The analytical and experimental research of a controlled-damper vibration isolation system


Cite item

Abstract

The paper deals with a vibration isolation system with an actuator in the form of a magneto-rheological damper. A calculation scheme of a single-mass single-degree-of-freedom vibration system is presented. On the basis ofthe obtained differential equations of the vibration systemdynamics, a structural scheme for the investigation into its dynamic performance is designed. On the developed experimental apparatus, the study of the vibration system dynamics under the conditions of the discrete change of the controlling actionon the actuator is made. The experimental values of the relative amplitude of the protected object movement are received for the various vibration frequencies. The experimental data received are approximated by the analytical expression of the amplitude-frequency response. The constant and variable efforts appearing on the damper rod are calculated. On the basis of the calculated data is established the dependence between an increasein the controlled-damperresistance force and an increase in the damper-coilcurrent.

Full Text

Возрастающие требования к качеству виброзащиты прецизионных металлообрабатывающих станков, измерительных комплексов, энергетических установок, транспортных средств и других объектов обуславливают все более широкое применение «активных» систем виброзащиты (АСВ) [1]. В качестве исполнительных элементов в таких системах используются звенья с управляемой жесткостью [2] или элементы с управляемым коэффициентом вязкого трения, в частности управляемые магнитореологические демпферы (МД) [3, 4]. Расчетная схема одномассовой системы виброзащиты с управляемым демпфером представлена на рис. 1. На рисунке обозначено: виброзащищаемый объект массой m, упругий элемент жесткостью С, неуправляемый и управляемый элементы вязкого трения (демпфер) с параметрами β0 и βu соответственно; Z - перемещение виброзащищаемого объекта; Z0 - кинематическое возмущение в виде перемещения основания. Приращение усилия, создаваемого демпфером, для расчетной схемы представлено в виде . Динамика рассматриваемой системы описывается дифференциальным уравнением (1) Передаточная функция (ПФ), соответствующая дифференциальному уравнению (1), где в качестве выходной переменной принято перемещение Z защищаемого объекта, а входной переменной - , имеет вид (2) где р - оператор Лапласа; , . Рис. 1. Расчетная схема одномассовой системы виброзащиты Рис. 2. Структурная схема системы Разработанная с учетом ПФ (2) структурная схема (рис. 2) позволяет исследовать динамические характеристики разомкнутой по регулируемой переменной (перемещение) системы и оценить возможность снижения вибрационного поля за счет дискретного изменения регулирующего воздействия на МД. На рис. 3 представлена структура разработанной экспериментальной установки для исследования динамических характеристик исследуемой колебательной системы, где обозначено: ИУ - устройство для измерения перемещения защищаемого объекта (ЗО); МД - магнитореологический демпфер, ток в обмотке электромагнита которого регулируется источником питания (ИП); ЭП - электропривод с двигателем постоянного тока, частота вращения которого задается с помощью задатчика (ЗД) [5]; редуктор (Р) служит для увеличения момента, передаваемого с электродвигателя на кривошип механизма. Рис. 3. Экспериментальная установка В качестве исполнительного элемента в экспериментальной установке использован МД, конструкция которого описана в [6, 7]. Для уменьшения весогабаритных параметров колебательной системы нижняя опора пружины механически соединена с корпусом МД. Рис. 4. Амплитудно-частотные характеристики. Экспериментальные значения: х - ток I= 0 ; ○ - ток I = 2 A По результатам проведенных экспериментов на указанной выше установке получены (рис. 4) значения относительной амплитуды перемещений защищаемого объекта в колебательной системе, имеющей параметры m = 80 кг и С = 18 кН/м для различных значений тока I. На рис. 4 экспериментальные значения относительной амплитуды перемещений защищаемого объекта аппроксимированы аналитическим выражением для амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), соответствующей ПФ (2): , (3) где ξ - коэффициент затухания. С учетом того, что на резонансной частоте соотношение (3) принимает вид , по экспериментальным значениям A(ωc) при различных значениях тока I в обмотке МД рассчитаны значения ξ(I). С учетом соотношения , (4) ГДЕ F0 - постоянная сила вязкого сопротивления; Fu - переменная сила вязкого сопротивления, обусловленная током I, найдены значения Fu и F0 при изменении регулирующего воздействия на МД. Результаты расчетов представлены в таблице и отображены на графике (рис. 5, отмечены символом ×). Результаты расчетов численных значений выражения (3) I, A 0 1 2 3 ξ 0,35 0,5 0,8 1,7 F0, мПас 45 Fu, мПас 0 22 58 188 Рис. 5. График зависимости В результате анализа полученных экспериментальных данных установлено, что полиномиальное уравнение регрессии (5) обеспечивает минимальное значение средней ошибки аппроксимации (менее 1 %) при коэффициенте детерминации, равном 1. В случаях работы системы в режиме малых отклонений целесообразно использовать линеаризованное выражение нелинейной зависимости (5) , (6) где ΔΙ0 - значение тока в точке линеаризации. Полученные выражения (5) и (6) могут быть использованы для описания аналитически динамических свойств МД по каналу управления в виде передаточной функции звена.
×

About the authors

Alexander M Abakumov

Samara State Technical University

(Dr. Sci. (Techn.)), Professor 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

Eduard G Chebotkov

Samara State Technical University

(Ph.D. (Techn.)), Associate Professor 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

Dmitry G Randin

Samara State Technical University

Assistant 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

References

  1. Чегодаев Д.Е., Шатилов Ю.В. Управляемая виброизоляция (конструктивные варианты и эффективность). - Самара: Самар. аэрокосм. ун -т, 1995. - 144 с.: ил.
  2. Abakumov A.M., Miatov G.N. Control algorithms for active vibration isolation systems subject to random disturbance // Journal of Sound and Vibration. - № 289. - 2006. - P. 889-907.
  3. Prabakar R.S., Sujatha C., Narayanan S. Response of a quarter car model with optimal magnetorheological damper parameters // Journal of Sound and Vibration. - Volume 332. - Issue 9. - 29 April 2013. - P. 2191-2206.
  4. Гордеев Б.А. Системы виброзащиты с использованием инерционности и диссипации реологических сред / Гордеев Б.А., Ерофеев В.И., Синёв А.В., Мугин О.О. - М.: Физматлит, 2004. - 176 с. - ISBN 5-9221-0561-2.
  5. Мигунов А.Л., Кауров С.Ю. Анализ и выбор перспективных постоянных магнитов для магнитных систем стартер - генераторных установок // Вестник транспорта Поволжья. - 2013. - № 1 (37). - С. 30-33.
  6. Рандин Д.Г. Исследование динамических характеристик управляемого демпфера // Вестник Самарского государственного технического университета. Сер. Технические науки. - 2013. - № 2 (38). - С. 64-70.
  7. Абакумов А.М. Исследование активной системы виброзащиты с управляемым магнитореологическим демпфером при случайном характере возмущения / Абакумов А.М., Рандин Д.Г., Чеботков Э.Г. // Вестник Самарского государственного технического университета. Сер. Технические науки. - 2014. - № 4. - С. 108-112.

Copyright (c) 2015 Samara State Technical University

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies