ВКЛАДЫШ ВИБРОЗАЩИТНОЙ РУКАВИЦЫ Российский патент 1994 года по МПК A41D13/08 

Изобретение относится к механике, в частности к пассивным виброзащитным системам, и может найти применение в средствах индивидуальной защиты операторов от вибрации при работе с ручными системами высокой удельной мощности.

Одно из важнейших требований к средствам виброзащиты операторов ручных машин - обеспечение их малой массы и объема при высокой эффективности. Уровень вибрации на рукоятках ручных инструментов (бензопилы, отбойные молотки) превышает санитарнодопустимые нормы на основных гармониках на 8-13 дБ.

Известны различные технические решения индивидуальной защиты рук операторов от вибрации (виброзащитные рукавицы, вкладыш виброзащитной рукавицы, виброзащитные перчатки, устройство для поглощения колебаний, выбранные в качестве аналогов).

Недостатками перечисленных аналогов является их невысокая эффективность. Известно, что мощность вибрации рассеивается в объеме виброизолирующего материала и зависит также от его качества. В соответствии с ГОСТ 12.4.103-83 "Одежда специальная защитная. Средства индивидуальной защиты рук и ног". ГОСТ 12.4.010-75. Средства индивидуальной защиты. "Рукавицы специальные", максимальная толщина упругодемпфирующего материала рукавиц не должна превышать 5-8 мм. В противном случае создаются неудобства оператору для обхвата рукоятки. Поэтому объем виброизолирующего материала оказывается фиксированным, что ограничивает эффективность таких средств. Кроме того, диапазон усилий оператора, приложенных к рукоятке, изменяется в среднем в интервале 6,5-20 кгс. Изменение усилий при обхвате рукоятки изменяет и собственные характеристики виброзащитной системы источник - виброизолятор - объект, что при относительно постоянном спектре возбуждения источника не позволяет оптимально рассчитать систему виброзащиты и достигнуть требуемой эффективности известных аналогов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является вкладыш виброзащитной рукавицы, выбранный в качестве прототипа. Вкладыш состоит из ладонной части и напалка, выполненного за одно целое в виде пакета пластин различной жесткости, перфорированных в шахматном порядке. Каждая пластина толщиной не более 1 мм, а суммарная толщина менее 10 мм. Пластины меньшей жесткости помещены внутри пакета. Деформация вкладыша при обхвате рукоятки происходит по тонким перемычкам между отверстиями поперечных рядов перфорации. Части вкладыша, воспринимающие основное усилие тыльной части ладони, имеют меньшую плотность перфорации. Материалом пластин служат резина, дерматин, шерсть, синтетика. Улучшение виброзащитных свойств в широком диапазоне усилий нажатия достигается за счет создания переменной жесткости по его длине.

Недостатком прототипа является низкая эффективность виброгашения.

Целью изобретения является повышение эффективности виброгашения путем выбора соотношения жесткости упругих элементов и снижения собственной частоты виброзащитной системы за счет статического поджатия упругих элементов.

Это достигается тем, что во вкладыше виброзащитной рукавицы, содержащем вибропоглощающий материал в виде несущей пластины наладонной части и напалка, перфорированной в шахматном порядке, в ячейки перфорации дополнительно поштучно вставлены заневоленные пружинки, навитые с высоким качеством и статически поджатые, один конец каждой из которых центрированно приклеен к дерматиновой накладке, заклеивающей ячейку перфорации с одной стороны несущей пластины, другой свободный конец каждой пружинки поджимается цельной дерматиновой пластиной, совпадающей по размерам с несущей, при этом эквивалентные коэффициенты жесткости системы пружинок и коэффициент жесткости несущей пластины выбраны в соотношении порядка 1:7,5.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемый вкладыш содержит новые элементы, систему упругих пружинок, навитых с высоким качеством, дерматиновые накладки, заклеивающие ячейку перфорации с одной стороны, а также новые связи между вновь введенными элементами и известными элементами, а именно пружинки поштучно вставлены в ячейки перфорации и центрированно по отношению к окнам перфорации приклеены к основанию несущей пластины, второй конец пружинок не закреплен. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "новизна".

Вновь введенные элементы и связи позволяют реализовать такие новые свойства заявляемого решения как стабильность коэффициента виброизоляции во всем диапазоне усилий оператора за счет статистического поджатия пружинок, взаимную компенсацию (сдвиг по фазе близкий к 180^о) упругих волн вибрации, распространяющихся в материале несущей пластины и пружинок путем выбора соотношения их коэффициентов жесткости, а также конструктивных размеров и числа пружинок.

Анализ известных технических решений (аналогов) в исследуемой и смежных областях позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, совпадающих с признаками предлагаемого решения и о соответствии последнего критерию "Существенные отличия".

На фиг. 1 и 2 показан вкладыш, общий вид; на фиг.3 приведены фазовые соотношения между упругими волнами вибрации, распространяющимися в двух средах: материале несущей пластины и системы пружинок в зависимости от параметра расстройки Z = f/f_o и коэффициента ν демпфирования материалов сред, где f - текущая частота кинематического возбуждения; f_o - cобcтвенная чаcтота cиcтемы (уcилие) - виброизолятор.

Вкладыш виброзащитной рукавицы содержит несущую пластину 1 с наладонной частью 2, напалком 3, ячейками 4 перфорации, в которые поштучно вставлены пружинки 5. В ячейке перфорации каждая пружинка от перекосов центрированно приклеена к накладке 6, которой в свою очередь заклеена ячейка перфорации с одной стороны. Свободный конец пружинок поджимается пластиной 7 из дерматина при помещении вкладыша в карман рукавицы.

П р и м е р. Конкретное выполнение вкладыша применительно к виброгасящей рукавице для отбойного молотка типа с первой гармоникой вибрации, равной ≈ 17 Гц.

Согласно представлениям теории упругих колебаний механическая колебательная система обладает виброзащитными свойствами, когда отношение частоты возбуждения к частоте собственных колебаний системы, образуемой виброизолируемым объектом и виброизолятором, составляет значение z = f/f_o ≥ .

Эффективность виброзащиты от кинематически возбуждаемой вибрации оценивается коэффициентом виброизоляции, представляющим собой отношение абсолютных значений ускорений объекта и источника
k = = , где ν - коэффициент относительного демпфирования, равный b/2 или 1/2 Q;
m - масса виброизолируемого объекта;
С - коэффициент жесткости виброизолятора;
b - коэффициент неупругого сопротивления;
Q - качество энергоемкого элемента.

Зависимость коэффициента виброизоляции от расстройки z и параметра демпфирования ν известна (см, например, Вибрации в технике, справочник под редакцией К.В.Фролова. - Том. 6. - М.: Машиностроение, 1981, с. 175. - Гл. 4. - Рис. 4).

В области частот Z > величина k тем меньше, чем выше качество Q (добротность) виброизолятора. Таким образом, эффективность виброзащитной системы зависит не только от правильного выбора расчетных параметров, но в значительной степени определяется качеством используемых для виброизоляции материалов и совершенством конструктивного исполнения. Качество пружинного виброизолятора зависит от следующих параметров: шага намотки h, индекса пружины D/d (отношение диаметра намотки к диаметру проволоки), числа рабочих витков n, модуля сдвига материала проволоки G. В силу многопараметрической зависимости не известны оптимальные соотношения, обеспечивающие максимальное качество для произвольного ряда пружин.

Экспериментально испытаниями на вибростенде рассчитаны оптимальные соотношения D/d ≥ 11; D/h ≥ 3. При этом достигаемая величина ν составляет 0,14...0,17.

Исходя из частоты основной гармоники отбойного молотка f₁ = 17 Гц собственную частоту системы обычно выбирают в 2-5 раз ниже основной гармоники возбуждения. Собственная частота системы выбрана 8 Гц. Известна зависимость собственной частоты системы от величины статической осадки δ_ст:
ω₀ = ;
Откуда при f_o = 8 Гц δ_ст должна быть порядка 4 мм.

В соответствии с формулой Рело (см., например, Хвингвия М.В. "Вибрация пружин, М.: Машиностроение, 1969, с. 21-22) собственная гармоника пружины с массой m задается формулой
ω₀ = .

При G пружинной проволоки 8,5˙10¹⁰ Н/м² (см.: ГОСТ) и определенных по испытаниям на стенде оптимальных соотношениях D/d ≥ 11; D/h ≥ 3; d = 0,25 мм, расчетная масса, приходящаяся на одну пружинку для f_o = 8 Гц, в соответствии с формулой Рело, составляет величину порядка 100 г. Для всего диапазона усилий оператора (до 20 кгс) число пружинок во вкладыше должно быть порядка 20 кг/100 г ~ = 200 шт., при диаметре D навивки пружинки 3 мм, числе витков 8, высота навивки 9 мм.

Для того, чтобы волны упругих колебаний, распространяющиеся в материале несущей прокладки и через систему пружинок находились в противофазе и взаимно компенсировали друг друга, необходимо чтобы параметр z для системы приложенная масса - несущая пластина находился в пределах 0,4-0,6. Тогда в соответствии с приведенной зависимостью (фиг.2) сдвиг по фазе между волнами, распространяющимися в разных средах, составляет величину порядка - 140^°;
Для плоской пластины коэффициент жесткости задается формулой с = S˙E/h, где Е - модуль упругости виброизолирующего материала пластины; S - площадь пластины; h - толщина пластины. Толщина пластины уже ограничена высотой поджатых пружинок, находящихся в ячейках перфорации. Чтобы не было смятия пружинок и перекосов, толщина пластины (или глубина ячейки перфорации) должна быть равна высоте пружинки минус статическое поджатие или 9 мм - 4 мм = 5 мм, что соответствует требованиям ГОСТа на максимальную толщину виброизолирующих вкладышей. При параметре z ∈ (0,4-0,6) эквивалентная жесткость несущей пластины должна быть (расчет по основной гармонике) порядка с = 2,4x10⁵ Н/м. Гостированная площадь вкладыша (ширина 10 см, длина 20 см) составляет 200 см², за вычетом площади перфорированных ячеек S несущей пластины ≈ 180 см².

Следовательно, расчетный модуль упругости материала несущей пластины должен иметь порядок Е ≈ 10⁵ Н/м².

Такими параметрами обладает материал типа губчатая резина. Соотношение коэффициентов жесткости системы пружинок и несущей пластины из губчатой резины, перфорированной окнами для размещения пружинок, при рассчитанных выше соотношениях составляет величину (С_{пружинок} : :С_{пластины}) = 1 : 7,5.

Таким образом, конкретная реализация вкладыша виброзащитной рукавицы для отбойного молотка представляется в виде несущей пластины из губчатой резины толщиной 5 мм, перфорированной ячейками диаметром порядка ≥ 3 мм, в которые вставлены и закреплены с одной стороны на клеевой (клей - 88) основе пружинки из стандартной пружинной проволоки диаметром 0,25 мм, с диаметром намотки 3 мм, числом витков 8 и высотой намотки 9 мм, поджатые на 4 мм дерматиновой пластиной с другой стороны. Число пружинок около 180 шт. При этом расчетное соотношение коэффициентов жесткости системы пружинок и несущей пластины 1 : 7,5. При статической нагрузке поджатия порядка 20 кгс, изменения в силе обхвата рукоятки оператором на 5-10 кгс существенно не влияют на характеристики системы, т.е. показатель виброизоляции будет стабильным. Благодаря тому, что пружинки навиты с высоким качеством Q ≥ 3,5, а достигнутая собственная частота системы довольно низкая f_o ≈ 8 Гц, расчетное значение показателя виброизоляции (по приведенной выше зависимости для k) составляет ≈ 0,2...0,1 в диапазоне z ∈ (2...3).

Проводились испытания эффективности виброзащитных рукавиц с разработанными вкладышами на натуральном объекте в организации ЦНИИМЭ. Датчики виброускорений устанавливались на внешней стороне одетой оператором рукавицы (датчики приклеивались). Измеренные значения уровня вибрации представлены следующим рядом.

Достигнуто снижение вибрации на основной гармонике на 12 дБ или 8 дБ лучше чем у прототипа.

Изобретение может быть использовано при эксплуатации и других ручных инструментов с высокой удельной мощностью при условии согласования системы виброизоляции с источником. Эффективность изобретения позволяет снизить уровень вибрации до санитарных норм.

Изобретение относится к средствам индивидуальной защиты. Сущность изобретения: вкладыш виброзащитной рукавицы в виде несущей пластины для ладошной части и напалка, выполненной из вибропоглощающего материала и перфорированной в шахматном порядке. Вкладыш дополнительно снабжен дермантиновой пластиной, расположенной с одной стороны несущей пластины и выполненной по одному размеру с ней, амортизирующими элементами по числу ячеек перфорации, каждый из которых установлен в соответствующей ячейке и выполнен в виде витой пружины, и дерматиновыми накладками по числу ячеек перфорации, закрывающими ячейки с другой стороны несущей пластины. Один конец каждой витой пружины закреплен на дерматиновой накладке. Другой конец статически поджат дерматиновой пластиной. Коэффициенты жесткости системы пружинок и несущей пластины выбраны в соотношении 1:7,5. 3 ил.

ВКЛАДЫШ ВИБРОЗАЩИТНОЙ РУКАВИЦЫ в виде несущей пластины для ладонной части и напалка, выполненной из вибропоглощающего материала и перфорированной в шахматном порядке, отличающийся тем, что вкладыш дополнительно снабжен дерматиновой пластиной, расположенной с одной стороны несущей пластины и выполненной по одному размеру с последней, амортизирующими элементами по числу ячеек перфорации, каждый из которых установлен в соответствующей ячейке и выполнен в виде витой пружины, и дерматиновыми накладками по числу ячеек перфорации, закрывающими ячейки с другой стороны несущей пластины, при этом один конец каждой витой пружины закреплен на дерматиновой накладке, закрывающей ячейку перфорации с одной стороны несущей пластины, а другой конец статически поджат дерматиновой пластиной, при этом коэффициенты жесткости системы пружин и несущей пластины выбраны в соотношении 1 : 7,5.