Введение

Вибрационная изоляция – это предотвращение передачи вибрации от одного компонента системы к другим частям той же системы, например, в зданиях или механических системах. Вибрация нежелательна во многих областях, прежде всего в инженерных системах и жилых пространствах, и разработаны методы для предотвращения передачи вибрации в такие системы. Вибрации распространяются посредством механических волн, и некоторые механические соединения проводят вибрации более эффективно, чем другие. Пассивная вибрационная изоляция использует материалы и механические соединения, которые поглощают и гасят эти механические волны. Активная вибрационная изоляция включает в себя датчики и исполнительные механизмы, которые создают деструктивную интерференцию для компенсации поступающей вибрации.

Как работает пассивная изоляция

Пассивная система изоляции, такая как амортизатор, как правило, содержит элементы массы, пружин и демпфирования и движется как гармонический осциллятор. Масса и жесткость пружин определяют собственную частоту системы. Демпфирование вызывает рассеяние энергии и оказывает вторичное влияние на собственную частоту. Каждый объект на гибкой опоре имеет фундаментальную собственную частоту. При воздействии вибрации энергия передается наиболее эффективно на собственной частоте, несколько эффективно – ниже собственной частоты и со все большей неэффективностью (уменьшением эффективности) – выше собственной частоты. Это можно увидеть на кривой передаваемости, которая представляет собой график передаваемости в зависимости от частоты. Вот пример кривой передаваемости. Передаваемость – это отношение вибрации изолируемой поверхности к вибрации источника. Вибрации невозможно полностью устранить, но их можно значительно уменьшить. Кривая ниже демонстрирует типичные характеристики пассивной системы изоляции с отрицательной жесткостью и собственной частотой 0,5 Гц. Общая форма кривой типична для пассивных систем. Ниже собственной частоты передаваемость держится вблизи 1. Значение 1 означает, что вибрация проходит через систему без усиления или ослабления. На резонансной частоте энергия передается эффективно, и входящая вибрация усиливается. Демпфирование в системе ограничивает уровень усиления. Выше резонансной частоты передача энергии незначительна, и кривая спадает до низкого значения. Пассивный изолятор можно рассматривать как механический фильтр нижних частот для вибраций. В общем случае, для любой заданной частоты выше собственной частоты, изолятор с более низкой собственной частотой обеспечит большую изоляцию, чем изолятор с более высокой собственной частотой. Наилучшая система изоляции для конкретной ситуации зависит от частоты, направления и величины присутствующих вибраций, а также от требуемого уровня их ослабления. 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 одним из видов демпферов, как и внутреннее демпфирование в эластомерных (резиновых) опорах двигателя. Демпфирование используется в пассивных изоляторах для уменьшения уровня усиления на собственной частоте. Однако увеличение демпфирования, как правило, снижает изоляцию на более высоких частотах. С увеличением демпфирования спад передаваемости уменьшается. Это можно увидеть на графике 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 существует множество источников вибрации, и часто невозможно изолировать каждый из них. Во многих случаях наиболее эффективно изолировать каждый чувствительный прибор от пола. Иногда необходимо применять оба подхода. На суперъяхтах двигатели и генераторы производят шум и вибрации. Для решения этой проблемы используется двойная эластичная подвеска, при которой двигатель и генератор крепятся к общей раме с помощью виброизоляторов. Затем этот узел эластично крепится между общей рамой и корпусом.

Сравнение пассивных изоляторов

Тип пассивной изоляции Типичные изоляторы на воздушной подушке с собственной частотой Большое промышленное оборудование, некоторая оптика и приборы 1,5 – 3 Гц, крупные системы, настраиваемые до 0,5 Гц Пружины или пружинные демпферы Тяжелые нагрузки, насосы, компрессоры 3 – 9 Гц Эластомерные или пробковые плиты Применения с большой нагрузкой, где требуется изоляция от шума и вибрации средней и высокой частоты 3 – 40 Гц, в зависимости от размера плиты и нагрузки Литые или склеенные эластомерные опоры Машины, приборы, транспортные средства, авиация 10 – 20+ Гц Изоляторы с отрицательной жесткостью Электронные микроскопы, чувствительные приборы, оптика и лазерные системы, криогенное оборудование 0,17 – 2,5 Гц Изоляторы из стального троса Машины, приборы, транспортные средства, авиация 10 – 40+ Гц Изоляторы из эластичных шнуров Лаборатории, дома и т.д. Зависит от типа шнура и поддерживаемой им массы Базовые изоляторы Здания и крупные конструкции Низкие, сейсмические частоты Настроенные демпферы массы Здания, крупные конструкции, аэрокосмическая промышленность Любые, но обычно используются на низких частотах

Изолятор вибрации с отрицательной жесткостью

Системы виброизоляции с механизмом отрицательной жесткости (NSM) предлагают уникальный пассивный подход к созданию сред с низким уровнем вибраций и изоляции от субгерцовых колебаний. Устройства NSM, работающие по принципу "проскакивания" или "перехода через центр", используются для снижения жесткости упругих подвесов и создания компактных шестистепенных систем с низкими собственными частотами. Возможна реализация практических систем с вертикальными и горизонтальными собственными частотами в диапазоне от 0,2 до 0,5 Гц. Электромеханические механизмы автоматической регулировки компенсируют изменение нагрузки и обеспечивают автоматическую выравнивающую функцию в многоизоляторных системах, аналогично работе выравнивающих клапанов в пневматических системах. Возможно создание полностью металлических систем, совместимых с высоким вакуумом и другими неблагоприятными условиями, такими как высокие температуры. Эти системы виброизоляции позволяют чувствительным к вибрациям приборам, таким как сканирующие зондовые микроскопы, микротвердомеры и сканирующие электронные микроскопы, работать в условиях сильной вибрации, которые могут возникать, например, на верхних этажах зданий и в чистых помещениях. Работа в таких условиях была бы невозможна при использовании пневматической виброизоляции. Кроме того, они позволяют чувствительным к вибрациям приборам получать более качественные изображения и данные, чем при использовании пневматических изоляторов. В работе обобщена теория работы систем виброизоляции NSM, описаны типичные системы и области их применения, а также представлены данные об измеренных характеристиках. Теория систем виброизоляции NSM подробно изложена в Ссылках 1 и 2 и кратко повторена здесь для удобства.

Изоляция вертикального движения

На рисунке показан изолятор вертикальных колебаний, использующий обычную пружину, соединенную с НСМ (нелинейным структурным механизмом), состоящим из двух стержней, шарнирно соединенных в центре, поддерживаемых на внешних концах на опорах и сжатых силами P. Пружина сжимается весом W до рабочего положения изолятора, как показано на рисунке 1. Жесткость изолятора K = KS + KN, где KS – жесткость пружины, а KN – величина отрицательной жесткости, являющаяся функцией длины стержней и нагрузки P. Жесткость изолятора может быть доведена до нуля, при этом пружина продолжает поддерживать вес W.

Изоляция горизонтального движения

На рисунке 2 изображен горизонтальный изолятор движения, состоящий из двух стоек-балок. Каждая стойка-балка ведет себя как две защемленно-свободные балки, сжатые осевой нагрузкой W. Без осевой нагрузки стойки-балки обладают горизонтальной жесткостью KS. При наличии осевой нагрузки боковая жесткость на изгиб уменьшается из-за эффекта "стойки-балки". Такое поведение эквивалентно горизонтальной пружине, объединенной с НСМ (нелинейным смягчающим механизмом), так что горизонтальная жесткость равна , а – величина эффекта стойки-балки. Горизонтальную жесткость можно приблизить к нулю, нагружая стойки-балки до приближения к их критической нагрузке потери устойчивости.

Изоляция с шестью степенями свободы (шесть DOF)

В изоляторе с шестью степенями свободы (DOF) NSM обычно используются три изолятора, соединенных последовательно: изолятор для компенсации наклона, расположенный над изолятором для компенсации горизонтальных перемещений, который, в свою очередь, расположен над изолятором для компенсации вертикальных перемещений. Рисунок 3 (требуется ссылка) показывает схему системы виброизоляции, состоящей из платформы с нагрузкой, поддерживаемой одним изолятором с шестью степенями свободы (DOF), включающим изоляторы, представленные на рисунках 1 и 2 (рисунки 1 и 2 отсутствуют). Вместо шарнирных стержней, показанных на рисунке 1, используются гибкие элементы. Изогнутый гибкий элемент выполняет функцию изолятора для компенсации наклона. Винт регулировки вертикальной жесткости используется для регулировки силы сжатия на гибких элементах с отрицательной жесткостью, тем самым изменяя вертикальную жесткость. Винт регулировки вертикальной нагрузки используется для компенсации изменения веса нагрузки путем подъема или опускания основания опорной пружины, чтобы гибкие элементы оставались в прямом, неизогнутом рабочем положении.

Вибрационная изоляция опорного стыка

Оборудование или другие механические компоненты неизбежно связаны с окружающими объектами (опорный соединительный узел с опорой; неопорный соединительный узел с трубопроводом или кабелем), что создает возможность нежелательной передачи вибраций. Применение правильно подобранного виброизолятора (демпфера) позволяет реализовать виброизоляцию опорного соединения. Сопровождающий рисунок демонстрирует снижение уровней вибрации, измеренных до и после установки работающего механизма на виброизолятор, в широком диапазоне частот.

Вибрационный изолятор

Это определяется как устройство, которое отражает и поглощает волны колебательной энергии, исходящие от работающего оборудования или электрооборудования, с целью обеспечения виброизоляции. Задача состоит в том, чтобы обеспечить виброразвязку между передающим механические колебания телом и опорной конструкцией (например, между машиной и фундаментом). На иллюстрации представлен виброизолятор серии «ВИ» (~"VI" латинскими буквами), применяемый в российском судостроении, например, на подводной лодке "Санкт-Петербург" (проект "Лада"). Устройства «ВИ» рассчитаны на нагрузки от 5, 40 и 300 кг. Они различаются по габаритам, но имеют единую базовую конструкцию. Конструкция состоит из резиновой оболочки, внутренне усиленной пружиной. В процессе производства резина и пружина прочно и необратимо соединяются посредством вулканизации, являющейся неотъемлемой частью обработки резиновой смеси. Под воздействием веса оборудования резиновая оболочка деформируется, а пружина сжимается или растягивается. В направлении поперечного сечения пружины происходит скручивание резины оболочки. Получаемая упругая деформация резиновой оболочки обеспечивает эффективное поглощение вибраций. Это поглощение критически важно для надежной виброизоляции, поскольку предотвращает возникновение резонансных явлений. Степень упругой деформации резины в значительной степени определяет величину поглощения вибраций, поэтому при проектировании всего устройства (включая саму пружину) это необходимо учитывать. При проектировании виброизолятора также следует учитывать возможность воздействия ударных нагрузок, помимо обычных рабочих вибраций. Наконец, виброизолятор должен быть рассчитан на долговечность и удобство монтажа в рабочей среде. Для надежного крепления виброизолятора к оборудованию и опорной конструкции обычно используются втулки и фланцы.

Вибрационная изоляция не поддерживающего стыка

Виброизоляция неподдерживающего соединения реализована в устройстве, именуемом отводящей трубой а виброизоляции.

Отводная труба A изолирующей вибрации

Ответвление для виброизоляции – это часть трубы с эластичными стенками, предназначенная для отражения и поглощения волн колебательной энергии, распространяющихся от рабочего насоса по стенке трубопровода. Устанавливается между насосом и трубопроводом. На иллюстрации представлено изображение виброизолирующего ответвления серии «ВИПБ». В конструкции используется резиновая оболочка, усиленная пружиной. Свойства оболочки аналогичны свойствам оболочки виброизолятора. Предусмотрено устройство, снижающее осевое усилие от действия внутреннего давления до нуля.

Изоляция подкадра

Другой метод повышения изоляции — использование изолированного подрамника. Это разделяет систему, добавляя к ней дополнительную систему «масса/пружина/амортизатор». Это удваивает скорость затухания высокочастотных колебаний, но при этом вводит дополнительные низкочастотные резонансы, которые могут ухудшить поведение системы на низких частотах. Это часто применяется в задней подвеске автомобилей с независимой задней подвеской (IRS) и в передних подрамниках некоторых автомобилей. График (см. иллюстрацию) показывает передачу силы на кузов при жестком креплении подрамника по сравнению с красной кривой, показывающей подрамник, установленный на эластичных элементах. Выше 42 Гц подрамник на эластичных элементах обеспечивает лучшую изоляцию, но ниже этой частоты жестко закрепленный подрамник работает эффективнее.

Полуактивная изоляция

Полуактивные виброизоляторы привлекли внимание благодаря меньшему энергопотреблению по сравнению с активными системами и большей управляемостью, чем у пассивных.

Активная изоляция

Системы активной виброизоляции содержат, помимо пружины, контур обратной связи, состоящий из датчика (например, пьезоэлектрического акселерометра или геофона), контроллера и исполнительного механизма. Сигнал ускорения (вибрации) обрабатывается схемой управления и усиливается. Затем он поступает на электромагнитный привод, который усиливает сигнал. Благодаря такой системе обратной связи достигается значительно более эффективное подавление вибраций по сравнению с обычной демпфированием. Сегодня активная виброизоляция используется в приложениях, где необходимо производить или измерять структуры размером менее микрометра. Несколько компаний производят продукты активной виброизоляции как OEM для исследовательского оборудования, метрологии, литографии и медицинских систем. Важной областью применения также является полупроводниковая промышленность. При производстве микрочипов самые маленькие структуры в настоящее время имеют размер менее 20 нм, поэтому машины, которые их производят и проверяют, должны испытывать значительно меньшие колебания.