ПАССИВНОЕ И АКТИВНОЕ ГАШЕНИЕ ВИБРАЦИЙ

video

Вибрации сопровождают нас повсюду и в большинстве случаев эти вибрации являются нежелательными. В первую очередь можно назвать вибрации и колебания авто- и железнодорожного транспорта, моторов и станков, нефтяных и газовых платформ, зданий и сооружений в зоне повышенной сейсмической опасности, нежелательные вибрации лабораторных столов (особенно оптических), установок и т.д. Во всех этих случаях стоит задача изолировать полезную нагрузку (салон автомобиля, железнодорожный вагон, установку и т.д.) от источника вибраций или, наоборот, изолировать источник вибраций (двигатель холодильника, стиральной машины, ..). Несмотря на все конструкционные различия суть системы гашения вибраций одинаковая. Пассивная система состоит из пружины и демпфера. Пружина призвана смягчить вибрации и толчки, а демпфер - погасить возникшие в системе колебания. Активная система использует также дополнительную пару, состоящую из акселерометра и электромагнитного привода, что позволяет достигнуть исключительную высокую степень виброизоляции.

Рассмотрим работу пассивной системы виброизоляции на примере подвески автомобиля. В любой подвеске имеются упругие элементы, назначение которых - смягчать толчки и удары, чтобы они не передавались на кузов. Это могут быть рессоры, торсионы, пневматические, гидропневматические или резиновые подушки, но чаще всего это витые пружины. В ранних конструкциях автомобилей упругими элементами подвески обычно служили листовые рессоры, колебания которых довольно быстро гасились за счет значительного трения между листами. После второй мировой войны получила широкое распространение пружинная подвеска, в которой внутреннего трения почти нет. 

car.gifДругим не менее важным элементом подвески является амортизатор - устройство, предназначенные для гашения колебаний кузова. Многие водители считают, что амортизаторы - лишь средство обеспечения комфорта. На самом деле функции этого элемента подвески непосредственно связаны с обеспечением контакта колеса с дорогой, т. е. с управляемостью автомобиля и безопасностью движения. При наезде на бугорок колесо автомобиля подбрасывает и пружина сжимается, поглощая энергию толчка. Затем она распрямляется - в подвеске начинается колебательный процесс. Если не принять специальных мер, запасенная энергия будет расходоваться медленно - только на преодоление внутреннего трения в пружине и подвеске. За это время автомобиль успеет наехать на бессчетное количество других бугорков и ямок; понятно, что возникшие колебания так и не затухнут и колесо будет беспорядочно подпрыгивать, то и дело теряя контакт с дорогой. Амортизаторы гасят эти колебания. Анимация показывает два случая: 1) слишком жёсткая подвеска, тележку подбрасывает на бугорке и 2) слишком мягкая неамортизированная подвеска; при этом тележка постоянно раскачивается на собственной частоте, что приводит к потери контакта колеса с дорогой.

С другой стороны слишком сильное демпфирование подвесной системы также имеет свои негативные последствия. На приведённом слева рисунке приведены зависимости отношения амплитуд колебаний виброплатформы и амортизированной системы для трёх коэффициентов демпфирования, относящихся как 1 (синий) : 3 (зелёный) : 10 (красный) Видно, что при большом коэффициенте демпфирования, виброизолирующие свойства практически пропадают, а при маленьком коэффициенте демпфирования наблюдается значительный пик на частоте собственных колебаний подвесной системы. Оптимальный результат достигается при таком коэффициенте демпфирования, когда амплитуда колебаний увеличивается лишь незначительно (< 3 dB) вблизи резонансной частоты (зелёный график). Именно такой коэффициент демпфирования и был выбран для моделирования процессов, анимации которых приведены ниже.

Амортизаторы бывают фрикционные и гидравлические. В фрикционных амортизаторах накопленная пружиной энергия рассеивается, превращаясь в тепловую за счёт действия сил трения. Гидравлические амортизаторы состоят из цилиндра с маслом или газом и движущимся в нём поршнем. При этом энергия колебаний уменьшается, вызывая нагрев рабочего вещества амортизатора. В качестве рабочего вещества гидравлических амортизаторов берётся масло или газ. Фрикционные амортизаторы на современных легковых автомобилях полностью вытеснены гидравлическими

spri.gif Перемещения подвески и кузова автомобиля, вызываемые неровностями дороги, имеют самый разнообразный характер, от единичных толчков до повторяющихся колебаний. И от амортизаторов требуются разные, порой взаимоисключающие характеристики. Например, на волнообразном покрытии могут возникать резонансные колебания подрессоренных масс автомобиля - от амортизаторов требуется максимальное демпфирование, чтобы сохранить контакт колес с дорогой. При однократных резких толчках демпфирование должно быть минимальным, тогда удар будет меньше передаваться на кузов. Поэтому параметры пружины и демпфера должны быть подобраны вполне определённым образом. Для этого на станциях техобслуживания автомобилей имеется специальный стенд, который позволяет проверить работу системы подвески и подобрать её соответствующие элементы. При исправном амортизаторе через 2 цикла колебаний подвески на собственной резонансной частоте амплитуда отклонения должна снижаться в 5 раз. Качните угол машины по вертикали. Если кузов совершит не более одного колебания, об исправности амортизаторов это еще не говорит. Но если колебаний несколько - амортизаторы давно пора менять.

sprl.gifРассмотрим отклик пассивной системы гашения вибраций на гармоническое возбуждающее воздействие. Пусть система стоит на платформе которая совершает вертикальные гармонические колебания с возрастающей частотой. На низких частотах (ниже резонансной частоты системы) амплитуда амортизированного стола (верхняя часть на рисунке) практически совпадает с амплитудой колебаний платформы. При этом также совпадают и фазы этих колебаний.

sprr.gif При увеличении частоты возбуждающих колебаний мы достигаем резонансной частоты системы. При этом наблюдается увеличение амплитуды колебаний. В резонансе допускается двукратное (3dB) превышение амплитуды колебаний амортизированного стола по отношению к амплитуде колебаний платформы. При этом их фазы колебаний стола и платформы сдвинуты на 90 градусов.

sprh.gif И, наконец, на частотах выше резонансной частоты системы мы получаем значительное снижение амплитуды колебаний амортизированного стола по отношению к амплитуде колебаний платформы. При этом колебания виброизолированного стола и возбуждающей платформы происходят в противофазе. 

Отклик системы на гармоническое воздействие с частотой, изменяющейся от 0 до 7.5 Гц можно  посмотреть на следующей видео-анимации:video. При прохождении резонанса амплитуда колебаний несколько возрастает, а затем значительно уменьшается на высоких частотах.

sprn.gifРеальное возбуждающее воздействие на виброизолирующую систему состоит из многих частот. Колебания с частотами выше резонансной частоты системы подвергаются значительному гашению, а частоты ниже резонансной частоты остаются практически  неизменными. Отсюда ясно, что требуется обеспечивать минимально возможную резонансную частоту системы и при этом коэффициент демпфирования должен быть достаточно велик, чтобы избежать значительного увеличения амплитуды колебаний в резонансе. Анимация показывает отклик системы на шумовое возбуждение. Мы видим, что остаточные колебания происходят преимущественно на низких частотах.

sprt.gifВ активной системе виброизоляции наряду с пружинными амортизаторами используются пары акселерометр-электропривод. Акселерометр позволяет детектировать остаточные колебания. Его сигнал через электронную схему и усилитель подаётся на электропривод, конструкция которого аналогична конструкции звукового динамика. Магнит расположен на подвижной (виброизолированной) части системы, а катушка с электропроводом - на  нижней (возбуждающей) платформе. В результате удаётся получить значительно более сильное подавление вибраций и колебаний по сравнению с пассивной системой. На анимации справа показан один из вариантов такой системы с двумя акселерометрами и электроприводами. Нижняя дорожка самописца показывает  запись шумового смещения вибрирующей платформы в режиме реального времени. Верхняя дорожка самописца - остаточные смещения верхнего виброизолированного стола, увеличенные в 100 раз. Как видно из анимации такая система позволяет достичь значительного уменьшения амплитуды вибраций, особенно её высокочастотных составляющих.

На рисунке приведены три амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) виброплатформы с и без активной обратной связи. Красная кривая соответствует случаю применения лишь пассивной системы демпфирования. В этом случае на частоте ~0,8 Гц наблюдается резонансный пик. Зелёная кривая соответствует случаю, когда к пассивной системе демпфирования добавлена слабая обратная связь. В результате её действия резонансный пик исчезает, в то время как виброизолирующие свойства в области высоких частот остаются практически неизменными. Синяя кривая соответствует сильной обратной связи, которая видоизменяет АЧХ во всём частотном диапазоне, существенно улучшая виброизолирующие свойства системы. Однако сильная обратная связь требует гораздо более сложного привода, оказывающего силовое воздействие на виброплатформу, а также растёт вероятность самовозбуждения системы или усиления шумов. Поэтому наиболее практически значимым случаем является введение в систему слабой обратной связи, убирающей резонансный пик, в то время как непосредственно подавление высокочастотных вибраций осуществляется пассивной частью системы (пружина и амортизатор).


Все права на анимацию активной системы подавления вибраций принадлежат компании  Accurion Scientific Instruments. В статье были использованы материалы Михаила Васильева из Журнала "Мотор" №1 (1)


Партнёры: http://www.vitonika.ru/ стоимость покраски металлоконструкций цены на покраску. http://happypodarki.ru/ куклы монстр хай купить. Подарок для девочки куклы монстр.

Rambler's Top100