Виброизолирующее устройство с автоматическим управлением

 

Изобретение относится к машиностроению , а именно к средствам активного гашения вибраций различных объектов, и может быть использовано для защиты виброчувствительного к изоляции виЬроактивного оборудования . Целью изобретения является повышение эффективности виброизоляции за счет увеличения устойчивости системы управления путем снижения коэффициента передачи силы в диапазоне потенциальной неустойчивости. Соотношения, представленные в формуле изобретения, позволяют в зависимости от собственной частоты упруго закрепленного вибровозбудителя вы

союз советских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (s1)s F 16 F 15/03 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

° К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4617546/28 (22) 09.12.88 (46) 29.02.92. Бюл. М 8 (71) Институт машиноведения им. А.А; Благонравова (72) В.Г. Елезов, И.Г. Зайкова, Т.I0. Майсурадзе и Б,6. Стульпинас (53) 621.752,2 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

ЬЬ 1193328, кл. F 16 F 15/03, 1985.

Авторское свидетельство СССР

М 1462050, кл. F 16 F 15/03, 1987. (54) ВИБРОИЗОЛИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО

С АВТОМАТИЧЕСКИМ УПРАВЛЕНИЕМ (57) Изобретение относится к машиностроению, а именно к средствам активного гашения вибраций различных объектов, и может быть использовано для защиты виброчувствительного к изоляции виброактивного оборудования, Целью изобретения является повышение эффективности виброизоляции за счет увеличения устойчивости системы управления путем снижения коэффициента передачи силы в диапазоне потенциальной неустойчивости, Соотношения, представленные в формуле изобретения, позволяют в зависимости от собственной частоты упруго закрепленного вибровозбудителя вы17 l62 15

20

Кв1Кеу 42—

Ka1Ksy брать оптимальное соотношение Кв1/Кв2, обеспечивающее максимальное.динамическое гашение на частоте настройки вибровозбудителя. При включении блока управления устройства напряжение с вибродатчика 12 после усиления и коррекции в блоке 11 подается на вибровозбудитель 6, который развивает близкие по величине и антифазные вибрационным силам компенИзобретение относится к машиностроению, а именно к средствам активного гашения вибрации различных объектов, и может быть использовано для защиты виб, рочувствительного и изоляции виброактивного оборудования.

Известно виброизолирующее устройство с автоматическим управлением, содержащее промежуточную массу, связанную через силоизмерительный датчик и первый упругий элемент с виброактивным объектом, а через второй упругий элемент с защищаемым объектом. электродинамический вибровозбудитель, корпус которого установлен на основании, а рабочий орган скреплен с промежуточной массой, блок управления, подключенный входом к силоизмерительному датчику, а выходом — к электродинамическому вибровозбудителю.

Недостатком известного устройства является его низкая эффективность при гашении широкополосной и меняющейся по частоте и амплитуде вибрации.

Объясняется это тем, что в известном виброизолирующем устройстве с автоматическим управлением силоизмерительный датчик расположен между промежуточной массой и внешним от виброактивного объекта концом упругого элемента, поэтому он измеряет вязкоупругие силы его деформации, которые в диапазоне вибрации (обычно в зарезонансной области двухкаскадной виброиэолирующей системы} существенно отличаются от вибрационных сил, действующих на защищаемый объект (т, е. тех сил, которые должны быть скомпенсированы при правильной работе устройства), Электромеханическая система управления известного виброизолирующего устройства является принципиально узкополосной и не может обеспечить гашение вибрации в широкой полосе частот или вибрации с меняющимися по амплитуде и частоте вибрационными составляющими.

К недостаткам этого устройства следует также отнести снижение его виброизолирусирующие усилия, действующие на опор= ный фланец 8, присоединяемый к объекту 2.

Поскольку блок 11 управления содержит широкополосный 15 и полосовые 16, 16, ..., 16м усилители, то этим обеспечиваются условия устойчивости при суммарном усилении канала управления, близком К - 1. 1 з. и. ф-лы, 3 ил. ющих свойств на резонансных частотах промежуточной массы из-за многократного увеличения амплитуды ее колебаний.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является виброизолирующее устройство с автоматическим управлением, содержащее два последовательно устанавливаемых между виброактивным и защищаемым объектами виброизолятора, в узле скрепления которых размещена промежуточная масса с прикрепленным к ней вибровозбудителем, рабочий орган которого присоединен к опорному фланцу виброизолирующего устройства, предназначенному для прикрепления к защищаемому объекту, блок управления, подключенный входом через согласующий усилитель к вибродатчику, а выходом — через усилитель мощности к вибровозбудителю.

Недостатком этого виброизолирующего . устройства с автоматическим управлением является его низкая эффективность, обусловленная склонностью его системы управления к самовозбуждению и близостью собственных частот системы к спектру вибрации.

Цель изобретения — повышение эффективности виброизоляции за счет увеличения устойчивости системы управления путем снижения коэффициента передачи силы в диапазоне потенциальной неустойчивости (в диапазоне, содержащем критические частоты системы управления).

Эта цель достигается тем, что виброизолирующее устройство с автоматическим управлением снабжено упругой подвеской, установленной между узлом скрепленных виброизоляторов и вибровозбудителем.

При этом жесткости Кв1, Кв2 виброизоляторов выбраны из соотношений

K = (1 +

1716215

15 с

25

40

50 где Kaу — заданная жесткость виброизолирующего устройства;

Kaa — жесткость упругой подвески вибровозбудителя;

maa — масса вибровозбудителя;

Gay- заданная весовая нагрузка устройства;

g — ускорение силы тяжести.

Цель изобретения обеспечивается также тем, что блок управления выполнен в виде параллельно .включенных широкополосного и одного полосового усилителя, а коэффициент усиления широкополосного усилителя на частотах вибрации больше коэффициентов усиления полосовых усилителей.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства; на фиг, 2 — частотные характеристики коэффициента передачи силы виброизолирующей системы, выполненной на основе предлагаемого виброизолирующего устройства; на фиг. 3— вариант конструктивной компоновки элементов устройства при использовании электромагнитного вибровозбудителя в дифференциальном исполнении.

Виброизолирующее устройство с автоматическим управлением (фиг. 1) содержит два последовательно устанавливаемых между виброактивным 1 и защищаемым 2 объектами виброизолятора 3 и 4 с узлом 5 скрепления, вибровозбудитель 6, рабочий орган 7 которого соединен с опорным фланцем устройства, предназначенным для присоединения к защищаемому объекту 2, а корпус 9 посредством упругой подвески 10 соединен с узлом 5 скрепления виброизоляторов 3, 4, блок 11 управления, подключенный входом к вибродатчику 12, а выходом— к вибровозбудителю 6.

В качестве вибродатчика 12 в устройстве (фиг. 1) применен пьезоэлектрический динамометр, установленный между внешним от узла 5 скрепления концом виброизолятора 4 и опорным фланцем 8 устройства, предназначенным для присоединения к.защищаемому объекту 2, Другой опорный фланец 13 устройства предназначен для его присоединения к виброактивному объекту 1. Блок 11 управления содержит соединенные входами и подключенные выходами к входам аналогового сумматора 14 широкополосный 15 и полосовые

161, 162, ..., 16 усилители.(N — количество подлежащих гашению вибрационных составляющихих).

Виброизолирующее устройство с автоматическим управлением (фиг. 1) работает следующим образом, При включенном канале уг1ра. ени:; (последовательно включенные сило :эмери тельный датчик 12, блок 11 управления с подключенным к его выходу вибровозбудителем 6) и выборе коэффициентов жесткости К» и Kez виброизоляторов 3 и 4 в соответствии с предлагаемыми соотношениями, упруго прикрепленный к узлу 5 вибровозбудитель 6 как динамический гаситель обеспечивает максимальное гашение передаваемых виброизоляторами 3 и 4 сил в некотором диапазоне частот, содержащема06 частоту его настройки. На фиг, 2 представлена частотная зависимость эффективности устройства (кривая 1), определяемая как отношение (в дБ) силы 4, действующей на виброактивный объект 1 (вынуждающая сила), к силе f, передаваемой виброизоляторами 3, 4 на защищаемый объект 2 (через силоизмерительный датчик 12). Частота настройки упруго закрепленного вибровозбудителя как динамическою гасителя в = (Kae/mp) выбрана равной 5 = 5(Кру

1/2

g/Gey), где 6ey — заданная весовая нагрузка; м — собственная. частота виброактивного объекта 1, установленного на виброизолирующем устройстве, Из сравнения с аналогичной зависимостью (кривая 2} для виброизолирующей системы, выполненной на основе устройства-прототипа, видно, что в диапазоне частот

4;65< йУво 11,6 предлагаемое виброизолирующее устройство как пассивное средство виброизоляции обладает более высокой эффективностью, причем увеличение эффективности на частотах йУир = 5 и 10 составляет 22 и 10 дБ.

Соотношения (1) отражают выявленную расчетную зависимость эффективности упpyro встроенного в опору вибровозбудителя как динамического гасителя от отношения жесткостей K», Kez .виброизоляторов 3, 4.

Эти соотношения, полученные в результате оптимизации параметров устройства, позволя|от в зависимости от собственной частоты упруго закрепленного вибровозбудителя выбрать оптимальное соотношение К»/Kaz, обеспечивающее максимальное динамическое гашение на частоте

"настройки" вибровозбудителя.

Исследования устойчивости системы управления виброизолирующего устройства показывают, что условия (1) обеспечивают повышенную устойчивость системы, что позволяет использовать более эффективные режимы компенсации сил, действующих на защищаемый объект 2.

При включении канала управления устройства выходное напряжение вибродатчи1716215 ка 12 после усиления и коррекции в блоке 11 управления подается в вибровозбудитель 4, При этом параметры блока 11 управления выбраны так, что коэффициент усиления канала управления устройства на частотах вибрации, например Моо =10, близок кзначению-1, а поэтому вибровозбудитель 6 развивает близкие по величине и антифазные вибрационным силам f компенсирующие усилия f, действующие на опорный фланец

8 устройства, присоединяемый к защищаемому объекту 2. Благодаря этому на "выходе" устройства — опорном фланце 8— осуществляется автоматическая компенсация вибрационных сил f, передаваемых на него через виброизоляторы 3 и 4.

Поскольку блок 11 управления содержит широкополосный 15 и полосовые 16>,,162, ..., 16д усилители (N — количество вибрационных составляющих, к гашению кото° рых предъявляются повышенные требования), то практически всегда удается обеспечить условия устойчивости при суммарном усилении канала управления, близком к -1. Это объясняется тем, что включение избирательных цепей, настроенных на частоты вибрации, не приводит к возникновению автоколебаний в системе автоматической виброкомпенсации. Благодаря этому с помощью изобретения удается обеспечить значительный эффект в широкой полосе частот и еще более высокий на заданных частотах вибрации. При этом свойственная избирательным активным виброизолирующим системам резкая зависимость эффективности от точности настройки полосовых усилителей на частоты вибрации проявляется значительно слабее.

B тех случаях, когда условия устойчивости системы управления виброизолирующего устройства позволяют (зависит от характеристик системы виброизоляции, в которой используется устройство) выбрать коэффициент Кш усиления широкополосного тракта канала управления близким к -1, полосовые усилители 16<, 162, 16з, ... 16и в структурной схеме блока управления отсутствуют, На фиг. 2 показана зависимость (кривая

3) эффективности виброизолирующего устройства с автоматическим управлением при реализации коэффициента усиления К =

-0,9.

Из сравнения кривой 3 с аналогичной кривой 4 (для того же K> = -0,9) для устройства-прототипа видно, что в окрестности первой частоты вибрации Neo = 5 эффективность изобретения выше устройствапрототипа почти на 35 дБ, а на частоте йУво = 10 их эффективности практически равны. Поскольку наиболее низкочастотная составляющая вибрации имеет максимальное значение, r0 отмеченный положитель5 ный эффект предлагаемого устройства является черезвычайно важным, Кривые 5 и 6 (фиг: 2) отражают особенность работы виброизолирующего устройства в режиме, реализующемся при

10 использовании заявляемой структурной схемы блока 11 управления (фиг. 1). Она соответствует значениям коэффициентов усиления щирокополосного Km и избирательного К (МЬв) трактов на частоте вибра15 ции Мое=10, равным соответственно-0,08:

-0,19 (кривая 5) и -0,5; -0,49(кривая 6). Видно, что при одинаковом суммарном усилении канала управления на частоте вибрации

МЬо = 10, равном Kt = Кш + Кн(10) = -0,99, частотная зависимость эффективности при заявляемом отношении Km/Ки(10)= 0.8/0.19» .

» 1 является более предпочтительной в диапазоне частот 5,1.ЫМЬо оо Кроме того, реализация неравенства Km> Ки(10) обеспечивает более широкую полосу частот на заданном уровне эффективности в окрестности частоты настройки а y = 10 аз полосового усилителя. Так, при уровне эффективности В, = 30 дБ по сравнению с применением обычных виброизоляторв (кривая 7) полоса эффективности для случая Кш = -0,8, К (10) = -0,19 (кривая 5) превышает аналогичную полосу для случая К =

-0,5; Ки(10) = -0,49 (близким к граничному значению К /K (10) = 1 заявляемого соотношения) более чем в 2 раза. Это свойство предлагаемого устройства при реализации в нем заявляемого соотношения оказывает40 ся особенно важным при нестабильной по частоте вибрации или вибрации, содержащей несколько близких по частоте составляющих (сгруппированная вибрация).

В виброизолирующем устройстве c asтоматическим управлением (фиг, 1) вибровозбудитель 6 может быть электродинамическим или электромагнитным в однотактом и дифференциальном исполнениях, При использовании

0 электродинамического вибровозбудителя . между его рабочим органом 7 и опорным . фланцем 8 может устанавливаться сопрягающее соединение 17, обеспечивающее надежную работу устройства в условиях

55 значительных деформаций виброизоляторов 3, 4 и неискаженную передачу развиваемых вибровозбудителем сил.

В качестве сопрягающего соединения могут быть использованы стержень, металластиковый элемент или пара прижатых

1716215

10 друг к другу контактных элементов, выполненных с возможностью из взаимного перемещения в поперечной плоскости устройства.

Вариант возможной конструктивной 5 компоновки элементов устройства (фиг. 1) при использовании электромагнитного вибровозбудителя в дифференцированном исполнении представлен на фиг. 3, Якорная часть (рабочий орган 7) вибро- 10 возбудителя 6 скреплена с опорным фланцем 8 устройства. а корпус 9 (вместе с. установленными в нем магнитными сердечниками 181, 182, рабочими 191, 192.и подмагничивающими 201, 202 обмотками) 15 посредством кольцевой мембраны 10 присоединен к узлу 5 скрепления виброизоляторов 3 и 4. Жесткость мембраны 10 по рабочей оси устройства многократно меньше ее жесткости в перпендикулярных к этой 20 оси направлениях, что превращает упруго закрепленный вибровозбудитель 6 в одно-. компонентный динамический гаситель.

Виброизоляторы 3, 4 устройства выполнены в виде кольцевых резиновых элемен- 25 . тов, параметры которых выбраны так, что их жесткость по продольной оси устройства в несколько раз превышает жесткость в перпендикулярных к этой оси направлениях.

При этом эти виброизоляторы передают на 30 опорный фланец 8 устройства преимущественно силы по его продольной оси. Компоненты вибрационных сил других направлений воспринимаются другими аналогичными устройствами, установленным 35 под некоторым углом (например, 90 ) к уст-. ройству,. представленному на фиг. 3. Это позволяет осуществить виброзащиту объекта 2 при пространственных колебаниях объекта 1, используя для этой цели 40 однокомпонентный вибровозбудитель (он же —. динамический гаситель).

В тех случаях, когда продольная и поперечная жесткости виброизоляторов 3, 4 по условиям эксплуатации должны быть соиз- 45 меримы, жесткости упругой подвески 10 f10 ее упругим осям выбираются из условия эф° фективного динамического гашения по трем направлениям. Однако, учитывая избирательные свойства динамического гашения, 50 этот режим работы предлагаемогоустройства целесообразно применять при наличии спектра вибрации превалирующей вибрационной составляющей. При этом снижение . соответствующей ей пространственной си- 55 лы, действующей на защищаемый объект 2, осуществляется с помощью виброизоля.торв 3, 4 и встроенного динамического гасителя .—. вибровозбудителя, а по продольной оси устройства дополнительно — с.помощью с

Ъ системы автоматической виброкомпенсации. Остальные поперечные составляющие вибрационного спектра снижаются только за счет виброзащитных свойств виброизоляторов 3 и 4.

При наличии в системе виброизоляции вынуждающих воздействий в диапазоне собственной частоты Ю6 = 1 (дополнительно к вибрационным воздействия в ее зарезонансной области) жесткость К80 в соответствии с соотношениями (1) должна быть близкой к Ка, что на практике соответ-. ствует упругому закреплению вибровозбудителя к опорному фланцу 13, присоединяемому к виброактивному объекту 1.

Частота настройки вибровозбудителя при этом должна выбираться из условия ев равенства собственной частоте системы виброизоляции вьь=иаЧастотная зависимость эффективности виброизолирующей системы, реализованной с использованием таких устройств при Кг = Кщ = -0,9, представлена кривой 8 на фиг. 2. Видно, что предлагаемое виброизолирующее устройство с автоматическим управлением обеспечивает вирозащиту не только в диапазоне вибрации си>>е0 но и окрестности собственной частоты био исходной (без системы виброкомпенсации) виброизолирующей системы.

Виброзащитный эффект на частоте ео при этом по сравнению с устройством-прототипом составляет 40 дБ. Важным достоинствам предлагаемого устройства является сохранение высокой эффективности в зарезонансной области частот, где уровень вибровозбуждения защищаемого объекта достаточно велик.

Таким образом, упругая подвеска вибровозбудителя в узле скрепления виброизоляторов и выбор оптимальных параметров позволяет значительно увеличить эффективность виброизолирующего устройства с автоматическим управлением как в .. зарезонансной области частот системы, так и в окрестности ее собственных частот.

Формула изобретения

1. Виброиэолирующее устройство с автоматическим управлением, содержащее два последовательно устанавливаемых между виброактивным и защищаемым объектами вироизолятора с узлом скрепления, вибровозбудитель, рабочий орган которого соединен с опорным фланцем устройства, предназначенным для присоединения к защищаемому объекту, вибродатчик и блок управления, подключенный входом к вибродатчику, а выходом — к вибровозбудителю, отличающееся тем,что,сцелью

1716215

12 овышения эффективное и виброизоляции, оно снабжено упругой подвеской, установленной между узлом скрепления виброизоляторов и вибровозбудителем, а Кв> и Кв: жесткости виброизоляторов выбраны из соотношений

Квв/Кву + паев я/Ову — 1 +

Кее Кву fAee g Gey ву

КВ1 КВу

КВ2 э

КВ -Кву где Кву — заданная жесткость устройства;

Квв — жесткость упругой подвески вибровоэбудителя;

ITl ee — масса вибровозбудителя;

Gey — заданная весовая нагрузка на устройство:

g — ускорение силы тяжести

2.устройствоnon.1, oTnичaetg,e е с я тем, что блок уоравления выполнен в виде параллельно включенных широкополосного и по меньшей мере одного полосо10 ваго усилителей, а коэффициент усиления широкополосного усилителя на частотах вибрации больше коэффициентов усиления полосовых усилителей.

1 Q

Составитель К.Н.Антюшеня

Редактор А. Долинич Техред М.Моргентал Корректор О. Ципле

Заказ 598 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина. 101