпуса 2 помещена подвижная электромагнитная система со снабженным управляющей обмоткой 4 сердечником 5, взаимодействующим через упругий элемент (пружину) 6 с корпусом 2 виброгасителя. Пространство между корпусом 2 и электромагнитной системой заполнено демпфирующей жидкостью 7, представляющей собой МРС с частицами карбонильного железа размером от 10 до 100 мкм. Свободный от обмотки 4 конец сердечника 5 электромагнитной системы выведен за пределы корпуса 2 виброгасителя и жестко соединен с ЗВО 1, а виброгаситель дополнительно снабжен установленным на этом сердечнике датчиком 8 частоты вибрации и расположенным вне виброгасителя БРУ 9, вход которого линией 10 соединен с указанным датчиком 8, а выход - линией 11 через усилитель УС 12 с управляющей обмоткой 4 электромагнитной системы. Размещенная внутри корпуса 2 концевая часть сердечника 5 выполнена в виде поршня 13 с продольными сквозными отверстиями 14, а выступающая за пределы корпуса часть сердечника 5 - в виде штока 15 этого поршня. Между верхним уровнем демпфирующей жидкости 7 и корпусом 2 предусмотрен воздушный зазор 16 для обеспечения свободного температурного расширения демпфирующей жидкости 7.

Виброгаситель работает следующим образом. Предварительно виброгаситель настраивают на определенную частоту вибрации в зависимости от массы ЗВО, для чего рассчитывают требуемые количество устанавливаемых на корпусе 2 съемных ЭДМ 3, характеристики упругого элемента 6 и диаметр отверстий 13 в поршневой части сердечника 5. Настроенный таким образом виброгаситель устанавливают на ЗВО. При этом к ЗВО жестко крепится снизу выступающий за пределы корпуса 2 торец штока 15 при его вертикальном расположении, а сам корпус 2 с присоединенными к нему ЭДМ 3 оказывается при этом подвешенным к штоку 15 через упругий элемент 6. Задача последнего в статичном состоянии - не позволить корпусу 2 соприкоснуться с поршнем 13 и исключить его перемещение вне контакта с демпфирующей жидкостью. При возникновении вибрационного процесса в ЗВО 1 прикрепленный к нему шток 15 совершает колебания относительно корпуса 2 виброгасителя. Частотный сигнал от установленного на штоке 15 датчика 8 обрабатывается в БРУ 9. Управляющий сигнал с выхода последнего по линии 11 через усилитель УС 12 подается на обмотку 4 управления. Созданный ею магнитный поток изменяет вязкие свойства МРС 7, что приводит к изменению частотных параметров виброгасителя, соответствующему характеру вибрации ЗВО 1.

Возможность управления эффективностью гашения вибрации виброгасителем согласно полезной модели вытекает из следующих теоретических предпосылок. Приведенная на фиг.2 схема условно изображает виброгаситель поперечных колебаний ЗВО, представляющей собой стержневую конструкцию в виде системы с распределенными параметрами, обладающей конечной длиной l, изгибной жесткостью EJ_y, плотностью и поперечным сечением F. В сечении с координатой X ₀ приложена возбуждающая вибрацию сила P() а в сечении с координатой X₁ установлен магнитожидкостный демпфер в качестве исполнительного элемента (ИЭ), предназначенного для гашения поперечных колебаний ЗВО (в дальнейшем «объект»).

Дифференциальное уравнение поперечных колебаний объекта имеет вид:

Здесь, в дополнение к отмеченным механическим параметрам объекта введены следующие обозначения:

X- продольная координата объекта;

- время;

z(Х, )- функция вертикального перемещения объекта;

h₁ - коэффициент, характеризующий затухание в автономном состоянии объекта;

h - коэффициент, характеризующий затухание в контуре управления.

Силы сопротивления (диссипативные силы) объекта, при наличии которых происходит потеря энергии, определяются силами внешнего затухания, зависящими от сопротивления среды и силами затухания, зависящими от вязкости материала (внутреннее затухание).

Для последнего случая в первом приближении принимается гипотеза, что сила затухания пропорциональна первой степени скорости перемещения объекта в колебательном процессе.

Соответственно управляемый параметр h₁ определяется вязкостью магнитожидкостной среды (МРС) электромеханического ИЭ. Здесь также принято, что сила затухания пропорциональна скорости перемещения объекта в колебательном процессе.

В расчетной схеме и в уравнении (1) принято также: k - управляемый параметр, определяющий жесткостные характеристики присоединенного магнитожидкостного ИЭ, (X-X_i), i=0,1 - функция Дирака, определяющая местоположение соответственно возмущающей силы и ИЭ.

Ниже выполняются преобразования с уравнением (1), определяется решение для функции перемещения Z(X, ) с доведением до амплитудно-частотной характеристики и ее анализа в зависимости от параметров настройки ИЭ.

Для придания универсальности результатам решение и анализ удобно представить в безразмерном виде по геометрии и времени.

Введем безразмерные параметры:

Геометрия:

время:

После подстановки обозначений (2) и дополнительных преобразований исходное дифференциальное уравнение приобретет вид:

В исходном уравнении (1) рассматривается гармоническая возмущающая сила P()=P₀ cos , где P₀- амплитуда возмущающей силы, - частота вынужденных колебаний.

В преобразованном уравнении (3) принято:

где - безразмерная частота возбуждения.

Решение уравнения (3) определяется в известном виде произведения двух функций - перемещения и времени:

где функция перемещений задается также в известном виде балочной функцией:

Здесь _j - «балочный» коэффициент, соответствующий J-ой форме поперечных колебаний объекта (J=1,2,).

В результате прямых подстановок, а также с использованием свойства ортогональности балочных функций и свойств функции Дирака уравнение в частных производных (3) преобразуется к виду:

После введения дополнительных безразмерных обозначений:

получено обыкновенное дифференциальное уравнение вынужденных колебаний в виде:

Здесь, параметры и ₁ характеризуют диссипативные характеристики в комплексной системе объект-ИЭ виброгашения; k - жесткостные характеристики магнитожидкостного ИЭ; K_j - известная интегральная структура, зависящая от формы колебаний объекта.

После группировки обозначенных слагаемых и введения обозначений:

уравнение (9) окончательно преобразуется к стандартному виду:

Очевидно, что предельных своих значений коэффициенты, которые характеризуют диссипативные и жесткостные свойства комплексной системы объект - ИЭ, достигают при размещении ИЭ в пучности колебаний соответствующей формы движения объекта, т.е. в достижении максимума передаточной функции, т.е. при U _j(x₁)1. Действительно, в этом случае регулировочные параметры (10) приобретают максимальные значения.

При многоформовой вибрации объекта решение об оптимальном размещении ИЭ решается после проведения предварительного спектрального анализа, определения энергоемких форм движения и принятия компромиссного решения по расположению устройства для регулируемого гашения колебаний.

Таким образом, используя возможности вариабельности упругожесткостных и диссипативных свойств магнитожидкостного преобразователя, представляется возможным варьировать соответствующие параметры комплексной системы - параметры µ_j и _j обыкновенного дифференциального уравнения колебательного типа (11).

При этом имеются два безразмерных отстроенных регулируемых параметра:

Очевидно, что эффект максимальных возможностей виброзащитной системы определяется неравенствами вида:

Действительно, выражение для амплитуды колебаний системы (амплитудно-частотная характеристика) приобретает вид:

где К_Д- коэффициент динамичности.

Иначе, в развернутом виде

Приняв стандартные обозначения, в виде

выражение (15) приобретет стандартный для анализа вид

Для выражения фазочастотной характеристики соответственно:

Таким образом, принцип работы магнитожидкостного ИЭ в функции активного виброгасителя основан на управлении частотной расстройкой от режима вынужденных резонансных колебаний объекта посредством вариации жесткости связи ИЭ k (12, 16) и вязкостного трения ИЭ h₁ (12, 16). Последнее достигается вариацией электромагнитного поля ИЭ в контуре отрицательной обратной связи.

В развернутом размерном виде выражение для амплитудно-частотной характеристики объекта при подключении ИЭ k0, h₁0, приобретает вид:

Соответствующая функция может быть заложена в БРУ 9 (фиг.1) для реализация частотно зависимого управления работой виброгасителя согласно полезной модели.

Источники информации:

1.Патент RU 2106551, 6F16F15/03,1999.

2. Патент RU 2188349, 7 F16F15/03,1999.

Виброгаситель, содержащий взаимодействующие с защищаемым от вибрации объектом цилиндрический корпус, прикрепленные к нему снаружи съемные элементы дополнительной массы, размещенную внутри корпуса подвижную электромагнитную систему со снабженным управляющей обмоткой сердечником, взаимодействующим через упругий элемент с корпусом виброгасителя, и заполняющую пространство между корпусом и электромагнитной системой демпфирующую жидкость в виде магнитореологической суспензии, отличающийся тем, что с защищаемым от вибрации объектом жестко соединен сердечник электромагнитной системы, а виброгаситель дополнительно снабжен установленным на указанном сердечнике датчиком частоты вибрации и расположенным вне виброгасителя блоком регистрации и управления, вход которого соединен с указанным датчиком, а выход - с управляющей обмоткой электромагнитной системы.