ВИБРОИЗОЛИРУЮЩАЯ ОПОРА Российский патент 1997 года по МПК F16F1/08 F16F6/00 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства для защиты объектов от вибраций.

Известна виброизолирующая подвеска, содержащая несущие упругие элементы, выполненные в виде плоских пружин, жестко закрепленных своими концами на вибрирующем и защищаемом объектах, и компенсатор жесткости, состоящий и горизонтально расположенной предварительно сжатой волнообразной пружины, концы которой закреплены на защищаемом объекте, а середина соединена с вибрирующим объектом [1]
Недостатком данной подвески является то, что она обеспечивает пониженную или квазинулевую жесткость и хорошую виброизоляцию только по одной степени свободы из шести и не обладает автоматической перестройкой компенсатора жесткости на изменяющуюся нагрузку.

Кроме того, известна виброизолирующая подвеска (прототип), размещенная между вибрирующим и защищаемым объектами и содержащая упругие элементы, расположенные вертикально и жестко закрепленные своими концами на вибрирующем и защищаемом объектах, и обеспечивающие несущую способность подвески, и компенсаторы жесткости, установленные соосно упругим элементам и включающие в себя якорь, выполненный в виде тела вращения и закрепленный на защищаемом объекте, и взаимодействующий с ним магнит, выполненный в виде сферы и закрепленный на вибрирующем объекте в направляющих с возможностью перемещения с трением в трех взаимно перпендикулярных направлениях, якорь размещен с зазором внутри магнита, а усилие взаимодействия между ними выбрано равным или меньшим сил трения в направляющих [2]
Известная подвеска обеспечивает квазинулевую жесткость по всем шести степеням свободы и обладает автоматической перестройкой компенсаторов жесткости на изменяющуюся нагрузку, но она имеет сложную конструкцию компенсаторов жесткости и для защиты от произвольных пространственных колебаний она должна содержать не менее трех таких компенсаторов жесткости,обеспечивающих квазинулевую жесткость по всем шести степеням свободы.

Из сказанного выше видно, что задача упрощения конструкции подвески является весьма актуальной. Для решения этой задачи в виброизолирующей подвеске, содержащей верхнюю и нижнюю плиты, упругие элементы и компенсаторы жесткости, пружины сжатия закреплены равномерно по окружностям на каждой плите. Центры этих окружностей совпадают с вертикальной осью симметрии подвески. Длина пружин сжатия, диаметры проволоки и диаметры витков подобраны из условия квазинулевой жесткости системы этих пружин в горизонтальной плоскости по всем трем степеням свободы в этой плоскости. Компенсатор жесткости размещен в подвеске один и включает в себя магнит, закрепленный на одной плите и выполненный в виде кольца. На торцах его закреплены неподвижно дисковые магнитопроводы, причем на цилиндрической поверхности их размещены -образные ползунки, удерживаемые на магнитопроводах силами притяжения магнита. Якорь выполнен в виде горизонтального плоского кольца, расположенного внутри -образных ползунков с зазором, равным рабочим перемещениям вибрирующего объекта. Якорь закреплен на второй плите жестко или с помощью ряда одинаковых пружин растяжения-сжатия. Пружины эти равномерно распределены по горизонтальной окружности, центр которой совпадает с осью симметрии подвески. Рабочая поверхность якоря, взаимодействующая с ползунками, покрыта слоем немагнитного материала.

На фиг. 1 представлена конструкция виброизолирующей подвески. На фиг.2 дана та же конструкция подвески, но с креплением якоря на плите с помощью пружин. На фиг. 3 5 даны суммарные силовые характеристики виброизолирующей подвески соответственно в направлении осей координат Х,Y и Z. Здесь 2A_x, 2A_y, 2A_z амплитуды колебаний вибрирующего объекта по осям X,Y и Z. H_x,H_y,H_z максимальные допустимые перемещения объекта 1 относительно объекта 2 в направлении осей X,Y,Z. На фиг.6 8 даны суммарные моментные характеристики виброизолирующей подвески соответственно вокруг осей координат X,Y и Z. Здесь 2Φ_ax, 2Φ_ay, 2Φ_az угловые амплитуды колебаний вибрирующего объекта. Φ_нx, Φ_нy, Φ_нz максимальные допустимые угловые перемещения объекта 1 относительно объекта 2. На фиг.9 показана конструкция ползунка.

Подвеска содержит плиты 1 и 2, несущие упругие элементы 3, переходник 4, якорь 5, ползунки 6, магнит 7, магнитопроводы 8 и 9 и отбойники 10. Детали 4 -9 относятся к компенсатору жесткости.

Упругие элементы 3 своими верхними концами закреплены неподвижно в плите 2, а нижними в плите 1. Оси их в ненагруженном состоянии расположены вертикально и являются образующими цилиндрической поверхности. Последняя имеет ось симметрии, совпадающую с вертикальной осью Z всей подвески. Параметры упругих элементов 3 (диаметр навивки, длина их и диаметр проволоки) выбраны такими, чтобы жесткость всего набора элементов 3 в направлении горизонтальных осей координат Х и Y и во вращательном движении вокруг вертикальной оси Z была квазинулевой. Выбор этих параметров производится согласно раздела "Расчеты на продольную устойчивость", изложенного в вузовском курсе "Сопротивление материалов", значит силовые (и моментные) характеристики набора элементов 3 будут такими, как приведенные на фиг.3,4 и 8. На фиг.3 и 4 буквами H_x и H_y обозначены максимальные перемещения объекта 1 относительно объекта 2 в направлении осей Х и Y, допускаемое отбойниками 10. На фиг.8 Φ_нz
максимальное угловое перемещение объекта 1 относительно объекта 2 вокруг оси Z, допускаемое теми же отбойниками 10.

Параллельно упругим элементам 3 между объектами 1 и 2 устанавливается компенсатор жесткости, включающий в себя детали 4 9. Переходник 4 обеспечивает возможность жесткого крепления якоря 5 (см.фиг.1) на объекте 1. Якорь выполнен в виде плоского кольца, а переходник 4 в виде втулки. Элементы соединения деталей 1,4 и 5 не показаны.

В свою очередь, детали 7,8,9 и 2 также соединены в одно целое. Элементы, соединяющие эти детали, не показаны. Магнит 7 выполнен в виде кольца или втулки с полюсами, расположенными на торцах. Магнитопроводы 8 и 9 выполнены в виде дисков, диаметры которых равны между собой и превышают диаметр магнита 7. Оси симметрии магнита 7 и магнитопроводов 8 и 9 совпадают между собой и совпадают с осью Z симметрии всей подвески.

На цилиндрических поверхностях магнитопроводов (фиг.1 и 2) размещены ползунки 6, имеющие -образную форму (фиг.9). Петлеобразная часть К этих ползунков выполнена из немагнитного материала для увеличения отрицательной жесткости компенсатора. Ползунки устойчиво удерживаются на магнитопроводах 8 и 9 так, как весь магнитный поток проходит через них. Они притянуты магнитопроводами 8 и 9 и сил трения ползунков 6 по магнитопроводам 8 и 9 достаточно, чтобы они не "залипали" на якоре 5. Для устранения "залипания" ползунков на якоре 5 последний дополнительно покрыт слоем немагнитного материала.

На фиг. 2 обозначения деталей и их названия сохранены кроме детали 4. Переходник 4 (на фиг.1) заменен на фиг.2 набором вертикальных пружин 4, способных работать на растяжение и сжатие.

Отбойники 10, обеспечивающие ограничение максимальных относительных перемещений объектов 1 и 2 по всем 6 степеням свободы, выполнены в виде, например, винтов, ввернутых на резьбе в объект 1 (см.фиг.1 и 2). Таких винтов должно быть не менее трех и они должны быть расположены равномерно по окружности, лежащей в горизонтальной плоскости, и с центром, лежащим на вертикальной оси симметрии подвески. Тела винтов и их головки покрыты слоем резины.

Свободный ход якоря 5 внутри -образных ползунков 6 в направлении осей Х и Y ограничен отбойниками 10 (см. H_x и H_y на фиг.3 и 4), но его свободный ход внутри ползунков 6 в вертикальном направлении равен 2А (см.фиг. 5), где А_z амплитуда относительных колебаний объектов 1 и 2 в направлении оси Z. Полный же ход якоря 5 в вертикальном направлении вместе с ползунками 6 в просвете между магнитопроводами 8 и 9 ограничен отбойниками 10 и не превышает величины H_z (фиг.5).

Виброизолирующая подвеска работает следующим образом.

Если при отсутствии колебаний объекта 1 продвинуть объект 2 относительно объекта 1 и якорь 5 будет двигать с собой ползунки 6, то силовая характеристика подвески будет отражаться на фиг.5 отрезком прямой параллельной линии NN (линия NN отражает суммарную силовую характеристику всего набора упругих элементов 3 подвески в направлении оси Z). Если при отсутствии колебаний объекта 1 якорь 5 не двигает ползунки 6 в направлении оси Z, а перемещается внутри ползунков 6, то силовая характеристика подвески будет отражаться на фиг.5 одним из горизонтальных отрезков, например К-К, длиной равной 2А (так как в этой ситуации компенсатор жесткости включился в работу).

При колебаниях объекта 1 и при постоянной нагрузке Р (см.фиг.1 и 2) на объекте 2, последний остается в покое, так как по всем 6 степеням свободы, так же как и у прототипа, жесткость будет квазинулевой. Так по трем степеням свободы (по осям Х и Y и во вращательном движении вокруг оси Z) квазинулевая жесткость подвески обеспечивается подбором параметров упругих элементов 3 (см.отрезки 2А_x; 2A_y; и Φ_az), а по трем остальным степеням свободы (по оси Z и во вращательном движении вокруг осей Х и Y) жесткость упругих элементов 3 снижена до квазинулевой компенсатором жесткости (см.например, отрезки К-К и С-С на фиг.5 7).

При колебаниях объекта 1 и при изменении, например при увеличении нагрузки Р на объект 2, последний опускается вниз, так как упругие элементы 3 сжимаются. Укорочение элементов 3 ведет к столкновению ползунков 6 с якорем 5 и к проскальзыванию их относительно магнитопроводов 8 и 9 вниз. Это приведет к тому, что компенсатор будет компенсировать жесткость более сжатых упругих элементов 3 и силовая характеристика подвески изменится (см.фиг.5). Вместо силовой характеристики К-К появится, например, характеристика Е-Е. Дальнейшее увеличение нагрузки Р перестроит компенсатор на силовую характеристику, например, В-В. Силовая характеристика как бы "скользит" своей серединой по линии NN.

Уменьшение нагрузки Р перестраивает компенсатор на силовые характеристики, лежащие ближе к началу координат О (см.фиг.5). "Проскальзывание" характеристики через начало координат не вызывает никаких структурных изменений в подвеске, только упругие элементы 3 окажутся не сжатыми, а растянутыми.

Несмотря на значительное упрощение конструкции подвески, виброизоляция остается и при изменяющейся нагрузке такой же эффективной, так как все 6 силовых (и моментных) характеристик остаются квазинулевыми (С-С на фиг. 3,4,6,7,8; Е-Е на фиг.5).

При перемещениях нагрузки Р по объекту 2 в горизонтальной плоскости сила Р сместится, например, влево, объект 2 накренится влево и в зоне наибольшего его опускания упругие элементы 3 укоротятся, а ползунки 6 в этой зоне, сталкиваясь с якорем 5, проскользнут относительно магнитопроводов 8 и 9 вниз. Силовая характеристика на фиг.5 (или фиг.7) перейдет из С-С в положение К-К. На диаметрально противоположной стороне подвески пружины 3 удлинятся и ползунки 6 проскользнут относительно магнитопроводов 8 и 9 вверх. Силовая характеристика на фиг. 6 (или фиг.7) перейдет из положения С-С в положение Е-Е. Появившийся момент силы Р относительно центра симметрии подвески окажется уравновешенным. Виброизоляция и в этой ситуации, как и у прототипа, останется хорошей, так как жесткость подвески останется квазинулевой по всем 6 степеням свободы. Так на фиг.3,4,8 будет характеристика С-С, на фиг.5 К-К.

При смещении силы Р вправо перестройка компенсатора жесткости будет аналогичной.

При произвольных пространственных колебаниях объекта 1 и при произвольных изменениях нагрузки Р все описанные выше процессы, как и у прототипа, происходят одновременно. Ползунки "отслеживают" изменение нагрузки Р и изменение момента силы Р относительно осей Х и Y.

Работа подвески, представленной на фиг.2, принципиально не отличается от работы подвески, приведенной на фиг.1, но податливость пружин 4 дает возможность многократно увеличивать отрицательную жесткость компенсатора, что позволяет использовать более слабые магниты.

Таким образом осуществлено значительное упрощение конструкции известной виброизолирующей подвески, предназначенной для защиты от произвольных пространственных колебаний, без ухудшения ее свойств.

Использование: машиностроение. Сущность изобретения: виброизолирующая подвеска содержит верхнюю и нижнюю горизонтальные плиты, установленные между ними и закрепленные соответственно на них по окружностям, центры которых совпадают с вертикальной осью симметрии подвески своими концами, упругие элементы в виде цилиндрических пружин сжатия, длина которых, диаметры проволоки и диаметры витков подобраны из условия квазинулевой жесткости системы этих пружин в горизонтальной плоскости по всем трем степеням свободы. Компенсатор жесткости в виде закрепленного на одной плите якоря и взаимодействующего с ним магнита в виде кольца, закрепленного на другой плите, дополнительно включает магнитопроводы, закрепленные на торцах магнита, и -образные ползунки. Якорь выполнен в виде горизонтального плоского кольца, установленного внутри -образных ползунков с зазором, равным расчетным рабочим перемещениям вибрирующего объекта. Центры симметрии якоря, магнита и магнитопроводов расположены на оси симметрии подвески. Крепление якоря может быть выполнено в виде пружин растяжения-сжатия, концы которых соответственно закреплены на якоре и плите. Рабочая поверхность якоря, взаимодействующая с ползунками, может быть покрыта слоем немагнитного материала, а петлеобразная часть ползунков выполнена из немагнитного материала. 3 з.п.ф-лы, 9 ил.

1. Виброизолирующая подвеска, размещаемая между вибрирующим и защищаемым объектами, содержащая верхнюю и нижнюю горизонтальные плиты, размещенные между ними упругие элементы в виде витых цилиндрических пружин сжатия, расположенных вертикально и жестко закрепленных своими концами на соответствующих плитах, и компенсатор жесткости в виде закрепленного на одной плите якоря и взаимодействующего с ним магнита, закрепленного на другой плите, отличающаяся тем, что вертикальные пружины закреплены равномерно по окружностям на каждой плите, центры которых совпадают с вертикальной осью симметрии подвески, длина пружин сжатия, диаметры проволоки и диаметры витков подобраны из условий квазинулевой жесткости системы этих пружин в горизонтальной плоскости по всем трем степеням свободы в этой плоскости, компенсатор жесткости дополнительно включает магнитопроводы, закрепленные на торцах магнита, выполненного в виде кольца, и U-образные ползунки, удерживаемые на магнитопроводах силами притяжения магнита, якорь выполнен в виде горизонтального плоского кольца, установленного внутри U-образных ползунков с зазором, равным расчетным рабочим перемещениям вибрирующего объекта, а центры симметрии якоря, магнита и магнитопроводов расположены на оси симметрии подвески. 2. Подвеска по п. 1, отличающаяся тем, что крепление якоря к своей плите выполнено в виде пружин растяжения-сжатия, концы которых соответственно закреплены на якоре и на плите равномерно по горизонтальным окружностям, центры которых совпадают с осью симметрии подвески. 3. Подвеска по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что рабочая поверхность якоря, взаимодействующая с ползунками, покрыта слоем немагнитного материала. 4. Подвеска по пп.1 3, отличающаяся тем, что петлеобразная часть ползунков выполнена из немагнитного материала.