СИСТЕМА АКТИВНОЙ ВИБРОЗАЩИТЫ Российский патент 1998 года по МПК F16F15/04 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к средствам активного гашения вибраций различных объектов.

Известны устройства [1 и 2] для повышения эффективности виброизоляции, в которых для улучшения подавления возмущений используют упругие элементы, установленные между колеблющимся и изолируемым объектом.

Недостатком этих устройств является то, что они при широком спектре частот возмущающих воздействий не обеспечивают эффективного подавления вибрационного поля.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому является устройство [3, (с.148-149)] для повышения эффективности виброизоляции, содержащее установленную на виброактивном основании пневмоопору, на которой размещен виброзащищаемый объект, магнитоэлектрический преобразователь, вход которого подключен к управляемому преобразователю, датчик колебаний виброзащищаемого объекта и дифференцирующее устройство.

В устройстве, принятом за прототип при изменении массы амортизируемого объекта происходит его смещение относительно магнитоэлектрического преобразователя, в результате чего изменяется коэффициент передачи магнитоэлектрического преобразователя, а следовательно, и настройка системы активной виброзащиты в целом. Таким образом, в известном устройстве при отклонении массы объекта от настроечного значения параметры системы активной виброзащиты отклоняются от оптимальных и снижается эффективность виброзащиты. Кроме того, большие возмущающие воздействия могут привести к механическому контакту виброзащищаемого объекта с магнитоэлектрическим преобразователем и вызвать повреждение последнего.

Новые положительные свойства заявляемого устройства достигаются благодаря тому, что в систему активной виброзащиты, содержащую установленную на подверженном вибрации основании упругую опору, предназначенную для размещения виброзащищаемого объекта, магнитоэлектрический преобразователь, вход которого подключен к выходу управляемого преобразователя напряжения, датчик колебаний виброзащищаемого объекта и дифференцирующее звено, введены датчик давления, регулятор давления, регулятор колебаний и узел сравнения, а упругая опора выполнена управляемой с последовательно расположенными и заполненными сжатым газом жестким резервуаром и упругим пневмоэлементом, рабочие объемы которых разделены подвижной диафрагмой с дросселирующим отверстием, при этом датчик давления установлен с возможностью восприятия давления в упругом пневмоэлементе, подвижная диафрагма механически соединена с выходным элементом магнитоэлектрического преобразователя, входы узла сравнения через регулятор колебаний и через дифференцирующее звено соединены с выходами соответственно датчика колебаний виброзащищаемого объекта и датчика давления, а выход через регулятор давления подключен к входу управляемого преобразователя напряжения.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод о том, что заявляемая система активной виброзащиты отличается наличием новых блоков и связей: датчиком давления, регулятором колебаний, регулятором давления и узлом сравнения, а также связями между этими блоками. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию "новизна".

Применение заявляемого устройства позволяет повысить качество виброизоляции объектов и обеспечить эффективную работу системы в широком спектре частот возмущающих воздействий.

На чертежах представлены: на фиг.1 - блок-схема системы активной виброзащиты; на фиг.2 - структурная схема системы активной виброзащиты; на фиг.3 - логарифмические частотные характеристики системы; на фиг.4 - схема реализации регулятора давления; на фиг.5 - схема реализации регулятора колебаний.

Система активной виброзащиты (фиг.1) содержит управляемую пневмоопору 1, на которой установлен виброзащищаемый объект 2, датчик 3 давления, с помощью которого измеряется давление в пневмоэлементе 13, дифференцирующее звено 4, узел 5 сравнения, регулятор 6 давления, управляемый преобразователь 7, магнитоэлектрический преобразователь 8, датчик 9 колебаний объекта, регулятор 10 колебаний.

Управляемая пневмоопора 1 размещена между виброактивным основанием 11 и виброзащищаемым объектом 2 и выполнена двухобъемной в виде последовательно расположенных жесткого резервуара 12, установленного на основании 11, и упругого пневмоэлемента 13, на который опирается виброзащищаемый объект 2. Рабочие объемы жесткого резервуара 12 и упругого пневмоэлемента 13 заполнены сжатым газом и разделены подвижной диафрагмой 14 с дросселирующим отверстием 15. Подвижная диафрагма механически соединена с исполнительным элементом магнитоэлектрического преобразователя 8, закрепленного на жестком резервуаре 12.

Управляемая пневмоопора 1 заполняется через штуцер 16 сжатым газом, находящимся под давлением, необходимым для поддержания требуемого статического уровня виброзащищаемого объекта 2.

Выход датчика 3 давления, с помощью которого измеряется давление в упругом пневмоэлементе 13, через дифференцирующее звено 4 подключен к узлу 5 сравнения, к второму входу узла 5 сравнения через регулятор 10 колебаний подключен выход датчика 9 колебаний виброизолируемого объекта 2. Выход узла сравнения 5 через регулятор 6 давления и управляемый преобразователь 7 соединен с входом магнитоэлектрического преобразователя 8.

Размеры дросселирующего отверстия 15 в подвижной диафрагме 14 выбраны так, что эффект дросселирования проявляется лишь в области низких частот, меньших рабочей частоты системы активной виброзащиты.

Предлагаемая система активной виброзащиты работает следующим образом (фиг. 1). В установившемся режиме, когда нет возмущающих воздействия со стороны виброактивного основания, давление P постоянно и сигнал на выходе дифференцирующего звена 4 равен нулю. Равно нулю напряжение на магнитоэлектрическом преобразователе 8. Благодаря дросселирующему отверстию 15 в подвижной диафрагме 14 давление в верхнем упругом пневмоэлементе 13 равно давлению в нижнем жестком резервуаре 12.

При действии возмущения со стороны виброактивного основания 11, например, при перемещении его вверх возрастает давление в упругом пневмоэлементе. Через датчик 3 давления дифференцирующее звено 4, узел сравнения 5, регулятор 6 давления и управляемый преобразователь 7 на магнитоэлектрический преобразователь 8 поступает электрический сигнал. При этом магнитоэлектрический преобразователь 8 создает усилие, перемещающее подвижную диафрагму 14 вниз. В результате давление в упругом пневмоэлементе 13 начинает снижаться, что препятствует перемещению виброзащищаемого объекта 2.

Если рассмотренный контур управления давлением не полностью подавляет действие возмущения и возникает перемещение виброзащищаемого объекта 2, то появляется сигнал на выходе датчика 9 колебаний объекта 2. Этот сигнал поступает через регулятор 10 колебаний в виде напряжения на узел сравнения 5 и соответственно через регулятор давления 6 и управляемый преобразователь 7 на магнитоэлектрический преобразователь 8. Это приводит к увеличению прилагаемого к подвижной диафрагме 14 усилия, направленного на понижение давления в упругом пневмоэлементе 13. Тем самым достигается более эффективное подавление возмущений, действующих на виброзащищаемый объект 2.

После окончания переходного процесса система возвращается в исходное состояние. При этом благодаря дросселирующему отверстию 15 в подвижной диафрагме 14 давление в упругом пневмоэлементе 13 и жестком резервуаре 12 выравнивается.

Дополнительные пояснения принципа работы системы и достигаемого при ее использовании эффекта могут быть даны по структурной схеме (фиг.2).

На структурной схеме (фиг.2) динамические свойства отдельных блоков системы активной виброзащиты отражены соответствующими передаточными функциями и коэффициентами передачи, причем динамические свойства объекта управления, в качестве которого рассматривается управляемая пневмоопора 1 совместно с виброзащищаемым объектом 2, представлены двумя динамическими звеньями. На фиг.2 обозначено:
W₁(p) - передаточная функция первого динамического звена в структуре объекта управления, для которого в качестве входной переменной рассматривается изменение усилия F_п, создаваемого магнитоэлектрическим преобразователем 8 на подвижную диафрагму 14, а в качестве выходной переменной - изменение давления P в пневмоэлементе 13;
W₂(p) - передаточная функция второго динамического звена в структуре объекта управления, для которого в качестве входной переменной рассматривается давление P в пневмоэлементе 13, а в качестве выходной - Y перемещение виброзащищаемого объекта 2;
K_дд - коэффициент передачи датчика 3 давления;
W_дк (p) - передаточная функция датчика 9 колебаний объекта 2;
W_дз (p) - передаточная функция дифференцирующего звена 4;
W_рд (p) - передаточная функция регулятора 6 давления;
W_уп (p) - передаточная функция управляемого преобразователя 7;
W_п (p) - передаточная функция магнитоэлектрического преобразователя 8;
W_рк (p) - передаточная функция регулятора 10 колебаний;
р - оператор Далласа.

Благодаря указанным связям блоков заявляемое устройство содержит два замкнутых контура регулирования (фиг.1 и 2).

Первый замкнутый контур образован первым динамическим звеном в структуре объекта управления с передаточной функцией W₁ (p), датчиком 3 давления, дифференцирующим звеном 4, узлом 5 сравнения, регулятором 6 давления, управляемым преобразователем 7 и магнитоэлектрическим преобразователем 8. Этот контур обеспечивает управление давлением в пневмоэлементе 13.

Во второй замкнутый контур входит в виде внутреннего контура первый, указанный выше замкнутый контур управления давлением, а также второе динамическое звено в структуре объекта управления с передаточной функцией W₂ (p), датчик колебаний 9 виброзащищаемого объекта 2 и регулятор 10 колебаний.

Второй замкнутый контур является внешним по отношению к первому. Поэтому процессы в первом, внутреннем контуре управления давлением подчинены процессам во втором внешнем контуре. Второй замкнутый контур обеспечивает подавление колебаний виброзащищаемого объекта 2.

Как показывает анализ, для рабочей области частот передаточные функции W₁ (p) и W₂ (p) могут быть приближенно записаны в виде:
,
где
K₁, K₂ - коэффициенты передачи первого и второго динамических звеньев в структуре объекта управления;
T₀₁ - постоянная времени объекта управления.

Управляемый преобразователь 7 для этой же области частот может приближенно рассматриваться как пропорциональное звено:
W_уп(p) = K_уп.

Передаточная функция магнитоэлектрического преобразователя 8 может быть аппроксимирована апериодическим звеном:
.

Причем здесь T_п - постоянная времени магнитоэлектрического преобразователя 8 на два-три порядка меньше постоянной T₀₁ передаточной функции W₂(p), и в связи с этим может рассматриваться как "малая" постоянная времени.

Параметры передаточной функции W₁(p), как показывает анализ, могут варьировать при изменении начального давления в пневмоопоре, температуры и других возмущающих факторов.

Создание в системе дополнительного внутреннего контура, охватывающего звено W₁(p) с нестабильными характеристиками, позволяет ослабить влияние вариаций параметров этого звена на характеристики системы.

В системе использован регулятор 6 давления с передаточной функцией:
.

Введение такого регулятора приводит к тому, что передаточная функция замкнутого внутреннего контура приближенно может быть записана в виде:
,
где
K_вк и Т_вк - эквивалентный коэффициент передачи и эквивалентная постоянная времени внутреннего замкнутого контура.

Причем динамические свойства внутреннего замкнутого контура становятся мало чувствительными к вариациям параметров звена с передаточной функцией W₁(p).

В качестве датчика колебаний 9 в системе использован датчик, выходной сигнал которого пропорционален скорости перемещения виброзащищаемого объекта 2. При этом регулятор колебаний выполнен в виде звена с передаточной функцией:
,
где
К_рк и Т_рк - коэффициент передачи и постоянная времени регулятора колебаний.

Введение указанных регуляторов в систему позволяет обеспечить высокую эффективность подавления вибраций, действующих со стороны основания. Передаточная функция системы относительно возмущающего воздействия (в качестве возмущающего воздействия рассматривается Y₁ - перемещение виброактивного основания 11, а в качестве выходной координаты - перемещение Y виброзащищаемого объекта 2) имеет вид:
,
где
W_раз(p), Wвоу

(p) - передаточные функции разомкнутой системы и объекта управления по возмущающему воздействию соответственно.

Эффективность работы системы активной виброзащиты может быть [3] оценена по виду частотных характеристик системы относительно возмущающего воздействия. Логарифмическая частотная характеристика системы, построенная на основании передаточной функции Wвз

(p) замкнутой системы по отношению к возмущающему воздействию, приведена на фиг.3. Частоты сопряжения логарифмической частотной характеристики соответствуют эквивалентным постоянным времени T₁ и T₂ замкнутого контура и T_мп магнитоэлектрического преобразователя.

Как следует из фиг. 3, система обеспечивает в области рабочих частот ослабление возмущений примерно на 60 дБ, то есть эффективно подавляет вибрации основания 11.

Отдельные блоки системы активной виброзащиты реализованы следующим образом.

Регулятор 6 давления (фиг.4) и регулятор 10 колебаний (фиг.5) выполнены на операционных усилителях по известным схемам, приведенным, например, в книге Шило В.Л. Линейные интегральные схемы. М.: Советское радио, 1974, с. 167. Для придания требуемых динамических свойств регулятору 6 давления в цепь обратной связи операционного усилителя DA1 (фиг.4) введены параллельно включенные емкость C1 и сопротивление R2, а во входной цепи включено сопротивление R1. Требуемая передаточная функция регулятора 10 колебаний (фиг. 5) реализована за счет включения во входную цепь операционного усилителя DA2 емкости C2 и введения в цепь обратной связи цепочки R3, C3.

В качестве управляемого преобразователя 7 применены известные транзисторные преобразователи, описанные, например, в книге Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. М.: Энергия 1977, с. 355. В качестве дифференцирующего звена 4 в системе используется известная схема на операционных усилителях (см., например, Шило В.Л. Линейные интегральные схемы. М. : Советское радио, 1974, с. 170). В качестве датчика давления может быть использован датчик, описанный в книге: Агейкин Д.М. и Костин Е.Н. Датчики контроля и регулирования. М.: Машиностроение, 1965, с. 542.

В качестве датчика колебаний в схеме экспериментальной установки использован сейсмодатчик типа СМ-З. В системе могут быть использованы и другие типы датчиков колебаний, например, описанные в книге: Агейкин Д.М. и Костин Е.Н. Датчики контроля и регулирования. М.: Машиностроение, 1965, с. 583.

Упругий пневмоэлемент 13 управляемой пневмоопоры выполнен в виде пневмобаллона. В качестве магнитоэлектрического преобразователя 8 в системе используется динамик, подвижный элемент которого механически связан с подвижной диафрагмой 14, выполненной в виде гибкой мембраны.

Экспериментальные исследования макетного образца заявляемой системы активной виброзащиты свидетельствуют о том, что благодаря введению в нее новых блоков и связей она обеспечивает эффективную виброзащиту в условиях изменения массы виброзащищаемого объекта, вариации давления и других возмущений.

Источники информации.

1. Авторское свидетельство SU 1392283 A1 Бюл. 4, 1988.

2. Авторское свидетельство SU 1370343 A1 Бюл. 16, 1988.

3. Фролов К.В., Фурман Ф.А. Прикладная теория виброзащитных систем. М.: Машиностроение, 1980, 276 с.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к средствам активного гашения вибраций различных объектов. На виброактивном основании установлена упругая опора, на которой размещен виброзащищаемый объект. В состав системы входят также магнитоэлектрический преобразователь, управляемый преобразователь напряжения, датчик колебаний объекта и дифференцирующее звено. Особенность данной системы заключается в том, что в нее введены датчик давления, регулятор давления, регулятор колебаний и узел сравнения, а упругая опора выполнена управляемой с заполненными сжатым газом жестким резервуаром и упругим пневмоэлементом, рабочие объемы которых разделены подвижной диафрагмой с дросселирующим отверстием. В процессе работы системы магнитоэлектрический преобразователь создает усилие, перемещающее подвижную диафрагму. Это вызывает изменение давления в упругом пневмоэлементе, что препятствует перемещению виброзащищаемого объекта. 5 ил.

Система активной виброзащиты, содержащая установленную на подверженном вибрации основании упругую опору, предназначенную для размещения виброзащищаемого объекта, магнитоэлектрический преобразователь, вход которого подключен к выходу управляемого преобразователя напряжения, датчик колебаний виброзащищаемого объекта и дифференцирующее звено, отличающаяся тем, что в нее введены датчик давления, регулятор давления, регулятор колебаний и узел сравнения, а упругая опора выполнена управляемой с последовательно расположенными и заполненными сжатым газом жестким резервуаром и упругим пневмоэлементом, рабочие объемы которых разделены подвижной диафрагмой с дросселирующим отверстием, при этом датчик давления установлен с возможностью восприятия давления в упругом пневмоэлементе, подвижная диафрагма механически соединена с выходным элементом магнитоэлектрического преобразователя, входы узла сравнения через регулятор колебаний и через дифференцирующее звено соединены с выходами соответственно датчика колебаний виброзащищаемого объекта и датчика давления, а выход через регулятор давления подключен к входу управляемого преобразователя напряжения.