Электродинамический возбудитель колебаний Советский патент 1984 года по МПК B06B1/04 G01M7/00 

Изобретение относится к вибрационной технике и может быть использовано для испытаний блоков радиоэлектронной аппаратуры больших габаритов и веса, преимущественно на виброустойчивость, осуществляемых на электродинамических возбудителях колебаний повышенной мощности. Известен электродинамический возбудитель колебаний, содержащий магни топровод, обмотку подмагничивания, подвижную систему, включающую обмотк возбуждения, размещенную в кольцевом рабочем зазоре магнитопровода, стол и шток, установленньй подвижно в осе вом отверстии, выполненном в керне магнитопровода и жестко скрепленный с обмоткой возбуждения, и подвеску, включающую несущий упругий элемент, например, в виде винтовой цилиндрической пружины с регулятором поджатия, расположенньй по оси керна магнитопровода и связанный со штоком, и радиально расположенные центрирующие упругие элементы в виде мембран El 1 Недостатком этого возбудителя является нелинейность преобразования, не позволяющая с высокой точностью воспроизводить заданную форму колеба ний. Эта нелинейность проявляется при увеличении амплитуды колебаний до величины, при которой центрирующие упругие элементы наряду с деформ циями изгиба начинают испытывать деформацию растяжения. -Наиболее близким по технической сущности к изобретению является элек тродинамический возбудитель колебани содержащий магнитопровод, обмотку по магничивания, неподвижную систему с обмоткой возбуждения, размещенной в кольцевом рабочем зазоре, стол, соединенный гибким в -поперечном и жестким в продольном направлениях стержнем со штоком, установленным подвижно в осевом отверстии в керне магнитопровода и жестко скрепленным с обмо кой возбуждения, подвеску, включающу несущий упругий элемент с регуляторо поджатия, расположенный на оси штока и связанный с ним, и радиально расположенные центрирующие элементы в виде изогнутых по синусоиде полосовых пружин с элементами радиального поджатия С23. Известный возбудитель имеет неравномерное распределение виброускорения по столу и значительную величину поперечной оси компоненты виброускорения. Целью 1зобретения является повышение равномерности распределения виброускорения по столу злектродинамического возбудителя колебаний и уменьшение поперечной компоненты виброускорения. Поставленная цель достигается тем, что в электродинамическом возбудителе колебаний, содержащем магнитопровод, обмотку подмагничивания, подвижную систему, включающую обмотку возбуждения, размещенную в кольцевом рабочем зазоре магнитопровода, стол, соединенный гибким в поперечном и жестким в продольном направлениях промежуточным элементом со штоком, установленным подвижно в осевом отверстии в керне магнитопровода и жестко скрепленным с обмоткой возбуждения, подвеску, включающую несущий упругий злемент с регулятором поджатия, расположенным по оси штока и связанным с ним, и радиально расположенные центрирующие упругие элементы в виде изогнутых по синусоиде полосовых пружин с элементами радиального поджатия, промежуточный элемент выполнен в виде двух соосных усеченных конусов, большие основания которых жестко связаны со столом и штоком, а меньшие обращены друг к Другу, соединенных гибкой связью, выполненной в виде кинематической пары II класса, образованной соосным конусам ступенчатым стержнем, соединенным посредством резьбы с соответствующим гнездовым отверстием в конусах, при этом диаметр ступеней увеличивается с удалением от торца стержня, Лричем длина резьбы на каждой ступени, начиная от ступени наименьшего диаметр а, уменьшается, при этом ступень большего диаметра вьшолнена с возможностью фиксации в гнездовых отверстиях обоих конусов а остальные - с возможностью фиксации только в конусе, соединенном со столом, рричем длины ступеней гнездового отверстия этого конуса равны длине резьбы соответствующих ступеней стержня, оба конуса снабжены гидравлическими системами для создания избыточного давления на свободных торцах ступенчатого стержня. Кроме того, каждая полосовая пружина вьшолнена в виде пакета пластин. разделенных тонким слоем материала типа металлическая резина, а по краям имеет симметрично расположенные относительно ее продольной и поперечной плоскостей симметрии закругленные вырезы. На-фиг. изображен электродинамический возбудитель колебаний, продольный разрезу на фиг.2 - то же, вид сверху, на фиг.З - промежуточный элемент в одном из рабочих положений, продольный разрез; на фиг.4 - то же, в другом рабочем положении} на фиг.5промежуточный элемент упрощенной конструкции; на фиг.6 - элемент полосовой пружины; на фиг.7 - то же, продольный разрез; на фиг.8 - то же, вид сверху. Электродинамический возбудитель колебаний содержит магнитопровод 1 с керном 2, обмотку подмагничивания 3, подвижную систему и подвеску. Подвижная система включает обмотку возбуждения 4, помещенную в кольцевой рабо,. чии зазор 5 магнитопровода 1, стол 6 и шток 7, жестко скрепленные с обмоткой возбуждения 4. Подвеска включает несущий упругий элемент 8, например, в виде цилиндрической пружины с регулятором ее осевого поджатия 9, при этом упругий элемент 8 связан со штоком 7, установленным подвижно в осевом отверстии, выполненном в керне 2, обладаювщй большой гибкостью в поперечном направлении и повышенной жесткостью в осевом направлении промежуточный элемент 10, установленный межд столом 6 и штоком 7, и радиально рас0 положенные центрирующие упругие элементы 11 в виде полосовых пружин, снабженные устройствами 12 для их радиального поджатия, которые представляют собой пневматические или гид равлические устройства. На столе вибратора устанавливается испытуемый объ ект t3. Промежуточный элемент 10 (см.фиг.1 и 3) выполнен составным в виде двух соосных усеченных конусов 14 и 15, основания большего диаметра которых жестко (например, сваркой) соединены со столом 6 и штоком 7 соответственно а основания меньшего диаметра обращены друг к другу и соединены гибкой связью, имеющей возможность изменять при регулировках свою жесткость в поперечном (т.е. перпендикулярном оси вибратора) направлении и выполненную, например, в виде кинематической пары II класса (т.е. сопряжены с двумя ступенями свободы: с перемещением вдоль оси и вращением вдоль нее при регулировках) . Данная кинематическая пара образована ступенчатым стержнем 16,. расположенным соосно конусам 14 и 15 и соединенным посредством рабочей резьбы с гнездовыми отверстиями 17, 18 в конусах, при зтом его диаметр меняется от предыдущей ступени к последующей в меньшую сторону от ступени большего диаметра, но остается постоянным в пределах каждой ступени. Это означает, что (см.фиг.З) каждая ступень имеет неизменный постоянный диаметр, т.е. d const; d2 c6nst; dj const. На фиг.З показано только три ступени. Такое их число обеспечивает широкую регулировку жесткости в поперечном направлении и является достаточным, но в случае необходимости число ступеней может быть увеличено, при этом их геометрия и взаимное расположение выбираются в выше указанной последовательности, вместе с тем обязательно должно выполняться соотношение и т.д., т.е. диаметр от ступени к ступени изменяется в зависимости от направления (в большую или меньшую сторону) без обратных скачков, т.е., например, соотношение , а , либо , а недопустимо, ибо тогда регулировка делается затруднительной и отсутствует возможность плавного изменения жесткости промежуточного элемента в поперечном направлении. На каждой ступени выполнена резьба, длина которой обратно пропорциональна ее диаметру, т.е. поскольку выполняется условие d,d.,j, должно выполняться и условие - это тоже необходимо для обеспечения возможности плавной регулировки поперечной жесткости. Ступень большего диаметра (d) имеет два участка: длиной - рабочий участок, т.е. тот, который гнется под воздействием нагрузки в поперечном направлении, обеспечивая ту или иную поперечную жесткость, в зависимости от величины зазора Л между меньшими основаниями усеченных конусов 14 и 15, и участок 19, причем рабочий участок ввинчивав гнездовое отверстие 17 в конуетсясе 14, а участок 19 - в гнездовое отверстие 18 длиной tp в конусе 15 При этом выполняется соотношение или tpStj. Это нужно для Vf.t, того, чтобы при постоянном не увеличивающемся зазоре й можно бьшо менять поперечную жесткость, стержень 16 при этом вывинчивается из ступенчатого гнездового отверстия 20, где до этого размещались все три его рабочие ступени, и ввинчивается в гнездовое отверстие to, как бы подставляя под изгибающую нагрузку ступени того или иного диаметра, что дает возможность получать требуемую поперечную жесткость. Таким образом, длины ступеней гнездового отверстия 17 в конусе 14, например, равны длине рабочей резьбы ввинчивающихся в них ступеней стержня 16, а д.пина tj, гнездового отверстия 18 под ступень большего диаметра (d) в конусе 15 равна длине fj ступ ни меньшего диаметра d (эта ступень имеет большую длину). Диаметры больших оснований конусов 14 и 15, напри мер, равны диаметру стола и штока. Это необходимо, в первую очередь, для ужесточения стола (а конус 14 приварен к нему) и получения равноме ности распределения виброускорений п его поверхности. Таким образом, стол уже не нужен. Испытуемый объект 13 можно крепить непосредственно (см. фиг.1) к большему основанию верхнего усеченного конуса 14, который в силу своей геометрии и достаточной жесткости (его следует выполнять из cnna ВОВ бериллия), которая значительно превьшает жесткость обычных столов электродинамических вибраторов, передает ускорения на испытуемый объек почти без трансформации, т.е. их равномерность по поверхности большего основания конуса 14 будет обеспечена Оба конуса 14 и 15 снабжены подравлической системой 20 для создания избыточного давления на обоих свободных торцах ступенчатого стержня. Это необходимо, чтобы выбрать зазоры, которые при работе вибратора и воспроиз ведении им высокочастотных составляющих спектра могут привести к появлению дополнительных резонансов. Регулировка и настройка промежуточного элемента 10 на заданную попе речную жесткость осуществляется следующим образом. После того, как эта жесткость рассчитана, ее необходимо выставить на промежуточном элемент (расчет ведется по заданным паспортным характеристикам электродинамического возбудителя колебаний). Например, если f eoбxoдимo испытать объект в диапазоне частот 500-1000 Гц, то определяется по паспорту в какую зону вписывается этот диапазон частот. Далее, по максимальной величине (уровню) поперечных и угловых колебаний штока определяется поперечная жесткость промежуточного элемента, которая позволит сделать его для этой зоны гибким, т.е. отфильтровывать все паразитные составляющие, промежуточный элементбудет легко гнуться в поперечном направлении и не будет передавать эти составляющие на стол с испытуемым объектом. В данном случае поперечная жесткость определяется двумя параметрами: суммарной длиной свободных, т.е. не ввинченных в данный момент в гнезда 17 и 18 участков ступеней (или ступени) и диаметрами (или диаметром) этих участков. Это иллюстрируется с помощью чертежей (см. фиг.З и 4). Если в данной полосе частот промежуточный элемент должен иметь наибольшую поперечную жесткость, то воспринимать поперечную нагрузку должна ступень большего диаметра и тогда обеспечивается необходимая длина Д (см. фиг.З) ее свободного участка (не ввинченного в гнезда 17 и 18), который и будет определять большую поперечную жесткость. Если увеличить Д., естественно поперечная жесткость уменьшится, если еше более увеличите зазор между конусами 14 и 15 и до Д. (см. фиг.4), та жесткость будет определяться суммарной длиной Ц (а не величиной 2) свободных участков диаметров d., и dj (и самими этими диаметрами тоже, разумеется), т.е. ступень диаметром d полностью вьшинтилась из своего гнезда 17, а ступень диаметром d частично осталась в своем, но при этом ее свободный участок длиной V. уже воспринимает и несет (фильтрует) паразитную поперечную составля ощую. Если необходимо уменьшить поперечную жесткость, можно сделать так, чтобы в гнездо 17 была ввинчена только часть ступени длиной tj и диаметром d, но при этом поперечная жесткость будет определяться суммарной длиной ступеней d;, d и длиной свободного участка ступени d. (совершенно очевидно, что для обес7108печения этого условия длина t. должна быть самой большой и вообще необходимо соблюдение условия t tjitj иначе будет .невозможна широкодиапазонная регулировка поперечной жесткости) . Таким образом, выполнение стержня ступенчатым (со строгим чере дованием и взаимоувязанной геометрии ступеней) позволяет менять жесткость причем довольно круто (что крайне необходимо при наличии многих и неоднородных по уровню зон поперечных составляющих) без каких-либо существенных увеличений осевых габаритов. В тех случаях, когда можно довольствоваться плавным изменением попереч.ной жесткости промежуточного элемента (это бьшает, когда вибратор предназначен для испытаний в какой-то определенной области спектра и в одной - двух и зонах паразитных поперечных составляющих, например когда испытываются объекты массового произ водства) , можно рекомендовать применять несколько другую упрощенную сие тему регулировки жесткости (см.фиг.5 в данном варианте стержень длиной f имеет постоянный диаметр d const, и резьбу (зазор в ней также выбирается с помощью гидравлики), а его основание, закрепленное в конусе 15, имеет кольцевой пропил высотой k и диамет°ром dp. Регулируя высоту стержня (т.е. длину его рабочего участка 4), можно получать малые жесткости в поперечном направлении, высота пропила мала, т.е. его осевая жесткость очень большая и осевое толкающее усилие печредается без трансформации, а за счет малого диаметра пропила при небольших вылетах Д стержня можно получать малые значения поперечной жесткости и эффективно фильтровать поперечные сос тавляющие. С, целью оптимизации параметров пластин бьши проведены теоретические и экспериментальные исследования, которые позволили сделать следующий вывод: оптимальная работа полосовых пружин в подвеске будет иметь место только тогда, когда геометрически каждая полосовая пружина выполнена так, что соблюдаются следующие соотношения:0,UH/L 0,01, ,01, 0,Ul L - длина полуволны синусоиды (т.е. участка полосовой пружины, изогнутого по дуге), tj - длина перемычки (как показали исследования, они совершенно необходимы, т.е. перемычки выполняют не только технологическую функцию для закрепления концов полосовых пружин на столе и в устройствах поджатия, а (и это главное) необходимы для оптимизации работы устройства, т.е. являются полноправными функциональными элементами в полосовых пружинах, причем перемычки имеют, как видно, строго определенную длину или диапазон возможных длин, в котором можно выбирать), данными перемычками снабжена каждая полосовая пружина, в них переходит дугообразно изогнутый ее участок на каждом своем торце{ Н - высота полуволны синусоиды (дуги), L - толщина полосовой пружины (не путать с шириной L, пластины в плане) L - жестко не лимитируется и в основном выбирается из условия гашения, т.е. наличия добавочной поперечной жесткости - той части паразитных составт ляющих (она не велика), которые все же прошли через промежуточньш элемент 10 на стол от штока, что неизбежно, Q обеспечить абсолютную фильтрацию практически невозможно. Далее полосовая пружина 11 в плане (см. фиг.8) имеет симметрично расположенные относительно ее продольной и поперечной плоскостей симметрии сегментные вьфезы с закругленными краями, т.е. в плане полосовая пружина 11 имеет переменную ширину (см. также фиг.2), что необходимо для обеспечения у нее высокой усталостной прочности (способности не Разрушаться при сколь угодно большом числе циклов динамического нагружения). В точках с (см. фиг. 7 и 8), а также в точках заделки концов npVжины d и t напряжения максимальны, поэтому здесь пластина усилена, т.е. имеет максимальную ширину h, а в точках перегиба а и b напряжения минимальны и на примыкающих к ним Участках пластина имеет в плане утонения по ширине за счет снабжения ее сегментными вырезами высотой h, причем h ; 0,25 h. В принципе можно взять и hj 0,25 h., но это нежелательно, поскольку полосовая пружина должна обладать достаточной жесткостью в плане, чтобы гасить поперечные добавки паразитных составляющих, т.е. они должны в этом случае работать в дорезонансной зоне гасить поперечные составляющие за счет большой жесткости, тогда как промежуточный элемент работает в за резонансной зоне, т.е. гасит или, точнее, фильтрует паразитные составляющие по принципу виброзащитного средства не только в поперечном направлении, а в продольном он считается жестким, полностью передающим толкающую силу от штока на стол к испытуемому изделию. Чтобы не бьшо резонансов полосовых пружин 11, каждая из них выполнена в виде пакета упругих пластин 21, разделенных слоем 22 (фиг.6) высокоэффективного демпфирующего слоя типа металлическая резина, представляющая собой прессованную по особой технологии из мелкопереплетен ной .стальной проволоки высокого механического качества ячеистую структуру, в которой при деформациях имеет место интенсивное трение между проволочками, чем и обеспечивается высокая рассеивающая (поглощающая) способность, позволяющая надежно задемпфировать все резонансы полосовых пружин (весь пакет может прошиваться тонкой проволокой или тросом). Здесь применена именно металлическая резина, а не различные вибропоглощающие покрытия, полиэтиленовые и резиновые подкладки с высоким внутренним трением, которые тоже очень эффектив ны. После того, как концы пластинчаты пружин 11 закреплены на столе бив устройствах 12 их радиального поджатия осуществляется регулировка осевой жесткости и несущей способности, цилиндрическая пружина 8 и пластинчатые пружины 11 поджимаются так, чтобы в результате подвеска приобрела малую осевую жесткость, которая д ет возможность в значительной мере снизить потребляемую мощность, устранить статические провисания, а гла ное, путем варьирования поджатия цилиндрической пружины 8 и пластинчатых пружин 10 в широких пределах регулировать несущую способность вибратора. Электродинамический возбудитель колебаний работает следующим образом. При воспроизведении испытательных режимов на любом из частотных диапазонов толкающая сила без искажения передается в осевом направлении от штока 7 к столу 6 с закрепленным на нем испытуемым объектом 13 через промежуточный элемент 10, имеющий в этом направлении большую жесткость, т.е. как бы являемся в этом направлении несжимаемым. Вместе с тем, обладая в поперечном (радиальном) направлении малой жесткостью (большой гибкостью), которая может р(ггулироваться в широких пределах, промежуточный элемент 0 почти не передает (фильтрует) на стол 6 паразитные поперечные колебания штока 7. Незначительная часть паразитных составляю1цих, которая передалась на стол, устраняется за счет эесткости пластинчатых пружин 11 в поперечном направлении, при этом последние не имеют резонансов, надежно задемпфированы и работают в оптимальном режиме благодаря конструктивной оптимизации их рабочих параметров. Поскольку большее основание имеет диаметр верхнего конуса равный диаметру стола (или близок к нему) и жестко с ним соединено, имеется возможность обеспечить практически равномерное распределение виброускорений на его поверхности, т.е. их равенство в каждой точке его поверхности, поскольку он в этом случае значительно ужесгочен. Предлагаемая конструкция электродинамического возбудителя колебаний имеет высокие технико-экономические показатели: срок его окупаемости меньше нормативно установленного по отрасли. Расчетный годовой экономический эффект от его внедрения и эксплуата ции составит 7.800 руб. на партию в 100 шт.

10

...л ..

II I JB

ItI 1 41 V.1V41

13

6 11

n

у . л- If

12

1085647

1. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЙ ВОЗБУДИТЕЛЬ КОЛЕБАНИЙ, содержащий магнитопровод, обмотку подмагничивания, подвижную систему с обмоткой возбуждения, размещенной в кольцевом рабочем зазоре, стол, соединенный гибким в поперечном и жестким в продольном направлениях промежуточным элементом со штоком, расположенным подвижно в осевом отверстии в керне магнитопровода и жестко скрепленным с обмоткой возбуждения, подвеску, включающую несущий упругий элемент с регулятором поджатия, расположенным по оси штока и связанным с ним, и раДиально расположенные центрирующие элементы в виде изогнутых по синусоиде полосовых пружин с элементами радиального поджатия, отличающийся тем, что, с целью повышения равномерности распределения виброускорения по столу и уменьшения поег; перечной компоненты виброускорения, промежуточный элемент выполнен в виде двух соосных усеченных конусов, большие основания которых жестко связаны со столом и штоком, а меньшие обращены друг к другу, соединенных гибкой связью, выполненной в виде кинематической пары II класса, образованной соссным конусом ступенчатым стержнем, соединенным посредством резьбы с соответствующим гнездовым отверстием в конусах, при этом диаметр ступеней увеличивается с удалением от торца стержня, причем длина резьбы на каждой ступени, начиная 5 от ступени наименьшего диаметра, уменьшается, при этом ступе.нь большего диаметра выполнена с возможностью фиксации в гнездовых отверстиях обоих конусов, а остальные - с возо можностью фиксации только в конусе, соединенном со столом, причем длины ступеней гнездового отверстия этого конуса равны длине резьбы соответствующих ступеней стержня, оба конуса 00 снабжены гидравлическими системами СП для создания избыточного давления Од на свободных торцах стержня. 2. Возбудитель колебаний по п.1, отличающийся тем, что каждая полосовая пружина выполнена в виде пакета пластин, разделенных слоем материала типа металлическая резина, а по краям имеет расположенные симметрично относительно ее продольной и поперечной плоскостей симметрии закругленные вырезы.

/4

,3

/

Фиг,5

22N

Г

N