RU2411404C1

RU2411404C1 - Controlled device for oscillation damping

Info

Publication number: RU2411404C1
Application number: RU2009137259/11A
Authority: RU
Inventors: Елена Юльевна Крамаренко (RU); Елена Юльевна Крамаренко; Алексей Ремович Хохлов (RU); Алексей Ремович Хохлов; Геннадий Владимирович Степанов (RU); Геннадий Владимирович Степанов; Андрей Викторович Викуленков (RU); Андрей Викторович Викуленков; Дмитрий Александрович Сельков (RU); Дмитрий Александрович Сельков; Евгений Сергеевич Успенский (RU); Евгений Сергеевич Успенский; Алексей Геннадьевич Подволоцкий (RU); Алексей Геннадьевич Подволоцкий; Александр Викторович Чертович (RU); Александр Викторович Чертович
Priority date: 2009-10-09
Filing date: 2009-10-09
Publication date: 2011-02-10

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: solenoid 3 is rigidly fixed in case 1 of device; flexible element 7 is positioned inside solenoid; element 7 corresponds to rod out of magnet-rheological elastic material. Case 1 fixes end 8 of flexible element 7 in lengthwise direction, also it facilitates projection of end 9 of flexible element 7 outside or end 9 can project from case 1. Elements 10, 11 are arranged on ends 8 and 9 of flexible element 7 for its fastening.

EFFECT: compact device possessing high concentration of controlling magnetic field, stability of stiffness change with minimal duration of transitional processes and wide range of dynamic parametres changes ensuring efficient control of object oscillations.

14 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения, а конкретно - к управляемым устройствам для гашения колебаний:The invention relates to the field of mechanical engineering, and specifically to controlled devices for damping oscillations:

- низкочастотных элементов конструкции космических аппаратов (панели солнечных батарей, элементы антенн телескопов, штанг магнетометров и др. выносных элементов);- low-frequency structural elements of spacecraft (solar panels, elements of antennas of telescopes, rods of magnetometers and other remote elements);

- высокопрецизионных элементов полезных нагрузок и конструкций космических аппаратов,- high-precision elements of payloads and designs of spacecraft,

а также может использоваться для обеспечения условий микрогравитации для технологических орбитальных модулей и в автоматизированных системах стабилизации положения машин и механизмов различного назначения.and can also be used to provide microgravity conditions for technological orbital modules and in automated systems for stabilizing the position of machines and mechanisms for various purposes.

Известно управляемое опорное устройство, содержащее магнитоизолирующий цилиндр, внутри которого установлен неподвижный постоянный магнит с заделанным в него соленоидом и с расположенным внутри полости соленоида упругим элементом из магнитореологического материала. В верхней части корпуса установлен шток, прижатый пружиной предварительного обжатия к упругому элементу. Большая несущая способность и высокая жесткость обеспечиваются работой эластомера на объемное сжатие (CN 101251164 А, МПК F16F 9/30 (2006/01), 2008).A controllable support device is known comprising a magnetically insulating cylinder, inside of which a fixed permanent magnet is mounted with a solenoid embedded in it and with an elastic element made of magnetorheological material located inside the solenoid cavity. A rod is installed in the upper part of the body, pressed by the preliminary compression spring to the elastic element. Large bearing capacity and high rigidity are ensured by the operation of the elastomer for volume compression (CN 101251164 A, IPC F16F 9/30 (2006/01), 2008).

За счет подачи на соленоид напряжения различной силы тока изменяется жесткость упругого элемента, что позволяет при подключении известного устройства к системе управления обеспечить управляемое гашение колебаний внешнего устройства. Однако известное устройство ввиду работы управляемого упругого элемента только на сжатие и в условиях больших нагружений не позволяет обеспечить относительное перемещение опорной точки относительно основания в диапазоне в пределах от 0,1 нм до 10 мм, поскольку перемещения ограничены зазорами между сопрягаемыми поверхностями. По этим причинам известное устройство не может работать в двух направлениях, то есть в режиме растяжения-сжатия. Также отсутствует возможность управления устройством по демпфированию. Таким образом, известное устройство нельзя использовать для эффективного гашения колебаний низкочастотных элементов конструкции космических аппаратов, высокопрецизионных элементов полезных нагрузок и конструкций космических аппаратов в определенных направлениях, тем более что этого не допускают конструктивные особенности деталей, отличающихся достаточной громоздкостью в сравнении с размерами упругого элемента из магнитореологического материала, а соответственно и его мощностью.Due to the supply of a voltage of different current strength to the solenoid, the stiffness of the elastic element changes, which allows connecting a known device to the control system to provide controlled damping of oscillations of an external device. However, the known device, due to the operation of the controlled elastic element only in compression and under high loads, does not allow for relative movement of the reference point relative to the base in the range from 0.1 nm to 10 mm, since the movements are limited by the gaps between the mating surfaces. For these reasons, the known device cannot operate in two directions, that is, in the tension-compression mode. There is also no way to control the damping device. Thus, the known device cannot be used to effectively damp the vibrations of low-frequency structural elements of spacecraft, high-precision elements of payloads and spacecraft structures in certain directions, moreover, this is not allowed by structural features of parts that are quite bulky in comparison with the dimensions of an elastic element from magnetorheological material, and, accordingly, its power.

Технический результат, обеспечиваемый настоящим изобретением, заключается в обеспечении управляемым устройством гашения колебаний, построенным на основе упругого элемента из магнитореологического упругого материала и отличающимся компактностью, большой концентрацией управляющего магнитного поля, стабильного по заданным параметрам изменения жесткости и демпфирования по одной оси в режиме растяжения-сжатия с минимальным временем переходных процессов, и большим диапазоном изменения динамических параметров, что позволяет эффективно управлять колебаниями какого-либо объекта, положение которого зафиксировано выполненными в соответствии с изобретением управляемыми устройствами гашения колебаний по одному, двум или более направлениям. При серийном производстве выполненных согласно изобретению управляемых устройств гашения колебаний их параметры будут различаться незначительно в допустимых пределах.The technical result provided by the present invention is to provide a controlled vibration damping device, built on the basis of an elastic element made of magnetorheological elastic material and characterized by compactness, a high concentration of the control magnetic field, stable in accordance with the set parameters of stiffness and damping along one axis in the tension-compression mode with a minimum transient time, and a large range of dynamic parameters, which allows efficient o control the vibrations of an object whose position is fixed by controlled oscillation damping devices made in accordance with the invention in one, two or more directions. In the mass production of controlled oscillation damping devices made according to the invention, their parameters will vary slightly within acceptable limits.

Достижение технического результата обеспечивает управляемое устройство гашения колебаний, которое содержит корпус с жестко закрепленным в нем соленоидом и расположенным внутри соленоида упругим элементом, выполненным в виде стержня из магнитореологического упругого материала. Корпус выполнен с возможностью фиксации положения в продольном направлении одного конца упругого элемента, а также с возможностью выхода наружу второго конца упругого элемента или расположения этого конца упругого элемента с выступанием из корпуса. На концах упругого элемента расположены элементы для его закрепления.Achieving the technical result provides a controlled vibration damping device, which contains a housing with a solenoid rigidly fixed in it and an elastic element located inside the solenoid, made in the form of a rod of magnetorheological elastic material. The housing is made with the possibility of fixing the position in the longitudinal direction of one end of the elastic element, and also with the possibility of the outside of the second end of the elastic element or the location of this end of the elastic element with the protrusion from the housing. At the ends of the elastic element are elements for securing it.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения упругий элемент выполнен из композиционного материала, включающего в качестве наполнителя частицы из магнитомягкого материала, заключенные в матрицу из полимерного материала, полимеризованного при наложении электромагнитного поля с ориентацией линий электромагнитного поля в продольном направлении упругого элемента. Такое выполнение упругого элемента позволяет значительно уменьшить разброс значений жесткости упругого элемента, в том числе значений жесткости при определенных величинах напряженности электромагнитного поля.In a preferred embodiment of the invention, the elastic element is made of a composite material comprising, as filler, particles of soft magnetic material enclosed in a matrix of a polymeric material polymerized by applying an electromagnetic field with the orientation of the lines of the electromagnetic field in the longitudinal direction of the elastic element. This embodiment of the elastic element can significantly reduce the scatter of the stiffness of the elastic element, including stiffness values at certain values of the electromagnetic field strength.

В наилучшем варианте выполнения изобретения элементы для закрепления упругого элемента выполнены в виде закладных деталей.In the best embodiment of the invention, the elements for fixing the elastic element are made in the form of embedded parts.

Закладные детали могут быть выполнены как из магнитомягкого материала, так и с постоянной намагниченностью. Последнее - с целью увеличения диапазона значений изменяемой упругости магнитореологического материала. Предпочтительно выполнение закладных деталей в виде втулок с осевыми резьбовыми отверстиями.Embedded parts can be made of soft magnetic material, as well as with permanent magnetization. The latter is aimed at increasing the range of values of variable elasticity of magnetorheological material. The implementation of embedded parts in the form of bushings with axial threaded holes.

Корпус в предпочтительном варианте осуществления изобретения выполнен из магнитомягкого материала.The housing in a preferred embodiment of the invention is made of soft magnetic material.

Корпус может быть выполнен в виде стакана с крышкой, при этом в крышке выполняется осевое отверстие, сопряженное с элементом крепления на конце упругого элемента, а в дне стакана выполняется осевое отверстие для прохождения конца упругого элемента.The housing can be made in the form of a glass with a lid, while an axial hole is made in the lid associated with the fastening element at the end of the elastic element, and an axial hole is made in the bottom of the glass for passing the end of the elastic element.

Соленоид предпочтительно выполнять с катушкой из немагнитного материала с гладкой внутренней цилиндрической боковой поверхностью полости для расположения упругого элемента, который в этом случае имеет круглое поперечное сечение.The solenoid is preferably performed with a coil of non-magnetic material with a smooth inner cylindrical side surface of the cavity for the location of the elastic element, which in this case has a circular cross section.

В предпочтительном варианте выполнения изобретения управляемое устройство гашения колебаний снабжено направляющим стаканом, в полости которого расположен второй конец упругого элемента, причем край направляющего стакана расположен внутри корпуса. Направляющий стакан предпочтительно изготавливать из немагнитного материала.In a preferred embodiment, the controllable damping device is provided with a guide cup, in the cavity of which a second end of the elastic element is located, the edge of the guide cup being located inside the housing. The guide cup is preferably made of non-magnetic material.

Возможно выполнение упругого элемента из набора последовательно расположенных по оси секций, между которыми расположены разделители, соединенные со смежными им секциями. Разделители предпочтительно изготавливать из магнитомягкого материала. Разделители могут быть выполнены плоскими или коническими.It is possible to perform an elastic element from a set of sections sequentially arranged along the axis, between which separators are located, connected to sections adjacent to them. Separators are preferably made of soft magnetic material. Separators can be made flat or conical.

Возможность осуществления изобретения иллюстрируется примером конкретного выполнения управляемого устройства гашения колебаний, продольный разрез которого представлен на фиг.1.The possibility of carrying out the invention is illustrated by an example of a specific implementation of a controlled oscillation damping device, a longitudinal section of which is presented in figure 1.

Корпус 1 выполнен из магнитомягкого материала в виде цилиндрического стакана с круглой крышкой 2. Внутри корпуса 1 жестко закреплен соленоид 3, расположенный на катушке 4, изготовленной из немагнитного материала. Внутренняя боковая поверхность 5 полости 6 катушки 4 имеет гладкую цилиндрическую форму, а внутри нее расположен с зазором упругий элемент 7, выполненный из магнитореологического упругого материала в виде стержня круглого поперечного сечения.The housing 1 is made of soft magnetic material in the form of a cylindrical glass with a round lid 2. Inside the housing 1, a solenoid 3 located on a coil 4 made of non-magnetic material is rigidly fixed. The inner side surface 5 of the cavity 6 of the coil 4 has a smooth cylindrical shape, and an elastic element 7 made of magnetorheological elastic material in the form of a rod of circular cross section is located with a gap inside it.

На концах 8 и 9 упругого элемента 7 расположены элементы 10, 11 для его закрепления в виде закладных деталей, представляющих собой изготовленные из магнитомягкого материала или с постоянной намагниченностью втулки с осевыми резьбовыми отверстиями 12, в которые ввернуты винты 13, 14, обеспечивающие крепление управляемого устройства гашения колебаний на элементах 15, управление относительными колебаниями которых осуществляется с помощью этого устройства. При этом в крышке 2 выполнено осевое отверстие 16, которое совмещено с отверстием 17 в торце 18 катушки 4, и через оба этих отверстия проходит винт 13. Таким образом, обеспечивается фиксация положения корпуса 1 в продольном направлении относительно конца 8 упругого элемента 7. При этом в дне стакана корпуса 1 выполнено осевое отверстие 19, через которое проходит конец 9 упругого элемента 7. Конец 9 упругого элемента 7 может не выступать из корпуса 1, что может быть обусловлено конфигурацией сопрягаемого с ним элемента 15. Конструкция, в которой установлены выполненные в соответствии с настоящим изобретением управляемые устройства гашения колебаний, может предусматривать наличие ограничителей, предотвращающих недопустимое относительное смещение концов 8 и 9 упругого элемента 7, которое может вызвать разрушение упругого элемента 7 при недопустимом растяжении или деформацию корпуса 1 при чрезмерном сжатии.At the ends 8 and 9 of the elastic element 7, there are elements 10, 11 for fixing it in the form of embedded parts, which are made of soft magnetic material or with permanent magnetization of the sleeve with axial threaded holes 12, into which screws 13, 14 are screwed, which provide fastening of the controlled device damping vibrations on the elements 15, the control of relative vibrations of which is carried out using this device. In this case, an axial hole 16 is made in the cover 2, which is aligned with the hole 17 in the end face 18 of the coil 4, and a screw 13 passes through both of these holes. This ensures that the position of the housing 1 in the longitudinal direction relative to the end 8 of the elastic element 7 is secured. an axial hole 19 is made in the bottom of the cup of the housing 1, through which the end 9 of the elastic element 7 passes. The end 9 of the elastic element 7 may not protrude from the housing 1, which may be due to the configuration of the element mating with it 15. The design in which us made in accordance with the present invention controlled oscillation damping device may provide presence limiters preventing unacceptable relative displacement ends 8 and 9 of the elastic element 7, which can cause destruction of the elastic member 7 when unacceptable stretching or deformation of the housing 1 in the excessive compression.

При возникновении колебательного процесса упругий элемент 7 начинает совершать колебания вдоль своей оси. При подаче электрического тока на соленоид 3 вырабатывается электромагнитное поле, которое воздействует на вязкоупругие свойства упругого элемента 7, в результате чего изменяются параметры колебательной системы. За счет изменения силы тока в обмотках соленоида 3 возможно управление параметрами колебательной системы.When an oscillatory process occurs, the elastic element 7 begins to oscillate along its axis. When applying electric current to the solenoid 3, an electromagnetic field is generated that affects the viscoelastic properties of the elastic element 7, as a result of which the parameters of the oscillatory system change. By changing the current strength in the windings of the solenoid 3, it is possible to control the parameters of the oscillatory system.

Упругий элемент 7 изготавливается из упругого магнитореологического композиционного материала, включающего в качестве наполнителя частицы из магнитомягкого материала, заключенные в матрицу из полимерного материала. Конкретные магнитомягкие и полимерные материалы, с использованием которых получают упругие магнитореологические материалы, хорошо известны специалистам, как и технологии их получения. Изобретение допускает возможность изготовления упругого элемента с наложением при полимеризации матрицы электромагнитного поля, что позволяет, как отмечено выше, повысить характеристики выполненного согласно изобретению устройства.The elastic element 7 is made of an elastic magnetorheological composite material, comprising as a filler particles of magnetically soft material enclosed in a matrix of a polymeric material. The specific soft magnetic and polymeric materials with which elastic magnetorheological materials are obtained are well known to specialists, as are the technologies for their preparation. The invention allows the possibility of manufacturing an elastic element with the application of an electromagnetic field matrix during polymerization, which allows, as noted above, to increase the characteristics of the device made according to the invention.

На фиг.2 показан вариант выполнения управляемого устройства гашения колебаний, которое имеет направляющий стакан 20, в полости которого расположен конец 21 упругого элемента 22. Край 23 направляющего стакана 20 расположен внутри корпуса 24. Направляющий стакан 20 предпочтительно изготавливать из немагнитного материала, в частности из бронзы или из латуни, которые позволяют обеспечить минимальное трение с внутренней цилиндрической поверхностью 25 катушки 26 соленоида 27.Figure 2 shows an embodiment of a controlled vibration damping device, which has a guide cup 20, in the cavity of which the end 21 of the elastic element 22 is located. The edge 23 of the guide cup 20 is located inside the housing 24. The guide cup 20 is preferably made of non-magnetic material, in particular bronze or brass, which allow for minimal friction with the inner cylindrical surface 25 of the coil 26 of the solenoid 27.

На фиг.3 показан вариант выполнения управляемого устройства гашения колебаний, у которого упругий элемент 28 выполнен из набора последовательно расположенных по оси секций 29, между которыми расположены разделители 30, соединенные со смежными им секциями 29. Разделители 30 изготовлены из магнитомягкого материала. В показанном на фиг.3 варианте разделители 30 выполнены плоскими в виде шайб. В показанном на фиг.4 варианте разделители 31 выполнены коническими в форме тарельчатых пружин. Выполнение упругого элемента 28, 32 с разделителями 30, 31 позволяет добиться большей осевой устойчивости упругого элемента 28, 32, обеспечивается стабилизация его поперечного размера. Изготавливаться упругие элементы 28, 32 могут при проведении вулканизации при установленных разделителях 30, 31. Выполнение разделителей 31 коническими позволяет повысить надежность соединения секций 33 с разделителями 31 по причине увеличения площадей сопряжения разделителей 31 с секциями 33.Figure 3 shows an embodiment of a controlled vibration damping device, in which the elastic element 28 is made of a set of sections 29 arranged in series along the axis, between which there are spacers 30 connected to adjacent sections 29. The spacers 30 are made of soft magnetic material. In the embodiment shown in FIG. 3, the dividers 30 are flat in the form of washers. In the embodiment shown in FIG. 4, the dividers 31 are conical in the shape of cup springs. The execution of the elastic element 28, 32 with dividers 30, 31 allows to achieve greater axial stability of the elastic element 28, 32, provides stabilization of its transverse size. Elastic elements 28, 32 can be made during vulcanization with installed dividers 30, 31. The design of the dividers 31 conical allows to increase the reliability of the connection of sections 33 with dividers 31 due to the increase in the area of contact between the dividers 31 and sections 33.

Claims

1. Управляемое устройство гашения колебаний, содержащее корпус с жестко закрепленным в нем соленоидом и расположенным внутри соленоида упругим элементом, выполненным в виде стержня из магнитореологического упругого материала, корпус выполнен с возможностью фиксации положения в продольном направлении одного конца упругого элемента, а также с возможностью выхода наружу второго конца упругого элемента или расположения этого конца упругого элемента с выступанием из корпуса, при этом на концах упругого элемента расположены элементы для его закрепления.1. A controlled vibration damping device, comprising a housing with a solenoid rigidly fixed in it and an elastic element located inside the solenoid, made in the form of a rod of magnetorheological elastic material, the housing is made with the possibility of fixing the position in the longitudinal direction of one end of the elastic element, and also with the possibility of exit outward of the second end of the elastic element or the location of this end of the elastic element with a protrusion from the body, while at the ends of the elastic element there are elements for e go consolidation.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упругий элемент выполнен из композиционного материала, включающего в качестве наполнителя частицы из магнитомягкого материала, заключенные в матрицу из полимерного материала, полимеризованного при наложении электромагнитного поля с ориентацией линий электромагнитного поля в продольном направлении упругого элемента.2. The device according to claim 1, characterized in that the elastic element is made of composite material, comprising as filler particles of soft magnetic material, enclosed in a matrix of a polymeric material polymerized by applying an electromagnetic field with the orientation of the lines of the electromagnetic field in the longitudinal direction of the elastic element .

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что элементы для закрепления упругого элемента выполнены в виде закладных деталей.3. The device according to claim 1, characterized in that the elements for fixing the elastic element are made in the form of embedded parts.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что закладные детали выполнены из магнитомягкого материала или с постоянной намагниченностью.4. The device according to claim 3, characterized in that the embedded parts are made of soft magnetic material or with constant magnetization.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что закладные детали выполнены в виде втулок с осевыми резьбовыми отверстиями.5. The device according to claim 3, characterized in that the embedded parts are made in the form of bushings with axial threaded holes.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус выполнен из магнитомягкого материала.6. The device according to claim 1, characterized in that the casing is made of soft magnetic material.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус выполнен в виде стакана с крышкой, при этом в крышке выполнено осевое отверстие, сопряженное с элементом крепления на конце упругого элемента, а в дне стакана выполнено осевое отверстие для прохождения конца упругого элемента.7. The device according to claim 1, characterized in that the housing is made in the form of a glass with a lid, while in the lid an axial hole is made associated with the fastening element at the end of the elastic element, and in the bottom of the glass there is an axial hole for passing the end of the elastic element.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что соленоид выполнен с катушкой из немагнитного материала с гладкой внутренней цилиндрической боковой поверхностью полости для расположения упругого элемента, который выполнен с круглым поперечным сечением.8. The device according to claim 1, characterized in that the solenoid is made with a coil of non-magnetic material with a smooth inner cylindrical side surface of the cavity for the location of the elastic element, which is made with a circular cross section.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено направляющим стаканом, в полости которого расположен второй конец упругого элемента, причем край направляющего стакана расположен внутри корпуса.9. The device according to claim 1, characterized in that it is equipped with a guide cup, in the cavity of which is located the second end of the elastic element, the edge of the guide cup is located inside the housing.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что направляющий стакан изготовлен из немагнитного материала.10. The device according to claim 9, characterized in that the guide cup is made of non-magnetic material.

11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упругий элемент выполнен из набора последовательно расположенных по оси секций, между которыми расположены разделители, соединенные со смежными им секциями.11. The device according to claim 1, characterized in that the elastic element is made of a set of sections arranged in series along the axis, between which separators are located, connected to adjacent sections.

12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что разделители изготовлены из магнитомягкого материала.12. The device according to claim 11, characterized in that the separators are made of soft magnetic material.

13. Устройство по п.11, отличающееся тем, что разделители выполнены плоскими.13. The device according to claim 11, characterized in that the dividers are made flat.

14. Устройство по п.11, отличающееся тем, что разделители выполнены коническими. 14. The device according to claim 11, characterized in that the dividers are made conical.