CC BY
36
УДК 62-752.8(088.8)
Клтгаой Володимир Вшторович, канд. техн. наук, доц. кафедри «Деталi машин та прикладна мехашка» Нaцiонaльний техшчний унiвeрситeт «Хaркiвський полiтexнiчний шститут», м. Харшв, Украна. Вул. Фрунзе, 21, м. Харшв, Украна, 61002, E-mail: vlad klitnov@ukr.net (orcid.org/0000-0003-0024-5959)
АНАЛ1З ВИКОРИСТАННЯ АКТИВНИХ В1БРОЗАХИСНИХ СИСТЕМ З КЕРОВАНОЮ
КВАЗ1НУЛЬОВОЮ ЖОРСТК1СТЮ
У cmammi розглянуто ei6po3axucHi пружш системи з квазiнульовою жорстюстю. BidMiueHa складтсть налаштування таких систем на розрахункове навантаження. Ця проблема може бути виршена за рахунок KepoeaHo^i таких систем. Аналiзуються iснуючi вiброзахиснi системи з пасивно та активно керованою квaзiнульoвoю жорсттстю. Розглядаеться мoжливiсть використання в таких системах схем активного гастня вiбpaцiй, побудованих с застосуванням сучасних адаптивних мaтepiaлiв.
Ключовi слова: вiбpoзaхиснa система, квазтульова жорстктть, активт системи, адаптивш мaтepiaли
Клитной Владимир Викторович, канд. техн. наук, доц. кафедры «Детали машин и прикладная механика» Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», г. Харьков, Украина. Ул. Фрунзе, 21, г. Харьков, Украина, 61002, E-mail: vlad klitnov@ukr.net (orcid.org/0000-0003-0024-5959)
АНАЛИЗ ПРИМЕНЕНИЯ АКТИВНЫХ ВИБРОЗАЩИТНЫХ СИСТЕМ С УПРАВЛЯЕМОЙ
КВАЗИНУЛЕВОЙ ЖЕСТКОСТЬЮ
В статье рассмотрены виброзащитные упругие системы с квазинулевой жесткостью. Отмечена сложность настройки таких систем на расчетную нагрузку. Эта проблема может быть решена за счет управляемости таких систем. Анализируются существующие виброзащитные системы с пассивно и активно управляемой квазинулевой жесткостью. Рассматривается возможность использования в таких системах схем активного гашения вибраций, построенных с применением современных адаптивных материалов.
Ключевые слова: виброзащитная система, квазинулевая жесткость, активные системы, адаптивные материалы
Klitnoi Vladimir Viktorovich, PhD. tehn. sciences, associate professor at the department of machine parts and applied mechanics National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", Kharkov, Ukraine. St. Frunze, 21, Kharkov, Ukraine 61002, E-mail: vlad_klitnov@ukr.net (orcid.org/0000-0003-0024-5959)
ANALYSIS OF APPLICATION OF ACTIVE VIBRATION ISOLATION SYSTEMS WITH DRIVING
QUASI-ZERO STIFFNESS
The article gives an overview of the vibration isolation system with quasi-zero stiffness. Noting the complexity of adjustment such systems on the design load. This problem can be solved by the control of such systems. Analyzes existing vibration isolation systems with passive and active controlled quasi-zero stiffness. Analyzes the possibility of the application active vibration suppression scheme built using modern adaptive materials in such systems.
Keywords: vibration isolation system, quasi-zero stiffness, active vibration suppression, adaptive materials
Вступ
Ударш впливи та штенсивш низькочастотш коливання, що виникають в р1зних машинах i мехашзмах становлять небезпеку для обслуговуючого персоналу, а також е причиною порушення роботи самих мexaнiзмiв. Крiм того, негативний динaмiчний вплив е причиною появи джерел шуму. Як правило, таю процеси носять випадковий характер i ефективний захист вщ них е досить актуальним, але до кшця залишаеться не виршеною проблемою.
Для зниження вiброaктивностi мехашчних систем, зменшення рiвня шумiв i вiбрaцiй широко застосовують вiброзaxиснi системи.
Практика показуе, що традицшш засоби вiброзaxисту - гумовi або гумомeтaлeвi амортизатори - часто не забезпечують необхщних пaрaмeтрiв зниження вiбрaцiй i удaрiв. Гума пом^но змшюе сво'1 дeмпфуючi властивосп при змЫ температури, схильна до швидкого старшня тд впливом рaдiaщi, розчиняеться в xiмiчно агресивних середовищах.
Вiдомi вiброзaxиснi системи з пружними елементами, що мають два стшю положення рiвновaги, дуже ефективш при гасшш усього спектру вiбрaцiй. Причому, якщо в систeмi
виникають коливання з певною, заздалепдь встановленою ампл^удою, то пружний елемент з двома стшкими положеннями рiвноваги мимоволi втрачае стiйкiсть i об'ект, що захищасться, переходить на iнший нелiнiйний режим. При цьому об'ект, що амортизуеться, увесь час знаходиться в перехщному коливальному процеа, ампштуда якого обмежена.
Однак, ефектившсть таких вiброзахисних систем прямо пов'язана з питаннями 1хнього налаштування. Мала жорсткiсть пружного елемента потребуе достатньо точного налаштування на розрахункове навантаження, шакше можливе розладнання системи i зниження ефективностi роботи.
Отже, виникае проблема розробки вiброзахисних систем з квазшульовою жорсткiстю, яю допускають !х перебудову на рiзнi навантаження.
В зв'язку з цим перспективним бачиться використання натвактивних схем, виконаних на базi адаптивних матерiалiв. Таким системам властивi адаптивнi властивост активних схем управлiння вiбрацiями (активна змша параметрiв конструкцп) i стабшьнють, що характеризуе пасивнi системи. Важливою перевагою таких систем являеться достатньо мала енергозалежшсть (енергiя потрiбна тшьки для функцiонування приладу, який управляе, та невеликих електричних пристро1в, яю модифiкують механiчнi характеристики).
В1брозахисн1 пружш системи з кваз1нульовою жорстк1стю
1дея використання пружних систем з квазшульовою жорсткютю на основi «ферми Мiзеса» для вiброзахисту динамiчних об'ектiв вперше була висловлена професором Алабужевим П. М. у 1967 р. Принципова схема та^ коливальноi системи представлена на рис 1.
/
Рис. 1. Схема вiброзахисноi системи з квазшульовою жорстюстю
Залежнiсть реактивно'' сили вщ перемiщення для таких систем нагадуе синусо'ду. Завдання полягае в тому, щоб пiдiбрати таку третю вертикальну пружину жорсткютю к2,
щоб кут нахилу прямо'' к2 ■ х збiгався з кутом нахилу лшшно'' частини синусо'ди. Тод^ при додаваннi зусиль з'явиться дшянка з квазiнульовою жорсткiстю (рис. 2). Якщо пiдiбрати вiдповiдну масу, то в статичному положены ця маса, яку захищаемо вiд вiбрацii, буде утримуватися пружиною з квазшульовою жорстюстю.
На тепершнш час розроблена досить значна кшьюсть рiзноманiтних вiброзахисних системи з квазшульовою жорстюстю. З прикладами таких систем маемо можливють ознайомитись в наступних роботах [1, 2]. Деяю автори займаються оптимiзацiею параметрiв iснуючих систем [3].
40
Иеремкцення (мм)
Рис. 2. Типова залежнють для систем з квазшульовою жорсткютю
У наступнш роботi автором доведено можливють розробки вiброзахисних систем з квазшульовою жорсткютю з дiапазонами перемщень, на яких жорсткiсть дорiвнюe нулю, в кшька разiв перевищуючих робочi дiапазони iснуючих систем з квазшульовою жорсткютю
[4].
Ударозахисна пружна система з дшянками квазшульовоi жорсткостi, яка дозволяе передавати силу удару на основу конструкцп, за рахунок поглинача енергл удару пропонуеться у робот [5].
Системи з квазiнульовою жорсткютю знаходять застосування на практицi. Вони використовуються в вiброзахисних крiслах, захисту рухомих складiв вiд вiбрацГi на залiзницi та в деяких шших областях прикладноi технiки.
Багаторiчний досвщ авторiв з дослiдження вiброзахисних систем з квазшульовою жорсткютю показуе, що даш системи мають великий потенщал в вiброiзоляцii, проте досягнення даного ефекту на надшному практичному рiвнi викликае проблеми. Такi системи потребують достатньо точного налаштування на розрахункове навантаження, яке може бути забезпечено за рахунок 'х керованостi.
В1брозахисш системи з керованою кваз1нульовою жорсткктю
Пасивно керована система вiброзахисту вивчаеться у наступнш робот [6]. Розроблена модель системи складаеться з трьох основних частин, як механiчно пов'язаш мiж собою: несучо'1' системи, коректора жорсткосп i системи регулювання. Несуча система забезпечуе необхщну несучу здатнють. Коректор жорсткостi за рахунок паралельного тдключення до несучо'1' системи пружних елементв, що мають негативну жорсткють, забезпечуе реалiзацiю пружно'1' характеристики з дшянкою квазiнульовоi жорсткостi на робочому режимi роботи системи. Автоматична тдтримка дiлянки квазiнульовоi жорсткостi пружно'1' характеристики в положены, яке вiдповiдае робочому режиму, здшснюеться пасивним регулятором.
Питання налаштування тако'1 системи розглядаються у робот [7]. II' математична модель розроблена у робот [8].
Недолгом представлено' пасивно' вiброзахисноi системи е обмеженють сприйняття (фшьтрацп) полоси низьких частот зовнiшнього навантаження, в якш вiдбуваеться функцiонування пружного елемента квазшульово" жорсткостi [9].
Удосконалена модель керовано" вiброзахисноi системи з квазiнульовою жорсткютю пропонуеться у наступному авторському свщотсга [9]. Задача розширення функцiональних можливостей системи виршуеться за рахунок розмщенням на опорi ^сучо'' конструкцп
якоря електромагнгга для вщслщковування змши низькочастотнох складово'1 зовнiшнього навантаження. Позитивний ефект розроблено'1 моделi пов'язаний з тим, що електромагнiт, який вбудований в систему автоматичного керування жорсткютю пружно'1 вiброзахисноi системи, коригуе деформацiю пружного елемента i тим самим збiльшуe полосу низьких частот змiни зовнiшнього навантаження до потрiбноi величини.
Недолiком запропонованох вiброзахисноi системи е вiдсутнiсть автоматизацп керування процесом збiльшення полоси низьких частот [10].
Вищезазначений недолiк виршуеться у роботi [10] де розроблено модель вiброзахисноi системи з автоматичним керуванням.
Суть розроблено'1' моделi пояснюеться кресленням принципово'1' схеми реалiзацii запропонованого пристрою (рис. 3), i запропонованим варiантом конструкцп активно! вiброзахисноi системи з автоматичним керуванням за низькочастотним збудженням опор шдшипншав швидюсних роторних систем (рис. 4).
Рис. 3. Схема в1брозахисноТ системи з активно керованою квазшульовою жорстюстю [10]
II
12
IО
Рис. 4. Схема конструкцп вiброзахисноi системи [10]
На представлених схемах мютяться: несуча платформа 1 з центральним пружним елементом 2 (у виглядi кшьцево'1 пружини стиску) на опорi 3, регулятор у виглядi щонайменше двох симетрично розташованих iнерцiйних повзунiв 4 на напрямних 5 з нахиленим пружним елементом 6 (у виглядi кошчно'1 гофровано'1 оболонки), якiр електромагнiта 7, мшроперемикач з реле часу i3 затримкою 8, допомiжнi пружини 9 i 10, установочнi гвинти 11 i12.
Запропонована конструкцiя активно! вiброзахисноi системи з керуванням за низькочастотним збудженням квазшульово'1 опори функцiонуe наступним чином.
При збшьшенш навантаження шерцшш повзуни 4 змiщуються по напрямних 5, а центральний пружний елемент 2 на платформi 1 разом з пружшм елементом 6 i допомiжними пружними елементами 9, 10 на опорi 3 отримують деформацп. Керування дiапазоном частот навантаження, що сприймасться активною вiброзахисною системою, здшснюеться якорем 7 електромагнiта, який коригуе деформацiю пружного елемента 6, а мшроперемикач з реле часу 8 утримуе необхiдну деформацiю пружного елемента 6 протягом потрiбного термiну його вмикання. Установочш гвинти 11 i 12 використовують для настройки системи та тд час транспортування.
Позитивний ефект запропоновано! вiброзахисноi системи пов'язаний з тим, що мшроперемикач з реле часу вщслщковуе режим зовшшнього навантаження i шляхом вмикання роботи електромагшта продовжуе дiю квазшульово'1 жорсткосп опори. Таким чином, запропонована активна вiброзахисна система з автоматичним керуванням не тшьки ефективно, але i надiйно впродовж потрiбного термiну виршуе задачу вiброзахисту.
У зв'язку з вищезазначеним виникае необхiднiсть побудови математично! моделi схеми активного керування для запропоновано! вiброзахисноi системи. Найбiльш ефективним бачиться використання узагальнено'1 схеми методу контролю зi зворотнiм зв'язком. Сутшсть такого методу керування полягае в наступному: вихiдний сигнал системи подаеться на контролер i в подальшому, пiсля перетворення впливае на саму систему. Основним завданням при реалiзацii цього методу е пiдбiр вщповщного контролера, який би дозволив замкнутш системi залишатися стiйкою i виконувати поставлене завдання активного керування [11, 12].
При цьому необхщно враховувати, що у системах активного керування доцшьно застосовувати сучасш адаптивнi елементи. Таю елементи здатш змiнювати сво'1 механiчнi властивостi (в'язкiсть, твердiсть, форму) тд впливами температурно'1 змiни, електричного або магнiтного полiв. При аналiзi таких елементiв можна видiлити матерiали, якi безпосередньо конвертують зовнi прикладений електричний або магнiтний вплив в мехашчний, або, навпаки, перетворюють мехашчний вплив в електричний або магштний шляхом прямого фiзичного ефекту на мшроструктурному рiвнi. До такого класу матерiалiв вiдносяться п'езо i електрострикцшну керамiку, п'езоелектричнi полiмери та магштострикцшш сплави.
Висновки
Використання вiброзахисних систем з керованою квазiнульовою жорсткiстю бачиться актуальним i перспективним. Впровадження в таю системи сучасш схеми активного керування, побудоваш на базi адаптивних елементiв, вiдкривае широкi можливостi для подальшого розвитку такого класу пристро'1'в.
Список використанноТ лiтератури:
1. Hyeong-Joon Ahn А unified model for quasi-zero-stiffness passive vibration isolators with symmetric nonlinearity / Ahn Hyeong-Joon // 22nd international conference on design theory and methodology; special conference on mechanical vibration and noise, 2010. - P. 689-693.
2. Robertson W. Planar analysis of a quasi-zero stiffness mechanism using inclined linear springs / W. Robertson, B. Cazzolato, A. Zander // Conference : Acoustics, at Victor Harbour, 2013. - P. 1-6.
3. Kovacic I. A study of a nonlinear vibration isolator with a quasi-zero stiffness characteristic / I. Kovacic, M. J. Brennan, T. P. Waters // Journal of Sound and Vibration. - 315.3. - 2008. - P. 700-711.
4. Зотов А. Н. Виброизоляторы с квазинулевой жёсткостью / А.Н. Зотов // Вибрация машин, снижение, защита: науч.-техн. и производ. сб. ст. III междунар. науч.-техн. конф., 2005. - Донецк, 2005. - С. 51-55.
5. Зотов А. Н. Ударозащитная система с квазинулевой жесткостью / А. Н. Зотов, Д. Т. Ахияров, Р. Ф. Надыршин // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». - 2006. - № 2. [Електронний ресурс]. -Режим доступу : http ://ogbus. ru/authors/Zotov/Zotov 4.pdf
6. Патент на винахвд 62934 Украша. Пасивна в1брозахисна система з керованою квазшульовою жорстшстю / В. С. Гапонов, П. М. Калшш - 2004. - Бюл. № 1.
7. Гапонов В. С. Оценка настройки параметров опоры с управляемым изменением квазинулевой жесткости на величину критической угловой скорости жесткого ротора / В. С. Гапонов, А. И. Наумов, Ю. А. Остапчук // Вюник НТУ «ХП1». Сер1я : Енергетичш та теплотехшчш процеси й устаткування. - Х.: НТУ «ХП1», 2013. - № 12 (986). - С. 128-133.
8. Гапонов В. С. Математическая модель упругой опоры с управляемой квазинулевой жесткостью для подшипников высокоскоростных роторных систем / В. С. Гапонов, А. И. Наумов, Ю. А. Остапчук // Енергетичш та теплотехшчш процеси й устаткування. Вюник НТУ «ХП1». Зб. наук. праць. - Х. : НТУ «ХП1». -2012. - № 8. - С. 131-136.
9. Патент на винахвд 69042 Укра1на. В1брозахисна система з керованою кваз1нульовою жорстшстю / В. С. Гапонов, А. В. Гайдамака, О. I. Наумов. - 2012. - Бюл. № 8.
10. Патент на винахвд 80416 Укра1на. Активна в1брозахисна система з автоматичним керуванням опор пвдшипнишв / В. С. Гапонов, А. В. Гайдамака, О. I. Наумов. - 2013. - Бюл. № 10.
11. Flotow A. H. Wave-absorbing controllers for a flexible beam / A.H. Flotow, B. Schafer / Journal of guidance control and dynamics - 1986. - 9(6). - P. 673-680.
12. Bailargeon B. Active vibration suppression of sandwich beams using piezoelectric shear actuators: experiments and numerical simulations / B. Bailargeon, S. Senthil/ Journal of intelligent material systems and structures - 2005. - Vol. 16. - P. 517-530.
References:
1. Hyeong-Joon Ahn (2010), А unified model for quasi-zero-stiffness passive vibration isolators with symmetric nonlinearity, 22nd international conference on design theory and methodology; special conference on mechanical vibration and noise, P. 689-693.
2. Robertson W., Cazzolato B., Zander A. (2013) Planar analysis of a quasi-zero stiffness mechanism using inclined linear springs, Conference : Acoustics, at Victor Harbour, P. 1-6.
3. Kovacic I., Brennan M. J., Waters T. P. (2008) A study of a nonlinear vibration isolator with a quasi-zero stiffness characteristic, Journal of Sound and Vibration, 315.3, P. 700-711.
4. Zotov A. N. (2005), Vibration isolators with quasi-zero stiffness [Vibroizolyatoryi s kvazinulevoy zhyostkostyu], Vibration machines, reduction, protection: scientific and engineering conf., Donetsk, P. 51-55.
5. Zotov A. N., Ahiyarov D. T., Nadyirshin R. F. (2006), Shock-proof system with quasi-zero stiffness [Udarozaschitnaya sistema s kvazinulevoy zhestkostyu], Electronic scientific journal "Oil and Gas Business", № 2. Available at: http://o gbus.ru/authors/Zotov/Zotov_4.pdf.
6. Gaponov V. S., Kalinin P. M. (2004), Passive vibro-protection system with controllable quasi-zero stiffness [Pasivna vIbrozahisna sistema z kerovanoyu kvazInulovoyu zhorstkIstyu], Patent na vinahid 62934 Ukraine,
Byul. № 1.
7. Gaponov V. S., Naumov A. I., Ostapchuk Y. A. (2013), Evaluation settings with support to manage change quasi-zero stiffness on the critical angular velocity of the rigid rotor [Otsenka nastroyki parametrov oporyi s upravlyaemyim izmeneniem kvazinulevoy zhestkosti na velichinu kriticheskoy uglovoy skorosti zhestkogo rotora], Bulletin of NTU "KhPI". Series : Energy and thermal processes and equipment, № 12 (986), P. 128-133.
8. Gaponov V. S., Naumov A. I., Ostapchuk Y. A. (2012), A mathematical model of an elastic support with controlled quasi-zero stiffness for high-speed rotary bearing systems [Matematicheskaya model uprugoy oporyi s upravlyaemoy kvazinulevoy zhestkostyu dlya podshipnikov vyisokoskorostnyih rotornyih system], Bulletin of NTU "KhPI". Series : Energy and thermal processes and equipment, № 8, P. 131-136.
9. Gaponov V. S., Gaydamaka A. V., Naumov A. I. (2012), Vibro-protection system with controllable quasi-zero stiffness [Vibrozahisna sistema z kerovanoyu kvazInulovoyu zhorstkIstyu], Patent na vinahid 69042 Ukraine, Byul. № 8.
10. Gaponov V. S., Gaydamaka A. V., Naumov A. I. (2013), Active vibro-protection system with automatic control towers bearing [Aktivna vIbrozahisna sistema z avtomatichnim keruvannyam opor pidshipnikiv], Patent na vinahid 80416 Ukraine, Byul. № 10.
11. Flotow A. H., Schafer B. (1986), Wave-absorbing controllers for a flexible beam, Journal of guidance control and dynamics, 9 (6), P. 673-680.
12. Bailargeon B., Senthil S. (2005), Active vibration suppression of sandwich beams using piezoelectric shear actuators: experiments and numerical simulations, Journal of intelligent material systems and structures, Vol.16,
P. 517-530.
Поступила в редакцию 17.12 2014 г.
