Способ гашения крутильных колебаний объекта и устройство для его осуществления

 

Использование: изобретение можно использовать в машиностроении для гашения паразитных колебаний вращающихся систем. Сущность изобретения: данный способ гашения, заключающийся во введении во вращающемся объекте дополнительной массы, которой сообщают колебательное движение в радиальном направлении, в релейном режиме от периферии объекта к оси ее вращения, в промежутки времени, соответствующие близости угловой скорости крутильных колебаний системы к нулю, и плавное движение в обратном направлении во все остальное время работы системы. Устройство, реализующее данный способ, содержит цилиндрический резервуар, заполненный вязкой жидкостью, ориентированные вдоль резервуара два постоянных магнита с обращенными друг к другу одноименными полюсами, при этом ближний к оси вращения объекта магнит установлен свободно и его часть со стороны оси имеет форму обращенного вершиной к оси конуса, а другой магнит установлен на жестком центре хлопающей мембраны, защемленной по наружному контуру на боковой поверхности резервуара и соединенной с основанием резервуара цилиндрической спиральной пружиной, прикрепленной торцом к жесткому центру мембраны с противоположной от массы стороны. 2 с. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для гашения паразитных колебаний вращающихся элементов и систем.

Известны способы гашения крутильных колебаний, заключающиеся в том, что во вращающемся объекте вводят во взаимодействием дополнительную массу, перемещаемую в радиальном направлении либо под действием центробежных сил инерции [1,2] либо под действием внешних сил, прикладываемых к массе во время достижения максимальной амплитуды крутильных колебаний объекта [3] Однако данные способы характеризуются низкой эффективностью гашения крутильных колебаний объекта. Это объясняется пассивным характером гашения, осуществляемого только за счет изменения геометрических характеристик объекта в процессе колебаний, а также компенсацией положительного эффекта гашения при движении дополнительной массы от оси вращения объекта к периферии отрицательным эффектом раскачки объекта при обратном движении дополнительной массы.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам к данному изобретению является способ гашения крутильных колебаний, заключающийся в том, что во вращающемся объекте вводят во взаимодействие в релейном режиме дополнительную массу, перемещаемую в радиальном направлении [4] Недостатком данного способа является низкая эффективность гашения крутильных колебаний объекта, объясняемая пассивным характером гашения крутильных колебаний объекта и компенсацией положительного эффекта гашения отрицательным эффектом раскачки объекта.

Известны устройства для гашения крутильных колебаний объекта, выполненные в виде подпружиненных масс, размещенных в радиально ориентированных направляющих [1,2] Недостатком данных устройств является низкая эффективность гашения колебаний, обусловленного только увеличением момента инерции объекта в момент увеличения скорости крутильных колебаний.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам к данному изобретению является устройство для гашения крутильных колебаний объекта, содержащее установленный на объекте радиально ориентированный цилиндрический резервуар, заполненный вязкой жидкостью, и размещенный в нем постоянный магнит [4] Недостатком данного устройства, как и устройства [1,2] является низкая эффективность гашения крутильных колебаний объекта.

Цель изобретения повышение эффективности гашения крутильных колебаний способа и устройства.

Цель достигается тем, что в способе гашения колебаний во вращающемся объекте вводят во взаимодействие в релейном режиме перемещаемую в радиальном направлении дополнительную массу, которой сообщают колебательное движение за счет внутренних сил самого объекта и сил его взаимодействия с массой. При этом релейный режим возбуждают в промежутки времени, соответствующие близости угловой скорости крутильных колебаний объекта к нулю, а плавное движение массы в обратном направлении от оси вращения объекта во все остальное время работы.

Устройство для гашения колебаний содержит установленный на объекте радиально ориентированный цилиндрический резервуар, заполненный вязкой жидкостью, размещенные в ней два постоянных магнита, обращенные друг к другу одноименными полюсами, и мембрану, при этом ближний к оси вращения объекта магнит установлен свободно и его часть со стороны оси имеет форму обращенного вершиной к оси конуса, а другой магнит установлен на жестком центре мембраны, защемленной по наружному контуру на боковой поверхности резервуара и соединенной с основанием резервуара цилиндрической спиральной пружиной, прикрепленной торцом к жесткому центру мембраны с противоположной от магнита стороны.

На фиг.1 представлено устройство для гашения с разрезом вдоль продольной оси резервуара, общий вид; на фиг.2 расчетная схема для обоснования способа гашения.

Устройство для гашения крутильных колебаний объекта содержит установленный в радиально ориентированном пазе 1 объекта 2 цилиндрический резервуар 3,заполненный вязкой жидкостью 4. В резервуаре 3 вдоль продольной оси размещены две массы 5,6 выполненные в виде постоянных магнитов с обращенными друг к другу одноименными полюсами, при этом ближний к оси вращения объекта 2 магнит 5 установлен свободно и его часть со стороны оси имеет форму обращенного вершиной к оси конуса, а другой магнит 6 установлен на жестком центре 7 мембраны 8, защемленной по наружному контуру на боковой поверхности резервуара 3 между торцом втулки 9 и кольцом 10 и соединенной с основанием резервуара 3 цилиндрической спиральной пружиной 11, прикрепленной торцом к жесткому центру 7 мембраны 8 с противоположной от магнита 6 стороны.

Предлагаемый способ гашения крутильных колебаний объекта осуществляют следующим образом.

Дополнительным массам 5, 6 сообщают движение в релейном колебательном режиме за счет внутренних сил самого объекта 2 и сил его взаимодействия с массами, при этом релейный режим возбуждают в направлении от периферии объекта к оси его вращения в промежутки времени, соответствующие близости угловой скорости крутильных колебаний объекта к нулю, а плавное движение масс в обратном направлении от оси вращения объекта к его периферии во все остальное время работы.

При угловых скоростях крутильных колебаний объекта, близких к нулю, элементы устройства занимают положение, показанное на фиг.1. При увеличении угловой скорости мембрана 8 под действием центробежных сил инерции массы 6 скачком переместится ("хлопнет") в сторону периферии объекта 2, сжав пружину 11, масса 5 за счет центробежных сил инерции плавно перемещается к периферии объекта 2, так как после отхода массы 6 силы отталкивания магнитов 5, 6 значительно меньше центробежных сил, действующих на массу 5. При движении масс 5, 6 на объект с их стороны действуют кориолисовы силы инерции, препятствующие увеличению скорости колебаний. Кроме того, движение масс 5, 6 к периферии увеличивает момент инерции объекта, что дополнительно уменьшает нарастание скорости колебаний. При приближении угловой скорости объекта 2 к нулю центробежные силы уменьшаются, мембрана 8 за счет сжатой пружины 11 "хлопнет" в сторону оси вращения объекта 2, масса 6 за счет магнитных сил взаимодействия толкает массу 5, последняя в релейном режиме уходит к оси вращения объекта. При таком движении масс 5, 6, вследствие близости к нулю угловой скорости крутильных колебаний объекта и малого времени движения масс, действие кориолисовых сил инерции близко к нулю. Момент инерции объекта уменьшается, что ускоряет уменьшение угловой скорости его крутильных колебаний. В течение периода крутильных колебаний объекта 2 скорость крутильных колебаний возрастает до максимума и падает до нуля, поэтому дополнительная масса 5 также совершает колебательное движение: плавное в одном направлении и скачком в другом. Форма массы 5 способствует ее плавному движению по направлению к периферии и релейному движению в сторону оси вращения объекта 2. Одновременно движение масс 5, 6 в вязкой жидкости 4 обуславливает демпфирующий эффект за счет диссипации энергии вращающегося объекта 2.

Теоретически принцип действия способа обоснован с помощью расчетной схемы на фиг.2. Здесь через 1 обозначен объект, совершающий крутильные колебания в опорах 2 под действием переменного вращающего момента М_вр(показано направление М_вр в одну половину периода крутильных колебаний объекта); 3 радиально ориентированый резервуар; 4 дополнительная масса m; b исходное удаление массы 4 от оси Z вращения объекта 1 с моментом инерции I_Z; x текущая координата в относительном движении массы 4.

Для нахождения зависимости угла поворота ϕ объекта от М_вр и x воспользуемся уравнением Лагранжа 2-го рода для обобщенной координаты ϕ - Q_ϕ (1) где T=I_z + +(b+x)K- (2) кинетическая энергия объекта 1 с массой 4, совершающей сложное движение; Q_ϕ= М_вр (3) обобщенная сила.

Из совместного решения уравнений (1) (3) получим аналитическую зависимость для углового ускорения объекта 1 в виде = (4) Данная зависимость для мгновенных значений и М_вр, изменение которых носит гармонический характер, теоретически подтверждает все сделанные выше выводы о работе способа и устройства. Здесь [2]a_кор ускорение Кориолиса; m [2] F _кор кориолисова сила инерции; F_кор ˙(b+x) момент, создаваемый относительно оси Z. Из выражения (4) ясно, что в любой момент времени при относительной скорости , направленной от оси вращения, кориолисовы силы инерции , приложенные к объекту со стороны дополнительной массы, которой сообщается ускорение , противодействуют М_вр и уменьшают приращение скорости крутильных колебаний объекта, при направлении к оси вращения объекта скорость наоборот, увеличивается. Момент инерции объекта I_Z и дополнительной массы m(b+x)² в выражении (4) в знаменателе, поэтому увеличение координаты x вызывает уменьшение приращения скорости На фиг.2 показаны векторы и при , направленной в сторону положительного направления оси X от оси вращения объекта, а по направлению М_вр, при этом вектор создает момент, действующий против М_вр. В следующую половину периода М_вр, а соответственно и , поменяют направления на противоположные и опять действует против M_вр. Если направлена к оси вращения объекта, то при том же направлении М_вр вектора и изменят направления, то есть действует согласно с М_вр.

Подбором конструктивных и электромеханических параметров элементов устройства, усилия срабатывания мембраны, масс магнитов, жесткости пружины, вязкости демпфирующей жидкости, а также расстояния b от оси вращения объекта и формы массы 6 в процессе регулировки устройство настраивается на оптимальный режим гашения крутильных колебаний в определенной области их частот. При настройке необходимо, чтобы при заданной частоте крутильных возмущений дополнительная масса 5 в каждом периоде колебаний за время нарастания скорости успевала занять наиболее удаленное от оси вращения объекта положение, а за время близости к нулю успевала скачком вернуться в исходное положение, максимально близкое к оси вращения.

Способ и устройство были реализованы на базе авиационного датчика-указателя скорости с креплением вращающейся подвижной части в керновых опорах. К подвижной части прикладывали электромагнитным способом переменный вращающий момент M_вр с частотой f 10 Гц, максимальная угловая скорость =ω=61 рад/с b 0,04 м; массы дополнительных грузов m₁ m₂ 0,05 кг, максимальное центростремительное ускорение а_ц 151 м/с², центробежная сила, действующая при этом на каждую из масс F_ц 7,55Н, Использовалась сферическая хлопающая мембрана с усилием срабатывания (хлопка) F_хл 0,5 Н, цилиндрическая пружина с усилием предварительного поджатия F_п 1Н, С_пр 100 Н/с. При движении от оси хлопок мембраны происходит при центробежной силе F_ц 1,5H, в обратном направлении при F_ц 0,5 Н, на участке плавного движения среднее значение 1,4 м/с, а_кор порядка 170 м/с², F_кор со стороны двух масс порядка 17Н и момент на плече b составляет 0,68 Н˙м.

Как показали испытания, для сравнительно немассивных объектов предложенный способ и устройство являются довольно эффективными и позволяют за несколько секунд практически погасить крутильные паразитные колебания. Способ и устройство не требуют специальных исполнительных устройств, источников энергии, пригодны при любых скоростях и амплитудах колебаний, в любых циклах работы объектов, в связи с чем имеют широкие функциональные возможности и области применения.

Формула изобретения

1. Способ гашения крутильных колебаний объекта, заключающийся в том, что во вращающемся объекте вводят во взаимодействие в релейном режиме дополнительную массу, перемещаемую в радиальном направлении, отличающийся тем, что дополнительной массе сообщают колебательное движение за счет внутренних сил самого объекта и сил его взаимодействия с массой, при этом релейный режим возбуждают в промежутки времени, соответствующие близости угловой скорости крутильных колебаний объекта к нулю, а плавное движение массы - в обратном направлении от оси вращения объекта во все остальное время работы.

2. Устройство для гашения крутильных колебаний, содержащее установленный на объекте радиально ориентированный цилиндрический резервуар, заполненный вязкой жидкостью и размещенный в ней постоянный магнит, отличающееся тем, что оно снабжено вторым постоянным магнитом и мембраной, магниты обращены друг к другу одноименными полюсами, при этом ближний к оси вращения объекта магнит установлен свободно и его часть со стороны оси имеет форму обращенного к оси конуса, а другой магнит установлен на жестком центре мембраны, защемленной по наружному контуру на боковой поверхности резервуара и соединенной с основанием резервуара цилиндрической спиральной пружиной, прикрепленной торцом к жесткому центру мембраны с противоположной от магнита стороны.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2