RU2412388C2

RU2412388C2 - Procedure for damping mechanical oscillations and device for its implementation

Info

Publication number: RU2412388C2
Application number: RU2009111918/11A
Authority: RU
Inventors: Борис Александрович Калашников (RU); Борис Александрович Калашников; Наталья Николаевна Рассказова (RU); Наталья Николаевна Рассказова
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2011-02-20
Also published as: RU2009111918A

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: device for damping mechanical oscillations consists of chamber, of flexible shell installed in chamber and forming pressure tight cavity. A cartridge with slots is installed inside this cavity by means of flanges. By means of pipelines and via an electric valve outside the chamber the pressure tight cavity of the shell is alternately connected to a source of compressed air and to atmosphere via an exhaust branch. A sensor of relative transfers is coupled with input of a control block of the electric valve, outputs of which are connected to winding of movable coils and electric valve. The chamber contains the flexible element and a slotted spring secured on rods and positioned with a little gap between the flexible element and the flexible shell. The procedure for damping mechanical oscillations consists in power and weight transfer between a deformed and an accumulating element by means of discrete commutation of flexible elements.

EFFECT: raised efficiency of oscillation damping in resonance zone.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, а именно к средствам для гашения механических колебаний различного рода объектов, возникающих в транспортных средствах, различного рода машинах и аппаратах.The invention relates to mechanical engineering, and in particular to means for damping mechanical vibrations of various kinds of objects that occur in vehicles, various kinds of machines and apparatuses.

Известен способ гашения механических колебаний, заключающийся в том, что при определенной частоте возмущающего воздействия производят изменение жесткости упругих связей, соединяющих защищаемый объект с основанием [Елисеев С.В. Структурная теория виброзащитных систем. - Новосибирск: Наука, 1978, с.206].A known method of damping mechanical vibrations, which consists in the fact that at a certain frequency of the disturbing effect, the stiffness of the elastic bonds connecting the protected object to the base is changed [S. Eliseev. Structural theory of vibration protection systems. - Novosibirsk: Nauka, 1978, p.206].

Устройство для осуществления этого способа содержит двухкамерный пневмоцилиндр, перепускной электроклапан и цепь управления [АС №623759, кл. B60G 11/26, 1978].A device for implementing this method contains a two-chamber pneumatic cylinder, a bypass solenoid valve and a control circuit [AS No. 623759, class. B60G 11/26, 1978].

Известен также способ гашения механических колебаний, заключающийся в том, что за счет разъединения камер пневмоподвески создают разность химических потенциалов находящихся в них газов, а при последующем соединении этих камер и смешивании газов осуществляют диссипацию энергии колебаний объекта [Емельянов С.В. Системы автоматического управления с переменной структурой. - М.: Наука, 1967, с.48].There is also a method of damping mechanical vibrations, which consists in the fact that by separating the air suspension chambers, they create the difference of the chemical potentials of the gases contained in them, and upon subsequent connection of these chambers and mixing of the gases, the vibration energy of the object is dissipated [Emelyanov S.V. Variable structure automatic control systems. - M .: Nauka, 1967, p. 48].

Известен амортизатор, содержащий упругий элемент, основание, размещенное на упругом элементе, датчик скорости, закрепленный на подвижном основании, релейный элемент и затвор, который жестко связан с перегородкой и основанием и подключен через релейный элемент к датчику скорости, а упругий элемент разделен перегородкой на две равные по жесткости части [АС №621916, кл. F16F 9/06, 1978].Known shock absorber containing an elastic element, a base placed on an elastic element, a speed sensor mounted on a movable base, a relay element and a shutter, which is rigidly connected to the partition and the base and connected through the relay element to the speed sensor, and the elastic element is divided by a partition into two equal parts in rigidity [AC No. 621916, class. F16F 9/06, 1978].

Известно также устройство для гашения колебаний объекта, состоящее из двухкамерного пневматического амортизатора с перепускным электроклапаном, датчика ускорений, установленного на объекте, и блока управления жесткостью амортизатора, который включает в себя фильтр низких частот, подключенный к выходу датчика ускорения, апериодические звенья, соединенные последовательно с фильтром низких частот, усилитель мощности, реле и сумматор, ко входу которого через соответствующее реле подключены выходы соответствующего апериодического звена, а к выходу через усилитель мощности - обмотка электроклапана амортизатора. Путем изменения жесткости пневмоэлемента, осуществляемого при каждой смене знака произведения скорости объекта на его перемещение, создается появление демпфирующих сил и диссипация энергии колебаний. Диссипация энергии колебаний происходит в крайних положениях объекта за счет созданной в течение четверти периода колебаний (при движении объекта от положения статического равновесия) разности химических потенциалов газов, под действием которой происходят необратимые термодинамические процессы перетекания и смешивания газов полостей [АС №568770, кл. F16F 9/50, 1977].There is also known a device for damping object vibrations, consisting of a two-chamber pneumatic shock absorber with a bypass solenoid valve, an acceleration sensor installed on the object, and a shock absorber stiffness control unit, which includes a low-pass filter connected to the output of the acceleration sensor, aperiodic links connected in series with low-pass filter, power amplifier, relay and adder, to the input of which, through the corresponding relay, the outputs of the corresponding aperiodic link are connected And to the output through the power amplifier - the shock absorber solenoid coil. By changing the stiffness of the pneumatic element, carried out with each change of sign of the product of the object’s speed by its movement, the appearance of damping forces and the dissipation of vibrational energy are created. The dissipation of vibrational energy occurs in the extreme positions of the object due to the difference in the chemical potentials of the gases created during the quarter-period of the oscillations (when the object moves from the position of static equilibrium), under the influence of which irreversible thermodynamic processes of flowing and mixing of the gases of the cavities occur [AS No. 56870, cl. F16F 9/50, 1977].

Наиболее близким к предложенной конструкции устройства гашения механических колебаний по технической сущности и достигаемому результату является устройство для гашения механических колебаний, содержащее разделенную перегородкой двухкамерную пневмоподвеску, датчики давления и температуры, блок управления, перепускной клапан, выполненный в виде обоймы, закрепленных по ее торцам дисков с окнами и соединенной посредством фланцев с дисками упругой оболочки, сообщаемой через электроклапан поочередно с источником сжатого воздуха и атмосферой посредством канала для прохода газа, образуемого окнами дисков совместно с внутренней поверхностью обоймы и наружной поверхностью упругой оболочки [АС №1017858, кл. F16F 15/03, F16F 9/02, 1983].Closest to the proposed design of a device for damping mechanical vibrations in technical essence and the achieved result is a device for damping mechanical vibrations, containing a two-chamber air suspension divided by a partition, pressure and temperature sensors, a control unit, an overflow valve, made in the form of a cage, mounted on its ends of the disks with windows and connected by means of flanges with disks of an elastic shell communicating through an electrovalve alternately with a source of compressed air and atmosphere feroy channel through the gas passage formed windows discs together with the inner surface of the cage and the outer surface of the elastic membrane [AC №1017858, Cl. F16F 15/03, F16F 9/02, 1983].

Недостатком известных способов и устройств является то, что они не обеспечивают нужного уровня демпфирования в резонансной зоне ввиду того, что в них не происходит массопереноса между частями связи, который сопровождается быстро затухающими колебаниями обеих частей связи.A disadvantage of the known methods and devices is that they do not provide the required level of damping in the resonance zone due to the fact that there is no mass transfer between the communication parts, which is accompanied by rapidly decaying oscillations of both parts of the communication.

Задачей предложенного изобретения является придание предельных диссипативных свойств системам амортизации, которые обеспечивали бы получение коэффициента апериодичности на уровне ψ=0,45…0,5 в резонансной зоне за счет интенсификации массопереноса между частями связи. В зарезонансной зоне целесообразно получение автоматического уменьшения неупругого сопротивления.The objective of the proposed invention is to give the limiting dissipative properties of depreciation systems, which would provide an aperiodicity coefficient of ψ = 0.45 ... 0.5 in the resonance zone due to the intensification of mass transfer between communication parts. In the resonance zone, it is advisable to automatically reduce the inelastic resistance.

Сущность технического решения достигается с помощью энерго- и массопереноса между деформируемым и аккумулирующим элементами, который происходит вследствие весьма быстрого наложения и снятия жесткой связи.The essence of the technical solution is achieved with the help of energy and mass transfer between the deformable and storage elements, which occurs as a result of a very quick application and removal of a rigid connection.

На фиг.1 изображено осуществление способа гашения колебаний, основанного на дискретной коммутации упругих элементов из твердых деформируемых тел.Figure 1 shows the implementation of a method of damping oscillations based on discrete switching of elastic elements from solid deformable bodies.

В положении статического равновесия системы (фиг.1а) на определенное сечение упругого элемента накладывается жесткая связь "К" (фиг.1б), шаг витков обеих частей элемента при этом одинаков, а отношение начальных длин аккумулирующей "L" и демпфирующей "Р" частей элемента выбирается в определенном диапазоне.In the position of static equilibrium of the system (figa), a rigid connection "K" is imposed on a certain section of the elastic element (figb), the pitch of the turns of both parts of the element is the same, and the ratio of the initial lengths of the accumulating "L" and damping "P" parts element is selected in a certain range.

В крайнем нижнем амплитудном положении системы (фиг.1в) деформируемая часть "Р" напряжена больше, чем аккумулирующая часть "L", соответственно шаг витков в части "Р" меньше, чем в "L". В этот момент выполняется снятие жесткой связи "К" (фиг.1г). В следующем за этим моментом весьма быстро протекающем процессе происходит перенос некоторой массы деформируемой части в аккумулирующую часть "L", который сопровождается столь же быстро затухающими колебаниями обеих частей связи. В конце интервала коммутации частей шаг витков упругого элемента в них становится одинаковым, но меньшим, чем в положении статического равновесия, и в этот момент на упруго-демпфирующий элемент вновь выполняется наложение дополнительной жесткой связи "К" (фиг.1д). В течение всего полупериода движения системы вверх

, включая момент нахождения объекта в исходном состоянии статического равновесия (q=0) (фиг.1е), действительное динамическое положение статического равновесия смещено вниз.In the extreme lower amplitude position of the system (Fig. 1c), the deformable part "P" is more stressed than the accumulating part "L", respectively, the pitch of the turns in part "P" is less than in "L". At this moment, the removal of the hard connection "K" is performed (Fig. 1d). In the process that follows very quickly, a certain mass of the deformable part is transferred to the accumulating part “L”, which is accompanied by equally rapidly damped oscillations of both parts of the bond. At the end of the switching interval of the parts, the pitch of the turns of the elastic element in them becomes the same, but smaller than in the position of static equilibrium, and at this moment an additional rigid connection “K” is again applied to the elastic-damping element (Fig. 1d). During the whole half-period of the system upward movement

, including the moment the object was in the initial state of static equilibrium (q = 0) (Fig. 1f), the actual dynamic position of the static equilibrium is shifted down.

В крайнем верхнем амплитудном положении системы (фиг.1ж) деформируемая часть "Р" напряжена меньше, чем аккумулирующая часть "L", соответственно шаг витков в части "Р" больше, чем в части "L". В этот момент выполняется снятие жесткой связи "К" (фиг.1з). Так же, как и при нахождении системы в крайнем нижнем амплитудном положении, происходит перенос некоторой массы аккумулирующей части "L" в деформируемую часть "Р", который также сопровождается столь же быстро затухающими колебаниями обеих частей связи. В конце интервала коммутации частей шаг витков упругого элемента в них становится одинаковым, но большим, чем в положении статического равновесия, и в этот момент на упруго-демпфирующий элемент вновь выполняется наложение дополнительной жесткой связи "К" (фиг.1и). В течение всего полупериода движения системы вниз

, включая момент нахождения объекта в исходном состоянии статического равновесия (q=0), действительное динамическое положение статического равновесия смещено вверх.In the extreme upper amplitude position of the system (Fig. 1g), the deformable part "P" is less stressed than the storage part "L", respectively, the pitch of the turns in part "P" is greater than in part "L". At this point, the removal of the hard connection "K" is performed (fig.1z). Just as when the system was in its lowest amplitude position, a certain mass of the accumulating part “L” is transferred to the deformable part “P”, which is also accompanied by equally rapidly decaying oscillations of both parts of the bond. At the end of the switching interval of the parts, the pitch of the turns of the elastic element in them becomes the same, but greater than in the position of static equilibrium, and at this moment an additional rigid connection "K" is again applied to the elastic-damping element (Fig. 1i). During the whole half-period of the system downward movement

, including the moment the object was in the initial state of static equilibrium (q = 0), the actual dynamic position of the static equilibrium is shifted up.

В случае использования в качестве рабочего тела упругих элементов газа в моменты коммутации любая сколь угодно малая часть его может перетечь из деформируемой части в аккумулирующую и наоборот, в то время как в элементах из твердых деформируемых тел переносится некоторая ограниченная часть обоих элементов. Несмотря на это различие, обусловленное физическими свойствами рабочих тел, способы осуществления их дискретной коммутации одинаковы. Общим свойством этих систем амортизации является энерго- и массоперенос между деформируемым и аккумулирующим элементами, который происходит вследствие весьма быстрого наложения и снятия жесткой связи.If elastic elements of the gas are used as a working fluid at the moments of commutation, any arbitrarily small part of it can flow from the deformable part to the accumulating part and vice versa, while some limited part of both elements is transferred from solid deformable bodies to elements. Despite this difference, due to the physical properties of the working fluid, the methods for implementing their discrete switching are the same. A common property of these depreciation systems is the energy and mass transfer between the deformable and storage elements, which occurs as a result of a very quick application and removal of a rigid connection.

Для осуществления данного способа гашения механических колебаний может использоваться следующее устройство, состоящее из камеры, установленной в ней упругой оболочки, образующей герметичную полость, внутри которой при помощи фланцев установлен стакан с прорезями, соединенную посредством трубопроводов через электроклапан, расположенный вне камеры и поочередно соединенный с источником сжатого газа, а через выхлопной патрубок с атмосферой, датчика относительных перемещений, подключенного к входу блока управления электроклапаном, выходы которого подключены к обмоткам подвижных катушек и электроклапана, а камера содержит упругий элемент и прорезную пружину, закрепленную на стержнях и расположенную с небольшим зазором между упругим элементом и упругой оболочкой.To implement this method of damping mechanical vibrations, the following device can be used, consisting of a camera, an elastic shell installed in it, forming an airtight cavity, inside of which a flange with slots is installed using flanges, connected through pipelines through an electrovalve located outside the chamber and alternately connected to the source compressed gas, and through the exhaust pipe with the atmosphere, a relative displacement sensor connected to the input of the solenoid control unit, out which rows are connected to the windings of the solenoid and the movable coils, and the chamber comprises a resilient member and the cutaway spring fixed to the rods and positioned with a small gap between the elastic member and the elastic covering.

На фиг.2 изображено устройство гашения механических колебаний, продольный разрез, общий вид.Figure 2 shows a device for damping mechanical vibrations, a longitudinal section, a General view.

Устройство содержит камеру 1 с размещенной в ней упругой оболочкой 2, образующей герметичную полость, внутри которой при помощи фланцев 3 и 4 установлен стакан 5 с прорезями. Внутренняя герметичная полость оболочки 2 соединена посредством трубопроводов 6 и 7 со сдвоенным двухходовым электроклапаном 8 и через него - с источником сжатого газа 9, а посредствам трубопроводов 6 и 10 - с электроклапаном 8 и через него и выхлопной патрубок 11 - с атмосферой.The device comprises a chamber 1 with an elastic shell 2 placed therein, forming an airtight cavity, inside of which a cup 5 with slots is installed using flanges 3 and 4. The internal sealed cavity of the shell 2 is connected through pipelines 6 and 7 with a dual two-way solenoid valve 8 and through it to a source of compressed gas 9, and through pipelines 6 and 10 to an electrovalve 8 and through it and exhaust pipe 11 to the atmosphere.

Двухходовый электроклапан 8 установлен вне камеры 1, на котором закреплен упругий элемент, выполненный в виде пружины 12, и на стержнях 13 - прорезная пружина 14, расположенная с небольшим зазором между упругим элементом 12 и упругой оболочкой 2. На камере 1 установлен датчик относительных перемещений 15 объекта 16, подключенный к входу блока управления 17 электроклапаном 8, выходы которого подключены к обмоткам подвижных катушек 18 и 19 электроклапана 8. Обмотки возбуждения 20 и 21 электроклапана 8 подключены к источнику постоянного напряжения (не показан).A two-way solenoid valve 8 is installed outside the chamber 1, on which an elastic element made in the form of a spring 12 is fixed, and on the rods 13 there is a slotted spring 14 located with a small gap between the elastic element 12 and the elastic shell 2. A relative displacement sensor 15 is mounted on the chamber 1 object 16, connected to the input of the control unit 17 by an electrovalve 8, the outputs of which are connected to the windings of the moving coils 18 and 19 of the electrovalve 8. The field windings 20 and 21 of the electrovalve 8 are connected to a constant voltage source (not yet en).

Блок управления 17 электроклапаном 8 состоит из формирователя импульсов 22, подключенного к ключевому усилителю 23 мощности, причем датчик относительных перемещений 15 и формирователь импульсов 22 соединены между собой как непосредственно линией 24, так и через дифференцирующее звено 25.The control unit 17 of the solenoid valve 8 consists of a pulse shaper 22 connected to a key power amplifier 23, and the relative displacement sensor 15 and the pulse shaper 22 are interconnected both directly by line 24 and through a differentiating link 25.

Устройство для гашения колебаний работает следующим образом. Посредством датчика относительных перемещений 15 сигнал непосредственно через линию 24 и через дифференцирующее звено 25, с помощью которого получают относительную скорость перемещения, подают на формирователь импульсов 22, при помощи которого в положениях объекта, соответствующих амплитудным, определяют знак скорости и выбрасывают запускающие импульсы, которые подают на ключевой усилитель 23 мощности.A device for damping oscillations works as follows. By means of a relative displacement sensor 15, the signal directly through line 24 and through the differentiating link 25, with which a relative displacement speed is obtained, is supplied to a pulse shaper 22, by which the speed sign is determined at the positions of the object corresponding to the amplitude, and the triggering pulses are emitted, which feed on key power amplifier 23.

При отрицательном знаке скорости относительного перемещения посредством ключевого усилителя 23 мощности выдается импульс напряжения на обмотку возбуждения 20 и обмотку подвижной катушки 18, возвратно-поступательное перемещение которой вызывает кратковременное сообщение полости упругой оболочки 2 через трубопроводы 6 и 10, электроклапан 8 с выхлопным патрубком 11 и выброс содержащегося в ней газа в атмосферу. Под действием внутренних напряжений упругая оболочка 2, сжимаясь в радиальном направлении, отходит вместе с прорезной пружиной 14 от камеры 1, снимая связь с упругого элемента (пружины) 12.With a negative sign of the relative displacement velocity, a voltage pulse is generated by the key power amplifier 23 to the excitation winding 20 and the winding of the movable coil 18, the reciprocating movement of which causes a short-term communication of the cavity of the elastic shell 2 through pipelines 6 and 10, the electrovalve 8 with the exhaust pipe 11 and the discharge gas contained in it to the atmosphere. Under the action of internal stresses, the elastic shell 2, compressing in the radial direction, departs with the slotted spring 14 from the chamber 1, removing the connection from the elastic element (spring) 12.

Через небольшой по сравнению с периодом колебаний промежуток времени блок управления 17 выдает импульс напряжения на обмотку подвижной катушки 19 электроклапана 8, возвратно-поступательное перемещение которой вызывает кратковременное сообщение герметичной полости упругой оболочки 2 через трубопроводы 6 и 7, электроклапан 8 с источником сжатого газа 9 и наполнение этой полости сжатым газом. Под действием давления газа материал упругой оболочки 2 быстро перемещается в радиальном направлении вместе с прорезной пружиной 14, и наружная поверхность ее плотно прижимает пружину 12 к стенке камеры 1. Происходит коммутация и перенос массы от аккумулирующей части к деформируемой. Это приводит к смещению состояния статического равновесия, которое обеспечивает массоперенос между частями и соответственно диссипацию энергии.After a short period of time compared to the oscillation period, the control unit 17 gives a voltage pulse to the winding of the movable coil 19 of the electrovalve 8, the reciprocating movement of which causes a short-term communication of the sealed cavity of the elastic shell 2 through pipelines 6 and 7, the electrovalve 8 with a source of compressed gas 9 and filling this cavity with compressed gas. Under the influence of gas pressure, the material of the elastic shell 2 moves rapidly in the radial direction together with the slotted spring 14, and its outer surface tightly presses the spring 12 against the wall of the chamber 1. Commutation and mass transfer from the accumulating part to the deformable one occur. This leads to a shift in the state of static equilibrium, which provides mass transfer between the parts and, accordingly, energy dissipation.

В моменты времени, соответствующие положительному знаку скорости относительного перемещения, работа устройства осуществляется аналогично, только перенос массы происходит от деформируемой части к аккумулирующей.At time points corresponding to the positive sign of the relative displacement velocity, the device operates in a similar way, only mass transfer occurs from the deformable part to the storage part.

Использование предлагаемого устройства для гашения механических колебаний обеспечивает повышение плавности хода и средней скорости движения транспортных средств, уменьшение динамических нагрузок, передаваемых на сооружения при ударных воздействиях, например землетрясениях, что позволяет делать эти сооружения менее материалоемкими и с меньшими коэффициентами запаса прочности.Using the proposed device for damping mechanical vibrations provides an increase in ride smoothness and average vehicle speed, a decrease in dynamic loads transmitted to structures during impacts, such as earthquakes, which makes these structures less material-intensive and with lower safety factors.

Claims

1. Устройство для гашения механических колебаний, состоящее из камеры, установленной в ней упругой оболочки, образующей герметичную полость, внутри которой при помощи фланцев установлен стакан с прорезями, соединенную посредством трубопроводов через электроклапан, расположенный вне камеры, поочередно соединенной с источником сжатого газа или через выхлопной патрубок - с атмосферой, датчика относительных перемещений, подключенного к входу блока управления электроклапаном, выходы которого подключены к обмоткам подвижных катушек и электроклапана, отличающееся тем, что камера содержит упругий элемент и прорезную пружину, закрепленную на стержнях и расположенную с небольшим зазором между упругим элементом и упругой оболочкой.1. A device for damping mechanical vibrations, consisting of a chamber, an elastic shell installed in it, forming an airtight cavity, inside of which a flange with slots is installed using flanges, connected through pipelines through an electrovalve located outside the chamber, alternately connected to a source of compressed gas or through exhaust pipe - with atmosphere, a relative displacement sensor connected to the input of the solenoid control unit, the outputs of which are connected to the windings of the moving coils and electric roklapana, characterized in that the chamber comprises a resilient member and the cutaway spring fixed to the rods and positioned with a small gap between the elastic member and the elastic covering.

2. Способ гашения механических колебаний при помощи устройства по п.1, заключающийся в том, что посредством дискретной коммутации упругих элементов осуществляют энерго- и массоперенос между деформируемым и аккумулирующим элементами. 2. The method of damping mechanical vibrations using the device according to claim 1, which consists in the fact that through discrete switching of the elastic elements carry out energy and mass transfer between the deformable and storage elements.