RU2229638C1

RU2229638C1 - Dynamic vibration damper

Info

Publication number: RU2229638C1
Application number: RU2002123036/11A
Authority: RU
Inventors: Д.М. Белый (RU); Д.М. Белый
Original assignee: Ульяновский государственный технический университет
Priority date: 2002-08-27
Filing date: 2002-08-27
Publication date: 2004-05-27
Also published as: RU2002123036A

Abstract

FIELD: mechanical engineering+ADs- dampening vibrations of elastically-mounted structures. SUBSTANCE: proposed vibration damper is used for dampening bending vibrations of revolving shafts+ADs- it includes inertial mass in form of ring concentrically embracing the shaft+ADs- this ring is axially movable+ADs- vibration damper includes also elastic member connected with inertial mass and shaft. Elastic member is made in form of cylindrical envelope from cord fabric and is provided with end parts: collar of membrane tightly fitted on shaft and turned inside out. Inertial mass embraces concentrically envelope and tightly connects ends of end parts over contour, thus forming enclosed circular flexible chamber which is partially filled with viscous fluid. EFFECT: extended functional capabilities+ADs- enhanced efficiency+ADs- simplified construction. 2 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для гашения колебаний упругоустановленных конструкций.The invention relates to mechanical engineering and can be used to damp vibrations of elastic structures.

Известны динамические гасители колебаний, содержащие инерционную массу, присоединенную к защищаемому объекту при помощи упругого элемента, механизм регулировки резонансных частот, который выполнен либо в виде перестраиваемой жесткости упругого элемента (см. Вибрации в технике. Справочник./Под ред. К.В. Фролова. - М.: Машиностроение, 1981, т.6, с. 337, рис.17а [1]; а.с. №1467286, кл. F 16 F 15/00, F 16 F 15/03, 1987 [2]), либо в виде изменяемой инерционной массы (см. а.с. СССР №1490344, кл. F 16 F 15/00, 1987 [3]; Справочник по динамике сооружений./Под ред. Б.Г. Коренева и др., "Стройиздат", 1972, с. 445 [4]). При этом в ряде конструкций гасителей дополнительно либо в тело упругого элемента (см. а.с. СССР №1716214, кл. F 16 F 15/00, 1990 [5]), либо в тело инерционной массы (см. а.с. СССР №676782, кл. F 16 F 7/10, 1977 [6]) введены демпфирующие элемента в виде вязкой жидкости, сыпучего материала и т.п.Known dynamic vibration dampers containing the inertial mass attached to the protected object by means of an elastic element, the resonance frequency adjustment mechanism, which is either in the form of tunable stiffness of the elastic element (see. Vibrations in technology. Handbook. / Ed. By K.V. Frolov . - M.: Mechanical Engineering, 1981, v.6, p. 337, fig. 17a [1]; AS No. 1467286, class F 16 F 15/00, F 16 F 15/03, 1987 [2 ]), or in the form of a variable inertial mass (see AS of the USSR No. 1490344, class F 16 F 15/00, 1987 [3]; Reference on the dynamics of structures. / Ed. by B. G. Korenev and others ., "Stroyizdat", 1972, p. 445 [4]). Moreover, in a number of damper designs, additionally either into the body of the elastic element (see AS of the USSR No. 1716214, class F 16 F 15/00, 1990 [5]), or into the body of an inertial mass (see AS USSR No. 676782, class F 16 F 7/10, 1977 [6]) introduced damping elements in the form of a viscous liquid, bulk material, etc.

Однако во всех известных конструкциях динамических гасителей колебаний не заложена возможность автоматической настройки на заданную резонансную частоту гашения и возможность автоматической перестройки на другие частоты из спектра резонансных частот при изменении частоты возмущающих воздействий непосредственно в процессе эксплуатации. В данных конструкциях процесс настройки и перестройки гасителя осуществляется путем специальной регулировки жесткости упругого элемента и величины инерционной массы перед эксплуатацией гасителя и путем прерывания процесса эксплуатации. Это резко ограничивает функциональные возможности известных конструкций и сужает область их применения.However, in all known constructions of dynamic vibration dampers, the possibility of automatic tuning to a given resonant frequency of damping and the possibility of automatic tuning to other frequencies from the spectrum of resonant frequencies when changing the frequency of disturbing effects directly during operation are not inherent. In these designs, the process of adjusting and rebuilding the damper is carried out by specially adjusting the stiffness of the elastic element and the value of the inertial mass before operation of the damper and by interrupting the operation. This sharply limits the functionality of known designs and narrows the scope of their application.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявляемому изобретению по совокупности признаков является гаситель изгибных колебаний вращающегося вала, содержащий инерционную массу в виде кольца, укрепленного на установленном на валу с возможностью осевого перемещения подшипнике, и упругий элемент в виде расположенного параллельно валу гибкого длинномерного опорного элемента, свободно охваченного втулкой, жестко соединенной штангой с инерционной массой (см. а.с. СССР №1647176, кл. F 16 F 15/02, 1988 [7]), и принятым за прототип.The closest device of the same purpose to the claimed invention in terms of features is a damper of bending vibrations of a rotating shaft, containing an inertial mass in the form of a ring mounted on a bearing mounted on the shaft with axial movement, and an elastic element in the form of a flexible long support element located parallel to the shaft, freely covered by a sleeve rigidly connected to a rod with inertial mass (see AS USSR No. 1647176, class F 16 F 15/02, 1988 [7]), and adopted as a prototype.

Данное устройство-прототип позволяет осуществлять автоматическую настройку и перестройку гасителя на заданную резонансную частоту непосредственно в процессе его эксплуатации. Однако данное устройство имеет сложную конструкцию, а главное - не представляет собой отдельный, установленный на валу модуль, а требует наличия специального, установленного на параллельном валу на дополнительных упорах опорного механизма, предотвращающего крутильные перемещения и фиксирующего осевые перемещения инерционной массы. В реальных конструкциях такой возможности обычно не представляется, что резко ограничивает функциональные возможности устройства и практически исключает возможность его применения. Кроме того, в устройстве практически отсутствуют элементы активной диссипации энергии колебаний, наличие которых необходимо для эффективной работы гасителя колебаний, а фиксация требуемых осевых положений инерционной массы опорным элементом ненадежна и нестабильна (опорная втулка без сопротивления может сместиться вдоль опорного гибкого длинномерного элемента).This prototype device allows automatic tuning and tuning of the absorber to a given resonant frequency directly during its operation. However, this device has a complex structure, and most importantly - it is not a separate module mounted on the shaft, but requires a special support mechanism installed on the parallel shaft on the additional stops, preventing torsional movements and fixing axial movements of the inertial mass. In real constructions, such an opportunity usually does not appear, which sharply limits the functionality of the device and virtually eliminates the possibility of its use. In addition, the device has practically no elements of active dissipation of vibrational energy, the presence of which is necessary for the effective operation of the vibration damper, and the fixation of the required axial positions of the inertial mass by the support element is unreliable and unstable (the support sleeve without resistance can shift along the support flexible long element).

Сущность изобретения заключается в создании компактной и простой конструкции динамического гасителя колебаний вращающегося вала, включающего в себя инерционные, упругие, диссипативные и фиксирующие элементы и обеспечивающие автоматическое смещение инерционной массы вдоль оси вала за счет формирования режима односторонних нессиметричных инерционных и упругих воздействий.The essence of the invention is to create a compact and simple design of a dynamic vibration damper of a rotating shaft, including inertial, elastic, dissipative and fixing elements and providing automatic displacement of the inertial mass along the axis of the shaft due to the formation of a mode of unilateral asymmetric inertial and elastic effects.

Технический результат - расширение функциональных возможностей, повышение эффективности и упрощение конструкции динамического гасителя колебаний вала.The technical result is the expansion of functionality, increasing efficiency and simplifying the design of a dynamic damper of shaft vibrations.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном динамическом гасителе изгибных колебаний вращающегося вала, включающем инерционную массу в виде концентрично охватывающего вал и имеющего возможность осевого перемещения кольца, и упругий элемент, соединенный с инерционной массой и валом, особенность заключается в том, что упругий элемент выполнен в виде цилиндрической оболочки из кордной ткани с вывернутыми наружу концевыми частями (манжетной мембраны), плотно надетой на вал с фиксаций в центральной части оболочки, а инерционная масса концентрично охватывает оболочку и герметично соединяет по контуру обращенные друг к другу торцы вывернутых наружу концевых частей последней с образованием замкнутой кольцевой упругой камеры, частично заполненной вязкой жидкостью.The specified technical result in the implementation of the invention is achieved by the fact that in the known dynamic damper of bending vibrations of a rotating shaft, including an inertial mass in the form of concentrically covering the shaft and having the possibility of axial movement of the ring, and an elastic element connected to the inertial mass and shaft, the feature is that that the elastic element is made in the form of a cylindrical shell of cord fabric with the end parts turned outward (cuff membrane) tightly worn on the shaft with fixations in the central part of the shell, and the inertial mass concentrically covers the shell and hermetically connects along the contour the ends of the inverted outward end parts of the latter facing each other to form a closed annular elastic chamber partially filled with a viscous fluid.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 схематично изображено предлагаемое устройство, общий вид с центральным поперечным разрезом в исходном состоянии; на фиг.2 - то же, устройство в положении максимального осевого смещения инерционной массы.The invention is illustrated by drawings, where figure 1 schematically shows the proposed device, a General view with a Central cross section in the initial state; figure 2 - the same device in the position of the maximum axial displacement of the inertial mass.

Динамический гаситель колебаний вращающегося вала включает в себя упругий элемент, выполненный в виде цилиндрической оболочки 1 из кордной ткани (фиг.1) с вывернутыми наружу концевыми частями (манжетной мембраны), плотно надетой на вал 2 с креплением оболочки 1 к валу 2 в центральной части оболочки 1 с помощью фиксирующего материала 3, например клея, а также инерционную массу в виде тяжелого кольца 4, концентрично охватывающего оболочку 1 и герметично соединяющего по контуру с помощью фиксирующего материала 5 обращенные друг к другу торцы вывернутых наружу концевых частей оболочки 1 с образованием замкнутой кольцевой упругой камеры, частично заполненной вязкой жидкостью 6.The dynamic vibration damper of the rotating shaft includes an elastic element made in the form of a cylindrical shell 1 of cord fabric (Fig. 1) with the end parts turned outward (cuff membrane) tightly worn on the shaft 2 with the shell 1 fastened to the shaft 2 in the central part the shell 1 with the help of a fixing material 3, for example glue, as well as an inertial mass in the form of a heavy ring 4 concentrically covering the shell 1 and hermetically connecting the ends of the ends facing each other with the help of the fixing material 5 mentioned outward end portions of the shell 1 to form a closed annular elastic chamber partially filled with a viscous fluid 6.

Работа устройства осуществляется следующим образом. В исходном состоянии (фиг.1) участок 3 фиксации оболочки 1 на валу 2 и инерционная масса (кольцо) 4 расположены в средней части кольцевой упругой камеры, то есть симметрично относительно ее левого и правого краев. При возникновении резонансных изгибных колебаний вращающегося вала 2 на одной из частот спектра его собственных частот инерционная масса (кольцо) 4 начинает автоматически смещаться вдоль оси вала 2 в сторону, обеспечивающую снижение амплитуды резонансных колебаний. Таким образом в динамических системах осуществляется процесс динамической автоматической настройки гасителя на заданный режим, то есть динамическая система автоматически стремится занять состояние, характеризуемое минимумом энергии (в описании по а.с. [7] - прототипе такой процесс осевого смещения подшипника с инерционной массой вдоль вала под действием сил волнового давления изгибных волн вала путем преодоления сил трения между валом и подшипником описан довольно подробно). Пусть, например, тяжелое кольцо 4 начинает смещаться вправо вдоль вала 2 (см. фиг.2). При этом правая вывернутая наружу концевая часть оболочки 1 укорачивается, левая часть удлиняется. Примыкающие же к валу 2 части оболочки 1 наоборот: справа от зафиксированного участка 3 удлиняется, слева - укорачивается. В результате такого смещения вся упругая камера как бы перекатывается по валу 2 вправо в осевом направлении, при этом кольцо 4 последовательно занимает относительно вала 2 положения, одно из которых и обеспечит условие динамического гашения изгибных колебаний вала 2 на данной частоте. Геометрические параметры устройства подбираются так, что, когда левая граница участка фиксации 3 подходит к левому краю упругой камеры (см. фиг.2), то есть камера далее вправо смещаться не может, кольцо 4 занимает крайнее правое положение на камере, то есть совершает максимально возможное перемещение вдоль вала 2 в одну сторону. Геометрические и инерционные параметры устройства (ширина камеры, величина массы 4, соотношение ширина кольца 4 и камеры и т.п.) подбираются таким образом, чтобы максимально возможные oceвыe перемещения массы 4 в обе стороны обеспечивали настройку на гашения резонансной частоты из всего диапазона частот изгибных колебаний вращающегося вала 2. Вязкая жидкость 6 в полости камеры под действием центробежных сил вращающегося вала 2 при одновременном действии изгибных резонансных колебаний обеспечивает эффективную диссипацию энергии, необходимую для сходимости процесса динамического гашения и сглаживания резонансных пиков в процессе гашения. Наличие пусть малой, но восстанавливающей упругой силы при заворачивании-разворачивании вывернутых концевых частей оболочки 1, противодействующей осевому перемещению кольца 4, не делает это перемещение случайным и хаотичным, как в устройстве [7], что обеспечивает надежность и стабильность фиксации инерционной массы 4 в заданном и обеспечивающем эффективное гашение положении. Устройство предельно просто по конструкции, компактно, может быть установлено на конкретном участке вала, не требует никаких параллельных валу специальных установочных приспособлений, что сразу резко сузило бы его функциональные возможности. В конструкциях же с довольно плотной компановкой введение таких дополнительных опорных элементов: направляющих струн, фиксирующих втулок, соединительных штанг и т.п. в принципе невозможно.The operation of the device is as follows. In the initial state (Fig. 1), the fixing portion 3 of the shell 1 on the shaft 2 and the inertial mass (ring) 4 are located in the middle part of the annular elastic chamber, that is, symmetrically with respect to its left and right edges. When resonant bending vibrations of a rotating shaft 2 occur at one of the frequencies of the spectrum of its eigenfrequencies, the inertial mass (ring) 4 begins to automatically shift along the axis of the shaft 2 to the side, which reduces the amplitude of the resonant vibrations. Thus, in dynamic systems, the process of dynamically automatically adjusting the damper to a predetermined mode is performed, that is, the dynamic system automatically seeks to occupy a state characterized by a minimum of energy (in the description by AS [7] - prototype, such a process of axial displacement of a bearing with an inertial mass along the shaft under the action of the wave pressure forces of the bending waves of the shaft by overcoming the friction forces between the shaft and the bearing is described in detail). Let, for example, the heavy ring 4 begin to shift to the right along the shaft 2 (see figure 2). In this case, the right end part of the shell 1 turned outward is shortened, the left part is lengthened. Conversely, the parts of the shell 1 adjacent to the shaft 2 are vice versa: lengthened to the right of the fixed portion 3, shortened to the left. As a result of this displacement, the entire elastic chamber, as it were, rolls along the shaft 2 to the right in the axial direction, while the ring 4 sequentially occupies positions relative to the shaft 2, one of which will provide the condition for the dynamic damping of the bending vibrations of the shaft 2 at a given frequency. The geometric parameters of the device are selected so that when the left boundary of the fixing portion 3 approaches the left edge of the elastic chamber (see Fig. 2), that is, the camera cannot move further to the right, ring 4 occupies the extreme right position on the camera, that is, it makes the maximum possible movement along the shaft 2 in one direction. The geometric and inertial parameters of the device (chamber width, mass value 4, ratio of the width of the ring 4 and chamber, etc.) are selected in such a way that the maximum possible total displacements of mass 4 in both directions provide tuning to the damping of the resonant frequency from the entire range of bending frequencies oscillations of the rotating shaft 2. A viscous fluid 6 in the chamber cavity under the action of the centrifugal forces of the rotating shaft 2 with the simultaneous action of bending resonant vibrations provides effective energy dissipation, which is necessary for convergence of the process of dynamic quenching and smoothing of resonant peaks in the quenching process. The presence of a small, but restoring elastic force during the wrapping-up of the inverted end parts of the shell 1, which counteracts the axial movement of the ring 4, does not make this movement random and chaotic, as in the device [7], which ensures the reliability and stability of the inertial mass 4 fixing in a given and providing effective blanking position. The device is extremely simple in design, compact, can be installed on a specific section of the shaft, does not require any special installation devices parallel to the shaft, which would immediately sharply narrow its functionality. In constructions with a rather dense arrangement, the introduction of such additional support elements: guide strings, fixing bushings, connecting rods, etc. basically impossible.

Claims

A dynamic damper of bending vibrations of a rotating shaft, including an inertial mass in the form of a concentrically enveloping shaft and having axial movement of the ring and an elastic element connected to the inertial mass and the shaft, characterized in that the elastic element is made in the form of a cylindrical shell of cord fabric with end turned outward parts - cuff membrane, tightly worn on the shaft with fixation in the Central part of the shell, and the inertial mass concentrically covers the shell and hermetically connects to nturu mutually facing ends outwardly everted end portions of the latter to form a closed annular elastic chamber partially filled with a viscous liquid.