Динамический гаситель колебаний вращающихся тел

Использование: в качестве средства гашения вибраций и ударов машин и механизмов. Сущность изобретения заключается в том, что гаситель содержит инерционные массы, связанные с телом через изогнутые плоские пружины, соединенные с опорами. Опоры размещены по периметру плотно надетого на тело кольца с прикрепленной к каждой паре опор плоской пружиной. Плоская пружина имеет переменную, линейно возрастающую с увеличением нагрузки жесткость за счет установки на каждой опоре вблизи концов плоской пружины с внешней ее стороны регулируемых по высоте винтовых упоров. Рабочая длина плоской пружины связана с соответствующим значением угловой скорости тела расчетным соотношением. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей динамического гасителя колебаний вращающихся тел. 1 ил.

 

Изобретение относится к средствам гашения вибраций и ударов машин и механизмов.

Известны динамические гасители изгибных /поперечных/ колебаний вращающихся тел, практически всегда сопровождающих их крутильные колебания за счет присутствия минимальной неуравновешенности, содержащие массу и упругий элемент, соединяющий массу с телом, при этом масса либо связана подшипником с внешним подвижным опорным элементом /см. а.с. СССР №1647178, кл. F 16 F 15/02, 1988 [1], /либо выполнена в виде поплавка, помещенного в заполненную рабочей средой полость в вале /см. а.с. СССР №638769, кл. F 16 F 15/10, 1977 [2].

Известны также динамические гасители крутильных колебаний вращающихся тел, содержащие либо центробежный механизм в виде установленных на теле в радиальных направляющих пазах и подпружиненных инерционных элементов /см. а.с. СССР №1588941, кл. F 16 F 15/14, 1987 [3], а.с. СССР №1728561, кл. F 16 H 15/26, 15/30, 1/20, 1989 [4]/, либо ведущий и ведомый фрикционные элементы, вводимые в контакт с помощью жестко закрепленного на вращающемся теле центробежного механизма /см. а.с. СССР №577333, кл. F 16 F 15/10, 1976 [5]/.

Недостатками всех известных устройств являются значительная сложность конструкций, а главное - ограниченные функциональные возможности. Последнее объясняется возможностью гашения известными конструкциями только одного вида колебаний вращающихся тел - либо крутильных, либо изгибных /поперечных/, а также настройкой гасителей только на одну фиксированную частоту паразитных колебаний, соответствующую одной заданной угловой скорости вращения тела, невозможностью автоматической адаптивной перестройки гасителей на другие частоты при изменении угловой скорости вращения тела.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является динамический гаситель колебаний, содержащий массу, связанную с телом через изогнутые плоские пружины, шарнирно соединенные с опорами, установленными на направляющей тела с возможностью перемещения вдоль него с помощью специального винта с левой и правой нарезкой, ввернутого в отверстия в опорах с резьбой соответствующего направления /см. а.с. СССР №1283456, кл. F 16 F 15/03, 1985 [6]/, и принятый за прототип.

Недостатком устройства - прототипа являются ограниченные функциональные возможности, что объясняется как настройкой устройства в процессе его регулировки только на одну заданную частоту гашения, и, соответственно, неспособностью автоматической адаптивной перестройки на разные частоты, так и невозможностью использования устройства одновременно для гашения изгибных /поперечных/ и крутильных колебаний вращающихся тел.

Сущность изобретения заключается в использовании в качестве механизмов гашения нелинейных механических колебательных систем, выполненных в виде размещенных равномерно по периметру вращающегося тела инерционных масс, установленных на плоских пружинах с линейно возрастающей при увеличении нагрузки жесткостью за счет выключения при деформации пружины части ее рабочей длины из-за плавной посадки пружины на регулируемые по высоте винтовые упоры.

Технический результат - расширение функциональных возможностей динамического гасителя колебаний вращающихся тел.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном динамическом гасителе колебаний вращающихся тел, содержащем инерционные массы, связанные с телом через изогнутые плоские пружины, соединенные с опорами, особенность заключается в том, что опоры размещены равномерно по всему периметру плотно надетого на тело и соосного с осью его вращения кольца с прикрепленной к каждой паре опор плоской пружиной, имеющей переменную, линейно возрастающую с увеличением нагрузки жесткость за счет установки на каждой опоре вблизи концов пружины с внешней ее стороны регулируемых по высоте винтовых упоров, при этом рабочая длина пружины l_p связана с соответствующим значением угловой скорости тела (соотношением l_p=l(ω_min/ω)^2/3, где l - длина пружины; ω_min - минимальное значение угловой скорости тела.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где схематично изображено вращающееся тело с предлагаемым гасителем с поперечным разрезом.

Динамический гаситель колебаний вращающегося тела 1 содержит инерционные массы 2, связанные с телом 1 через изогнутые плоские пружины 3, соединенные с опорами 4, при этом опоры 4 размещены равномерно по всему периметру плотно надетого на тело 1 и соосного с осью его вращения кольца 5 с прикрепленной к каждой паре опор 4 плоской пружиной 3, имеющей переменную, линейно возрастающую с увеличением нагрузки жесткость за счет установки на каждой опоре 4 вблизи концов пружины 3 с внешней ее стороны регулируемых по высоте винтовых упоров 6, ввернутых в прикрепленные к опорам 4 кронштейны 7, имеющие скос обращенных к пружинам 3 сторон с увеличением зазора между пружиной 3 и кронштейном 7 по мере удаления от опоры 4, причем рабочая длина пружины l_p связана с соответствующим значением угловой скорости ω соотношением l_p=l(ω_min/ω)^2/3, где l - длина пружины; ω_min - минимальное значение угловой скорости тела. Опоры 4 выполнены заодно со стальным кольцом 5 в виде плоских ребер на боковой поверхности кольца, инерционные массы 2 выполнены в виде припаянных к центру плоских пружин 3 стальных шаров.

Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.

При наличие минимальной неуравновешенности тела 1, то есть реально практически во всех случаях, вращение тела 1 сопровождается возникновением его паразитных поперечных /изгибных/ колебаний, происходящих в радиальных направлениях с частотой, равной угловой скорости ω вращения тела. На массы 2 при вращении тела 1 действуют в радиальных направлениях к периферии центробежные силы инерции , где ω²R=a_n - центростремительное ускорение; m - величина инерционной массы; R - расстояние от массы 2 до оси вращения тела 1. Силы являются для пружины 3 постоянной нагрузкой, приложенной посередине в направлении наружу от тела 1. Как известно, круговая частота колебаний пружина-масса определяется как , где С - изгибная жесткость плоской пружины. Гашение поперечных колебаний происходит при равенстве частоты ω' угловой скорости вращения ω. Согласно существу изобретения жесткость С линейно возрастает с увеличением нагрузки F^u, то есть выполняется соотношение , где κ - постоянный коэффициент. Тогда формулу /2/ перепишем в виде /4/. Так как /изменением величины R при изгибе пружины по сравнению с гораздо большими расстояниями от оси вращения тела до пружины можно пренебречь/, то выполнение условия /3/ неизбежно приводит к автоматической адаптивной перестройке гасителя. Например, при исходной настройке гасителя на угловую скорость ω и при увеличении ω в n раз центробежная сила инерции F^u, то есть сила нагрузки на пружину, увеличится в n раз, во столько же раз увеличится жесткость C пружины, и частота настройки гасителя ω' увеличится в , то есть также в n раз. Теперь, после объяснения необходимости выполнения для автоматической настройки гасителя формулы /3/, опишем механизм реализации данной формулы в предложенном устройстве. При минимально возможной для данного тела угловой скорости вращения ω_min пружины 3 под действием силы слабо прогибаются наружу и не касаются винтов 6, при этом их жесткость равна C_min, то есть исходная жесткость непосредственно самой пружины, и совместно с массой m подбирается необходимое условие гашения поперечных колебаний .

Для плоской пружины прямоугольного сечения, нагруженной посередине силой и закрепленной по обеим концам изгибная жесткость C_min определяется по формулам, полученным в книге А.Д.Нестеренко, П.П.Орнатский "Детали и узлы приборов", Гостехиздат УССР, Киев - 1963 [7] на стр.149-150,

. При увеличении угловой скорости пружины 3 выгибаются наружу и плавно ложатся на регулировочные винты 6, при этом рабочая длина l_p пружины становится меньше (и равна расстоянию между последними из винтов 6 с двух сторон, на которые опирается пружина 3; X - расстояние от края пружины 3 /места ее крепления к опоре 4/ до данного винта. При таком опирании l_p постепенно уменьшается, жесткость С пружины нарастает. По существу изобретения винты 6 установлены так, то есть так выбраны расстояния x, что с увеличением нагрузки F^u жесткость С нарастает линейно /см. формулу /3/. При значении угловой скорости ω>ω_min из /4/ имеем , и приравнивая к /3/, находим , откуда где - постоянный коэффициент. Так как из /5/ следует, что то , и выражение /5/ перепишем в виде , причем, так как l_p=(l-2x), то значение x можно выразить в виде . Таким образом, при осуществлении эффекта гашения на частоте ω_min путем подбора величин C_min и m гашение на любой более высокой частоте ω поперечных колебаний осуществляется автоматически, но при этом частоте ω/угловой скорости вращения/ должно соответствовать расстояние l_p или, что тоже самое, расстояние x от края до соответствующего регулировочного винта 6. При регулировке устройства последовательно на каждой угловой скорости (в процессе ее возрастания соответствующие винты 6 последовательно на расстояниях x должны быть ввернуты до контакта с прогнутой пружиной 3 и законтрены. Таким образом, расчетные расстояния l_p или x рассчитываются теоретически по предложенной формуле /6/ и выполняются в процессе изготовления устройства, а радиальные расстояния /смещения винтов 6 вдоль оси их вращения/ до касания винта с пружиной 3 выставляются в процессе регулировки устройства. Этим и обеспечивается заданная жесткостная характеристика пружин 3 с линейно возрастающей с увеличением нагрузки жесткостью, за счет чего и обеспечивается эффект автоматической настройки гасителя на любую частоту вращения.

Если, например, l=100 мм, n_min=3000 об/мин, ω_min=314 рад/с, то по формуле /5/ при n=5000 об/мин, ω=523 рад/с вычисляем l_p=71 мм, соответственно x=(l-l_p)/2=14,5 мм, то есть осуществления эффекта гашения при угловой скорости ω=523 рад/с пружина должна с двух сторон опираться на крайние винты, вплоть до винтов, удаленных от опоры 4 на x=14,5 мм и иметь рабочую длину 71 мм при полной длине l=100 мм. При возникновении паразитных крутильных колебаний тела 1, то есть при вариациях его угловой скорости относительно номинального значения, процесс гашения происходит следующим образом. Например, при некотором увеличении угловой скорости массы 2 под действием центробежных сил инерции удаляются от оси вращения тела 1, при этом увеличивается осевой момент инерции системы, обуславливающий возвращение угловой скорости к номинальному значению.

Предложенный динамический гаситель характеризуется предельно широкими функциональными возможностями, позволяя одновременно гасить как крутильные, так и поперечные /изгибные/ колебания в любом из радиальных направлений, а также автоматически адаптивно перестраиваться на разные частоты гашения при изменении угловой скорости вращения тела. Устройство достаточно компактно, состоит из простых элементов и узлов, может быть выполнено практически в любой компановке в виде съемного модуля, надеваемого на тело при работе с возможностью легкого снятия, например при транспортировке и хранении тел и т.п.

Динамический гаситель колебаний вращающихся тел, содержащий инерционные массы, связанные с телом через изогнутые плоские пружины, соединенные с опорами, отличающийся тем, что опоры размещены равномерно по всему периметру плотно надетого на тело и соосного с осью его вращения кольца с прикрепленной к каждой паре опор плоской пружиной, имеющей переменную, линейно возрастающую с увеличением нагрузки жесткость за счет установки на каждой опоре вблизи концов плоской пружины с внешней ее стороны регулируемых по высоте винтовых упоров, при этом рабочая длина плоской пружины l_р связана с соответствующим значением угловой скорости тела ω соотношением l_p=l(ω_min/ω)^2/3, где l - длина плоской пружины; ω_min - минимальное значение угловой скорости тела.