RU2131348C1

RU2131348C1 - Vibration damping nozzle

Info

Publication number: RU2131348C1
Application number: RU97121440A
Authority: RU
Inventors: В.Ф. Давыдов; А.С. Щербаков; В.Н. Обливин; Т.И. Беловол
Original assignee: Московский государственный университет леса
Priority date: 1997-12-26
Filing date: 1997-12-26
Publication date: 1999-06-10

Abstract

FIELD: mechanics; passive vibration damping systems for hand-operated forestry and road- building machines. SUBSTANCE: nozzle is put on tubular shell and has internal and external bushings placed one inside other. Radial symmetrical dents are made on adjacent sides of bushings. Each pair of dents forms cell to receive base-fixed cylindrical rollers placed therein one after another. Rollers and bushings are made of high- quality synthetic rubber. EFFECT: improved functional efficiency and reliability in operation. 2 dwg

Description

Изобретение относится к области механики, в частности к пассивным виброзащитным системам, и может найти применение при создании новых, форсированных по мощности лесохозяйственных, строительно-дорожных ручных машин и инструментов. The invention relates to the field of mechanics, in particular to passive vibration-proof systems, and can find application in the creation of new forestry, road construction manual machines and tools, force-boosted.

Увеличение производительности ручных машин и инструментов достигается, как правило, увеличением мощности двигателя, что входит в противоречие с возможностью снижения уровня вибраций на рукоятках. Необходимость жесткого удержания инструмента в процессе его использования не позволяет, в свою очередь, применять на рукоятках мягкие виброизолирующие материалы. Отбойные молотки, бензиномоторные пилы (Дружба, Урал-2, Тайга МП-5) имеют уровень вибраций на рукоятках на 10-15 дБ превышающий санитарные нормы. Использование индивидуальных средств виброзащиты создает дополнительные эксплуатационные неудобства оператору и не обеспечивает заданную эффективность виброгашения. An increase in the productivity of manual machines and tools is achieved, as a rule, by an increase in engine power, which contradicts the possibility of reducing the level of vibration on the handles. The need for rigid holding of the tool during its use does not, in turn, allow the use of soft vibration-isolating materials on the handles. Jack hammers, gasoline-powered saws (Druzhba, Ural-2, Taiga MP-5) have a vibration level on the handles of 10-15 dB higher than sanitary standards. The use of individual vibration protection means creates additional operational inconvenience to the operator and does not provide the specified vibration damping efficiency.

Известна конструкция виброгасящей насадки на рукоятку бензиномоторной пилы (см. , например, "Моторные инструменты в лесной промышленности", М., Лесная промышленность, Рама МП-5 "Урал-2", стр. 73, рис. 26 - аналог). The design of the vibration damping nozzle on the handle of a gasoline-powered saw is known (see, for example, "Motor tools in the forest industry", M., Forestry, Frame MP-5 "Ural-2", p. 73, Fig. 26 - analogue).

Устройство аналога содержит трубчатый каркас, выполненный для облегчения веса из алюминия, механически закрепленный на раме бензопилы с помощью хомутов. Верхняя, центральная часть каркаса, служащая для захвата и удержания бензопилы оператором во время работы содержит две насадки для рук из виброизолирующего материала - резины, надетые непосредственно на каркас. Недостатками известной конструкции является низкая эффективность виброгашения, непостоянство коэффициента виброизоляции при меняющихся усилиях операторов, приложенных к рукояткам во время работы, низкие эксплуатационные характеристики резиновых насадок при отрицательных температурах. The analog device contains a tubular frame made to lighten the weight of aluminum, mechanically mounted on the frame of the chainsaw using clamps. The upper, central part of the frame, which serves to capture and hold the chainsaw by the operator during operation, contains two hand nozzles made of vibration-isolating material - rubber, worn directly on the frame. The disadvantages of the known design are the low efficiency of vibration damping, the variability of the coefficient of vibration isolation with changing efforts of the operators applied to the handles during operation, low performance rubber nozzles at low temperatures.

Ближайшим аналогом по технической сущности с заявляемым является "Амортизирующее устройство" (см. авторское свидетельство СССР N 166248, кл. F 16 F 7/12, 1965 г. - ближайший аналог). Оно содержит смонтированные в одном корпусе эластичные элементы для поглощения сотрясений одновременно в различных плоскостях, при этом вертикальный узел выполнен в виде кольца из эластичного материала, резины, надетого на втулку и сжатого предварительной затяжкой двумя полукольцами с замками. The closest analogue in technical essence to the claimed one is the "Shock-absorbing device" (see USSR author's certificate N 166248, class F 16 F 7/12, 1965 - the closest analogue). It contains elastic elements mounted in one housing to absorb shocks simultaneously in different planes, while the vertical unit is made in the form of a ring of elastic material, rubber worn on the sleeve and pre-tightened by two half rings with locks.

Недостатками ближайшего аналога являются невозможность непосредственного использования; многоэлементность и сложность конструкции; ограничение потенциальной эффективности виброгашения объемом возможного свободного "выпучивания" эластичного материала при его статическом поджатии из-за нерасчлененности. The disadvantages of the closest analogue are the impossibility of direct use; multi-element and design complexity; the limitation of the potential effectiveness of vibration damping by the volume of possible free "buckling" of the elastic material during its static compression due to non-fragmentation.

Задача, решаемая данным изобретением, заключается в повышении функциональной эффективности и эксплуатационной надежности насадки. The problem solved by this invention is to increase the functional efficiency and operational reliability of the nozzle.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что виброгасящая насадка, содержащая надетую с натягом на трубчатый каркас внутреннюю втулку и элемент, выполненные с обжимающими поверхностями, и систему элементов из виброизолирующего материала, закрепленную со статическим поджатием между указанными обжимающими поверхностями, указанный элемент с обжимающей поверхностью выполнен в виде втулки, при этом обе втулки соосно размещены одна внутри другой, на смежных сторонах которых выполнены радиально-симметричные выемки, с образованием каждой их парой - ячеек, при этом указанная система элементов из виброизолирующего материала образована цилиндрическими роликами, закрепленными со статическим поджатием своими основаниями поэлементно в указанных ячейках, причем втулки и цилиндрические ролики изготовлены из виброизолирующего материала высокой добротности. The solution to this problem is provided by the fact that the vibration damper comprising an inner sleeve worn with an interference fit on the tubular frame and an element made with compression surfaces, and a system of elements of vibration-isolating material, fixed with static compression between the said compression surfaces, said element with a compression surface is made in in the form of a sleeve, while both bushings are coaxially placed one inside the other, on the adjacent sides of which radially symmetrical recesses are made, with the formation of each pair of them consists of cells, while the indicated system of elements of vibration-isolating material is formed by cylindrical rollers fixed with static pressing with their bases elementwise in these cells, and the bushings and cylindrical rollers are made of high-quality vibration-isolating material.

Сопоставительный анализ с ближайшим аналогом показывает, что заявляемое техническое решение содержит новые элементы: две втулки, множество единичных виброгасящих элементов - роликов с оптимальными параметрами, новый материал, а также новые связи между вновь введенными и известными элементами, содержащимися также в ближайшем аналоге. Comparative analysis with the closest analogue shows that the claimed technical solution contains new elements: two bushings, many single vibration-absorbing elements - rollers with optimal parameters, new material, as well as new connections between newly introduced and known elements also contained in the closest analogue.

Вновь введенные элементы и связи позволяют реализовать такие новые свойства заявляемого технического решения, как высокую добротность виброизолирующей системы за счет расчлененности эластичного материала для свободного "выпучивания" элементов; низкую собственную резонансную частоту за счет статического поджатия и выбора параметров единичного элемента; уменьшение площади, передающей вибрацию, за счет поэлементной "перфорации". The newly introduced elements and connections allow us to realize such new properties of the claimed technical solution as the high quality factor of the vibration-isolating system due to the dissection of the elastic material for free "buckling" of the elements; low natural resonant frequency due to static preload and the choice of the parameters of a single element; reduction of the area transmitting vibration due to the elementwise "perforation".

Перечисленные свойства обеспечивают достижение высокой функциональной эффективности насадки, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "изобретательский уровень". These properties ensure the achievement of high functional efficiency of the nozzle, which allows us to conclude that the claimed technical solution meets the criterion of "inventive step".

На фиг. 1 представлены: а) сечения насадки AA и BB; б) общий вид единичного элемента - ролика и его параметры h, S, δ. На фиг. 2 приведены расчетные амплитудно-частотные характеристики виброгасящей насадки - а) и ближайшего аналога - б). In FIG. 1 presents: a) section of the nozzle AA and BB; b) a general view of a single element - a roller and its parameters h, S, δ. In FIG. 2 shows the calculated amplitude-frequency characteristics of the vibration-damping nozzle - a) and the closest analogue - b).

Виброгасящая насадка надевается на трубчатый каркас 1 и содержит внутреннюю 2 и наружную 3 втулки, помещенные одна внутри другой, на смежных сторонах которых выполнены радиально-симметричные выемки, каждая пара выемок образует ячейку 4, в которых поэлементно закрепленные в основаниях размещены цилиндрические ролики 5. Втулки и ролики выполнены из синтетического каучука высокой добротности. The vibration-damping nozzle is put on the tubular frame 1 and contains an inner 2 and an outer 3 bushings placed one inside the other, on the adjacent sides of which radially symmetric recesses are made, each pair of recesses forms a cell 4, in which cylindrical rollers are placed in the bases elementwise and the rollers are made of high quality synthetic rubber.

Техническая сущность изобретения заключается в следующем. Наиболее фундаментальным и универсальным свойством физических систем является соответствие их определенным законам сохранения: массы, энергии, движения и т.д. Среди перечисленных, одним из основополагающих законов является закон сохранения энергии. Согласно закону сохранения энергии виброзащитная система обладает способностью к закономерному гашению вибрации, если кинетическая энергия возбуждения w_к будет меньше или равна потенциальной энергии w_п упругой деформации виброзащитного материала, нагруженного массой m, т.е. w_к ≤ w_п. Кинетическая энергия возбуждения задается формулой

где m₁ - масса возбуждающего источника.The technical essence of the invention is as follows. The most fundamental and universal property of physical systems is their compliance with certain conservation laws: mass, energy, motion, etc. Among these, one of the fundamental laws is the law of conservation of energy. According to the law of energy conservation, a vibration-protective system is capable of regularly damping vibration if the kinetic excitation energy w _k is less than or equal to the potential energy w _{p of the} elastic deformation of the vibration-proof material loaded with mass m, i.e. w _to ≤ w _p . The kinetic energy of excitation is given by the formula

where m ₁ is the mass of the exciting source.

Для бензопилы, с учетом опоры режущего инструмента на объект распиловки m₁ = 3 - 5 кг, m₂ - масса объекта виброизоляции. В данном случае усилие обхвата рукоятки оператором обычно изменяется от 5 до 20 кг. Потенциальная энергия упругой деформации
W_п = 1/2c•δ $\binom{2}{ст}$ ,
где c - жесткость виброизолятора;
δ_ст - величина статической деформации виброизолятора.For a chainsaw, taking into account the support of the cutting tool on the sawing object, m ₁ = 3 - 5 kg, m ₂ is the mass of the vibration isolation object. In this case, the grip force of the handle by the operator usually varies from 5 to 20 kg. Potential energy of elastic deformation
W _p = 1 / 2c • δ $\binom{2}{st}$ ,
where c is the stiffness of the vibration isolator;
δ _article - the value of the static deformation of the vibration isolator.

Из условия, что

где g - ускорение силы тяжести;
w_п = mg²/2 ω

\binom{2}{o}

.
В соответствии с ГОСТ 12.4.002-74 "Средства защиты рук от вибрации", ГОСТ 12.4.020-75 "Номенклатура показателей качества", максимальная толщина упругодемпфирующего элемента должна обеспечивать надежный обхват рукоятки, чтобы совокупная длина внешней окружности насадки не превышала длину ладони оператора.From the condition that

where g is the acceleration of gravity;
w _n = mg ^2/2 ω

\binom{2}{o}

.
In accordance with GOST 12.4.002-74 "Hand protection against vibration", GOST 12.4.020-75 "Nomenclature of quality indicators", the maximum thickness of the elastic damping element must provide a reliable grip of the handle so that the total length of the outer circumference of the nozzle does not exceed the length of the palm of the operator .

Жесткость плоского виброизолятора задается формулой

где E - модуль упругости первого рода, для синтетического каучука E ~ 4,5 • 10⁵ H/м²;
S - площадь;
h - высота упругого элемента (по ГОСТу h = 8 - 10 мм).The rigidity of a flat vibration isolator is given by the formula

where E is the elastic modulus of the first kind, for synthetic rubber E ~ 4.5 • 10 ⁵ N / m ² ;
S is the area;
h is the height of the elastic element (according to GOST h = 8 - 10 mm).

Из теории вибрации известно (см. , например, "Вибрации в технике", справочник под редакцией К.В.Фролова, том 6, М., Машиностроение, 1981 г., с. 456), что основная гармоника структурного шума, вызванного неуравновешенностью ротора, совпадает с числом оборотов вала. Число оборотов отечественных бензопил составляет 6200 - 7000 об/мин или основная гармоника кинематической вибрации 100 - 120 Гц. При санитарных нормах виброскорости (V) (см. CH N 626-66, ГОСТ 1.770-72) на частоте 120 Гц, равных 111 дБ и реальном уровне вибраций на рукоятках бензопил ~ 125 дБ, количественному соотношению потенциальной и кинетической энергий, соответствует неравенство
w_п ≥ w_к;

откуда ω_o ≤ 90 или f₀ ≤ 15 Гц.From the theory of vibration it is known (see, for example, “Vibrations in Engineering”, a reference edited by K.V. Frolov, Volume 6, Moscow, Mechanical Engineering, 1981, p. 456) that the main harmonic of structural noise caused by imbalance rotor coincides with the number of revolutions of the shaft. The number of revolutions of domestic chainsaws is 6200 - 7000 rpm or the main harmonic of the kinematic vibration is 100 - 120 Hz. With sanitary norms of vibration velocity (V) (see CH N 626-66, GOST 1.770-72) at a frequency of 120 Hz, equal to 111 dB and a real level of vibration on the handles of chainsaws ~ 125 dB, the quantitative ratio of potential and kinetic energies corresponds to the inequality
w _p ≥ w _k ;

whence ω _o ≤ 90 or f ₀ ≤ 15 Hz.

Следовательно, закономерное гашение вибраций будет обеспечено при собственной частоте насадки менее 15 Гц, или при допустимой рабочей площади единичных элементов:

S_раб. ≤ 20 см².Therefore, the natural damping of vibrations will be ensured when the natural frequency of the nozzle is less than 15 Hz, or with an allowable working area of individual elements:

S _slave. ≤ 20 cm ² .

Наружная поверхность насадки должна соответствовать площади ладони или равна 200 см². Полученное неравенство S_раб ≤ 20 см² может быть конструктивно выполнено путем "перфорации" или выполнением рабочей поверхности в виде набора единичных роликов. Из условия равномерного распределения роликов по всей перфорированной поверхности их общее количество должно быть N = S_раб = 20 см²/ π D²/4 - площадь единичного элемента (ролика). Дополнительным конструктивным условием служит равномерность механической прочности насадки как образующей цилиндрической поверхности, так и радиальной составляющей. Из этих условий общее количество единичных элементов составит ~ 80 штук или 10 рядов по 8 радиальных элементов в ряду. Из новых конструкционных материалов, обладающих высокой добротностью, стойкостью к действию органических растворителей (бензин, масла) и широким диапазоном рабочих температур от +50^oC до -20^oC выбран синтетический каучук (эластомер, СКУ-7-60) (см., например, Технический отчет N 194-6882-611, Исследование возможности применения полиуретанового эластомера для защиты аппаратуры от динамических воздействий", НПО ИТ, М., 1982 г.). Материал хорошо зарекомендовал себя при виброизоляции аппаратуры на ракетах носителях, добротность упругорезонансных систем Q из материала достигает 5, в то время как данный показатель для резины составляет интервал 1,5...2,7.The outer surface of the nozzle should correspond to the area of the palm or equal to 200 cm ² . The resulting inequality S _slave ≤ 20 cm ² can be constructively performed by "perforation" or by performing a work surface in the form of a set of single rollers. From the condition of uniform distribution of the rollers across the perforated surface of their total amount would be _slave N = S = 20 cm ² / π D ^2/4 - the unit cell area (a roller). An additional constructive condition is the uniformity of the mechanical strength of the nozzle as a generatrix of the cylindrical surface and the radial component. Of these conditions, the total number of single elements will be ~ 80 pieces or 10 rows of 8 radial elements in a row. Synthetic rubber (elastomer, SKU-7-60) was selected from new construction materials with high quality factor, resistance to organic solvents (gasoline, oil) and a wide range of operating temperatures from +50 ^o C to -20 ^o C for example, Technical Report N 194-6882-611, Investigation of the possibility of using a polyurethane elastomer to protect equipment from dynamic influences ", NPO IT, M., 1982). The material has proven itself in the vibration isolation of equipment on carrier rockets, the quality factor of elastic resonance systems Q and Material 5 reaches, while the figure for rubber interval of 1.5 ... 2.7.

Эффективность виброгасящей насадки определяется добротностью единичного элемента, а также потенциальной энергией статического поджатия. The effectiveness of the vibration damper is determined by the quality factor of a single element, as well as the potential energy of static preload.

Исходя из соотношений

получены следующие оптимальные параметры единичного элемента, при условии, что f₀ ≤ 15 Гц, h = 8 мм, диаметр 5,7 мм, S = 0,25 см², δ_ст = 1,2 мм.Based on the relations

the following optimal parameters of a single element were obtained, provided that f ₀ ≤ 15 Hz, h = 8 mm, diameter 5.7 mm, S = 0.25 cm ² , δ _st = 1.2 mm.

При полигармоническом возбуждении, представленном в виде конечной тригонометрической суммы, интегральным показателем эффективности (E) систем виброизоляции служит отношение дисперсий выходного сигнала к дисперсии входного:

Дисперсия сигнала характеризует среднюю мощность переменных составляющих случайного процесса: D_x - дисперсия абсолютного ускорения источника

D_у - дисперсия абсолютного ускорения объекта:

где k ( ν , z) - коэффициент вибропередачи, график которого представлен на фиг. 2, z = ω/ω_o, ν = 1/2θ.
Аппроксимируя кинетический момент дебаланса вала двигателя бензопилы положительной полуволной косинусоиды и разложив функцию в тригонометрический ряд, получим значения амплитуд гармонических составляющих кинематического возбуждения: A₁; A₂ = 0,44A₁; A₃ = 0,2A₁; A₄ = 0,09A₁; A₅ = 0,05A₁. Расчетная потенциальная эффективность виброгасящей насадки при ее применении на рукоятках бензопил составит 16 дБ. Жесткость конструкции обеспечивается закреплением (проклеиванием) элементов в ячейках синтетическим клеем типа 88. Синтетический каучук СКУ-7-60 является эластичным высокомолекулярным соединением, что обеспечивает эффективное вибропоглощение. В процессе динамического воздействия создаются благоприятные условия для лучшей ориентации макроцепей в направлении приложения деформирующего усилия и в конечном счете наблюдается эффект увеличения прочности. Практический ресурс работы более 10000 ч. СКУ-7-60 - литьевой материал, его синтез идет в течение 12 ч с последующей выдержкой в нормальных условиях в течение 14 дней. Таким образом, технология изготовления элементов насадки представляется в виде отливок по заданным шаблонам.With polyharmonic excitation, presented in the form of a finite trigonometric sum, the ratio of the dispersions of the output signal to the dispersion of the input serves as an integral indicator of the effectiveness (E) of vibration isolation systems:

The signal dispersion characterizes the average power of the variable components of a random process: D _x - variance of the absolute acceleration of the source

D _y - the dispersion of the absolute acceleration of the object:

where k (ν, z) is the vibration transfer coefficient, the graph of which is presented in FIG. 2, z = ω / ω _o , ν = 1 / 2θ.
Approximating the kinetic moment of the unbalanced shaft of the chainsaw engine of the positive half-wave cosine wave and expanding the function in a trigonometric series, we obtain the values of the amplitudes of the harmonic components of the kinematic excitation: A ₁ ; A ₂ = 0.44A ₁ ; A ₃ = 0.2A ₁ ; A ₄ = 0.09A ₁ ; A ₅ = 0.05A ₁ . The estimated potential effectiveness of the vibration damping nozzle when applied to the chainsaw arms will be 16 dB. The rigidity of the structure is ensured by fixing (gluing) the elements in the cells with synthetic adhesive of type 88. Synthetic rubber SKU-7-60 is an elastic high molecular weight compound that provides effective vibration absorption. In the process of dynamic action, favorable conditions are created for better orientation of the macrochains in the direction of application of the deforming force, and ultimately, the effect of increased strength is observed. The practical life of more than 10,000 hours. SKU-7-60 is cast material, its synthesis takes 12 hours, followed by exposure under normal conditions for 14 days. Thus, the manufacturing technology of the nozzle elements is presented in the form of castings according to given patterns.

Изобретение позволяет повысить функциональную эффективность и эксплуатационную надежность насадки. The invention improves the functional efficiency and operational reliability of the nozzle.

Claims

A vibration damping nozzle comprising an inner sleeve worn with an interference fit on the tubular frame and an element made with compression surfaces, and a system of elements of vibration-isolating material, fixed with static compression between said compression surfaces, characterized in that said element with a compression surface is made in the form of a sleeve, in this case, both bushings are coaxially placed one in the other, radially symmetric recesses are made on their adjacent sides with the formation of each of them by a pair of cells, while the indicated the system of elements made of vibration-insulating material is formed by cylindrical rollers fixed with static compression with their bases element-wise in these cells, and the bushings and cylindrical rollers are made of high-quality vibration-insulating material.