RU104520U1

RU104520U1 - VIBRATION PROTECTION DEVICE

Info

Publication number: RU104520U1
Application number: RU2010129653/11U
Authority: RU
Inventors: Сергей Викторович Елисеев; Александр Сергеевич Логунов; Роман Юрьевич Упырь; Юлия Владимировна Ермошенко; Андрей Нарьевич Трофимов; Инна Владимировна Фомина
Priority date: 2010-07-15
Filing date: 2010-07-15
Publication date: 2011-05-20

Abstract

1. Устройство для вибрационной защиты, содержащее сиденье оператора, пневматический элемент, систему продвижения воздуха под действием вибрации внутри пневматического элемента, подвески, отличающееся тем, что подвеска установлена на двух опорах и состоит из четырех рычагов шарнирно соединенных между собой в точках опор, на крайних рычагах с одной стороны располагается пневматический элемент, с другой стороны - дополнительная инерционная масса, рычаги которые расположены между опорами, соединены шарнирно с опорой сиденья. ! 2. Устройство для вибрационной защиты по п.1, отличающееся тем, что пневматический элемент состоит из верхней части в виде жесткой емкости и нижней части в виде гибкого полого элемента, способного изменять объем, пропуская через раздаточный элемент воздухопровода воздух посредством действия рычага, расположенного между опорой и опорой сиденья, под влиянием вибрации и веса оператора. ! 3. Устройство для вибрационной защиты по п.1, отличающееся тем, что опора сиденья имеет ограничение степени свободы благодаря рычагу, который соединен с опорой сиденья и основанием. 1. A device for vibration protection, comprising an operator’s seat, a pneumatic element, a system for promoting air under the action of vibration inside the pneumatic element, a suspension, characterized in that the suspension is mounted on two supports and consists of four levers pivotally connected to each other at support points levers on the one hand there is a pneumatic element, on the other hand - an additional inertial mass, the levers which are located between the supports are pivotally connected to the seat support. ! 2. The device for vibration protection according to claim 1, characterized in that the pneumatic element consists of an upper part in the form of a rigid container and a lower part in the form of a flexible hollow element capable of changing the volume by passing air through the distributing element of the air duct through the action of a lever located between support and seat support, under the influence of vibration and weight of the operator. ! 3. The device for vibration protection according to claim 1, characterized in that the seat support has a restriction of the degree of freedom due to a lever that is connected to the seat support and the base.

Description

Устройство относится к области машиностроения, а именно к вибрационной технике по защите человека-оператора от действия вибраций при его работе сидя.The device relates to the field of engineering, namely to vibration technology for protecting a human operator from the effects of vibration during his work while sitting.

Известно изобретение (RU №2043957 МПК B64G 1/52, G01G 21/24, заявлен 04.01.1992 г.) «Пространственная упругая подвеска прибора космического аппарата».The invention is known (RU No. 2043957 IPC B64G 1/52, G01G 21/24, filed January 4, 1992) "Spatial elastic suspension of a spacecraft instrument".

Сущность заключается в том, что в пространственной упругой подвеске прибора космического аппарата, который содержит амортизаторы, размещенные между корпусом космического аппарата и прибором. Каждый амортизатор выполнен в виде основной вилки, один конец которой жестко закреплен на корпусе космического аппарата, а свободные концы, направленные в сторону прибора, соединены между собой упругими элементами и размещенными между ними соединительными элементами.The essence is that in the spatial elastic suspension of the device of the spacecraft, which contains shock absorbers located between the body of the spacecraft and the device. Each shock absorber is made in the form of a main fork, one end of which is rigidly fixed to the spacecraft body, and the free ends directed towards the device are interconnected by elastic elements and connecting elements placed between them.

Плоскость основной вилки расположена в вертикальной плоскости ортогональной системы координат. Она снабжена дополнительными вилками, плоскость каждой из которых перпендикулярна плоскости соответствующей основной вилки, и каждая из которых жестко соединена одним концом с прибором, а другими концами, направленными на встречу свободным концам соответствующей основной вилки, соединена соосно расположенными, направленными навстречу друг друга пружинами с соединительными элементами соответствующей основной вилки. Упругий элемент выполнен в виде пружины.The plane of the main fork is located in the vertical plane of the orthogonal coordinate system. It is equipped with additional forks, the plane of each of which is perpendicular to the plane of the corresponding main fork, and each of which is rigidly connected at one end to the device, and the other ends directed to meet the free ends of the corresponding main fork, connected coaxially arranged, directed towards each other by springs with connecting elements of the corresponding main plug. The elastic element is made in the form of a spring.

Оси, проходящие через середину соединительных элементов в линию пересечения плоскостей основной и соответствующей ей дополнительных вилок каждого амортизатора совмещены с соответствующими осями ортогональной системы координат с началом в центре масс прибора.The axes passing through the middle of the connecting elements to the intersection line of the planes of the main and corresponding additional forks of each shock absorber are aligned with the corresponding axes of the orthogonal coordinate system with the origin at the center of mass of the device.

Окончание пружин, закрепленные на корпусе, основной и дополнительный виток выполнены диэлектрическими, а соединительный элемент выполнен в виде диска из электроизоляционного материала с изолированными друг от друга металлизированными поверхностями, каждая из которых электрически соединена с парой пружин, одна из которых закреплена на конце основной вилки, а другая - на конце соответствующей дополнительной вилки.The end of the springs, mounted on the housing, the main and additional turns are made of dielectric, and the connecting element is made in the form of a disk of electrical insulation material with metallic surfaces isolated from each other, each of which is electrically connected to a pair of springs, one of which is fixed to the end of the main fork, and the other at the end of the corresponding additional plug.

К недостаткам следует отнести, что данная конструкция позволяет использовать элементы амортизатора для передачи к оборудованию электрического сигнала, и не решает проблему снижения вибрации. Кроме того, данное устройство предназначено для работы в космосе и при очень низких частотах, в нашем случае, частоты выше на два порядка.The disadvantages include that this design allows the use of shock absorber elements to transmit an electrical signal to the equipment, and does not solve the problem of reducing vibration. In addition, this device is designed to work in space and at very low frequencies, in our case, the frequencies are two orders of magnitude higher.

Наиболее близкой по технической сущности является изобретение к патенту (RU №2093381, МПК B60N 2/02, заявлен 10.01.1995 г.) «Виброзащитная подвеска сидения». Предложенная подвеска осуществляет защиту человека как вертикальных, так и низкочастотных горизонтальных вибраций за счет уменьшения суммарной жесткости упругого подвеса при смещениях в горизонтальной плоскости.The closest in technical essence is the invention to the patent (RU No. 2093381, IPC B60N 2/02, filed January 10, 1995) “Vibration-proof suspension of the seat”. The proposed suspension protects the person of both vertical and low-frequency horizontal vibrations by reducing the total stiffness of the elastic suspension with displacements in the horizontal plane.

Это достигается за счет исключения влияния упругости тросов корректора жесткости на общую жесткость подвески в горизонтальных направлениях. Для этого середина отрезков тросов корректора жесткости закреплена на втулке симметрично относительно центрального отверстия, через которое с радиальным зазором проходит стержень, один конец которого соединен с несущей опорой с возможностью регулировочного перемещения. На другом конце закреплено ограничительное устройство, которое позволяет втулке свободно перемещаться только в горизонтальной плоскости. В вертикальной плоскости за счет корректора жесткости реализуется режим квазинулевой жесткости.This is achieved by eliminating the influence of the elasticity of the stiffener cables on the total suspension stiffness in horizontal directions. For this, the middle of the segments of the stiffener corrector cables is mounted symmetrically on the sleeve relative to the central hole, through which a rod passes with a radial clearance, one end of which is connected to the supporting support with the possibility of adjusting movement. A restrictive device is fixed at the other end, which allows the sleeve to move freely only in the horizontal plane. In the vertical plane due to the stiffness corrector, the quasi-zero stiffness mode is implemented.

К недостаткам следует отнести, что предлагаемое решение использует эффект изменения жесткости в пределах деформированных элементов и имеют ограничители, что приводит к возникновению динамических ударов. Известно изобретение, которое тоже решает ту же задачу виброзащиты подвесных сидений человека-оператора (RU №2255008, МПК, заявлен 21.04.2003 г.) «Кресло машиниста локомотива».The disadvantages include the fact that the proposed solution uses the effect of changing stiffness within the deformed elements and have limiters, which leads to the occurrence of dynamic impacts. Known invention, which also solves the same problem of vibration protection of the suspended seats of the human operator (RU No. 22255008, IPC, claimed April 21, 2003) "Chair of the locomotive driver."

Сущность изобретения заключается в том, что кресло содержит трубчатый каркас сиденья, спинку кресла с поролоновыми подушками, подлокотниками, опорный диск, шток, внутренний цилиндр подвески сиденья, фиксатор, пружину, опирающуюся на основание подвески, катки-виброизоляторы с осями и кронштейнами их крепления.The essence of the invention lies in the fact that the chair contains a tubular frame of the seat, the back of the chair with foam pillows, armrests, a support disk, a rod, an inner cylinder of the seat suspension, a latch, a spring resting on the base of the suspension, vibration isolating rollers with axles and brackets for their attachment.

Отличие заключается в том, что для активной системы виброзащиты машиниста от вредных вибраций оно содержит аэродинамический генератор колебаний с профильной стенкой. Имеется возможность регулировать амплитудно-частотные характеристики параметров вибрации. При этом шток соединен с опорным диском с прокладкой-диафрагмой из упругого материала и проходит через направляющую втулку с манжеткой, которая соединена с внутренним цилиндром подвески сиденья.The difference lies in the fact that for the driver’s active vibration protection system from harmful vibrations, it contains an aerodynamic oscillator with a profile wall. It is possible to adjust the amplitude-frequency characteristics of the vibration parameters. In this case, the rod is connected to the support disk with a gasket-diaphragm made of elastic material and passes through the guide sleeve with a cuff, which is connected to the inner cylinder of the seat suspension.

Внешний цилиндр подвески сиденья соединен с направляющей втулкой фиксатором, причем, несколько катков-виброизоляторов из упругого материала, изолирующие от вертикальных колебаний. Подвески, закрепленные на осях кронштейнов и соединенные с внутренним цилиндром, перекатываются по нижней или верхней полкам круга. Круг закреплен к внешнему цилиндру подвески сиденья. Катки-виброизоляторы, изготовленные из упругого материала, изолирующие от горизонтальных вибраций, закреплены на вертикальных осях, соединенных внешней поверхностью стенки внутреннего цилиндра подвески сиденья с другой стороны. Данное техническое решение имеет следующие недостатки. Предлагаемый эффект гашения вибрации основан на изменении жесткости упругого содержания воздуха, что не обеспечивает надежности защиты объекта от вибрации.The outer cylinder of the seat suspension is connected to the guide sleeve by a latch, and several vibration-isolating rollers made of elastic material that insulate from vertical vibrations. Pendants mounted on the axles of the brackets and connected to the inner cylinder are rolled along the lower or upper shelves of the circle. The circle is attached to the outer cylinder of the seat suspension. Vibration insulators made of an elastic material that insulate against horizontal vibrations are mounted on vertical axes connected by the outer surface of the wall of the inner cylinder of the seat suspension on the other hand. This technical solution has the following disadvantages. The proposed effect of vibration damping is based on a change in the stiffness of the elastic air content, which does not provide reliable protection of the object from vibration.

Целью данного технического решения является защита объекта от вибрации за счет динамического взаимодействия инерционных массовых элементов подвески (динамическое противостояние сил). Цель достигается тем, что устройство для вибрационной защиты содержит сидение оператора, пневматический элемент, систему продвижения воздуха под действием вибрации внутри пневматического элемента, подвеску. Отличие в том, что подвеска состоит из четырех рычагов шарнирно соединенных между собой в точках опор, на крайних рычагах с одной стороны располагается пневматический элемент, с другой стороны располагается дополнительная инерционная масса, рычаги, которые расположены между опорами, соединены шарнирно с опорой сиденья.The purpose of this technical solution is to protect the object from vibration due to the dynamic interaction of inertial mass elements of the suspension (dynamic confrontation of forces). The goal is achieved in that the device for vibration protection comprises an operator's seat, a pneumatic element, a system for promoting air under the action of vibration inside the pneumatic element, a suspension. The difference is that the suspension consists of four levers pivotally connected to each other at the support points, on the extreme levers there is a pneumatic element on one side, on the other hand there is an additional inertial mass, the levers that are located between the supports are pivotally connected to the seat support.

Пневматический элемент состоит из верхней части в виде жесткой емкости и нижней части в виде гибкого полого элемента, способного изменять объем, пропуская через раздаточный элемент воздухопровода воздух посредством действия рычага, расположенного между опорой и опорой сидения, под влиянием вибрации и веса оператора. Устройство поясняется чертежом и схемой. На фиг.1 дана общая схема устройства. На фиг.2 приведены кривые гашения вибрации.The pneumatic element consists of the upper part in the form of a rigid container and the lower part in the form of a flexible hollow element that can change the volume by passing air through the distributing element of the air duct through the action of a lever located between the support and the support of the seat, under the influence of vibration and weight of the operator. The device is illustrated in the drawing and diagram. Figure 1 is a General diagram of the device. Figure 2 shows the vibration damping curves.

На фиг.1 показано: сидение оператора - 1; опора сиденья оператора - 2; пневматический элемент - 4; подвеска - 3, состоящая из четырех рычагов, соединенных шарнирно на двух опорах - 5; дополнительная инерционная масса - 6. Пневматический элемент состоит из верхней части в виде жесткой емкости, нижней части в виде гибкой полой части. Для перекачки воздуха под влиянием вибрации и тяжести оператора имеется воздухопровод с раздаточным устройством 7. Имеется также опора 8, на которую опирается рычаг 9, обеспечивающий передачу движения опоры сиденья оператора 2 на раздаточное устройство 7. Рычаг 10 обеспечивает соединение опоры сиденья оператора 2 с основанием 11.Figure 1 shows: operator's seat - 1; support for the operator's seat - 2; pneumatic element - 4; suspension - 3, consisting of four levers pivotally connected on two supports - 5; additional inertial mass - 6. The pneumatic element consists of the upper part in the form of a rigid container, the lower part in the form of a flexible hollow part. For pumping air under the influence of vibration and the severity of the operator, there is an air pipe with a dispenser 7. There is also a support 8, on which a lever 9 rests, which transfers the movement of the support for the operator's seat 2 to the dispenser 7. The lever 10 provides a connection for the support of the operator's seat 2 with the base 11 .

Устройство работает следующим образом. Когда на сидение оператора 1 садится оператор, то под его весом М опора сиденья 2 идет вниз. Рычаг 10 ограничивает перемещение опоры сиденья 2 в сторону. Рычаг 9, перемещаясь вниз, открывает возможность раздаточному устройству 7 подать по воздухопроводу дополнительную порцию воздуха. Объем воздуха зависит от веса (М) оператора: чем тяжелее оператор, тем больше передается объем воздуха. Одновременно опора сиденья оператора 2, опираясь на сочлененную подвеску 3, обеспечивает ее движение вниз, тем самым к гашению колебаний включается дополнительная инерционная масса 6 и пневматический элемент 4. Выпуская или дополняя воздух в пневматический элемент 4 в зависимости от дополнительной инерционной массы 6 и вибрации всей системы, происходит мягкое гашение колебаний.The device operates as follows. When the operator sits on the operator’s seat 1, then under his weight M the seat support 2 goes down. The lever 10 restricts the movement of the seat support 2 to the side. The lever 9, moving down, opens the possibility of the dispenser 7 to supply an additional portion of air through the air duct. The air volume depends on the weight (M) of the operator: the heavier the operator, the more air is transmitted. At the same time, the support of the operator’s seat 2, relying on the articulated suspension 3, ensures its downward movement, thereby additional damping mass 6 and the pneumatic element 4 are turned on to damp the vibrations. By releasing or supplementing the air into the pneumatic element 4 depending on the additional inertial mass 6 and the vibration of the whole system, there is a soft damping of vibrations.

На фиг.2 кривая 1 соответствует малому значению приведенной массы, формируемой устройством для преобразования движения. Кривая 2 соответствует режиму, в котором возможно получение падающей ветви амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) системы. Физический смысл каждого значения АЧХ - отношение амплитуд колебаний на сидении к амплитуде колебаний основания. Часто такое отношение называют коэффициентом передачи колебаний. Ниспадающая ветвь на АЧХ в частотном интервале от О до частоты собственных колебаний означает, что в низкочастотной области, особенно опасной для человека, коэффициент передачи колебаний будет меньше единицы.In figure 2, curve 1 corresponds to a small value of the reduced mass generated by the device for converting movement. Curve 2 corresponds to a mode in which it is possible to obtain a falling branch of the amplitude-frequency characteristic (AFC) of the system. The physical meaning of each frequency response is the ratio of the amplitudes of the oscillations in the seat to the amplitude of the vibrations of the base. Often this ratio is called the transmission coefficient of the oscillations. A descending branch on the frequency response in the frequency range from 0 to the frequency of natural vibrations means that in the low-frequency region, which is especially dangerous for humans, the transmission coefficient of the oscillations will be less than unity.

Кривая 3 на фиг.2 показывает свойства обычной системы. В низкочастотной области в обычной системе, а также в системе с устройствами для преобразования движения АЧХ имеет нарастающий характер до частоты собственных колебаний или частоты резонанса.Curve 3 in FIG. 2 shows the properties of a conventional system. In the low-frequency region in a conventional system, as well as in a system with devices for converting motion, the frequency response is increasing in nature to the frequency of natural oscillations or the resonance frequency.

Предлагаемые формулы (9), (10) используются для выбора параметров системы, если предполагается интерес к особенностям свойств систем с учетом возможностей в их вариантах (кривая 1, кривая 2).The proposed formulas (9), (10) are used to select the parameters of the system if interest in the features of the properties of the systems is supposed, taking into account the possibilities in their variants (curve 1, curve 2).

В приложении представлен расчет гашения колебаний сиденья оператора с помощью предложенного устройства.The annex presents the calculation of the damping of the oscillations of the operator’s seat using the proposed device.

Приложениеapplication

Оценка динамических свойств устройства виброзащитной системыAssessment of the dynamic properties of the vibration protection system device

Цель предлагаемого изобретения заключается в том, чтобы простейшим способом обеспечить гашение колебаний подвески сидения человека-оператора от действия вибрации в области низких частот (дорезонансной области).The aim of the invention is to provide, in the simplest way, the damping of the suspension of a human operator’s seat from the effects of vibration in the low-frequency region (pre-resonance region).

Сущность предлагаемого изобретения поясняется нижеследующим описанием. На фиг.1 показана схема подвески сидения с устройством для преобразования движения для защиты от действия вибрации в области низких частот. Эта схема является принципиальной схемой подвески сидения оператора с возможностями защиты от вибраций в области низких частот. Обозначения представлены выше в описании изобретения. Для этой схемы может быть построена математическая модель.The essence of the invention is illustrated by the following description. Figure 1 shows a diagram of the suspension of the seat with a device for converting movement to protect against vibration in the low frequency region. This diagram is a schematic diagram of the operator seat suspension with anti-vibration capabilities at low frequencies. Designations are presented above in the description of the invention. For this scheme, a mathematical model can be built.

Особенностью предлагаемого изобретения является то, что подвижная подвеска через рычажные соединения имеет связь с дополнительным инерционным механизмом, имеющим массу m₁. Движения скобы или вертикальное перемещение человека-оператора массой М сопровождается преобразованием относительного движения с помощью рычажных механизмов. Преобразование движения приводит к изменению значений приведенных масс, они могут быть увеличены или уменьшены за счет изменения геометрических параметров механизмов или устройств преобразования движения. В физическом плане преобразование движения связано с возникновением дополнительных инерционных сил, которые при определенных условиях создают эффекты динамического гашения, полезные тем, что в определенном диапазоне частот они снижают амплитуд вынужденных колебаний объекта защиты. Построение математической модели основано на использовании формализма Лагранжа.A feature of the invention is that the movable suspension through linkages is connected with an additional inertial mechanism having a mass of m ₁ . The movement of the bracket or the vertical movement of a human operator of mass M is accompanied by the transformation of the relative movement using lever mechanisms. The conversion of motion leads to a change in the values of the reduced masses, they can be increased or decreased by changing the geometric parameters of the mechanisms or devices for converting motion. In physical terms, the transformation of motion is associated with the appearance of additional inertial forces, which under certain conditions create dynamic quenching effects, useful in that in a certain frequency range they reduce the amplitudes of the forced vibrations of the protected object. The construction of a mathematical model is based on the use of the Lagrange formalism.

Кинетическая энергия виброзащитной системы определяется сумой энергии объекта массой М, энергии пригруза массой m₁ и приведенной массы m. Абсолютное движение объекта массой М складывается из переносного движения z и относительного движения - поворота рычага относительно точки О. Принимая, что через y обозначена координата движения относительно абсолютно неподвижной системы, найдем выражение для кинетической энергииThe kinetic energy of the vibration protection system is determined by the sum of the energy of the object of mass M, the energy of the cargo of mass m ₁ and the reduced mass m. The absolute motion of an object of mass M is the sum of the portable motion z and relative motion — the rotation of the lever relative to point O. Assuming that y is the coordinate of motion relative to an absolutely motionless system, we find the expression for kinetic energy

где , , а знак «-» отражает свойство рычажного механизма при вращении вокруг точек О и О₁ изменять направление скорости относительного движения на противоположное, при этом соответствующим образом изменяется и величина самой скорости (отметим, что рассматриваются малые движения). Where , , and the “-" sign reflects the property of the lever mechanism when rotating around the points O and O ₁ to change the direction of the relative motion velocity in the opposite direction, while the magnitude of the velocity itself changes accordingly (note that small movements are considered).

Принимая , , получимTaking , we get

илиor

Если кинетическую энергию выразить через y₁, тоIf kinetic energy is expressed in terms of y ₁ , then

Потенциальная энергия системы в координатах, связанных с неподвижной системой отсчета, принимает вид The potential energy of the system in the coordinates associated with the fixed reference system takes the form

В случае выбора координат у₁ In the case of the choice of coordinates y ₁

где К_пр - коэффициент жесткости, определяемый последовательным соединением пневмобаллона (жесткость k₁) и демпферной камеры (жесткость k₀), .where K _CR - the stiffness coefficient, determined by the serial connection of the air cylinder (stiffness k ₁ ) and the damper chamber (stiffness k ₀ ), .

С учетом вышеприведенного, можно получить модель в виде дифференциального уравнения движения по координате y:In view of the above, it is possible to obtain a model in the form of a differential equation of motion along the y coordinate:

Для координаты y₁ получим соответственноFor the coordinate y ₁ we obtain, respectively

Передаточная функция в такой системе имеет видThe transfer function in such a system has the form

Запишем выражение для построения амплитудно-частотной характеристики системы, используя (9)We write an expression for constructing the amplitude-frequency characteristic of the system using (9)

где Where

Из полученной математической модели, можно найти частоты, которые в первом приближении, могут соответствовать провалам и пикам АЧХ:From the obtained mathematical model, we can find frequencies that, to a first approximation, can correspond to dips and peaks in frequency response:

Claims

1. A device for vibration protection, comprising an operator’s seat, a pneumatic element, a system for promoting air under the action of vibration inside the pneumatic element, a suspension, characterized in that the suspension is mounted on two supports and consists of four levers pivotally connected to each other at support points levers on the one hand there is a pneumatic element, on the other hand - an additional inertial mass, the levers which are located between the supports are pivotally connected to the seat support.

2. The device for vibration protection according to claim 1, characterized in that the pneumatic element consists of an upper part in the form of a rigid container and a lower part in the form of a flexible hollow element capable of changing the volume by passing air through the distributing element of the air duct through the action of a lever located between support and seat support, under the influence of vibration and weight of the operator.

3. The device for vibration protection according to claim 1, characterized in that the seat support has a restriction of the degree of freedom due to a lever that is connected to the seat support and the base.