Разработка виброзащитной системы с квазинулевой жесткостью и регулируемыми параметрами

Abstract

Актуальность. При выполнении рабочих процессов технологическое оборудование излучает вибрацию, которая является следствием повышенных динамических нагрузок в конструктивных элементах и сопряжениях систем в целом и их элементов. При этом может существенно ускоряться развитие усталостных разрушений. Поэтому решение задач, связанных со снижением уровня вибрации, всегда актуально. Одно из направлений исследований направлено на разработку и применение систем вибрационной защиты. Различают пассивные вибрационные защитные системы и активные, с возможностью управления параметрами вибрации. Каждый из видов защитных систем имеет линейный закон изменения жесткости, что не позволяет эффективно демпфировать низкочастотные колебания. Таким образом, информационный обзор демонстрирует перспективность работ по созданию систем вибрационной защиты, постоянно улучшая их параметры в аспекте: минимизации габаритных размеров и количества деталей; повышения надежности, особенно в резонансном режиме; обеспечения возможности работы на режимах с малой жесткостью. Последний фактор обуславливает хорошее гашение вибрации, излучаемой источником. Цель: исследование возможности разработки виброзащитной системы с квазинулевой жесткостью с возможностью эффективного демпфирования низкочастотных колебаний. Методы: информационно-аналитический обзор в сфере научного исследования, поиск конструктивных решений, проведение предварительных проектных расчетов и 3Dмоделирование, описание разрабатываемого устройства и его принципов работы. Результаты. Приведены результаты разработки системы защиты от вибрации, имеющей квазинулевую жесткость. Приведен фрагмент информационного обзора существующих виброзащитных систем. Сделан вывод о недостатках, характерных для всех систем: относительно больших размерах, большом числе элементов, недостаточном рабочем частотном диапазоне. Авторами предложено конструктивное решение для создания системы гашения колебаний с нелинейным законом изменения жесткости, которое позволит устранить приведенные недостатки и обеспечить возможность эффективного гашения низкочастотных колебаний. Создана методика расчета конструктивных параметров системы виброгашения. Приведен пример расчета. Данная система отличается от существующих виброзащитных устройств малой жесткостью и небольшими габаритами, широким рабочим частотным диапазоном гашения колебаний. Обоснована эффективность работы системы с нелинейной квазинулевой жесткостью.

Relevance. While performing the operation processes, the technological equipment emits vibration. Vibration is a consequence of increased dynamic loads in structural elements and interfaces between systems and their elements. The development of fatigue damage can significantly accelerate. Therefore, the solution of the problems related to reducing vibration levels is always relevant. Each type of protective system has a linear law of changing the stiffness. This does not allow the effective damping of low-frequency vibrations. Thus, the information review demonstrates the future of the research according to the creation of the vibration protection systems, constantly improving their parameters in the following aspects: minimizing overall dimensions and number of parts; increasing reliability, especially in resonant mode; providing the ability to operate in modes with low stiffness. The last factor determines the good damping of vibration emitted by the source. Aim. To study the possibility of the vibration protection system development with quasi-zero stiffness with the ability to effectively dampen low-frequency vibrations. Methods. Information and analytical review in the field of the research, search for the constructive solutions, preliminary design calculations and 3D modeling, description of the device being developed and its operating principles. Results. The research presents the results of development of the vibration protection system with quasi-zero stiffness and a fragment of an information review of existing vibration protection systems. The authors indicated the main shortcomings specific to all vibration protection systems: relatively large sizes, large number of elements, insufficient operating frequency range. The authors proposed a constructive solution for creating a vibration damping system with a nonlinear law of change in stiffness. This solution allows eliminating the above shortcomings and providing the possibility of effective damping of low-frequency vibrations. The authors created the method for calculating the constructive parameters of a vibration damping system. An example of calculation is given in the paper. This system differs from existing vibration protection devices in its low stiffness and small dimensions, and a wide operating frequency range of vibration damping. The efficiency of the system operating with nonlinear and quasi-zero stiffness is proved