Динамический гаситель колебаний

 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к устройствам гашения узкополосных (по частоте) вибраций различных конструкций. Сущность изобретения заключается в том, что динамический гаситель колебаний содержит цилиндрический герметичный корпус, внутри которого размещены поршень с возможностью перемещения по оси и торцевые камеры-пневмопружины между торцами поршня и корпусом, сообщающиеся между собой через дроссельный канал. Поршень поджат с торцов винтовыми цилиндрическими пружинами. Обращенные к поршню концы винтовых цилиндрических пружин размещены в кольцевых цилиндрических выточках в поршне. Дроссельный канал выполнен в виде винтовой спиральной канавки на цилиндрической наружной поверхности поршня. Техническим результатом является упрощение конструкции и отказ от внешних источников энергии. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к устройствам гашения узкополосных (по частоте) вибраций различных конструкций, например вибраций, вызванных дисбалансом быстровращающихся роторов.

Известен виброамортизатор (US 3917246 А, кл. F 16 F 9/02. Tunable vibration absorber), включающий инерционный груз, состоящий из противоположно направленных поршней, каждый из которых расположен в отдельной герметизируемой цилиндрической камере-гидропружине, жестко прикрепленной к вибрирующему телу.

Инерционный груз движется по оси взад и вперед в ответ на вибрации тела, поочередно воздействуя на сжимаемую жидкость в каждой из камер-гидропружин между торцами поршня и корпусом. Камеры-гидропружины соединены дроссельным каналом. Автоматический регулятор поддерживает возвратно-поступательное движение около точки, в которой возвращающие силы, действующие на поверхность каждого из поршней, приблизительно равны.

Величина давления в камерах и их объем определяют собственную частоту возвратно-поступательного движения.

Недостатками такого решения являются сложность конструкции и необходимость во внешних источниках энергии.

Задачей изобретения является упрощение конструкции и отказ от внешних источников энергии.

Эта задача решается тем, что у динамического гасителя колебаний, содержащего цилиндрический герметичный корпус, внутри которого размещены поршень с возможностью перемещения по оси и торцевые камеры-пневмопружины между торцами поршня и корпусом, сообщающиеся между собой через дроссельный канал, поршень поджат с торцов винтовыми цилиндрическими пружинами, обращенные к поршню концы винтовых цилиндрических пружин размещены в кольцевых цилиндрических выточках в поршне, а дроссельный канал выполнен в виде винтовой спиральной канавки на цилиндрической наружной поверхности поршня. Кроме того, дроссельный канал может быть выполнен в виде многозаходной винтовой спиральной канавки.

На фиг.1 представлен общий вид динамического гасителя колебаний, на фиг.2 представлена геометрия дроссельного канала, на фиг.3 - сечение А-А фигуры 2, на фиг.4 - сечение В-В фигуры 1 и на фиг.5 представлены зависимости собственной частоты и логарифмического декремента колебаний поршня от размера сечения дроссельного канала.

Динамический гаситель колебаний состоит из цилиндрического герметичного корпуса 1, заполненного воздухом (элементы крепления корпуса гасителя 1 к демпфируемой конструкции не показаны), и поршня 2, размещенного внутри корпуса с возможностью перемещения по оси x-x и поджатого с торцов винтовыми цилиндрическими пружинами 3. Торцы поршня 2 и внутренняя поверхность корпуса 1 образуют камеры-пневмопружины 4. Обращенные к поршню концы винтовых пружин 3 размещены в кольцевых цилиндрических выточках 5 в поршне 2.

Камеры-пневмопружины 4 сообщаются между собой через дроссельный канал 6, выполненный в виде винтовой спиральной канавки на цилиндрической поверхности поршня 2, а также через радиальный зазор 7 между наружной поверхностью поршня и внутренней поверхностью корпуса.

На фиг. 4 изображен вид на торцевую поверхность поршня, например, при трехзаходном исполнении дроссельного канала.

Работает динамический гаситель колебаний, корпус 1 которого жестко соединен с элементом демпфируемой конструкции, колебания которой требуется уменьшить, следующим образом.

При возникновении вибраций демпфируемой конструкции (в узкой полосе частот) корпус 1 приходит в движение вместе с этой конструкцией, а поршень 2, настроенный по собственной частоте на нужную полосу частот, движется с фазовым запаздыванием относительно колебаний корпуса и через винтовые пружины 3 и пневмопружины 4 передает демпфирующую силу на корпус 1 и уменьшает, таким образом, уровень колебаний демпфируемой конструкции.

При перемещении поршня 2 относительно корпуса 1 воздух перетекает из одной торцевой камеры-пневмопружины 4 в другую по дроссельному каналу и через зазор между поршнем и корпусом. Движение воздуха происходит в двух направлениях: тангенциальном - вдоль дроссельного канала и осевом - перпендикулярно дроссельному каналу приблизительно по оси гасителя. Основной расход воздуха обеспечивает движение воздуха по длинному винтовому спиральному каналу 6. Составляющая скорости воздуха V_oc в осевом направлении мала ввиду того, что в этом случае винтовой дроссельный канал выступает в роли лабиринтного уплотнения, а радиальный зазор между корпусом и поршнем выбран минимальным (свободная или скользящая посадка). Расход воздуха в этом направлении (в зависимости от неконтролируемого радиального смещения поршня относительно корпуса этот расход может изменяться в 1,5-2 раза) составляет малую долю от общего расхода и не оказывает существенного влияния на общие характеристики гасителя. Угол подъема винтовой канавки выбирается, исходя из обеспечения большой длины дроссельного канала, малого отношения размера сечения дроссельного канала к длине канала, малого числа Рейнольдса и, следовательно, ламинарного течения воздуха в дроссельном канале и линейной зависимости сил трения от скорости течения воздуха в канале.

Размещение обращенных к поршню концов винтовых цилиндрических пружин в кольцевых цилиндрических выточках в поршне позволяет "развязать" в процессе проектирования гасителя выбор параметров винтовых цилиндрических пружин и размеров камер-пневмопружин.

Выполнение дроссельного канала в виде многозаходной винтовой канавки на цилиндрической поверхности поршня позволяет улучшить структуру течения воздуха на входе в дроссельный канал. Дополнительно, плавность входа струй воздуха в дроссельный канал может быть обеспечена скруглением острых кромок винтовой канавки при выходе канала на торцевую поверхность поршня.

Требуемые значения основных параметров гасителя колебаний - величина подвижной массы М_треб, собственная частота ω_треб и декремент колебаний η_треб подвижной массы - определяются из параметрического расчета колебаний демпфируемого элемента конструкции с установленным гасителем колебаний (см., например, Ден-Гартог Дж.П. Механические колебания. Физматгиз, 1960 г.).

На фиг. 5 представлена типичная зависимость безразмерной собственной частоты (ω_пруж соответствует собственной частоте поршня только на упругости винтовых пружин) и логарифмического декремента η колебаний поршня от размера сечения дросселя (отнесенного к диаметру поршня), рассчитанная для случая, когда жесткость камер-пневмопружин выбрана равной жесткости винтовых цилиндрических пружин.

При увеличении сечения дросселя собственная частота колебаний поршня монотонно падает. Декремент колебаний поршня сначала растет, достигает максимума, а затем падает. Выбор сечения дросселя, соответствующего точке С на фиг. 5, позволяет существенную долю потребной жесткости соединения поршня с корпусом получить за счет жесткости пневмопружин и таким образом облегчить работу винтовых цилиндрических пружин и обеспечить большой ресурс гасителя при обеспечении заданных собственной частоты и декремента колебаний.

Предложенная конструкция гасителя колебаний обеспечивает простоту конструкции, не требует дополнительных источников энергии, обеспечивает большую весовую эффективность и постоянство динамических характеристик в процессе эксплуатации.

Формула изобретения

1. Динамический гаситель колебаний, содержащий цилиндрический герметичный корпус, внутри которого размещены поршень с возможностью перемещения по оси и торцевые камеры-пневмопружины между торцами поршня и корпусом, сообщающиеся между собой через дроссельный канал, отличающийся тем, что поршень поджат с торцов винтовыми цилиндрическими пружинами, при этом обращенные к поршню концы винтовых цилиндрических пружин размещены в кольцевых цилиндрических выточках в поршне, а дроссельный канал выполнен в виде винтовой спиральной канавки на цилиндрической наружной поверхности поршня.

2. Динамический гаситель колебаний по п.1, отличающийся тем, что дроссельный канал выполнен в виде многозаходной винтовой спиральной канавки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5