CZ305036B6

CZ305036B6 - Zařízení pro tlumení vibrací pohybujícího se objektu

Info

Publication number: CZ305036B6
Application number: CZ2007-792A
Authority: CZ
Inventors: Michael Valášek; Michal Mikulec
Original assignee: Čvut V Praze Fakulta Strojní
Priority date: 2007-11-14
Filing date: 2007-11-14
Publication date: 2015-04-08
Also published as: WO2009062455A3; US8500083B2; US20100268387A1; EP2286109A2; EP2286109B1; WO2009062455A2; CZ2007792A3

Abstract

Zařízení pro tlumení vibrací pohybujícího se objektu uspořádaného na rámu opatřené alespoň jedním odstředivým kyvadlem spojeným s objektem přes tlumič rotující s objektem podél kruhové dráhy, kde tlumič (11) je vyplněn magnetorheologickou kapalinou, pohyblivou vůči objektu. Podél kruhové dráhy (14) je uspořádán alespoň jeden řídicí elektromagnet (12) pro dosažení změny vlastností magnetorheologické kapaliny a ovládaný řiditelný elektrickým zdrojem pro řízení intenzity jeho elektromagnetického pole.

Description

Oblast techniky

Vynález se týká zařízení pro tlumení vibrací pohybujícího se objektu po dráze uspořádané na rámu, přičemž objekt obsahuje prostory vyplněné magnetorheologickou kapalinou, která se vůči objektu pohybuje a zařízení obsahuje alespoň jeden řídicí elektromagnet pro docílení změny stavu magnetorheologické kapaliny, ke kterému je od řídicí jednotky přiváděn signál pro tlumení vibrací.

Dosavadní stav techniky

Vibrace jsou většinou nežádoucím jevem při chodu rozličných zařízení a většiny strojů. Týká se to zvláště vibrací rotujících částí strojů. K omezení vibrací slouží potlačování zdroje buzení, vyvážení pohyblivých částí strojů neboje používáno tlumení vibrací. Pro tlumení vibrací jsou používány přídavné dynamické části nebo třecí prostředky pro utlumení vibrací.

Třecí tlumiče jsou popsány v UK patentu 21139 z roku 1910 a v článku J. P. Den Hartog a J. P. Ormondroyd „Torsional Vibration Dampers“ v Transactions of ASME, vol. 52(1930), p. 13., Pasivní torzní vibrační hltíce jsou popsány v US patentu 989958 z roku 1911, pasivní odstředivé kyvadlové hltíce jsou popsány v UK patentu 337466 z roku 1929. Aktivní (řízené) vibrační hltíce jsou popsány v článku Y. Furuishi a J. Taketou „Vibration Control of Structure by Active Mass Damper“ v Transactions of JSME vol. 52(1986), p. 683, v US patentu 5431261 z roku 1995 a aktivní (řízené) torzní odstředivé kyvadlové hltiče jsou popsány v US patentu 5934424 z roku 1999.

Poměrně rozšířené tlumení vibrací spočívá v použití elektro nebo magnetorheologické kapaliny, která vyplňuje určitý prostor zařízení nebo stroje, přičemž v této kapalině se pohybuje, případně rotuje součást spojená se zdrojem vibrací. Řízená změna vlastností Theologických kapalin s cílem následného potlačení vibrací, je docilována změnou elektrického nebo magnetického pole, uvnitř kterého se Theologická kapalina nachází. Při použití magnetorheologické kapaliny se pro změnu jejich vlastností využívá změny napájení elektromagnetů umístěných v rotující nebo pohybující se části. Změna elektromagnetického pole takto vyvolaná těmito elektromagnety je řízena v závislosti na změně napájení elektromagnetů, kde napájecí, resp. řídicí zdroj elektromagnetů je uspořádán v pevné části zařízení, resp. mimo pohyblivé části obsahující magnetorheologickou kapalinu. Na pohyblivých částech zařízení jsou proto vytvořeny konektory, na které je přiváděn signál pro elektromagnety. Mechanický styk pohybujících konektorů se statickým napájecím vedením pro změnu magnetického pole elektromagnetů přináší však nevýhody spočívající v opotřebení stykových ploch vyúsťujících v nepřesné řízení elektromagnetů, dochází rovněž ke snížení životnosti těchto spojů, v některých pracovních prostředcích je toto řešení s kontakty vůbec nepoužitelné.

Příkladem takového použití magnetorheologické kapaliny v torzním vibračním tlumiči je CA patent 2245404 z roku 2000, DE patent 4134354 z roku 1993, US patentu 5829319 z roku 1998, JP patentu 3292435 z roku 1991.

Cílem tohoto vynálezu je zařízení pro tlumení vibrací pohybujícího se objektu, u kterého by bylo docíleno snadnějšího, konstrukčně nenáročnějšího ovládání elektromagnetů pro změnu vlastností magnetorheologické kapaliny, přičemž by se dosáhlo vyšší spolehlivosti tohoto zařízení oproti stávajícím.

-1 CZ 305036 B6

Podstata vynálezu

Podstata zařízení bezdotykové řízení magnetorheologického tlumiče pro tlumení vibrací pohybujícího se objektu spočívá v tom, že tlumič je vyplněn magnetorheologickou kapalinou, která se pohybuje vůči objektu, přičemž podél kruhové dráhy je uspořádán alespoň jeden řídicí elektromagnet pro dosažení změny vlastností magnetorheologické kapaliny a ovládaný řiditelným elektrickým zdrojem pro řízení intenzity jeho elektromagnetické pole.

Objekt je opatřen alespoň jedním tvarově stálým prostorem, z větší části zaplněným magnetorheologickou kapalinou zasahující do zúženého hrdla prostoru. Alternativně je objekt opatřen alespoň jednou vrstvou kompozitního materiálu částečně vyplněnou magnetorheologickou kapalinou. Vrstva kompozitního materiálu je pórovitá a/nebo houbovitá. Objekt částečně vyplněný magnetorheologickou kapalinou může být pružný a je spřažený s tělesem zdroje vibrací, přičemž řídicí elektromagnety jsou uspořádány kolem objektu, případně je objekt uspořádán uvnitř vinutí řídicího/ch elektromagnet/ů.

Výhodou vynálezu je, že není nutné přivádět na pohybující se objekt signály pro ovládání řídicích elektromagnetů. Tím je konstrukce zjednodušena a v mnoha případech agresivního prostředí, ve kterém se objekt pohybuje, vůbec umožněna. Dále je možné i snížit hmotnost pohybujícího se objektu, neboť řídicí elektromagnety se s objektem nepohybují.

Objasnění výkresů

Na přiložených obrázcích je schematicky znázorněno zařízení pro řízení magnetorhelogického tlumiče a jednotlivé obrázky představují:

obr. 1 znázorňuje obecné uspořádání pro řízení stavu magnetorheologické kapaliny v obecně se pohybujícím objektu, obr. 2 představující zařízení podle vynálezu znázorňuje uspořádání pro torzní tlumení vibrací hřídelů nebo rotujících kotoučů pomocí řízení magnetorheologického tlumiče působícího na odstředivá kyvadla dynamického hltiče torzních kmitů.

Obr. 3 znázorňuje uspořádání pro řízení stavu magnetorheologické kapaliny uspořádané v jednom prostoru uvnitř tělesa, kterým nemusí být tradiční tlumič,

Obr. 4 znázorňuje uspořádání pro řízení stavu magnetorheologické kapaliny uspořádané ve více prostorech uvnitř tělesa, kterými nemusejí být tradiční tlumiče,

Obr. 5 znázorňuje uspořádání pro řízení stavu magnetorheologické kapaliny uvnitř tělesa z kompozitu, kdy magnetorheologická kapalina je obsažena v prostoru tvořeném vrstvou materiálu s mnoha spojenými nebo oddělenými průchody, např. houbou,

Obr. 6 znázorňuje uspořádání pro řízení stavu magnetorheologické kapaliny uvnitř tělesa z kompozitu, kdy magnetorheologická kapalina je obsažena v prostoru tvořeném vrstvou materiálu s mnoha spojenými nebo oddělenými průchody, např. houbou, přičemž těchto vrstev je v tělese několik,

Obr. 7 znázorňuje uspořádání pro řízení stavu magnetorheologické kapaliny uvnitř tělesa, které je spojeno se zdrojem vibrací, např. pružně uloženým blokem motoru, který koná vratný (kmitavý) pohyb, a s elektromagnetem/ty uspořádaným/i na rámu,

Obr. 8 znázorňuje uspořádání pro řízení stavu magnetorheologické kapaliny, obdobně jako na obr. 7, s alternativním uspořádáním elektromagnetů.

Příklady uskutečnění vynálezu

Jak je patrné na obr. 1, objekt i se pohybuje rovnoměrně nebo nerovnoměrně po dráze 4 uspořádané na rámu, resp. základně. Jedná se v podstatě o libovolnou nepřímočarou dráhu, případně

-2CZ 305036 B6 dráhu přímočarou. Uvnitř objektu I je vytvořena tvarově stálá dutina, která je vyplněna tlumicí magnetorheologickou kapalinou 3. Podél dráhy 4 jsou rovnoměrně rozmístěny řídicí elektromagnety 2, ke kterým je elektrickým napájecím vedením 10 přiváděn od řídicí jednotky 15 signál pro docílení změny intenzity magnetického pole řídicích elektromagnetů 2. Řídicí jednotka 15 je představována např. řiditelným elektrickým zdrojem. Tato změna magnetického pole způsobí požadovanou změnu stavu magnetorheologické kapaliny 3 vedoucí k potlačení vibrací způsobených objektem 1 při pohybu po dráze 4.

Na obrázku 1 není znázorněno snímání vibrací od objektu E Signály od senzorů pro snímání vibrací objektu I nebo dráhy 4, po které se objekt 1 pohybuje, jsou vedeny do řídicí jednotky 15, kde jsou vyhodnoceny pro vyslání signálu pro změnu magnetického pole řídicích magnetů 2. Senzory pro snímání vibrací mohou být umístěny na objektu i nebo na rámu 7, signály do řídicí jednotky 15 mohou být přenášeny bezdotykově, například vysíláním, případně kabelem.

Počet řídicích elektromagnetů 2 je volitelný od jednoho po více, v závislosti na dráze a požadavku na intenzitu tlumení celého systému. Obdobně není nutností rovnoměrné rozmístění řídicích elektromagnetů vzhledem ke dráze 4 a v jejich vzájemném vztahu. Řízené magnetické pole mění především viskozitu magnetorheologické kapaliny 3.

Na obr. 2, představujícím provedení podle vynálezu je tělesem způsobujícím nežádoucí vibrace rotující objekt 5 uložený na rámu 7 a rotující kolem osy 8 rotace. Znázorněný rotující objekt 5 je představen v podobě kotouče. Pro potlačení vibrací je objekt 5 na svém obvodu opatřen alespoň jedním kyvadlem 6 představujícím torzní dynamický hltič, který je uložen na kotouči a pohybuje se po dráze 14, přičemž je spojen s jednou částí tlumiče 11, jehož druhá část je spojena s objektem 5. Dutina vytvořená mezi oběma částmi tlumiče 11 je vyplněna tlumicí magnetorheologickou kapalinou 13. Obdobně jako v příkladu provedení podle obr. 1, jsou senzory (nezakresleny) snímané vibrace od rotujícího objektu 5 přenášeny k vyhodnocení do řídicí jednotky (nezakreslena), ze které jsou odesílány požadované signály pro docílení změny intenzity magnetického pole řídicích elektromagnetů 12. Změnou intenzity magnetického pole řídicích elektromagnetů 12 se změní vlastnosti, resp. stav magnetorheologickou kapaliny 13 a následně dochází k potlačení vibrací vzniklých nepravidelnou rotací objektu 5, resp. nerovnoměrným rozložením jeho hmoty.

Na obr. 3 se objekt i pohybuje podél dráhy 4. Uvnitř tělesa 1 je tvarově stálý prostor částečně vyplněný magnetorheologickou kapalinou 3, která během pohybu objektu i přetéká z jedné části tohoto prostoru do jiné části při současném průtoku zúženým hrdlem. Průtok magnetorheologické kapaliny 3 uvnitř prostoru a současně tím změny její polohy vůči objektu i je řízen pomocí řady elektromagnetů 2 umístěných podél dráhy 4. Elektromagnety 2 jsou řízeny řídicí jednotkou Γ5 přes elektrické napájecí vedení 10 podle signálů snímaných na pohybujícím se tělese 1 nebo v jeho okolí. Řízení probíhá požadovanou změnou intenzity magnetického pole řídicích elektromagnetů 2, která změní vlastnosti, resp. stav magnetorheologické kapaliny 3, tím dojde ke zpomalení nebo ziychlení jejího pohybu a přemístění vzhledem k objektu i a následně dochází k potlačení jeho vibrací vzniklých při nerovnoměrném pohybu objektu i, resp. nerovnoměrným rozložením jeho hmoty.

Na obr. 4 je znázorněn objekt i podobně jako na obr. 3, ale v tomto případě je v objektu 1 více prostorů částečně vyplněných magnetorheologickou kapalinou 3, jejíž pohyb vůči objektu i je ovlivněn pomocí řady elektromagnetů 2 umístěných podél dráhy 4. V tomto případě však řada elektromagnetů 2 umístěných podél dráhy 4 řídí změnou intenzity magnetického pole magnetorheologickou kapalinou 3 ve více prostorech v tělese I současně.

Na obr. 5 je znázorněn objekt I tvořený tradičními a/nebo kompozitními materiály a pohybující se podél dráhy 4. Uvnitř objektu i je některá z vrstev kompozitního materiálu částečně vyplněna magnetorheologickou kapalinou 3, například vrstva pórovitého (houbovitého) materiálu. Další části nebo vrstvy objektu I mohou být pohyblivé nebo poddajné vůči této vrstvě naplněné mag-3 CZ 305036 B6 netorheologickou kapalinou 3 s tím, že tuto vrstvu s magnetorheologickou kapalinou 3 deformují, resp. stlačují. Tato vrstva s magnetorhelogickou kapalinou 3 může být však také objemově a tvarově stálá a magnetorheologická kapalina 3 se při svém pohybu prochází jednotlivými průchody této vrstvy. Pohyb magnetorheologické kapaliny 3 uvnitř tohoto pórovitého (houbovitého) materiálu vůči objektu i je řízen pomocí řady elektromagnetů 2 umístěných podél dráhy 4. Elektromagnety 2 jsou řízeny řídicí jednotkou 15 přes elektrické napájecí vedení 10 podle signálů snímaných na pohybujícím se tělese I nebo v jeho okolí. Řízení probíhá požadovanou změnou intenzity magnetického pole řídicích elektromagnetů 2, která změní vlastnosti, resp. stav magnetorheologické kapaliny 3, tím dojde ke zpomalení nebo zrychlení jejího pohybu uvnitř objektu I a následně dochází k potlačení jeho vibrací vzniklých při nerovnoměrném pohybu objektu i, resp. nerovnoměrným rozložením jeho hmoty.

Jiná možnost je, že objekt i je opatřen alespoň jednou poddajnou vrstvou zcela vyplněnou magnetorheologickou kapalinou 3. Změna tvaru této vrstvy je usnadněna nebo ztížena v závislosti na změně vlastností magnetorheologické kapaliny 3.

Na obr. 6 je znázorněn objekt 1 podobné jako na obr. 5, ale v tomto případě je v objektu J_ více vrstev, resp. prostorů kompozitního materiálu, částečně vyplněných magnetorheologickou kapalinou 3. Pohyb magnetorheologické kapaliny 3 je vůči objektu I řízen pomocí řady elektromagnetů 2 umístěných podél dráhy 4. V tomto případě však řada elektromagnetů 2 umístěných podél dráhy 4 řídí změnou intenzity magnetického pole vlastnosti magnetorheologické kapaliny 3 ve více vrstvách objektu I současně. Na tomto obrázku je patrné uspořádání řídicích magnetů 2 ze dvou (více) stran pohybujícího se objektu i.

Na obr. 7 je znázorněn objekt i konající kmitavý pohyb podél dráhy 4 a sloužící pro tlumení vibrací tělesa 16, například bloku motoru uloženého na rám I pomocí objektu I, který je zde v podobě pružně tlumicího prvku. Objekt i je částečně vyplněn magnetorheologickou kapalinou 3, která se v něm pohybuje. Její pohyb je řízen změnou jejího stavu pomocí intenzity magnetického pole vytvářeného pomocí řady elektromagnetů 2 umístěných podíl dráhy 4. Elektromagnety 2 jsou řízeny řídicí jednotkou 15 přes elektrické napájecí vedení 10 podle signálů snímaných na pohybujícím se objektu 1 nebo na tělese 16 nebo svými účinky na rámu 7. Řízení probíhá požadovanou změnou intenzity magnetického pole řídicích elektromagnetů 2, která změní vlastnosti, resp. stav magnetorheologické kapaliny 3, tím dojde ke zpomalení nebo zrychlení jejího pohybu uvnitř tělesa při jejím průtoku zúženými místy uvnitř objektu I a následně dochází k potlačení jeho vibrací vzniklých při nerovnoměrném pohybu tělesa 16 přeneseného na pohyb objektu i.

Na obr. 8 je znázorněn objekt i obdobně jako na obr. 7, ale v tomto případě je objekt I uspořádán uvnitř vinutí řídicího/ch elektromagnet/ů 2.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims

1. Zařízení pro tlumení vibrací pohybujícího se objektu uspořádaného na rámu, opatřené alespoň jedním odstředivým kyvadlem spojeným s objektem přes tlumič rotující s objektem podél kruhové dráhy, vyznačené tím, že tlumič (11)je vyplněn magnetorheologickou kapalinou, pohyblivou vůči objektu, přičemž podél kruhové dráhy (14) je uspořádán alespoň jeden řídicí elektromagnet (12) pro dosažení změny vlastností magnetorheologické kapaliny, ovládaný řiditelným elektrickým zdrojem pro řízení intenzity jeho elektromagnetického pole.