Результат интеллектуальной деятельности: ВИБРОИЗОЛИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО

Изобретение относится к устройствам активной виброзащиты крупногабаритных стационарных и подвижных объектов при сейсмических и подобных им силовых воздействиях.

Известно виброизолирующее устройство, описанное в патенте RU 2424457, МПК F16F 15/023, F16F 9/04, опубл. 20.07.2011 г., содержащее телескопическое направляющее устройство, установленное между защищаемым объектом и основанием и выполненное в виде встречно направленных наружного и внутреннего стаканов с установленными между ними резинокордной оболочкой и центрирующими элементами, опорные плиты, установленные на защищаемом объекте и основании, упругий элемент в виде равномерно расположенных вокруг наружного стакана пневматических виброизоляторов, каждый из которых содержит корпус, плунжер и резинокордную оболочку между ними, днище наружного и внутреннего стаканов телескопического направляющего устройства имеет выпуклую тарельчатую форму с осевым каналом, кольцевой площадкой вокруг последнего, контактирующей с соответствующей опорной плитой, и радиусом скругления, превышающим половину расстояния между опорными плитами, центр которого в продольном сечении направляющего устройства расположен на прямой, параллельной продольной оси последнего и проходящей через линию перехода кольцевой площадки в скругление, а виброизолирующее устройство снабжено размещенными в соответствующих осевых каналах и контактирующими с ними цилиндрическими ползунами, шарнирно соединенными одними концами с соответствующими опорными плитами, причем продольные оси пневматических виброизоляторов упругого элемента расположены под углом, находящимся в диапазоне 40°-70° к продольной оси направляющего устройства, их корпуса крепятся шарнирно к его наружному стакану в месте расположения резинокордной оболочки направляющего устройства, а плунжеры соединены шарнирно с плитами, установленными на площадках выступов основания, образующих с самим основанием угол, находящийся в диапазоне 110°-150°, а между корпусом и плунжером пневматических виброизоляторов дополнительно установлены центрирующие элементы, на торце внутреннего стакана телескопического направляющего устройства установлена герметизирующая перегородка с клапанным электромагнитным устройством, на торцах плунжеров всех пневматических виброизоляторов также установлены герметизирующие перегородки с клапанными электромагнитными устройствами, причем каждое клапанное электромагнитное устройство подключено к отдельной системе управления.

Каждая система управления клапанным электромагнитным устройством содержит последовательно соединенные преобразователь перемещения объекта, формирователь сигнала скорости объекта, блок управления силовым ключом, силовой ключ для подключения обмотки клапанного электромагнитного устройства к источнику питания.

Преобразователь перемещения каждой системы управления клапанным электромагнитным устройством и сама система управления расположены внутри соответствующего пневматического виброизолятора или телескопического направляющего устройства.

Недостатками этого устройства являются: низкий уровень демпфирования колебаний защищаемого объекта при воздействии вертикальных и горизонтальных возбуждающих сил из-за слабых демпфирующих свойств пневматических виброизоляторов упругого элемента, а также возникновение поперечных (срезающих) нагрузок, производимых горизонтальными составляющими возбуждающих сил в местах крепления корпусов пневматических виброизоляторов упругого элемента к наружному стакану направляющего устройства, и происходящее при этом усиление контактных напряжений в местах контакта роликов центрирующих элементов с наружными и внутренними стаканами телескопического направляющего устройства и, соответственно, увеличение вибропроводимости, обусловленной наличием жестких механических контактов между звеньями кинематических связей между источником возбуждения и защищаемым объектом, содержащих наружные и внутренние стаканы и центрирующие элементы телескопического направляющего устройства и пневматических виброизоляторов упругого элемента.

Кроме того, недостатком устройства является расположение преобразователя перемещения каждой системы управления клапанным электромагнитным устройством и самой системы управления внутри соответствующего пневматического виброизолятора, т. к. термодинамические процессы в полостях виброизолятора и в клапанном электромагнитном устройстве, сопровождающиеся повышением температуры, в сочетании с ограниченностью рабочего пространства, приводят к снижению надежности устройства и, в том числе, ремонтопригодности.

Известна также пневматическая пружина растяжения, описанная в авторском свидетельстве на изобретение №1100441, опубл. 30.06.1984, СССР, М. кл. F16F 9/04, содержащая резинокордную оболочку, заполненную сжатым газом, и соединенные с торцами оболочки фланец для крепления защищаемого объекта и опору для крепления виброизолятора, резинокордная оболочка выполнена в виде цилиндра, в котором угол расположения перекрещивающихся армирующих нитей корда составляет 0-54° к образующей цилиндра. Работа на растяжение при подвешивании защищаемого объекта к пневматической пружине растяжения обеспечивается за счет тяги, связывающей фланец, размещенный на нижнем торце оболочки, с подвешиваемым объектом, и тяги, связывающей опору, размещенную на нижнем торце, с основанием.

Недостатком известной пневматической пружины растяжения является ограниченная производительность демпфирования в большей части частотного диапазона колебаний защищаемого объекта сил из-за пассивного характера демпфирования.

Техническим результатом от использования предложенного устройства является повышение демпфирующих свойств виброизолирующего устройства во всем амплитудно-частотном диапазоне внешних воздействий и уменьшение вибропроводимости.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном виброизолирующем устройстве, содержащем телескопическое направляющее устройство, установленное между защищаемым объектом и основанием и выполненное в виде встречно направленных наружного и внутреннего стаканов с размещенной между ними резинокордной оболочкой, опорные плиты, установленные на защищаемом объекте и основании, упругий элемент в виде равномерно расположенных вокруг наружного стакана пневматических виброизоляторов, каждый из которых содержит корпус, плунжер и резинокордную оболочку между ними, плунжер соединен шарнирно с плитами, установленными на площадках выступов основания, днища наружного и внутреннего стаканов телескопического направляющего устройства имеют выпуклую тарельчатую форму, каждое с осевым каналом, кольцевой площадкой вокруг последнего, контактирующей с соответствующей опорной плитой, и радиусом скругления, превышающим половину расстояния между опорными плитами, центр которого в продольном сечении направляющего устройства расположен на прямой, параллельной продольной оси последнего и проходящей через линию перехода кольцевой площадки в скругление, а виброизолирующее устройство снабжено размещенными в соответствующих осевых каналах и контактирующими с ними цилиндрическими ползунами, шарнирно соединенными одними концами с соответствующими опорными плитами, причем продольные оси пневматических виброизоляторов упругого элемента расположены под углом, находящимся в диапазоне 40°- 70° к продольной оси направляющего устройства, на торце внутреннего стакана телескопического направляющего устройства установлена герметизирующая перегородка с клапанным электромагнитным устройством, на торцах плунжеров всех пневматических виброизоляторов упругого элемента также установлены герметизирующие перегородки с клапанными электромагнитными устройствами, каждое клапанное электромагнитное устройство подключено к отдельной системе управления, каждая система управления клапанным электромагнитным устройством содержит последовательно соединенные преобразователь перемещения объекта, формирователь сигнала скорости объекта, блок управления силовым ключом, силовой ключ для подключения обмотки клапанного электромагнитного устройства к источнику питания, согласно заявляемому техническому решению, резинокордная оболочка каждого из пневматических виброизоляторов упругого элемента, выполнена в виде цилиндра, в котором угол расположения перекрещивающихся армирующих нитей корда составляет 0-54° к образующей цилиндра, и подключена посредством клапанного электромагнитного устройства к отдельному источнику сжатого воздуха, корпус и плунжер виброизолятора содержат фланцы и диски крепления, между которыми закреплены торцы резинокордной оболочки, при этом корпус прикреплен шарнирно к опорной плите, установленной на защищаемом объекте, а герметизирующая перегородка с клапанным электромагнитным устройством, связанным с источником сжатого воздуха, закреплена на диске крепления плунжера.

Преобразователь перемещения каждой системы управления клапанным электромагнитным устройством и сама система управления могут быть расположены снаружи соответствующего пневматического виброизолятора или телескопического направляющего устройства.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где

- на фиг. 1 представлено предложенное виброизолирующее устройство, общий вид в разрезе;

- на фиг. 2 представлен вид сверху виброизолирующего устройства с поперечным разрезом А-А на фиг.1;

- на фиг. 3 представлена структурная схема системы управления клапанного электромагнитного устройства.

Виброизолирующее устройство содержит упругий элемент 1, телескопическое направляющее устройство 2, выполненное в виде наружного стакана 3 и внутреннего стакана 4, соединенных резинокордной оболочкой 5. Между наружным 3 и внутренним 4 стаканами направляющего устройства 2 установлены центрирующие элементы в виде роликов 6, 7. При этом ролики 6 равномерно установлены на внутреннем стакане 4 с возможностью качения по внутренней поверхности наружного стакана 3, а ролики 7 равномерно установлены на внутренней поверхности наружного стакана 3 с возможностью качения по наружной поверхности стакана 4.

Днища обоих стаканов имеют выпуклую тарельчатую форму, каждое с осевыми каналами 8, в которых размещены цилиндрические ползуны 9, шарнирно соединенные с опорными плитами 10. Посредством опорных плит 10 виброизолирующее устройство крепится к защищаемому объекту и основанию. Каждое днище по периметру осевого канала снабжено кольцевой площадкой 11, посредством которой днище контактирует с опорной плитой 10. Выпуклая часть каждого днища выполнена со скруглением по радиусу R (фиг.1), превышающему половину расстояния между опорными плитами 10, центр которого в продольном сечении направляющего устройства 2 расположен на прямой, параллельной продольной оси устройства и проходящей через линию перехода кольцевой площадки 11 в скругление.

Упругий элемент 1 выполнен в виде равномерно расположенных вокруг наружного стакана 3 пневматических виброизоляторов, которые охватывают телескопическое направляющее устройство 2, и каждый из которых содержит корпус 12, плунжер 13, резинокордную оболочку 14. Корпус 12 и плунжер 13 содержат фланцы 15 и диски крепления 16 для закрепления резинокордной оболочки 14. Корпуса 12 пневматических виброизоляторов упругого элемента прикреплены шарнирно к опорной плите 10, установленной на защищаемом объекте, плунжеры 13 пневматических виброизоляторов упругого элемента соединены шарнирно с плитами 17, установленными на площадках выступов 18 основания. Поверхность выступов основания образует с самим основанием угол β (фиг.1), находящийся в пределах значений 110°-150°. Продольные оси пневматических виброизоляторов упругого элемента 1 образуют в статическом положении угол α, находящийся в диапазоне 40°-70°, с продольной осью направляющего устройства 2.

В опорных плитах 10 размещен набор резиновых буферов 19 короткоходовой местной виброизоляции, контактирующих с основанием или защищаемым объектом. Таким образом, виброизолирующее устройство связывает защищаемый объект и основание посредством телескопического направляющего устройства в виде кегли c тарельчатыми поверхностями и упругого элемента в виде пневматических виброизоляторов, расположенных под углом к направляющему устройству. На торце внутреннего стакана 4 телескопического направляющего устройства 2 установлена герметизирующая перегородка 20 с клапанным электромагнитным устройством 21. Герметизирующая перегородка 20 на торце внутреннего стакана 4 телескопического направляющего устройства 2 формирует две полости: верхнюю рабочую полость 22 переменного объема и нижнюю дополнительную полость 23 постоянного объема. На дисках крепления 16 плунжеров 13 пневматических виброизоляторов упругого элемента также установлены герметизирующие перегородки 24 с клапанными электромагнитными устройствами 25, причем каждое клапанное электромагнитное устройство подключено к отдельной системе управления 26.

Резинокордная оболочка 14 каждого из пневматических виброизоляторов упругого элемента 1 выполнена в виде цилиндра, в котором угол расположения перекрещивающихся армирующих нитей корда составляет 0-54° к образующей цилиндра, и подключена посредством клапанного электромагнитного устройства 25 к отдельному источнику сжатого воздуха 27. Диск крепления корпуса прикреплен шарнирно к опорной плите, установленной на защищаемом объекте, а герметизирующая перегородка с клапанным электромагнитным устройством, связанным с источником сжатого воздуха, закреплена на диске крепления плунжера.

Система управления 26 клапанными электромагнитными устройствами 21, 25 содержит последовательно соединенные преобразователь перемещения 28 объекта, формирователь сигнала скорости 29 защищаемого объекта, блок управления 30 силовым ключом 31, силовой ключ 31 предназначен для подключения обмотки клапанного электромагнитного устройства 21, 25 к источнику питания 32, и размещена снаружи соответствующего пневматического виброизолятора или телескопического направляющего устройства.

Виброизолирующее устройство работает следующим образом.

В исходном положении защищаемый объект удерживается в равновесии за счет усилия, развиваемого при давлении воздуха внутри резинокордной оболочки сжатия 5 для противодействия силе тяжести защищаемого объекта, т. к. в резинокордных оболочках растяжения 14, находящихся в разгруженном состоянии при открытых клапанных электромагнитных устройствах 25 под давлением , длине , диаметре и угле наклона нитей корда, дополнительные усилия не создаются.

Затем резинокордные оболочки растяжения 14 приводятся из исходного состояния в рабочее состояние под давлением сжатого воздуха, подаваемого из источника сжатого воздуха 27 во внутреннюю полость резинокордной оболочки 14, и при значениях давления достигают определенной длины , диаметра и угла наклона нитей корда. Клапанные электромагнитные устройства 25 закрываются. В резинокордных оболочках растяжения 14, в отличие от резинокордных оболочек сжатия, создается дополнительная к весу объекта осевая распирающая сила [Корнеев С.А., Соколовский З. Н., Русских Г. С. и др. Учет влияния растяжимости нитей корда на расчетные параметры резинокордных оболочек / Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2012. - № 3. С. 75], приводящая к сближению торцов резинокордной оболочки растяжения.

Далее давление сжатого воздуха в резинокордной оболочке сжатия 5 устанавливается так, чтобы создать усилие, превышающее исходное, для приведения защищаемого объекта в требуемое положение, с учетом осевых составляющих сил, созданных резинокордными оболочками растяжения 14.

Под действием установленной нагрузки резинокордные оболочки 14 дополнительно растягиваются, длина каждой из них увеличивается до размера

, диаметр уменьшается до , угол расположения нитей корда уменьшается до . Уменьшение установленной нагрузки приводит к обратимым изменениям указанных величин.

Таким образом, система вновь приведена в состояние равновесия при действующих силах: весе защищаемого объекта, силах натяжения резинокордных оболочек растяжения 14 и противодействующему им усилию, развиваемому в резинокордной оболочке сжатия 5 под действием избыточного давления воздуха. При наличии избыточного давления воздуха и/или растяжении резинокордных оболочек 14 под действием внешних сил происходит соосное установление корпусов 12, плунжеров 13 и резинокордных оболочек 14, без центрирующих элементов.

Виброизоляция объекта в вертикальном направлении осуществляется при относительных перемещениях наружного 3 и внутреннего 4 стаканов направляющего устройства 2 и перекатывании резинокордной оболочки 5 в зазоре между ними, а также изменениях состояния упругого элемента вследствие деформации резинокордных оболочек 14 в результате изменения длины, диаметра и угла расположения нитей корда.

При ходе сжатия объем резинокордной оболочки 5 уменьшается, давление воздуха в ней возрастает и становится значительно больше, чем в дополнительной полости 23, клапанное электромагнитное устройство 21 при этом закрыто, а в резинокордных оболочках 14 давление сжатого воздуха уменьшается вследствие изменения длины, диаметра и увеличения угла расположения нитей корда, в пределе до исходных значений и других размеров, клапанное электромагнитное устройство 25 при этом закрыто. Таким образом, сила сжатия резинокордной оболочки 5 увеличивается, а силы растяжения резинокордных оболочек 14 между корпусами 12 и плунжерами 13 уменьшаются, не препятствуя сжатию резинокордной оболочки 5.

При смене режима работы с хода сжатия на ход отбоя система управления 26 клапанным электромагнитным устройством 21соединяет кратковременно полость резинокордной оболочки 22 с нижней дополнительной полостью 23, в результате давление в полостях выравнивается и снижается энергия сжатого газа в рабочей полости 22.

Одновременно клапанные электромагнитные устройства 25 открываются и соединяют кратковременно полости резинокордных оболочек 14 с источниками сжатого воздуха 27. Увеличение давления воздуха приводит к увеличению силы сопротивления ходу отбоя, клапанные электромагнитные устройства 25 закрываются.

При дальнейшем ходе отбоя объем рабочей полости 22 увеличивается, давление газа в ней становится меньше, чем в дополнительной полости 23, при этом клапанное электромагнитное устройство 21 закрыто.

Одновременно резинокордные оболочки 14 дополнительно растягиваются, длина каждой из них увеличивается, диаметр уменьшается, угол расположения нитей корда уменьшается.

В начале следующего хода сжатия клапанные электромагнитные устройства 21и 25 открываются, устройство 21соединяет кратковременно полость резинокордной оболочки 2 с нижней дополнительной полостью 23, в результате давление в полостях резинокордной оболочки 5 уменьшается, а устройство 25 соединяет кратковременно полости резинокордных оболочек 14 с атмосферой, и устройства 21и 25 закрываются, обеспечивая установление избыточного давления в полостях резинокордных оболочек 14, соответствующего исходному положению объекта. Таким образом, при каждом кратковременном изменении давления в полостях резинокордных оболочек 5 и 14 посредством клапанных электромагнитных устройств 21 и 25 происходит пневматическое демпфирование.

«Поскольку резинокордный материал обладает гистерезисными свойствами, амортизатор имеет большую величину демпфирования» [А. с. 1100441 СССР, МПК F16 F 9/04. Пневматический амортизатор растяжения / М.Л. Пиновский, Г.А. Колоколов, А.И. Хомяков, М.В. Муштайкина. - 2276072/18-28; Заявл. 07.09.79; Опубл. 30.06.84, Бюл. № 24, С. 2, предпоследний абзац описания], при растяжении происходит значительное увеличение демпфирующих свойств резинокордных оболочек 14 упругого элемента 1 по сравнению с резинокордной оболочкой сжатия 5. Это подтверждается расчетными формулами для определения усилий, развиваемых посредством резинокордными оболочками.

Усилие, развиваемое посредством резинокордной оболочки сжатия, определяется по формуле [Корнеев С.А., Корнеев В.С., Зубарев А.В. и др. Основы технической теории пневматических амортизаторов : монография / Минобрнауки России, ОмГТУ. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2016. - 148 с. 25]:

где - вес защищаемого объекта, - усилие, развиваемое резинокордной оболочкой сжатия против силы тяжести защищаемого объекта, - абсолютное давление сжатого воздуха в резинокордной оболочке 5, - атмосферное давление воздуха - эффективная площадь резинокордной оболочки 5, определяемая из условий [Корнеев С.А., Корнеев В.С., Зубарев А.В. и др. Основы технической теории пневматических амортизаторов : монография / Минобрнауки России, ОмГТУ. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2016. - 148 с., с. 29]:

где и - диаметры наружного и внутреннего стаканов пневматического виброизолятора (например, телескопического направляющего устройства 2), из которых определяется радиус эффективной площади резинокордной оболочки сжатия;

Усилие, развиваемое посредством резинокордной оболочки растяжения, определяется по формуле [Корнеев С.А., Соколовский З. Н., Русских Г. С. и др. Учет влияния растяжимости нитей корда на расчетные параметры резинокордных оболочек / Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2012. - № 3. с. 75]:

При равенстве радиуса эффективной площади резинокордной оболочки сжатия и радиуса резинокордной оболочки растяжения и, с учетом незначительного изменения радиуса резинокордной оболочки по сравнению с изменением квадрата тангенса угла наклона нитей корда (формула 3) в диапазоне 0°-54° [А. с. 1100441 СССР, МПК F16 F 9/04. Пневматический амортизатор растяжения / М.Л. Пиновский, Г.А. Колоколов, А.И. Хомяков, М.В. Муштайкина. - 2276072/18-28; Заявл. 07.09.79; Опубл. 30.06.84, Бюл. № 24, С. 1], развиваемые оболочками усилия соотносятся как

В процессе перемещений защищаемого объекта в любом направлении по горизонту происходит поворот кегли и обкатка ее тарельчатых поверхностей, т. е. перекатывание скругленных днищ наружного 3 и внутреннего 4 стаканов направляющего устройства 2 по опорным плитам 10, а также упругая деформация резинокордных оболочек упругого элемента 1 и направляющего устройства 2. Одновременно цилиндрический ползун 9 скользит относительно осевого канала 8 и разворачивается на шарнире, осуществляя кинематическую фиксацию днища и предотвращая смещение его относительно опорной плиты 10. Возникающие при работе системы боковые нагрузки передаются через шарнирные соединения виброизоляторов упругого элемента 1 и, в значительно меньшей степени, телескопического направляющего устройства 2 на опорную плиту 10. При этом наличие горизонтальной площадки 11 на днищах наружного 3 и внутреннего 4 стаканов обеспечивает ступень горизонтальной силовой характеристики, которая позволяет обеспечить устойчивость положения защищаемого объекта при действии горизонтальных возбуждающих сил, вызванных работой динамически неуравновешенного оборудования, размещенного на защищаемом объекте, или другими причинами. Резиновые буферы 19 короткоходовой виброизоляции дополнительно снижают уровень нагрузок, действующих в горизонтальной плоскости.

Возврат защищаемого объекта в исходное положение по горизонту осуществляется как за счет горизонтальной составляющей продольного (осевого) усилия виброизолирующего устройства, возникающей при его наклоне из-за взаимного смещения центров радиусов R (фиг.1) наружного 3 и внутреннего 4 стаканов направляющего устройства 2, так и за счет, в основном, сил упругой деформации резинокордных оболочек 14 упругого элемента 1, обеспечивающих приведение телескопического направляющего устройства 2 в строго вертикальное положение. Возникающий при этом момент сил воспринимается центрирующим действием роликов 6 и 7 телескопического направляющего устройства 2 и виброизоляторов упругого элемента 1.

Таким образом, предлагаемое виброизолирующее устройство обеспечивает кратное повышение демпфирующих свойств за счет более высоких гистерезисных свойств резинокордных оболочек растяжения по сравнению с резинокордными оболочками сжатия и, что необходимо особо отметить, за счет осуществления демпфирования в резинокордных оболочках растяжения как в неподвижных положениях системы (при смене направления движения защищаемого объекта), так и при движении системы; также обеспечивает уменьшение вибропроводимости за счет ее устранения в пневматических виброизоляторах упругого элемента виброизолирующего устройства и уменьшение возможности ее возникновения за счет исключения центрирующих элементов и одновременного конструктивного упрощения виброизоляторов упругого элемента, в том числе за счет шарнирного крепления фланцев пневматических виброизоляторов упругого элемента к защищаемому объекту в месте расположения верхней опорной плиты виброизолирующего устройства; поддержание вертикального положения защищаемого объекта при действии горизонтальных возбуждающих сил и восстановление положения защищаемого объекта по горизонту с требуемыми горизонтальными перегрузками и возможность управления упругодемпфирующими характеристиками при воздействии любых внешних сил переменной частоты и амплитуды;

Уменьшение вибропроводимости, достигаемое в предложенном устройстве, позволяет повысить качество виброизоляции защищаемого объекта.

Размещение преобразователя перемещения каждой системы управления клапанным электромагнитным устройством пневматического виброизолятора упругого элемента и самой системы управления снаружи соответствующего пневматического виброизолятора обеспечивает резкое уменьшение влияния на их работу термодинамических процессов внутри соответствующего пневматического виброизолятора и повышение надежности устройства.