Виброизолирующее устройство с автоматическим управлением

(56) Авторское свидетельство СССР ЬВ 1193328, кл, Р 16 Р 15/03, 1985.Авторское свидетельство СССР В 1462050, кл. Р 16 Е 15/03, 1987. (54) ВИБРОИЗОЛИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО С АВТОМАТИЧЕСКИМ УПРАВЛЕНИЕМГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(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 вы1716215 51015 20 25 30 35 40 Кву ) Кв 1 КвуКв 2Кв 1 Кву брать оптимальное соотношение Кв 1/Кв 2, 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 энтифазные 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 обьектом, 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 161, 162,16 и усилители, то этим обеспечиваются условия устойчивости при суммарном усилении канала управления, близком К - 1. 1 3. 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 обьектами 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 Кв 1, Кв 2 виброизоляторов выбраны из соотношений К 1 я= 1+5 10 15 20 25 30 40 50 где Кву - заданная жесткость виброизолирующего устройства;Кв - жесткость упругой подвески вибровозбудителя;п 1 вв - масса вибровозбудителя;Оу- заданная весовая нагрузка устройства;9 - 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 н усилители.(й - количество подлежащих гашению вибрационных составляющих). Виброизолирующее устройство с автоматическим управлением (фиг. 1) работает следующим образом,При включенном канале уг 1 ра.пни:; (последовательно включенные сило 1 эмери тельный датчик 12, блок 11 управления с подключенным к его выходу вибровозбудителем 6) и выборе коэффициентов жесткости Кв 1 и Кв 2 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, содержащемаеа частоту его настройки. На фиг, 2 представлена частотная зависимость эффективности устройства (кривая 1), определяемая как отношение (в дБ) силы 1 о, действующей на виброактивный объект 1 (вынуждающая сила), к силе 1, передаваемой виброизоляторами 3, 4 на защищаемый объект 2 (через силоизмерительный датчик 12), Частота настройки упруго закрепленного вибровозбудителя как динамическою гасителя щ вв = (К/пя выбрана равной 5 сОо = 5(Кву1/29 Иу), где бву - заданная весовая нагрузка; мо - 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 упруго встроенного в опору вибровозбудителя как динамического гасителя от отношения жесткостей Кв 1, К 82 виброизоляторов 3, 4, Эти соотношения, полученные в результате оптимизации параметров устройства, позволяот в зависимости от собственной частоты упруго закрепленного вибровозбудителя выбрать оптимальное соотношение Кв 1/Кв 2, обеспечивающее максимальное динамическое гашение на частоте "настройки" вибровозбудителя.Исследования .устойчивост 1 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 вибродатчи 1716215ка 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 к значению, а поэтому вибровозбудитель 6 развивает близкие по величине и антифазные вибрационным силамкомпенсирующие усилия т, действующие на опорный фланец 8 устройства, присоединяемый к защищаемому объекту 2. Благодаря этому на "выходе" устройства - опорном фланце 8 - осуществляется автоматическая компенсация вибрационных сил 1, передаваемых нэ него через виброизоляторы 3 и 4.Поскольку блок 11 управления содержит широкополосный 15 и полосовые 161, ,162, , 16 и усилители (М - 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.В 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 161, 162, 16 з, 16 и в структурной схеме блока управления отсутствуют,На фиг. 2 показана зависимость (кривая 3) эффективности виброизолирующего устройства с автоматическим управлением при реализации коэффициента усиления Кш = -0,9,Из сравнения кривой 3 с аналогичнойкривой 4 (для того же Кш = -0,9) для устройства-прототипа видно, что в окрестности первой частоты вибрации МЬ = 5 эффективность изобретения выше устройства- прототипа почти на 35 дБ, а на частоте СУЙ = 10 их эффективности практическиравны, Поскольку наиболее низкочастотнаясоставляющая вибрации имеет максимальное значение, то отмеченный положитель 5 ный эффект предлагаемого устройстваявляется чрезвычайно важным,Кривые 5 и 6 (фиг: 2) отражают особенность работы виброизолирующего устройства в режиме, реализующемся при10 использовании заявляемой структурнойсхемы блока 11 управления (фиг. 1). Онэсоответствует значениям коэффициентовусиления щирокополосного Кш и избирательного Кп(М 6 в) трактов на частоте вибра 15 ции Моо=10, равным соответственно,08:-0,19 (кривая 5) и -0,5; -0,49(кривая 6). Видно,что при одинаковом суммарном усиленииканала управления на частоте вибрацииМо = 10, равном Кг = Кш + Кн(10) = -0,99, частотная зависимость эффективности при заявляемом отношении Кш/Ки(10)= 0.8/0.19.1 является более предпочтительной в диапазоне частот 5,1.ЯОЬооо Кроме того, реализация неравенства Кш Ки(10)обеспечивает более широкую полосу частотна заданном уровне эффективности в окрестностичастоты настройки а лу = 10 соз полосового усилителя. Так, при уровнеэффективности Во = 30 дБ по сравнению сприменением обычных виброизоляторв(кривая 7) полоса эффективности для случая Кш = -0,8, Ки(10) = -0,19 (кривая 5) превышает аналогичную полосу для случая Кш =85 -0,5; Ки(10) = -0,49 (близким к граничномузначению Кш/Ки(10) = 1 заявляемого соотношения) более чем в 2 раза. Это свойствопредлагаемого устройства при реализациив нем заявляемого соотношения оказывает 40 ся особенно важным при нестабильной почастоте вибрации или вибрации, содержащей несколько близких по частоте составляющих (сгруппированная вибрация).В виброизолирующем устройстве с автоматическим управлением (фиг, 1) вибровозбудитель 6 может бытьэлектродинамическим или электромагнитным в однотактом и дифференциальном исполнениях, При использованииэлектродинэмического вибровозбудителя. между его рабочим органом 7 и опорным. фланцем 8 может устанавливаться сопрягающее соединение 17, обеспечивающее надежную работу устройства в условияхзначительных деформаций виброизоляторов 3, 4 и неискаженную передачу развиваемых вибровозбудителем сил.В качестве сопрягающего соединениямогут быть использованы стержень, металластиковый элемент или парэ прижатыхдруг к другу контактных элементов, выполненных с возможностью из взаимного перемещения в поперечной плоскостиустройства.Вариант возможной конструктивной 5компоновки элементов устройства (фиг. 1)при использовании электромагнитного вибровозбудителя в дифференцированном исполнении представлен на фиг. 3,Якорная часть (рабочий орган 7) вибровозбудителя 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) 15посредством кольцевой мембраны 10 присоединен к узлу 5 скрепления виброизоляторов 3 и 4, Жесткость мембраны 10 порабочей оси устройства многократно меньше ее жесткости в перпендикулярных к этой 20оси направлениях, что превращает упругозакрепленный вибровозбудитель 6 в одно-.компонентный динамический гаситель.Виброизоляторы 3, 4 устройства выполнены в виде кольцевых резиновых элемен. тов, параметры которых выбраны так, что ихжесткость по продольной оси устройства внесколько раз превышает жесткость в перпендикулярных к этой оси направлениях.При этом эти виброизоляторы передают на 30опорный фланец 8 устройства преимущественно силы по его продольной оси. Компоненты вибрационных сил другихнаправлений воспринимаются другими аналогичными устройствами, установленным 35под некоторым углом (например, 90) к устройству представленному на фиг, 3, Этопозволяет осуществить виброзащиту объекта 2 при пространственных колебаниях объекта 1, используя для этой цели 40однокомпонентный вибровозбудитель (онже - . динамический гаситель).В тех случаях, когда продольная и поперечная жесткости виброизоляторов 3, 4 поусловиям эксплуатации должны быть соизмеримы, жесткости упругой подвески 10 поее упругим осям выбираются из условия эф фективного динамического гашения по тремнаправлениям. Однако, учитывая избирательные свойства динамического гашения, 50этот режим работы предлагаемогоустройства целесообразно применять при наличииспектра вибрации превалирующей вибрационной составляющей. При этом снижение .соответствующей ей пространственной силы, действующей на защищаемый объект 2,осуществляется с помощью виброизоля.торв 3, 4 и встроенного динамического гасителя . в .вибровозбудителя, а по продольнойоси устройства дополнительно - с.помощьюс системы автоматической виброкомпенсации. Остальные поперечные составляющиевибрационного спектра снижаются толькоза счет виброзащитных свойств виброизоляторов 3 и 4,При наличии в системе виброизоляциивынуждающих воздействий в диапазонесобственной частоты ЮЫ 0 = 1 (дополнительно к вибрационным воздействия в ее зарезонансной области) жесткость К 80 всоответствии с соотношениями (1) должнабыть близкой к Ка, что на практике соответ-.ствует упругому закреплению вибровозбудителя к опорному фланцу 13,присоединяемому к виброактивному объекту 1,Частота настройки вибровозбудителяпри этом должна выбираться из условия евравенства собственной частоте системывиброизоляции вьь=оаЧастотная зависимость эффективности виброизолирующейсистемы, реализованнойс использованиемтаких устройств при Кг = Кш = -0,9, представлена кривой 8 на фиг. 2. Видно, что предлагаемое виброизолирующее устройство савтоматическимуправлением обеспечиваетвирозащиту не только в диапазоне вибрации вХо 0 но и окрестности собственнойчастоты ож исходной (без системы виброкомпенсации) виброизолирующей системы.Виброзащитный эффект на частоте а приэтом по сравнению с устройством-прототипом составляет 40 дБ. Важным достоинствам предлагаемого устройства являетсясохранение высокой эффективности в зарезонансной области частот, где уровень вибровозбуждения защищаемого объектадостаточно велик.Таким образом, упругая подвеска вибровозбудителя в узле скрепления виброизоляторов и выбор оптимальных параметровпозволяет значительно увеличить эффективность виброизолирующего устройства с автоматическим управлением как взарезонансной области частот системы, таки в окрестности ее собственных частот.Ф о р мула и зоб рете н ия1. Виброиэолирующее устройство с автоматическим управлением, содержащеедва последовательно устанавливаемыхмежду виброактивным и защищаемым объектами вироизолятора с узлом скрепления,вибровозбудитель, рабочий орган которогосоединен с опорным фланцем устройства,предназначенным для присоединения к защищаемому объекту, вибродатчик и блок управления, подключенный входом квибродатчику, а выходом - к вибровозбудителю, отличающееся тем,что,сцельюу),овышения эффективноеи виброизоляции, оно снабжено упругой подвеской, установленной между узлом скрепления виброизоляторов и вибровозбудителем, а Кв и Кв 2 жесткости виброизоляторов выбраны из соотношений Кв 1= 1+ Кве/Кву + Фвв Я/Ову Квв КвУ - лтвв Я бвуКвКВ 1 Кву Кв 2Кв-Кву где Ку - заданная жесткость устройства;Квв - жесткость упругой подвески вибровозбудителя; щ, - масса вибровозбудителя;Оу - заданная весовая нагрузка на устройство:я - ускорение силы тяжести52. Устройство по и. 1, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что блок уоравления выполнен в виде параллельно включенных широкополосного и по меньшей мере одного полосо ваго усилителей, а коэффициент усиленияширокополосного усилителя на частотах вибрации больше коэффициентов усиления полосовых усилителей.1716215 Составитель К.Н.Антюшеняех ед М.Мо гентал Редактор А. Долинич Т р р Корректор О. Цип оизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул. Гагарина, 101 каз 598 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС113035, Москва, Ж, Раушская наб,. 4/5