СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ ПРУЖИННОГО АККУМУЛЯТОРА Российский патент 2024 года по МПК G01N3/36 G01L1/10 

Изобретение относится к областям физики и машиностроения, а именно к способам и устройствам для определения диссипативных потерь в пружинных аккумуляторах на внутреннее трение [F03G1/00, F03G1/10, F03G7/08, G01H1/00, G01H1/12, G01H1/16, G01H11/00, G01H11/06, G01H17/00].

Из ОСНОВ ТЕОРИИ ТРЕНИЯ И ИЗНАШИВАНИЯ (учебное пособие /И.Ш. Тавтилов, В.И. Юршев, А.С. Кириленко ; - 2-е изд., перераб.и доп.; Оренбургский гос. ун-т. - Оренбург : ОГУ, 2021. - 192 с., УДК 620.179.112, ББК 34.41, Т13) известны методы определения величины внутреннего трения, а именно:

- определение затухания амплитуды свободных колебаний;

- определение петли гистерезиса кривой напряжения-деформация при вынужденных колебаниях;

- измерение энергии, рассеиваемой при вынужденных колебаниях;

- определение резонансной кривой при вынужденных колебаниях;

- определение постоянных, характеризующих распространение звуковых волн.

Недостаток всех этих методов, за исключением первого, связаны с вынужденными колебаниями, т. е. колебаниями, возбуждаемыми извне, когда восполнение потерь энергии на внутреннее трение, обеспечивает поддержание установившегося режима в системе. В случае пружинных приводов с рекуперацией энергии требуется поддерживать постоянную амплитуду колебаний.

Свободные колебания затухают с течением времени вследствие энергетических потерь колебательной системой. Значит, колебания с уменьшающейся амплитудой. В механических колебательной системе наличие трения приводит к тепловым потерям. На фиг.1 показана кривая свободных затухающих колебаний груза массой m, свободно подвешенного на пружине. Логарифмический декремент затухания определяется как логарифм отношения двух последовательных амплитуд по формуле:

,

где - начальная амплитуда, - коэффициент затухания, - циклическая частота затухающих колебаний, - начальная фаза.

Энергию колеблющейся системы определяют по формуле:

.

Величину диссипативных потерь, которую необходимо компенсировать в следующем цикле движения, определяют по формуле:

.

Амплитуда затухающих колебаний зависит от времени, частота и период зависит от степени затухания колебаний. А фаза и начальная фаза имеют тот же смысл, что и для незатухающих колебаний.

Энергия, требуемая на компенсацию диссипативных потерь свободно подвешенного груза массой m равна:

.

Разработчиков пружинных аккумуляторов интересуют потери на внутреннее трение только в полупериоде, то есть величина дополнительной энергии, которую он должен добавить в колебательную систему за время движения из одной крайней точки в другую.

Определение величин двух последовательных амплитуд связано с известными трудностями, даже при очень низких частотах, так как последовательные амплитуды весьма близки по величине воздействия. При этом разработчиков мехатронных пружинных приводов интересует конкретное значение потерь энергии за время полупериода, которое для пружинных аккумуляторов в практических условиях определить указанными выше методами с необходимой точностью не представляется возможным.

Задача изобретения состоит в обеспечении возможности практического определения потерь на внутреннее трение в пружинных аккумуляторах.

Технический результат изобретения заключается в обеспечении возможности создания простого способа и надежного устройства для определения потерь на внутреннее трение в пружинных аккумуляторах.

Указанный технический результат достигается за счет того, что способ для определения внутреннего трения пружинного аккумулятора, характеризующийся тем, что пружины испытуемого пружинного аккумулятора размещают между опорными поверхностями из условия направления усилий пружин навстречу друг другу, получая таким образом два равных по характеристикам звена, прилагают извне усилие на одно из звеньев пружинного аккумулятора для сжимания его и накопления в нем потенциальной энергии за счет которой после окончания приложения усилий и передаче ее второму звену и обратно заставляют пружинный аккумулятор совершать гармонические колебания, затухающие под действием сил внутреннего трения пружинного аккумулятора, при этом при колебаниях измеряют величины взаимного линейного перемещения соприкасающихся торцов пружин звеньев пружинного аккумулятора, а потери на внутреннее трение в пружинном аккумуляторе определяют как

,

где h₁ - величина линейного перемещения торца опорного звена при приложении внешнего усилия, h₂ - величина линейного перемещения торца опорного звена в каждом из полупериодов, с - жесткость пружин.

Устройство для определения внутреннего трения пружинного аккумулятора, содержащее корпус устройства с торца которого смонтирован пневматический цилиндр для приложения внешних усилий на звено пружинного аккумулятора и разделенный поперек на две части неподвижной перегородкой, в части корпуса, прилегающей к пневматическому цилиндру смонтирован возвратный механизм штока пневматического цилиндра, выполненный в виде пружины сжатия одним торцом опирающейся на пластину, смонтированную на дистальном конце штока, а другим на неподвижную перегородку, а в другой части корпуса между перегородкой и дистальным концом корпуса смонтирован пружинный аккумулятор, состоящий из двух одинаковых звеньев, опирающихся встречными торцами на опорную пластину, смонтированную на удлинителе штока, при этом между корпусом пневматического цилиндра и опорной пластиной смонтирован линейный потенциометр выполненный с возможностью измерения хода опорного звена, линейный потенциометра подключен к блоку управления для управления устройством через распределитель, вход которого подключен к блоку подготовки воздуха, а выход к пневматическому цилиндру.

В частности, пневматический цилиндр снабжен датчиками положения штока, подключенные к блоку управления.

Краткое описание чертежей.

На фиг.1 показана кинематическая схема и кривая свободных затухающих колебаний груза массой m, свободно подвешенного на пружине.

На фиг.2 схематично показано устройство для определения потерь на внутреннее трение в пружинном аккумуляторе без испытуемых пружин.

На фиг.3 показана кинематическая схема устройства для определения потерь на внутреннее трение в пружинном аккумуляторе при отсутствии подачи воздуха в пневматический цилиндр.

На фиг.4 показана кинематическая схема устройства для определения потерь на внутреннее трение в пружинном аккумуляторе при подаче воздуха в пневматический цилиндр.

На фиг.5 изображена пневматическая схема устройства для определения потерь на внутреннее трение в пружинном аккумуляторе с системой управления.

На фиг.6 показана кинематическая схема устройства для определения потерь на внутреннее трение в пружинном аккумуляторе после снятия гайки со штока и втягивании штока.

На фиг.7 схематично показано линейное перемещение опорного звена пружинного аккумулятора при совершении им колебания за половину периода.

На фигурах обозначено: 1 - пневматический цилиндр, 2 - шток, 3 - подвижный диск, 4 - удлинитель, 5 - фланец, 6 - опорные направляющие, 7 - нижний неподвижный диск, 8 - верхний неподвижный диск, 9 - возвратная пружина, 10 - опорное звено, 11 - первое звено пружинного аккумулятора, 12 - второе звено пружинного аккумулятора, 13 - линейный потенциометр, 14 - датчики положения, 15 - блок управления, 16 - распределитель, 17 - блок подготовки воздуха, 18 - гайка.

Сущность заявленного изобретения заключается в практическом определении потерь на внутреннее трение в пружинных аккумуляторах.

Устройство для определения потерь на внутреннее трение в пружинном аккумуляторе состоит из корпуса устройства, пневматического цилиндра 1 (см. Фиг.2), возвратного механизма, опорного звена 10, линейного потенциометра 13, блока управления 15. Пневматический цилиндр 1 выполнен с возможностью обеспечения приложения внешнего усилия на пружинный аккумулятор для совершения им гармонических затухающих колебаний. Корпус устройства образован торцевыми стенками, функцию которых выполняют фланец 5, смонтированный соосно на корпусе пневматического цилиндра 1 со стороны штока 2 и верхний неподвижный диск 8, смонтированный соосно к фланцу 5 с помощью опорных направляющих 6, ориентированных вдоль штока 2, выполняющих роль боковых стенок корпуса устройства и образующих ребра жесткости корпуса устройства.

Корпус устройства разделен поперек на две части неподвижной перегородкой, роль которой выполняет нижний неподвижный диск 7. В нижней части корпуса устройства смонтирован возвратный механизм, представляющий собой возвратную пружину 9 сжатия, смонтированную на штоке 2 пневматического цилиндра 1. Для устойчивости положения возвратной пружины 9 на штоке 2 соосно смонтирован подвижный диск 3, выполненный с возможностью скользящего возвратно-поступательного движения по опорным направляющим 6 вместе со штоком 2. Для удержания возвратной пружины 9 от продольного смещения на нижнем неподвижном диске и подвижном диске 3 в обращенных друг другу сторонах выполнены ниши, в которые размещается упомянутая пружина 9 своими торцевыми сторонами. Для скольжения подвижного диска 3 вдоль опорных направляющих 6 в нем выполнены сквозные отверстия, соосно упомянутым направляющим 6. Опорные направляющие 6 могут быть выполнены в виде шпилек.

Над подвижным диском 3 на штоке 2 соосно смонтирован удлинитель 4, проходящий через отверстие в нижнем неподвижном диске 7 в верхнюю часть корпуса устройства.

Верхняя часть корпуса устройства предназначена для размещения в ней пружинного аккумулятора, для чего с торца удлинителя 4 сверху с помощью гайки 18 смонтировано опорное звено 10 испытуемого пружинного аккумулятора, выполненное в виде пластины. Испытуемый пружинный аккумулятор размещается в верхней части корпуса устройства и образован первым звеном 11 (см. Фиг.3, 4), состоящим из одной или нескольких пружин и вторым звеном 12, также состоящим из одной или нескольких пружин, при этом усилия упомянутых звеньев 11, 12 направлены навстречу друг другу. Основное требование к пружинам каждого из звеньев 11, 12 такое, что они должны быть однотипными (одинаковыми). В данном изобретении рассматривается пружинный аккумулятор, первое 11 и второе 12 звенья которого состоят из двух пружин. В данном случае пружина первого звена 11 смонтирована на штоке 2 между нижним неподвижным диском 7 и опорным звеном 10, а пружина второго звена 12 смонтирована между опорным звеном 10 и верхним неподвижным диском 8. При выполнении пружинного аккумулятора, в котором первое 11 и/или второе звено 12 образованы несколькими пружинами, упомянутые пружины размещаются радиально вокруг штока 2. Для удержания пружин первого 11 и второго 12 звеньев от продольного смещения на нижнем 7, верхнем 8 неподвижных дисках 7 и опорном звене 10 в обращенных друг другу сторонах выполнены ниши, в которые размещаются упомянутые пружины звеньев 11, 12 своими торцевыми сторонами.

Между фланцем 5 и опорным звеном 10 смонтирован линейный потенциометр 13 выполненный с возможностью измерения хода опорного звена 10 (см.Фиг.6).

Пневматический цилиндр 1 снабжен датчиками положения 14 штока 2.

Выход линейного потенциометра 13 и датчики положения 14 подключены к блоку управления 15, выполненному с возможностью регистрации данных, получаемых от линейного потенциометра 13, датчиков положения 14 штока 2 и управления по заданному в блоке управления 15 алгоритму распределителем 16, подключенным к пневматическому цилиндру 1. Ко входу распределителя 16 подключен блок подготовки воздуха 17.

Выбор в качестве торцевых стенок корпуса устройства фланца 5 и верхнего неподвижного диска 8 и в качества неподвижной перегородки нижнего неподвижного диска 7 обосновывается тем, что форма указанных конструктивных элементов обеспечивает лучшее центрирование относительно штока. Реально упомянутые элементы могут быть любой формой. Главное их назначение - обеспечить взаимную соосность возвратной пружины 9, пружин первого 11 и второго 12 звеньев пружинного аккумулятора штоку 2 пневматического цилиндра 1.

Рассмотрим порядок определения с помощью заявленного устройства потерь на внутреннее трение в пружинном аккумуляторе, каждое из звеньев 11, 12 которого образованы одной пружиной.

Из блока управления 15 на пневматический распределитель 16 подают управляющий сигнал на подачу сжатого воздуха от источника воздуха (на фигурах не показан), подаваемого на упомянутый распределитель 16 через блок подготовки воздуха 17 в бесштоковую полость пневматического цилиндра 1. С подачей воздуха начинается движение штока 2 и смонтированных на нем опорного звена 10 и удлинителя 3 (см.Фиг.4). Для начала измерений снимают гайку 18 (см.Фиг.7), тем самым освобождают опорное звено 10 от удлинителя 4, на которое перестает действовать усилие штока 2. Освободившись опорное звено 10 за счет того, что второе звено 12, находившаяся до этого момента времени в сжатом за счет воздействующего усилия штока 2 положении, разжимается и передает накопленную потенциальную энергию первому звену 11, сжимая его, а то в свою очередь после сжатия разжимается и передает накопленную потенциальную энергию обратно второму звену 12, то есть пружинный аккумулятор совершает гармонические колебание, затухающие под действием сил внутреннего трения пружинного аккумулятора и сопротивления воздуха. При этом после снятия гайки 18 с блока управления 15 подают сигнал на распределитель 16 для возврата штока 2 за счет возвратной пружины 9 в нижнее положение для того, чтобы тот не препятствовал колебаниям пружинного аккумулятора.

Неподвижность системы обеспечивается тем, что:

Р_Ц > Р₉ + Р₁₂,

где Р_Ц - усилие действующее на поршень цилиндра 1 от подачи сжатого воздуха в поршневую полость, Р₉ - усилие действующее на шток 2 цилиндра 1 от возвратной пружины 9, Р₁₂ - усилие действующее на шток цилиндра от второго звена 12 пружинного аккумулятора.

При подаче воздуха в поршневую полость пневматического цилиндра 1 получают две отдельные подвижные системы, где первая система - это пружинный аккумулятор, состоящий из первого 11 и второго 12 звеньев и опорного звена 10, а вторая система - это удлинитель 4, подвижный диск 3, шток 2 с поршнем пневматического цилиндра 1.

Для обеспечения быстродействия привода зарядки пружинного аккумулятора начальное ускорение привода при включении устройства должно быть больше ускорения испытуемого пружинного аккумулятора, а линейное перемещение штока 2 пневматического цилиндра 1 в каждый отрезок времени должен быть больше линейного перемещения опорного звена 10 испытуемого пружинного аккумулятора.

Как уже говорилось, после снятия гайки 18 шток 2 втягивают до нижнего крайнего положения под действием возвратной пружины 9, а опорное звено 10 совершает свободные колебания под действием первого 11 и второго 12 звеньев пружинного аккумулятора, передающих друг другу накопляемую при колебаниях потенциальную энергию. На фиг. 6 показана конфигурация устройства при снятой гайке 18 и втянутом штоке 2.

В дальнейшем опорное звено 10 совершает свободные колебания без соприкосновения с другими элементами и остаются только диссипативные потери, определяемыми внутренним трением в первом 11 и втором 12 звеньях пружинного аккумулятора.

При колебаниях опорного звена 10 определяют его положение с помощью линейного 13 в режиме реального времени и передают измеренные данные в блок управления 15. Сопротивление оценивают по уменьшению хода в каждом полупериоде.

На фиг.7 показано положение опорного звена 10 после полупериода.

Максимальную потенциальную энергию первого 11 и второго 12 звеньев определяют по формуле:

,

где h₁ - величина линейного перемещения опорного звена 10 от верхнего положения в нижнее при управляемом перемещении штока 2, с - жесткость пружин звеньев 11, 12.

После снятия гайки 18, втягивания штока 2 опорное звено 10 при передаче второго звена 12 накопленной потенциальной энергии перемещается в крайнее нижнее положение, при этом измеряют с помощью линейного потенциометра 13 величину линейного перемещения , а потенциальную энергию пружин звеньев 11 и 12 определяют как:

,

Общие диссипативные потери определяют как:

.

Потери на внутреннее трение в пружинном аккумуляторе определяют путем вычитания из общих диссипативных потерь ΔU энергии, обусловленной силой внутреннего паразитного трения линейного потенциометра 13 , которую принимают за постоянную величину:

.

Автором изобретения в 2022 году был изготовлен рабочий макет заявленного устройства, которое он использовал для определения потерь на внутреннее трение в пружинных аккумуляторах, в котором в качестве первого 11 и второго 12 звеньев пружинного аккумулятора он использовал пружины сжатия №12 по ГОСТ-13775 со следующими параметрами: d=3,5mm, D=40mm, c=672,7H/m. В качестве возвратной пружины 9 в изготовленном устройстве была использована пружина сжатия №20 по ГОСТ-13775 со следующим параметрами: d=4mm, D=50mm, c=573,4 H/м.

В качестве пневматического цилиндра 1 был выбран пневмоцилиндр DNC-32-100-PPV-A, двойного действия, магнитный, диаметр - 32 мм, длина хода - 100 мм.

В качестве потенциометра был использован потенциометр HLC-100mm, с рабочим ходом h₁ = 50 мм и силой внутреннего паразитного трения линейного потенциометра F_ПС = 0,1 Н.

Потенциальную энергию первого 11 и второго 12 звеньев при перемещении опорного звена 10 из нейтрального точки A до точки B и с учетом предварительной деформации пружин сжатия s₁ определяли по формуле:

.

При s₁ = 50 мм необходимо требуется выполнение условия для работы устройства. Тогда потенциальная энергия первого 11 и второго 12 звеньев при перемещении опорного звена 10 из нейтрального точки A до точки B равна:

Через определенное время опорное звено 10 перемещается в крайнее нижнее положение D, а расстояние равно h₂ = 0,045 м. На самом деле опорное звено 10 без учета сопротивления должно двигаться в точку С и АВ=АС. Получаем потенциальную энергию первого 11 и второго 12 звеньев:

.

Подставляя известные значения, получим:

Работа по преодолению внутреннего паразитного трения линейного потенциометра равна:

.

Работа , созданная внутренней силой трения первого 11 и второго 12 звеньев пружинного аккумулятора равна:

.

Технический результат изобретения заключается в повышении точности практического определения диссипативных потерь на внутреннее трение в пружинных аккумуляторах.

Практическая реализация устройства для определения потерь на внутреннее трение в пружинном аккумуляторе показала его высокую надежность за счет простоты конструкции, а способ, реализованный в заявленном устройстве обладает простотой вычислений, позволяющий получить результат с высокой точностью, минимальными трудоемкостью и трудозатратами.

Изобретение относится к способам и устройствам для определения диссипативных потерь в пружинных аккумуляторах на внутреннее трение. Обеспечение возможности создания простого способа и надежного устройства для определения потерь на внутреннее трение в пружинных аккумуляторах достигается за счет того, что для определения внутреннего трения пружинного аккумулятора пружины испытуемого пружинного аккумулятора размещают между опорными поверхностями из условия направления усилий пружин навстречу друг другу, получая таким образом два равных по характеристикам звена, прилагают извне усилие на одно из звеньев пружинного аккумулятора для сжимания его и накопления в нем потенциальной энергии, за счет которой после окончания приложения усилий и передачи ее второму звену и обратно заставляют пружинный аккумулятор совершать гармонические колебания, затухающие под действием сил внутреннего трения пружинного аккумулятора, при этом при колебаниях измеряют величины взаимного линейного перемещения соприкасающихся торцов пружин звеньев пружинного аккумулятора, а потери на внутреннее трение в пружинном аккумуляторе определяют как , где h1 - величина линейного перемещения торца опорного звена при приложении внешнего усилия, h2 - величина линейного перемещения торца опорного звена в каждом из полупериодов, с - жесткость пружин. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ для определения внутреннего трения пружинного аккумулятора, характеризующийся тем, что пружины испытуемого пружинного аккумулятора размещают между опорными поверхностями из условия направления усилий пружин навстречу друг другу, получая таким образом два равных по характеристикам звена, прилагают извне усилие на одно из звеньев пружинного аккумулятора для сжимания его и накопления в нем потенциальной энергии, за счет которой после окончания приложения усилий и передачи ее второму звену и обратно заставляют пружинный аккумулятор совершать гармонические колебания, затухающие под действием сил внутреннего трения пружинного аккумулятора, при этом при колебаниях измеряют величины взаимного линейного перемещения соприкасающихся торцов пружин звеньев пружинного аккумулятора, а потери на внутреннее трение в пружинном аккумуляторе определяют как

где h1 - величина линейного перемещения торца опорного звена при приложении внешнего усилия, h2 - величина линейного перемещения торца опорного звена в каждом из полупериодов, с - жесткость пружин.

2. Устройство для определения внутреннего трения пружинного аккумулятора и реализации способа, указанного в п.1, содержащее корпус устройства, с торца которого смонтирован пневматический цилиндр для приложения внешних усилий на звено пружинного аккумулятора и разделенный поперек на две части неподвижной перегородкой, в части корпуса, прилегающей к пневматическому цилиндру, смонтирован возвратный механизм штока пневматического цилиндра, выполненный в виде пружины сжатия одним торцом, опирающейся на пластину, смонтированную на дистальном конце штока, а другим на неподвижную перегородку, а в другой части корпуса между перегородкой и дистальным концом корпуса смонтирован пружинный аккумулятор, состоящий из двух одинаковых звеньев, опирающихся встречными торцами на опорную пластину, смонтированную на удлинителе штока, при этом между корпусом пневматического цилиндра и опорной пластиной смонтирован линейный потенциометр, выполненный с возможностью измерения хода опорного звена, линейный потенциометр подключен к блоку управления для управления устройством через распределитель, вход которого подключен к блоку подготовки воздуха, а выход к пневматическому цилиндру.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что пневматический цилиндр снабжен датчиками положения штока, подключенными к блоку управления.