Устройство для гашения колебаний

 

Устройство предназначено для гашения колебаний с независимо управляемыми нагрузочной характеристикой и жесткостью содержит корпус, размещенную в нем виброгасящую опору и расположенный между ними элемент, поглощающий колебания, который заключен в герметичный объем и содержит источник насыщенного пара, тепловой аккумулятор и систему жидкость - насыщенный пар с границей раздела, сформированной на развитой поверхности теплового аккумулятора. Устройство не имеет ограничений на его габариты и форму, на температурные условия использования, на величину жесткости и нагрузочной характеристики, обеспечивает высокий уровень поглощения колебаний. 9 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к машиностроению, конкретно к демпфирующим устройствам, к устройствам защитной амортизации объектов, подверженных динамическим воздействиям, и может быть широко использовано в любой области техники для защиты или гашения колебаний, преимущественно в приборостроении и радиоэлектронной технике.

Анализ предшествующего уровня техники показал, что технические решения, представляющие данное направление, в своем развитии основывались на закономерностях материального мира, используя механические, гидравлические, магнитные, электрические и другие его свойства.

Наиболее представительным является направление механических устройств, в которых поставленная задача достигается путем гашения механического воздействия на объект (или его преобразования в другой вид энергии, например тепловую) посредством деформации упругих элементов, причем эффект демпфирования может быть усилен за счет размещения упругого элемента в сыпучем материале.

Известно энергопоглощающее устройство, содержащее корпус, крышку с отверстием, через которое пропущен шток с поршнем. В корпусе с обеих сторон его торцoв, симметрично относительно его середины выполнены проточки, в которых с чередованием размещен эластичный материал с разной податливостью. Кроме того, симметрично относительно поршня размещены гофрированные эластичные оболочки, заполненные сыпучим материалом, а на штоке поршня, коаксиально эластичным оболочкам, установлены пружины, одни концы которых жестко связаны с поршнем, а другие - с крышками корпуса. Такое выполнение устройства позволяет увеличить его энергоемкость (авторское свидетельство СССР N 1017852, МКИ 6 F 16 F 7/00, опубл. 1983 г.).

Под воздействием нагрузки поршень, перемещаясь вниз, деформирует сыпучий материал, сжимает одну и растягивает другую пружину. В процессе этого гофрированная оболочка продавливается в расточки корпуса, заполненные эластичным материалом с разной податливостью. Это увеличивает ход поршня и обеспечивает большую энергоемкость устройства.

В качестве другого типичного представителя механического направления можно привести гаситель вибраций, содержащий корпус с выполненными в нем симметрично его оси полостями в виде каналов, сужающихся на концах и расположенных под углом к оси корпуса, в которых размещены шарики, причем отношение диаметра шариков к диаметру каналов выбрано равным 0,98±0,01 (авторское свидетельство СССР N 1337580, МКИ 6 F 16 F 7/00, опубл. 1987 г.) При колебаниях объекта шарики, размещенные внутри каналов, совершают возвратно-поступательное движение. В процессе соударения шариков с торцевыми поверхностями каналов происходит гашение вибраций объекта в виброударном режиме.

Еще одно направление механических демпфирующих устройств основано на использовании создаваемых в устройстве распределенных сил трения.

Известен упругодемпфирующий элемент, содержащий пакет упругих пластин прямоугольного поперечного сечения, размещенных в вакуумированной герметичной оболочке из эластичного материала, при этом коэффициент трения контактирующих поверхностей пластин определен из соотношения: где f - коэффициент трения на контактирующих поверхностях; Q - заданная амплитуда поперечной силы, приводящая к расслоению пакета; z - расстояние от оси пакета до точки контакта; P - заданная интенсивность сдавливающей нагрузки; h - толщина каждой из пластин; n - количество пластин в пакете (авторское свидетельство СССР N 1649164, МКИ 6 F 16 F 7/00, опубл. 1991 г.).

Такая конструкция устройства позволяет повысить его демпфирующие свойства за счет создания распределенных сил трения.

Из всей широкой номенклатуры механических устройств следует еще отметить пружинный виброизолятор, содержащий пружину и закрепленный по всей ее длине демпфирующий элемент, при этом пружина выполнена в виде однополостного гиперболоида вращения, демпфирующий элемент в поперечном сечении имеет форму ромба, большая диагональ которого ориентирована перпендикулярно оси пружины, а шаг витков пружины уменьшается от ее центра к торцам (авторское свидетельство СССР N 1763748, МКИ 6 F 16 F 7/00, опубл. 1992 г.).

Под воздействием вертикальной нагрузки пружина сжимается, уменьшается фокусное расстояние и эксцентриситет однополостного гиперболоида, что увеличивает диссипацию механического воздействия. Уменьшающийся шаг витков пружины понижает жесткость виброизолятора, что в свою очередь повышает эффективность виброзащиты на низких частотах.

В качестве еще одного оригинального решения из механического класса можно отметить виброизолятор, содержащий основание, соединенные с ним упругие элементы, каждый из которых выполнен в виде металлической пластины дугообразной формы, в продольном сечении представляющей клин, свернутой в спираль со стороны тонкого конца и соединенной с одним из оснований на расстоянии от тонкого конца, большем одной четверти длины пластины, при этом на каждом упругом элементе в направлении от тонкого конца выполнены прорези, число которых "n" в каждом поперечном сечении выбрано из соотношения:

где B - общая ширина металлической пластины;
ширина отдельной полосы между прорезями на расстоянии x от тонкого конца;
f_м - максимальная заданная рабочая частота виброизоляции;
E - модуль упругости;
ρ - плотность материала;
h(x) - текущая толщина металлической пластины на расстоянии x от тонкого конца;
Integer - целая часть числа x.

Такая конструкция виброизолятора обеспечивает режим бегущей одномерной изгибной волны, энергия большей части которых преобразуется в тепловую посредством нанесенного слоя вибропоглотителя (авторское свидетельство СССР N 1805238, МКИ 6 F 16 F 7/00, опубл. 1993 г.).

Как отмечалось ранее, известны вибропоглощающие элементы, использующие различные свойства, в том числе и электрические. В качестве одного направления можно указать вибропоглощающую опору, содержащую поглощающий элемент, расположенный между неподвижным основанием и виброизолирующим телом, при этом поглощающий элемент выполнен на основе сегнетоэлектрика или из керамики сегнетоэластика, или из композиции сегнетоэластика и эластичного связующего, или из монокристалла сегнетоэластика.

При возникновении вибрации на поглощающий элемент действует сила, пропорциональная ускорению вибраций, приводящая к его деформации. За счет гистерезиса значительная часть энергии вибрации рассеивается в поглощающем элементе, приводя колебания к быстрому затуханию (за 1-3 периода). Таким образом, устройство обеспечивает резкое увеличение демпфирования низкочастотных колебаний и колебаний большой (выше критической) амплитуды (авторское свидетельство СССР N 1154499, МКИ 6 F 16 F 7/00, опубл. 1981 г.).

Известен также амортизатор, содержащий упругий элемент в виде пакета стержней, стянутых хомутами, снабженных элементами управляемого давления из электрострикционного материала, установленными между стержнями и хомутами попарно во взаимно перпендикулярных плоскостях и подсоединенными к источнику управляемого напряжения, и датчиками колебаний. Такое выполнение амортизатора позволяет обеспечить электрически управляемое давление между элементами набора стержней и значительно увеличить эффективность гашения колебаний амортизатора при переходе с одного режима на другой (авторское свидетельство СССР N 1746092, МКИ 6 F 16 F 7/00, опубл. 1989 г.).

Известен также способ гашения резонансных колебаний гидромеханической системы упругодемпферных опор высокоскоростных роторов и устройство для его осуществления, содержащее корпус, с расположенным в нем подшипником для ротора, упругий элемент, размещенный между корпусом и подшипником, трубопровод для подачи в корпус рабочей жидкости, на входе которого в корпус установлен модулятор проходного сечения, соединенный с задатчиком частоты модуляции, измерителем амплитуды колебаний и компаратором, связывающим последний с задатчиком частоты модуляции. Такая конструкция обеспечивает повышение эффективности гашения за счет расширения частотного диапазона (авторское свидетельство СССР N 1696783, МКИ 6 F 16 F 7/00, опубл. 1991 г.)
Технические решения, упомянутые выше, представляющие известный уровень техники в данной области, обеспечивают гашение колебаний или амортизацию прибора, однако в большей своей части они обладают существенным недостатком: их жесткость является зависимой величиной от нагрузочной характеристики, поэтому в ряде случаев такие амортизаторы недостаточно эффективны.

Наиболее близким к настоящему изобретению по технической сущности и достигаемому результату при использовании является устройство, содержащее корпус с размещенным в нем штоком с поршнем в его средней части, выполненным в виде сопряженных между собой большими основаниями конусов. Корпус заполнен наполнителем в виде тел качения и снабжен механизмом компенсации износа шариков. Конструкция позволяет расширить ее функциональные возможности за счет обеспечения возможности регулирования характеристики (авторское свидетельство СССР N 1601428, МКИ 6 F 16 F 7/00, опубл. 1990 г.). Колебания преобразуются в перемещение штока с поршнем, который воздействует на шарики, приводя их к взаимному перемещению, в процессе которого возникающие между шариками силы трения гасят колебания подвижного узла.

Вместе с тем для решения ряда задач известное устройство обладает недостаточной чувствительностью, кроме того, в нем не обеспечивается независимого управления жесткостью и нагрузочной характеристикой устройства.

Технический результат, присущий данному изобретению, заключается в устранении отмеченных выше недостатков. Он достигается тем, что в устройстве для гашения колебаний расположенный между неподвижным основанием и вибропоглощающей опорой элемент, поглощающий колебания, заключен в герметичный объем и содержит источник насыщенного пара, тепловой аккумулятор, систему жидкость-насыщенный пар с границей раздела, сформированной на развитой поверхности теплового аккумулятора;
а также тем, что в качестве источника насыщенного пара используется испаряемая жидкость, размещенная в нижней части герметичного объема поглощающего элемента;
а также тем, что тепловой аккумулятор выполнен из теплопроводного материала, развитая поверхность которого смочена жидкостью системы;
а также тем, что для централизованного управления нагрузочной характеристикой тепловой аккумулятор и источник пара одновременно являются теплообменниками, температура которых регулируется теплоносителем, причем температура теплового аккумулятора поддерживается ниже температуры насыщенного пара для обеспечения условий смачивания развитой поверхности теплового аккумулятора конденсатом насыщенного пара;
а также тем, что для обеспечения централизованного управления жесткостью устройства оно дополнительно снабжено средством, обеспечивающим изменение площади отверстия в герметичной перегородке, расположенной между источником насыщенного пара и тепловым аккумулятором;
а также тем, что для обеспечения централизованного управления жесткостью устройства оно дополнительно снабжено средством, обеспечивающим изменение площади развитой поверхности теплового аккумулятора, контактирующей с насыщенным паром;
а также тем, что для предотвращения утечки насыщенного пара из камеры с изменяющимся объемом герметизация системы жидкость-насыщенный пар с термостатированной границей раздела на развитой поверхности теплового аккумулятора осуществлена посредством газонепроницаемого сильфона или посредством газонепроницаемой оболочки или посредством поршневой группы;
а также тем, что для обеспечения поддержания заданного давления насыщенного пара при заданной температуре в качестве жидкости в системе жидкость-насыщенный пар используется многокомпонентный раствор.

Возможность реализации предложенного устройства подтверждается следующими теоретическими выводами и полученными результатами экспериментальных исследований.

Известно, что давление насыщенного пара над жидкостью зависит только от температуры системы. Увеличение давления насыщенного пара приводит к переходу его части в жидкую фазу и, наоборот, уменьшение - к испарению части жидкости, поэтому граница раздела жидкость-насыщенный пар с фиксированной температурой является идеальным поглотителем любого отклонения давления от термодинамически равновесного. Вместе с тем конденсация и испарение жидкости сопровождаются отдачей или поглощением тепла, следовательно, изменением температуры этой границы. В этой связи возникает необходимость термостатирования этой границы при техническом использовании фазового перехода пар-жидкость в качестве поглотителя колебаний давления. Чем сильнее сглажены температурные колебания границы, тем выше податливость устройства.

Граница раздела жидкость-насыщенный пар формируется на поверхности термостата смачиванием за счет конденсации или сил адгезии.

На практике удобно пользоваться многокомпонентными растворами при температуре кипения или вблизи ее. Кипение раствора обеспечивает равенство атмосферного давления и давления насыщенного пара в замкнутом объеме. Многокомпонентность позволяет плавно регулировать температуру кипения путем изменения концентрации компонентов в растворе для адаптации к внешним условиям в соответствии с законом Рауля:
P_i(T)·X_i=Y_i·P(T); ΣXi = 1; ΣYi = 1,
где
P_i(T) - парциальное давление пара i компоненты при температуре T;
X_i - молярная доля i компоненты в растворе;
Y_i - молярная доля i компоненты в парах;
P(T) - общее давление насыщенного пара.

Оптимальным вариантом термостата для этих целей является тепловой аккумулятор. Самый простой тепловой аккумулятор - твердое тело, поверхность которого смочена этим раствором.

Анализ выполненный заявителем в части соответствия заявленного изобретения критериям охраноспособности: новизна, изобретательский уровень и промышленная применимость - позволяет сделать следующие выводы.

Поиск, проведенный заявителем в патентной документации, в объеме, определяемом минимум PCT, а также в научно-технической литературе, не выявил технических решений, тождественных заявленному изобретению, характеризующихся аналогичной совокупностью существенных признаков, приведенных в формуле изобретения. В этой связи заявитель считает, что предшествующий уровень техники не порочит заявленное изобретение, т.е. оно является новым.

Как отмечалось выше, заявленное изобретение отличается от наиболее близкого аналога - устройства для гашения колебаний-поглощающим элементом, который выполнен в виде герметизированной системы жидкость-насыщенный пар с границей раздела, сформированной на развитой поверхности теплового аккумулятора.

Сопоставительный анализ упомянутых отличительных признаков с техническими решениями, содержащими аналогичные признаки, выявленными в предшествующем уровне техники, показал, что они не являются очевидными для специалистов данной области, в связи с чем заявленное изобретение, по мнению заявителя, считается соответствующим изобретательскому уровню.

Как отмечалось выше, впервые используемый вибропоглощающий элемент достаточно легкореализуем. Система жидкость-насыщенный пар размещается в герметичной емкости, а граница раздела системы термостатирована. В качестве простого теплового аккумулятора использовано твердое тело, развитая поверхность которого смочена этим раствором.

Это позволило заявителю сделать вывод о соответствии изобретения критерию - промышленная применимость, т.к. оно, как отмечалось выше, практически осуществимо и может быть широкоиспользовано.

На графических материалах представлены две реализованных модели устройства для гашения колебаний по данному изобретению. Как отмечалось ранее, оно решает задачу создания устройства для гашения колебаний в широком диапазоне частот с независимым централизованным управлением нагрузочной характеристикой и жесткостью.

Заявляемое устройство содержит корпус 1, размещенную в нем виброгасящую опору 2, и расположенный между ними элемент, поглощающий колебания, который заключен в герметичный объем и содержит источник насыщенного пара 7, тепловой аккумулятор 3, поверхность которого покрыта конденсатом 4 испаряющейся жидкости, теплообменники 5, насыщенный пар 6, сильфон 8 (фиг. 1) или поршневую группу (фиг. 2), регулируемое отверстие 9, шток с клапаном 10 для регулировки отверстия, камеру изменяемого объема 11.

Гашение колебаний устройством осуществляется следующим образом. При движении виброопоры 2 вниз объем камеры 11 уменьшается, что вызывает в ней увеличение давления. Часть избыточного пара уходит через отверстие 9 и конденсируется на развитой поверхности теплового аккумулятора 3. Когда отверстие 9 полностью закрыто, устройство обладает максимальной жесткостью: частично конденсирующийся пар на небольшой площади внутренней поверхности камеры 11 приводит к увеличению температуры этой поверхности и, следовательно, к увеличению давления насыщенного пара в камере 11.

Когда отверстие 9 максимально открыто, поток насыщенного пара проходит через него свободно и конденсируется на развитой поверхности теплового аккумулятора 3. Поскольку конденсация насыщенного пара на поверхности теплового аккумулятора не приводит к заметному изменению его температуры, то и не будет заметного изменения давления в камере 11. Жесткость системы будет минимальна, количественно она будет определяться величиной емкости теплового аккумулятора 3 и жесткостью сильфона 8.

При движении виброгасящей опоры 2 вверх - объем камеры 11 увеличивается, давление уменьшается. Частично давление компенсируется потоком пара через отверстие 9 за счет испарения с развитой поверхности теплового аккумулятора 3.

Когда отверстие 9 полностью закрыто, устройство обладает максимальной жесткостью: испаряющийся пар с небольшой по площади внутренней поверхности камеры 11 не обеспечивает состояние насыщенного пара, среда в камере 11 становится просто газом, давление уменьшается.

Когда отверстие 9 максимально открыто, изменение объема камеры 11 не приведет к заметному изменению в ней давления благодаря стабилизации давления насыщенного пара 6 тепловым аккумулятором 3 и хорошей пропускной способностью отверстия 9.

Нагрузочная характеристика устройства определяется давлением внутри камеры 11. Известно, что жидкости с температурой кипения выше 0^oC удваивают давление насыщенного пара при увеличении температуры на 18-20^oC.

При регулировке нагрузочной характеристики устройства изменение температуры источника насыщенного пара 7 производится одновременно с изменением температуры теплового аккумулятора 3, причем температура источника насыщенного пара 7 должна быть выше температуры теплового аккумулятора 3 для обеспечения условий смачивания развитой поверхности теплового аккумулятора 3 конденсатом 4.

Устройство для гашения колебаний по данному изобретению позволяет большое разнообразие при его практической реализации:
герметизация изменяемой части объема 11 поглощающего колебания элемента возможна металлическим газонепроницаемым сильфоном, эластичной газонепроницаемой оболочкой, поршневой группой и т.д.;
поддержание заданной температуры источника пара и теплового аккумулятора возможно любым источником тепла и холода: теплообменником, термоэлектрическим элементом, световым излучением, индукционным нагревателем и т.д.;
изменение площади отверстия, регулирующего поток пара возможно с помощью традиционных - клапана, крана, заслонки, диафрагмы и т.д.;
в качестве теплового аккумулятора можно использовать теплопроводные металлы с высокой теплоемкостью, например, алюминий, в форме пластинчатых радиаторов, отрезков провода, дроби и т.д.;
в качестве жидкости могут быть использованы растворы предельных углеводородов, достаточно безопасные в эксплуатации и пригодные для использования в широком интервале температур.

Заявляемое устройство для гашения колебаний не имеет ограничений на его габариты и форму, на температурные условия использования, на величину жесткости и нагрузочной характеристики, обеспечивает высокий уровень поглощения колебаний. Оно значительно проще в части его аппаратурной реализации по сравнению с известными устройствами аналогичного назначения. В силу отмеченных преимуществ предлагаемое устройство получит широкое использование в современной технике.

Формула изобретения

1. Устройство для гашения колебаний, содержащее корпус, размещенную в нем виброгасящую опору и расположенный между ними элемент, поглощающий колебания, характеризующееся тем, что поглощающий колебания элемент заключен в герметичный объем и содержит источник насыщенного пара, тепловой аккумулятор и систему жидкость - насыщенный пар с границей раздела, сформированной на развитой поверхности теплового аккумулятора.

2. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что в качестве источника насыщенного пара используется испаряемая жидкость, размещенная в нижней части герметичного объема поглощающего элемента.

3. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что тепловой аккумулятор выполнен из теплопроводного материала, развитая поверхность которого смочена жидкостью системы.

4. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что для управления нагрузочной характеристикой тепловой аккумулятор и источник насыщенного пара одновременно являются теплообменниками, температура которых регулируется централизованно, причем температура теплового аккумулятора поддерживается ниже температуры источника насыщенного пара для обеспечения условий смачивания развитой поверхности теплового аккумулятора конденсатом насыщенного пара.

5. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что для обеспечения централизованного управления жесткостью устройства оно дополнительно снабжено герметичной перегородкой, расположенной между источником насыщенного пара и тепловым аккумулятором и содержащей регулируемое отверстие для изменения его пропускной способности.

6. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что для обеспечения централизованного управления жесткостью устройства оно дополнительно снабжено средством, обеспечивающим изменение площади развитой поверхности теплового аккумулятора, контактирующей с насыщенным паром.

7. Устройство по п.1,характеризующееся тем, что для предотвращения утечки насыщенного пара из камеры с изменяющимся объемом герметизация системы жидкость - насыщенный пар с термостатированной границей разделена на развитой поверхности теплового аккумулятора осуществлена посредством газонепроницаемого сильфона.

8. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что для предотвращения утечки насыщенного пара из камеры с изменяющимся объемом герметизации системы жидкость - насыщенный пар с термостатированной границей раздела на развитой поверхности теплового аккумулятора осуществлена посредством эластичной, газонепроницаемой оболочки.

9. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что для предотвращения утечки насыщенного пара из камеры с изменяющимся объемом герметизации системы жидкость - насыщенный пар с термостатированной границей раздела на развитой поверхности теплового аккумулятора осуществлена посредством поршневой группы.

10. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что для обеспечения поддержания заданного давления насыщенного пара при заданной температуре в качестве жидкости в системе жидкость - насыщенный пар используется многокомпонентный раствор.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2