Виброизоляция — это предотвращение передачи вибрации от одного компонента системы к другим частям той же системы, как в зданиях или механических системах . [1] Вибрация нежелательна во многих областях, в первую очередь в инженерных системах и жилых помещениях, и были разработаны методы для предотвращения передачи вибрации в такие системы. Вибрации распространяются посредством механических волн, и некоторые механические связи проводят вибрации более эффективно, чем другие. Пассивная виброизоляция использует материалы и механические связи, которые поглощают и гасят эти механические волны. Активная виброизоляция включает в себя датчики и приводы, которые создают разрушительные помехи, которые нейтрализуют входящую вибрацию.
«Пассивная виброизоляция» относится к виброизоляции или смягчению вибраций с помощью пассивных методов, таких как резиновые прокладки или механические пружины, в отличие от «активной виброизоляции» или «электронного подавления силы», использующих электроэнергию, датчики, исполнительные механизмы и системы управления.
Пассивная виброизоляция — обширная тема, поскольку существует множество типов пассивных виброизоляторов, используемых для различных целей. Некоторые из этих целей относятся к промышленному оборудованию, такому как насосы, двигатели, системы HVAC или стиральные машины; изоляция гражданских инженерных сооружений от землетрясений (изоляция фундамента), [2] чувствительное лабораторное оборудование, ценные статуи и высококачественное аудио.
Базовое понимание принципа работы пассивной изоляции, наиболее распространенных типов пассивных изоляторов и основных факторов, влияющих на выбор пассивных изоляторов:
Пассивная система изоляции, такая как амортизатор , в общем случае содержит массу, пружину и демпфирующие элементы и движется как гармонический осциллятор . Масса и жесткость пружины определяют собственную частоту системы. Демпфирование вызывает рассеивание энергии и оказывает вторичное влияние на собственную частоту.
Каждый объект на гибкой опоре имеет фундаментальную собственную частоту. При применении вибрации энергия передается наиболее эффективно на собственной частоте, несколько эффективно ниже собственной частоты и с возрастающей неэффективностью (снижением эффективности) выше собственной частоты. Это можно увидеть на кривой передаточной способности, которая представляет собой график передаточной способности в зависимости от частоты.
Вот пример кривой передаточной способности. Передаточная способность — это отношение вибрации изолированной поверхности к вибрации источника. Вибрации никогда не устраняются, но их можно значительно уменьшить. Кривая ниже показывает типичную производительность пассивной системы изоляции с отрицательной жесткостью с собственной частотой 0,5 Гц. Общая форма кривой типична для пассивных систем. Ниже собственной частоты передаточная способность колеблется около 1. Значение 1 означает, что вибрация проходит через систему без усиления или ослабления. На резонансной частоте энергия передается эффективно, а входящая вибрация усиливается. Демпфирование в системе ограничивает уровень усиления. Выше резонансной частоты может передаваться мало энергии, и кривая спадает до низкого значения. Пассивный изолятор можно рассматривать как механический фильтр нижних частот для вибраций.
В общем, для любой заданной частоты выше собственной частоты, изолятор с более низкой собственной частотой покажет большую изоляцию, чем изолятор с более высокой собственной частотой. Лучшая система изоляции для данной ситуации зависит от частоты, направления и величины присутствующих вибраций и желаемого уровня затухания этих частот.
Все механические системы в реальном мире содержат некоторое количество демпфирования. Демпфирование рассеивает энергию в системе, что снижает уровень вибрации, передаваемой на собственной частоте. Жидкость в автомобильных амортизаторах является своего рода демпфером, как и присущее демпфирование в эластомерных (резиновых) опорах двигателя.
Демпфирование используется в пассивных изоляторах для уменьшения усиления на собственной частоте. Однако увеличение демпфирования имеет тенденцию к снижению изоляции на более высоких частотах. По мере увеличения демпфирования спад передаточной способности уменьшается. Это можно увидеть на диаграмме ниже.
Пассивная изоляция работает в обоих направлениях, изолируя полезную нагрузку от вибраций, возникающих в опоре, а также изолируя опору от вибраций, возникающих в полезной нагрузке. Крупные машины, такие как стиральные машины, насосы и генераторы, которые могут вызывать вибрации в здании или помещении, часто изолируются от пола. Однако в зданиях имеется множество источников вибрации, и часто невозможно изолировать каждый источник. Во многих случаях наиболее эффективно изолировать каждый чувствительный прибор от пола. Иногда необходимо реализовать оба подхода.
В суперяхтах двигатели и генераторы создают шум и вибрации. Чтобы решить эту проблему, используется двойная упругая подвеска, в которой двигатель и генератор устанавливаются с помощью виброгасителей на общей раме. Затем этот комплект устанавливается упруго между общей рамой и корпусом. [7]
Системы виброизоляции с отрицательным механизмом жесткости (NSM) предлагают уникальный пассивный подход для достижения условий с низкой вибрацией и изоляции от вибраций ниже Герца. Устройства NSM «Snap-through» или «over-center» используются для снижения жесткости упругих подвесок и создания компактных систем с шестью степенями свободы с низкими собственными частотами. Возможны практические системы с вертикальными и горизонтальными собственными частотами всего от 0,2 до 0,5 Гц. Электромеханические механизмы автоматической регулировки компенсируют изменяющиеся весовые нагрузки и обеспечивают автоматическое выравнивание в системах с несколькими изоляторами, аналогично функции выравнивающих клапанов в пневматических системах. Можно настроить цельнометаллические системы, совместимые с высоким вакуумом и другими неблагоприятными средами, такими как высокие температуры.
Эти системы изоляции позволяют чувствительным к вибрации приборам, таким как сканирующие зондовые микроскопы, микротвердомеры и сканирующие электронные микроскопы, работать в условиях сильной вибрации, которая иногда встречается, например, на верхних этажах зданий и в чистых помещениях. Такая работа была бы непрактичной с пневматическими системами изоляции. [ необходима цитата ] Аналогичным образом, они позволяют чувствительным к вибрации приборам создавать более качественные изображения и данные, чем те, которые достижимы с пневматическими изоляторами. [ необходима цитата ]
Теория работы систем виброизоляции NSM суммирована, описаны некоторые типичные системы и приложения, а также представлены данные об измеренных характеристиках. Теория систем изоляции NSM поясняется в ссылках 1 и 2. [ необходимо разъяснение ] Она кратко суммирована для удобства.
Показан изолятор вертикального перемещения. Он использует обычную пружину, соединенную с NSM, состоящим из двух стержней, шарнирно соединенных в центре, поддерживаемых на своих внешних концах на шарнирах и нагруженных сжатием силами P. Пружина сжимается весом W до рабочего положения изолятора, как показано на рисунке 1. Жесткость изолятора равна K=K S -K N, где K S — жесткость пружины, а K N — величина отрицательной жесткости, которая является функцией длины стержней и нагрузки P. Жесткость изолятора можно приблизить к нулю, пока пружина поддерживает вес W.
Горизонтальный изолятор движения, состоящий из двух балок-колонн, показан на рисунке 2. Каждая балка-колонна ведет себя как две фиксированные свободные балочные колонны, нагруженные в осевом направлении весовой нагрузкой W. Без весовой нагрузки балки-колонны имеют горизонтальную жесткость K S С весовой нагрузкой боковая изгибная жесткость уменьшается за счет эффекта «балка-колонна». Такое поведение эквивалентно горизонтальной пружине в сочетании с NSM, так что горизонтальная жесткость равна , а — величина эффекта балка-колонна. Горизонтальную жесткость можно приблизить к нулю, нагружая балки-колонны до достижения их критической нагрузки на изгиб.
Изолятор NSM с шестью степенями свободы обычно использует три изолятора, установленных последовательно: изолятор наклона сверху изолятора горизонтального движения сверху изолятора вертикального движения. На рисунке 3 ( требуется ссылка ) показана схема системы виброизоляции, состоящей из утяжеленной платформы, поддерживаемой одним изолятором с шестью степенями свободы, включающим изоляторы с рисунков 1 и 2 ( рисунки 1 и 2 отсутствуют ). Вместо шарнирных стержней, показанных на рисунке 1, используются изгибы. Изгиб наклона служит в качестве изолятора наклона. Винт регулировки вертикальной жесткости используется для регулировки силы сжатия на изгибах с отрицательной жесткостью, тем самым изменяя вертикальную жесткость. Винт регулировки вертикальной нагрузки используется для регулировки для различных весовых нагрузок путем подъема или опускания основания опорной пружины, чтобы удерживать изгибы в их прямых, несогнутых рабочих положениях.
Оборудование или другие механические компоненты обязательно связаны с окружающими предметами (опорное соединение - с опорой; неподдерживаемое соединение - трубный канал или кабель), что создает возможность для нежелательной передачи вибраций. Используя соответствующим образом спроектированный виброизолятор (поглотитель), реализуется виброизоляция опорного соединения. На прилагаемой иллюстрации показано затухание уровней вибрации, измеренное до установки работающей передачи на виброизолятор, а также после установки, для широкого диапазона частот.
Это определяется как устройство, которое отражает и поглощает волны колебательной энергии, распространяющиеся от части работающего оборудования или электрооборудования, и желаемым эффектом является виброизоляция. Цель состоит в том, чтобы установить виброизоляцию между телом, передающим механические колебания, и опорным телом (например, между машиной и фундаментом). На рисунке показан виброизолятор из серии «ВИ» (~"VI" римскими буквами), который используется в судостроении в России, например, подводная лодка "Санкт-Петербург" (Лада). Изображенные устройства «ВИ» допускают нагрузки в диапазоне 5, 40 и 300 кг. Они различаются по своим физическим размерам, но все имеют одну и ту же фундаментальную конструкцию. Конструкция состоит из резиновой оболочки, которая изнутри усилена пружиной. В процессе изготовления резина и пружина тесно и постоянно соединены в результате процесса вулканизации, который является неотъемлемой частью обработки сырого резинового материала. Под действием весовой нагрузки машины резиновая оболочка деформируется, а пружина сжимается или растягивается. Поэтому в направлении поперечного сечения пружины происходит скручивание охватывающей резины. Результирующая упругая деформация резиновой оболочки приводит к очень эффективному поглощению вибрации. Это поглощение имеет решающее значение для надежной виброизоляции, поскольку оно предотвращает потенциальные резонансные эффекты. Величина упругой деформации резины в значительной степени определяет величину поглощения вибрации, которая может быть достигнута; все устройство (включая саму пружину) должно быть спроектировано с учетом этого. Конструкция виброизолятора также должна учитывать потенциальное воздействие ударных нагрузок в дополнение к обычным повседневным вибрациям. Наконец, виброизолятор также должен быть спроектирован для долговременной прочности, а также для удобной интеграции в среду, в которой он будет использоваться. Для того чтобы виброизолятор можно было надежно закрепить на оборудовании и опорном фундаменте, обычно используются втулки и фланцы.
Виброизоляция неопорного стыка реализована в устройстве, именуемом патрубком виброизоляции.
Патрубок виброизолирующий представляет собой часть трубки с упругими стенками для отражения и поглощения волн колебательной энергии, распространяющихся от работающего насоса по стенке трубопровода. Устанавливается между насосом и трубопроводом. На иллюстрации представлено изображение патрубка виброизолирующего серии «ВИПБ». В конструкции использована резиновая оболочка, которая армирована пружиной. Свойства оболочки аналогичны оболочке виброизолятора. Имеет устройство, снижающее осевое усилие от действия внутреннего давления до нуля.
Другой метод, используемый для повышения изоляции, — это использование изолированного подрамника. Это разделяет систему с помощью дополнительной системы масса/пружина/амортизатор. Это удваивает спад затухания высоких частот за счет введения дополнительных низкочастотных мод, которые могут привести к ухудшению поведения низких частот. Это обычно используется в задних подвесках автомобилей с независимой задней подвеской (IRS) и в передних подрамниках некоторых автомобилей. График (см. иллюстрацию) показывает силу в кузове для подрамника, который жестко прикреплен болтами к кузову, по сравнению с красной кривой, которая показывает податливо установленный подрамник. Выше 42 Гц податливо установленный подрамник лучше, но ниже этой частоты лучше подрамник, прикрепленный болтами.
Полуактивные виброизоляторы привлекли внимание, поскольку они потребляют меньше энергии, чем активные устройства, и обладают большей управляемостью по сравнению с пассивными системами.
Активные системы виброизоляции содержат, наряду с пружиной, цепь обратной связи , которая состоит из датчика (например, пьезоэлектрического акселерометра или геофона), контроллера и привода . Сигнал ускорения (вибрации) обрабатывается цепью управления и усилителем. Затем он подается на электромагнитный привод, который усиливает сигнал. В результате такой системы обратной связи достигается значительно более сильное подавление вибраций по сравнению с обычным демпфированием. Активная изоляция сегодня используется для приложений, где необходимо производить или измерять структуры размером менее микрометра . Несколько компаний производят активные изоляционные продукты в качестве OEM для исследований, метрологии, литографии и медицинских систем. Еще одним важным применением является полупроводниковая промышленность. В производстве микрочипов самые маленькие структуры сегодня имеют размер менее 20 нм, поэтому машины, которые их производят и проверяют, должны колебаться гораздо меньше.
