Способ прерывистого демпфирования

 

Предлагаемый способ прерывистого демпфирования реализуется системами виброзащиты и может использоваться в транспортном машиностроении, например, для защиты человека-оператора от действия случайных колебаний. Существо предлагаемого способа прерывистого демпфирования заключается в следующем: задают значение порогового смещения объекта относительно положения статического равновесия, определяют знаки смещения и скорости объекта относительно основания. Отслеживают первый интервал смещения объекта, когда знаки относительного смещения и относительной скорости противоположны, и второй интервал смещения объекта, когда знаки относительного смещения и относительной скорости одинаковы. Фиксируют значение порогового смещения объекта, сравнивают значение относительного смещения объекта с пороговым значением. Фрикционный демпфер включают в работу на время смещения объекта в пределах первого интервала и выключают из работы фрикционный демпфер, когда значение относительного смещения объекта становится меньше порогового значения и на время смещения объекта в пределах второго интервала. Технический результат заключается в синхронизации момента выключения из работы фрикционного демпфера с моментом обращения скорости объекта в ноль. 5 ил.

Предлагаемый способ прерывистого демпфирования реализуется системами виброзащиты и может использоваться в транспортном машиностроении, например, для защиты человека-оператора от действия случайных колебаний.

Известен способ прерывистого демпфирования [1], заключающийся в том, что фиксируют значение порогового ускорения объекта, которое определяет упреждающую задержку для момента смены знака ускорения, отслеживают интервал смещения, когда абсолютное значение ускорения меньше порогового значения, отслеживают второй интервал смещения, когда значение ускорения больше порогового значения, включают в работу фрикционный демпфер на время смещения объекта в пределах первого интервала и выключают из работы фрикционный демпфер на время смещения в пределах второго интервала.

Данный способ прерывистого демпфирования не является оптимальным, поскольку при движении в пределах первого интервала, когда фрикционный демпфер включен в работу, сила сухого трения зависит от абсолютной величины ускорения и не остается постоянной - уменьшается с увеличением ускорения. Кроме того, релейный (включить-выключить) режим работы фрикционного демпфера не связан со сменой знака относительной скорости и относительного смещения. Не исключаются также ситуации, когда направление действия сухого трения совпадает с направлением движения объекта и скорость последнего увеличивается.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ прерывистого демпфирования [2], заключающийся в том, что определяют знаки смещения и скорости объекта относительно основания, отслеживают первый интервал смещения объекта, когда знаки относительного смещения и относительной скорости противоположны, отслеживают второй интервал смещения объекта, когда знаки относительного смещения и относительной скорости одинаковы, включают в работу фрикционный демпфер на время смещения объекта в пределах первого интервала и выключают из работы фрикционный демпфер на время смещения объекта в пределах второго интервала.

Эффективность способа прерывистого демпфирования определяется тем, что при включенном в работу фрикционном демпфере сила сухого трения направлена к положению статического равновесия и уменьшает скорость объекта. Как следствие, в момент выключения из работы фрикционного демпфера скорость объекта должна быть равной нулю.

Однако в области резонансных частот момент времени, когда скорость объекта становится равной нулю, предшествует моменту времени, когда происходит смена знака относительного смещения и фрикционный демпфер выключается из работы. На данном коротком интервале смещения между сменой знака скорости объекта и сменой знака относительного смещения направление скорости объекта совпадает с направлением действия силы сухого трения. Как следствие, это приводит к увеличению скорости объекта и в начале второго интервала смещения она отлична от нуля.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в синхронизации момента выключения из работы фрикционного демпфера с моментом обращения скорости объекта в ноль.

Поставленная задача решается следующим образом. В известном способе прерывистого демпфирования, включающем операции определения знаков смещения и скорости объекта относительно основания, отслеживания первого интервала смещения объекта, когда знаки относительного смещения и относительной скорости противоположны, отслеживания второго интервала смещения объекта, когда знаки относительного смещения и относительной скорости одинаковы, включения в работу фрикционного демпфера на время смещения объекта в пределах первого интервала и выключения из работы фрикционного демпфера на время смещения объекта в пределах второго интервала, дополнительно задают и фиксируют значение порогового смещения объекта относительно положения статического равновесия, сравнивают значение относительного смещения объекта с пороговым значением и выключают из работы фрикционный демпфер, когда значение относительного смещения объекта становится меньше порогового значения.

Существо предлагаемого способа прерывистого демпфирования заключается в следующем: задают значение порогового смещения объекта относительно положения статического равновесия, определяют знаки смещения и скорости объекта относительно основания, отслеживают первый интервал смещения объекта, когда знаки относительного смещения и относительной скорости противоположны, отслеживают второй интервал смещения объекта, когда знаки относительного смещения и относительной скорости одинаковы, фиксируют значение порогового смещения объекта, сравнивают значение относительного смещения объекта с пороговым значением, включают в работу фрикционный демпфер на время смещения объекта в пределах первого интервала и выключают из работы фрикционный демпфер, когда значение относительного смещения объекта становится меньше порогового значения и на время смещения объекта в пределах второго интервала.

Пример реализации способа прерывистого демпфирования приведен на фиг.1 - 5.

На фиг.1 изображен общий вид фрикционного демпфера; на фиг.2 - поперечный разрез переключающего устройства, фрикционной пары и направляющих со скобой установочного устройства; на фиг.3 - поперечный разрез направляющих с кронштейном установочного устройства; на фиг.4 приведена схема расположения фрикционного демпфера в положении статического равновесия совместно с упругими элементами виброзащитной системы; на фиг.6 показаны осциллограммы колебаний объекта и основания при кинематическом возмущении.

Фрикционный демпфер содержит направляющие 1 и 2, две зубчатые рейки 3 и 4, которые размещены в продольных пазах направляющей 2, переключающее устройство 5, фрикционную пару 6 и установочное устройство 7.

Переключающее устройство 5 состоит из оси 8, установленной на направляющей 1, шестерки 9, обгонной муфты 10, внутренняя обойма которой закреплена на оси 8 посредством шпоночного соединения, а наружная обойма – во внутреннем отверстии шестерни 9.

Фрикционная пара 6 состоит из рабочих дисков 11 и 12, нажимного диска 13, тарельчатой пружины 14 и регулировочной гайки 15. Рабочие диски 11 и 12 закреплены соответственно на направляющей 1 и торцевой поверхности нажимного диска 13, который установлен на оси 8 посредством шлицевого соединения. Тарельчатая пружина 14 установлена на оси 8 между нажимным диском 13 и регулировочной гайкой 15.

Установочное устройство 7 состоит из скобы 16, закрепленной на направляющей 2, винта 17, кронштейна 18, закрепленного на зубчатой рейке 3, и кронштейна 19, закрепленного на зубчатой рейке 4. Скоба 16 и винт 17 соединены между собой посредством цилиндрической опоры 20. В свою очередь, винт 17, кронштейны 18 и 19 образуют подвижное резьбовое соединение. Причем верхняя часть винта 17 имеет правую резьбу, а его нижняя часть - левую резьбу.

Зубчатые рейки 3 и 4 закрепляются в продольных пазах направляющей 2 посредством крепежных винтов (не показаны).

Посредством установочных элементов 21 и 22 фрикционный демпфер соединяется с объектом 23 и основанием 24. Объект 23 опирается на упругие элементы 25 виброзащитной системы.

Расстояние Δ между верхней плоскостью скобы 16 и кронштейном 18 и такое же расстояние между нижней плоскостью скобы 16 и кронштейном 19 определяет значение порогового смещения объекта 23 относительно положения статического равновесия.

Сущность способа прерывистого демпфирования, реализуемого в процессе работы фрикционного демпфера, заключается в следующем.

Знак относительного смещения и относительной скорости определяют посредством шестерни 9 переключающего устройства 5 и зубчатых реек 3 и 4.

Если шестерня 9 входит в контакт с зубчатой рейкой 4, то относительное смещение положительно х-у>0 - расстояние между объектом 23 и основанием 24 больше того, которое соответствует положению статического равновесия. Аналогично, если шестерня 9 входит в контакт с зубчатой рейкой 3, то относительное смещение отрицательно х-у<0 - расстояние между объектом 23 и основанием 24 меньше того, которое соответствует положению статического равновесия.

Если шестерня 9 вращается по ходу часовой стрелки, находясь в контакте с зубчатой рейкой 3, или если она вращается против хода часовой стрелки, находясь в контакте с зубчатой рейкой 4, то относительная скорость положительна. В принятых координатах имеем ->0. Аналогично, если шестерня 9 вращается против хода часовой стрелки, находясь в контакте с зубчатой рейкой 3, или если она вращается по ходу часовой стрелке, находясь в контакте с зубчатой рейкой 4, то относительная скорость отрицательна. В принятых координатах имеем -<0.

осуществляется посредством установочного устройства 7. Для этого предварительно освобождают зубчатые рейки 3 и 4 от крепежных винтов и поворачивают винт 17 в опоре 20 по ходу или против часовой стрелки, задавая тем самым необходимое смещение кронштейнов 18 и 19 относительно скобы 16. Совместно с кронштейнами 18 и 19 перемещаются и зубчатые рейки 3 и 4. Расстояние между нижним концом зубчатой рейки 3 и верхним концом зубчатой рейки 4 равно удвоенному значению порогового смещения объекта 23 относительно положения статического равновесия. После задания необходимого значения порогового смещения объекта 23 зубчатые рейки закрепляются в продольных пазах направляющей 2 посредством крепежных винтов.

Значение порогового смещения Δ, которое определяет упреждающую задержку для момента смены знака относительного смещения, фиксируется шестерней 9 в момент ее схода с зубчатой рейки 3 или 4. При отсутствии контакта шестерни 9 с зубчатой рейкой 3 или 4 относительное смещение объекта 23 меньше порогового смещения Δ.

Выделенные интервалы смещения отслеживаются посредством обгонной муфты 10, свободный ход которой соответствует вращению ее наружной обоймы против хода часовой стрелки.

Если относительное смещение и относительная скорость имеют противоположные знаки (первый интервал смещения), то шестерня 9 вращается по ходу часовой стрелки и обгонная муфта 10 замкнута - наружная обойма увлекает за собой внутреннюю обойму. Если же относительное смещение и относительная скорость имеют одинаковые знаки (второй интервал движения), то шестерня 9 вращается против хода часовой стрелки и обгонная муфта 10 разомкнута - наружная обойма свободно проворачивается относительно внутренней обоймы.

Включение в работу и выключение из работы фрикционного демпфера осуществляется посредством переключающего устройства 5, шестерня 9 которого через обгонную муфту 10, ось 8 и нажимной диск 13 периодически соединяется и разъединяется с рабочим диском 12 фрикционной пары 6.

Когда обгонная муфта 10 замкнута, то вращение шестерни 9 передается на внутреннюю обойму и далее через ось 8 на нажимной диск 13. В результате этого рабочие диски 11 и 12 фрикционной пары 6 поворачиваются друг относительно друга и создается сила сухого трения, воспринимаемая объектом 23, т.е. переключающее устройство 5 включает в работу фрикционный демпфер.

Когда обгонная муфта 10 разомкнута, то вращение шестерни 9 не передается на внутреннюю обойму и соответственно на ось 8 и нажимной диск 13. В результате этого рабочие диски 11 и 12 фрикционной пары 6 не поворачиваются друг относительно друга и сила сухого трения не возникает, т.е. переключающее устройство 5 выключает из работы фрикционный демпфер.

В процессе работы фрикционного демпфера совместно с упругими элементами 25 виброзащитной системы направление действия восстанавливающей силы периодически изменяется. Восстанавливающая сила на интервале “a”...“d” действует вверх и х-у<0,а на интервале “d”...“g” - вниз и х–у>0.

На интервале “b”...“е” скорость объекта 23 больше скорости основания 24 и х-у>0. Соответственно на интервале “e”...“h” (также и на интервале “а”...“b”) скорость объекта 23 меньше скорости основания 24 и х-у<0.

На интервале “a”...“a₁”, когда значение относительного смещения объекта меньше порогового значения |х–у|<Δ, контакт шестерни 9 с зубчатой рейкой 3 отсутствует и фрикционный демпфер также выключен из работы.

Поскольку на интервале “а”...“b” относительное смещение и относительная скорость имеют одинаковые знаки (отрицательные), то и после вхождения шестерни 9 в зацепление с зубчатой рейкой 3 (точка “a₁”) фрикционный демпфер остается выключенным из работы. Шестерня 9 и наружная обойма обгонной муфты 10 вращаются против хода часовой стрелки. При этом обгонная муфта 10 разомкнута и вращение шестерни 9 не передается на ось 8 и нажимной диск 13, т.е. рабочие диски 11 и 12 фрикционной пары 6 не проворачиваются друг относительно друга и сила сухого трения не возникает (переключающее устройство 5 выключает из работы фрикционный демпфер). Тем самым исключается увеличение скорости объекта 23 за счет силы сухого трения. Скорость объекта 23 увеличивается только за счет восстанавливающей силы.

После прохождения точки “b” шестерня 9 и наружная обойма обгонной муфты начинают вращаться по ходу часовой стрелки. Обгонная муфта 10 замыкается и вращение шестерни 9 передается через ось 8 на нажимной диск 13, т.е. переключающее устройство 5 включает в работу фрикционный демпфер (рабочие диски 11 и 12 фрикционной пары 6 проворачиваются друг относительно друга). Развиваемая сила сухого трения между рабочими дисками 11 и 12 передается на объект 23 и уменьшает его скорость, поскольку сила сухого трения направлена противоположно скорости объекта 23(х>0, а х-у>0).

Достигая точки “с”, шестерня 9 сходит с зубчатой рейки 3 и переключающее устройство 5 выключает из работы фрикционный демпфер. На интервале “с”...“d”, а также “d”...“d₁”, когда значение относительного смещения объекта меньше порогового значения |х-у|<Δ, контакт шестерни 9 с зубчатой рейкой 4 отсутствует и фрикционный демпфер остается выключенным из работы.

Поскольку на интервале “d”...“e” относительное смещение и относительная скорость имеют одинаковые знаки (положительные), то и после вхождения шестерни 9 в зацепление с зубчатой рейкой 3 (точка “d₁”) фрикционный демпфер остается выключенным из работы. Шестерня 9 и наружная обойма обгонной муфты 10 вращаются против хода часовой стрелки. При этом обгонная муфта 10 разомкнута и вращение шестерни 9 не передается на ось 8 и нажимной диск 13, т.е. рабочие диски 11 и 12 фрикционной пары 6 не проворачиваются друг относительно друга и сила сухого трения не возникает (переключающее устройство 5 выключает из работы фрикционный демпфер). Тем самым исключается увеличение скорости объекта 23 за счет силы сухого трения. Скорость объекта 23 увеличивается только за счет восстанавливающей силы.

После прохождения точки “е” шестерня 9 и наружная обойма обгонной муфты начинают вращаться по ходу часовой стрелки. Обгонная муфта 10 замыкается и вращение шестерни 9 передается через ось 8 на нажимной диск 13, т.е. переключающее устройство 5 включает в работу фрикционный демпфер (рабочие диски 11 и 12 фрикционной пары 6 проворачиваются друг относительно друга). Развиваемая сила сухого трения между рабочими дисками 11 и 12 передается на объект 23 и уменьшает его скорость, поскольку сила сухого трения направлена противоположно скорости объекта 23 (х<0, a х-у<0).

На последующих интервалах работа фрикционного демпфера повторяется. В частности на интервалах “f”...“g” и “g”...“h” фрикционный демпфер остается выключенным из работы.

Задание порогового значения смещения объекта 23 относительно положения статического равновесия посредством установочного устройства 7 позволяет изменять динамические характеристики фрикционного демпфера, т.е. определять упреждающую задержку для момента смены знака относительного смещения, и настраивать параметры прерывистого демпфирования в зависимости от режима работы.

Последовательность операций способа прерывистого демпфирования, а именно фиксации порогового значения смещения Δ, сравнения его со значением относительного смещения и выключения из работы фрикционного демпфера, позволяет синхронизировать моменты выключения из работы фрикционного демпфера с моментом обращения скорости объекта 23 в ноль и тем самым оптимизировать процесс прерывистого демпфирования.

Источники информации

1. RU 2065541 C1, 20.08.96.

2. SU 462040, 28.02.75.

3. SU 763628, 15.09.80.

4. RU 2167349 C2, 20.05.01.

Формула изобретения

Способ прерывистого демпфирования, заключающийся в том, что определяют знаки смещения и скорости объекта относительно основания, отслеживают первый интервал смещения объекта, когда знаки относительного смещения и относительной скорости противоположны, отслеживают второй интервал смещения объекта, когда знаки относительного смещения и относительной скорости одинаковы, включают в работу фрикционный демпфер на время смещения объекта в пределах первого интервала и выключают из работы фрикционный демпфер на время смещения объекта в пределах второго интервала, отличающийся тем, что дополнительно задают и фиксируют значение порогового смещения объекта относительно положения статического равновесия, сравнивают значение относительного смещения объекта с пороговым значением и выключают из работы фрикционный демпфер, когда значение относительного смещения объекта становится меньше порогового значения.

РИСУНКИ

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