Виброизолирующие устройства нового поколения

Одной из важнейших инженерных задач является борьба с шумом и вибрациями, создаваемыми работающими машинами и механизмами. Данная проблема наиболее остро стоит в судостроении, автомобилестроении, локомотивостроении, промышленности, во всех областях техники. Вибрационные колебания оказывают значительное негативное влияние на надёжность и работоспособность различных устройств. Особенно опасны такие колебания для человека, вызывая различные заболевания. Шум и вибрация машин и механизмов – важнейшие показатели совершенства устройств, механизмов и конструкций.

На сегодняшний день существует достаточно много средств снижения вибрационных колебаний (динамическое уравновешивание двигателей, применение динамических гасителей колебаний, активные виброзащитные системы с дополнительным источником вибрации и т.д.), однако ни одно из них не удовлетворяет современным требованиям виброизоляции. Наибольшее распространение получила виброизоляция, выполняемая в виде резинометаллических амортизаторов. Такие виброизоляторы достаточно просты, надежны, имеют невысокую стоимость, но они малоэффективны, так как для существенного снижения передаваемых вибраций они должны иметь малый коэффициент жёсткости, а для обеспечения соосности сочленяемых механизмов их коэффициент жёсткости должен быть достаточно большим. Этим двум противоречивым требованиям отвечает наиболее перспективный метод снижения уровней вибрации - применение виброизолирующих устройств с плавающим участком нулевой жёсткости.

Принцип работы виброизолирующих устройств с участком нулевой жесткости показан на рисунке 1 [3]. При ограниченных значениях виброизолирующего хода подвески Н и при заданном диапазоне изменения усилий от P_max до P_min, передаваемых от защищаемого объекта вибрирующему, силовые характеристики виброизолирующих устройств, обеспечивающих идеальную виброизоляцию, представляют собой бесконечное множество отрезков прямых, равных по длине размаху колебаний, параллельных оси абсцисс и расположенных своими серединами на отрезке АВ прямой, наклоненной к оси абсцисс под углом.

В таких виброизоляторах параллельно упругим элементам включают так называемые компенсаторы, имеющие падающие силовые характеристики (то есть отрицательный коэффициент жёсткости) и позволяющие снизить суммарную жёсткость подвески вплоть до нуля (см. рисунок 2).

На сегодняшний день разработаны механические компенсаторы, однако наиболее эффективным следует считать электромагнитный компенсатор жёсткости (ЭКЖ) [4], так как он наиболее полно отвечает требованиям идеальной виброизоляции как при постоянных по величине, так и при произвольно меняющихся нагрузках и обладает рядом преимуществ. Это объясняется тем, что у электромагнитного компенсатора жёсткости нет взаимодействующих частей, а, следовательно, нет сил трения и износа деталей. У него также отсутствуют промежуточные подвижные массы, следовательно, дополнительные силы инерции. Электромагнитный компенсатор жёсткости, снабженный быстродействующей системой перестройки, перераспределяющей напряжение на электромагнитах при изменении нагрузки, обеспечивает «плавание» участка нулевой жёсткости на силовой характеристике виброизолятора.

Виброизолятор [4] включает в себя упругий элемент 18 и параллельный ему электромагнитный компенсатор жёсткости. Электромагнитный компенсатор жёсткости представляет собой два встречно включенных электромагнита постоянного тока 3 и 4, жёстко закрепленных на вибрирующем объекте 1, общий якорь 5 которых жёстко связан через шток 10 с защищаемым объектом 2. Необходимое расстояние между электромагнитами выдержано за счет скоб 13, 14, жёстко закрепленных между магнитопроводами 11, 12 электромагнитов. Электромагнитный компенсатор жёсткости снабжен устройством управления 15, выполненным в виде датчика 16 относительного положения вибрирующего и защищаемого объектов и нелинейного регулятора напряжений 17. Катушки 7, 9 электромагнитов получают питание от источника 19 через устройство управления 15. Катушки 6, 8 получают питание последовательно с катушками 7, 9 электромагнитов по связям а, б, в, г.

В состав виброизолятора для обеспечения плавания участка нулевой жёсткости при изменении усилий от P_max до P_min, передаваемых от защищаемого объекта вибрирующему, электромагнитный компенсатор жёсткости снабжен системой перестройки 15. Система перестройки электромагнитного компенсатора жёсткости перераспределяет напряжения на катушках электромагнитов при изменении нагрузки Р.

На основании разработанных методик расчета и проектирования была изготовлена и испытана модель одноосного виброизолятора с ЭКЖ и устройством управления. Эксперименты показали, что виброзащитное устройство с перестраивающимся ЭКЖ снижает уровни виброускорений на 20-55 дБ на частотах от 4 до 128 Гц и позволяет исключить возникновение резонансных режимов. Проведенные испытания показали работоспособность и эффективность одноосного адаптивного виброизолятора с электромагнитным компенсатором жёсткости [2].

Рисунок 4 - Виброизолятор с электромагнитным компенсатором жёсткости

Рисунок 5 - Характеристики виброизолятора

при амплитуде перемещений вибростола 0,5 мм:

1 – без компенсатора жёсткости; 2 – с электромагнитным компенсатором

жёсткости при напряжении 6 В; 3 – с системой перестройки

На основании проведенных теоретических и практических исследований одноосного виброизолятора с ЭКЖ для исключения пространственных вибраций предложен трехосный виброизолятор с электромагнитным компенсатором жесткости, который позволит обеспечить идеальную виброизоляцию как при постоянных по величине, так и при произвольно меняющихся нагрузках относительно всех трех осей.

Поэтому предлагается метод описания стохастического процесса колебаний на основании математического аппарата – кватернионы. Гиперкомплексные числа позволяют увидеть, как изменится суммарный вектор колебаний в пространстве и оценить мгновенные изменения вибрации относительно всех трех осей с помощью одного уравнения:

, (1)

где - общий вектор вибрации в пространстве; – скорость изменения положения вектора вибрации;- координаты положения точки вибрации в пространстве; – единичные векторы (орты); – амплитуда вектора в пространстве; – направляющий вектор.

Из уравнения (1) видно, что с помощью кватернионов можно одновременно учесть положение вектора вибрации относительно каждой оси и изменяющуюся амплитуду колебаний в любой точке пространства, как показано на рисунке 6.

Применение предлагаемого математического аппарата позволило разработать точную методику для описания вибрации в пространстве, вывести законы, по которым происходит хаотичное изменение вибрационных колебаний. Также при помощи гиперкомплексных чисел впервые разработана методика виброизоляции в пространстве, на основании которой предложены два варианта конструкций трехмерных виброизоляторов, позволяющих исключить вибрацию во всем пространстве. Первый вариант конструкции построен на принципе электромагнитной компенсации, то есть виброизолятор состоит из упругого элемента и 3-D электромагнитного компенсатора. Второй вариант устройства представляет собой упругий элемент и компенсатор, выполненный на основе неодимовых супермагнитов. Применение супермагнитов позволяет значительно снизить габариты виброизоляторов.

Предложенные виброизоляторы можно применять в любой области машиностроения, техники и могут оказаться очень эффективными для защиты человека от вибраций, генерируемых энергетическими установками транспортных средств.

Литература:

1. Гурова, Е.Г. Виброизолирующая подвеска судовой энергетической установки с нелинейным электромагнитным компенсатором жесткости [Текст] : автореферат дис. канд. техн. наук / Гурова Елена Геннадьевна. – Новосибирск, 2008. – 23 с.

2. Гурова, Е.Г. Результаты испытаний виброизолятора с электромагнитным компенсатором жёсткости [Текст] / Е.Г. Гурова, В.Ю. Гросс // Сибирский научный вестник / Новосиб. гос. акад. вод. трансп. – Новосибирск, 2008. – № 11. – С. 68 – 70.

3. Зуев, А.К. Вибрации машин и пути их виброизоляции [Текст] / А.К. Зуев // Вопросы виброизоляции судовых механизмов и машин: сб. науч. тр. / Новосиб. ин-т инженеров вод. трансп. – Новосибирск, 1983. – С. 6 – 18.

4. Патент № 97783 Виброизолятор с электромагнитным компенсатором жёсткости [Текст]/ Гурова Е.Г., В.Ю. Гросс (РФ). - № 2010121808; заявл. 28.05.2010 – 7 с.: ил.