Другие журналы

научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана

НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Издатель ФГБОУ ВПО "МГТУ им. Н.Э. Баумана". Эл № ФС 77 - 48211.  ISSN 1994-0408

Новая конструкция активных виброзащитных устройств

# 09, сентябрь 2012
DOI: 10.7463/0912.0455678
Файл статьи: Безбах_P.pdf (451.94Кб)
авторы: Безбах И. Ж., Мелик-Шахназаров В. А., Софиянчук Д. В., Стрелов В. И.

УДК.  528.5-752  534.6

Россия, КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана

Россия, Филиал Института кристаллографии им. А.В. Шубникова РАН НИЦ "Космическое материаловедение"

biz001@mail.ru

kmikran@spark-mail.ru

 

Современные измерительные приборы и точное технологическое оборудование часто нуждаются в эффективной защите от вибраций. К ним относятся: 1) дифрактометры высокого разрешения (плосковолновая топография, малоугловое рассеяние в плёночных технологиях, метод стоячих волн и т.д.); 2) растровые и просвечивающие электронные микроскопы, системы позиционирования, сканирующие зондовые микроскопы, атомно-силовые микроскопы, наноманипуляторы; 3) лазерные экспериментальные и технологические устройства; 4) аппаратура для выращивания биологических и неорганических кристаллов и т.д. Кроме того, в настоящее время существенно возросла необходимость в активной защите от вибраций (микроускорений) научной аппаратуры на космических аппаратах [1, 2], самолётах и других транспортных средствах.

Дорогостоящие массивные фундаменты в подвальных помещениях зданий не всегда способны изолировать аппаратуру от вибраций, вызванных как внутренними источниками (насосы, компрессоры, вентиляторы), так и внешними (тяжёлые транспортные средства, грузовые автомобили, автобусы, троллейбусы, железнодорожные составы). В этих случаях активные виброзащитные устройства являются более эффективным средством защиты от вибраций. Они существенно снижают требования к уровню шумов в местах расположения измерительных приборов и технологического оборудования.

Известны фирмы Herzan (США), Halcyonics (Германия, США), HERZ (Япония), производящие широкий набор активных виброзащитных столов (панелей) размерами от 400×400×120 мм3 до 1000×800×130 мм3 для нагрузок от 60 кг до 1200 кг. Механическая часть этих приборов состоит из плиты, установленной на пружинах, на которой расположены восемь акселерометров и восемь сервисных магнитоэлектрических движителей. Электрические цепи авторегулирования или отрицательной обратной связи состоят из восьми независимых контуров, включающих пары акселерометр-магнитоэлектрический движитель. Такая конструкция позволяет подавлять шесть мод колебаний плиты (три торсионные и три поступательные) с установленным на ней защищаемым объектом. Все эти виброзащитные устройства характеризуются нижней границей активного диапазона частот ≈2 Гц и максимальным коэффициентом подавления колебаний от 35 дБ до 40 дБ, который достигается при ≈10 Гц. Существенно, что все указанные характеристики являются предельными из-за "паразитного" сигнала наклона акселерометров, возникающего в поле притяжения Земли, который подавляет "полезный" сигнал и нарушает функционирование авторегуляторов при низких частотах. Для многих практических применений коммерческие виброзащитные устройства недостаточно эффективны из-за ограничения активного диапазона в области низких частот (<2 Гц) и недостаточно большого коэффициента подавления колебаний (≈40 дБ).

Предлагается новая система авторегулирования виброзащитных устройств, позволяющая преодолеть указанные выше "врождённые" ограничения коммерческих приборов. Одним из её отличий является симметричная ортогональная группа акселерометров и сервисных движителей, показанная на рис. 1. Такая конструкция позволяет вместо восьмиканального управления по сигналам отдельных акселерометров перейти к шестиканальной схеме, управляющей отдельными модами механических колебаний несущей плиты, установленной на упругих опорах. Для этого сигналы акселерометров , показанные на рис. 1, преобразуются в сигналы продольных  и торсионных  мод колебаний плиты следующим образом:

 

;

;

;                      (1)

;

;

.

 

 

Рис. 1. Расположение акселерометров и магнитоэлектрических движителей на плите. Каждая стрелка обозначает соосно-расположенную пару акселерометр-движитель.

 

Ограничение нижней границы активного диапазона частот известных виброзащитных устройств вызвано тем, что при колебаниях наклона несущей плиты (моды  и ) сигналы акселерометров , кроме (обычно используемой) динамической составляющей  (где  – коэффициент передачи акселерометра по напряжению,  – ускорение), содержат неинерционный, статический вклад, вызванный изменением проекции силы тяжести инерционной массы на ось чувствительности акселерометров. При колебаниях плиты с малой амплитудой  амплитуда статического вклада для акселерометров, ориентированных вертикально и горизонтально, определяется соотношениями  и  соответственно. Если виброзащитная панель установлена горизонтально, то , а . При колебаниях панели амплитуда динамического сигнала акселерометров  (где – характерный размер панели, а  и  – частота и амплитуда угловых колебаний соответственно) так что для отношения статического, "паразитного" сигнала наклона акселерометров к динамическому сигналу можно записать:

 

,                                                   (2)

.                                                     (3)

 

Из соотношений (2) и (3) видно, что помеха от сигнала наклона акселерометров в обоих случаях быстро увеличивается с понижением частоты. Так, по расчётам для конструкции с  см отношение  при  Гц и достигает значения 3 при  Гц. Статический вклад в сигнал пьезоэлектрических акселерометров, измеренный в диапазоне частот (0,1 – 3) Гц, соответствует приведённым оценкам, равенство  наблюдается вблизи 1 Гц. Видно, что при частотах <2 Гц отношение сигнала к сигналу помехи в цепях авторегулирования может быть ниже допустимого уровня.

Сравнение (2) и (3) показывает, что  отличается от  малым сомножителем . Поэтому в цепях, содержащих вертикально ориентированные акселерометры, помеха будет проявляться при значительно более низких частотах, чем в цепях, содержащих горизонтально ориентированные акселерометры. Это обстоятельство может быть использовано для компенсации (подавления) сигнала наклона акселерометров, ориентированных горизонтально.

Дважды проинтегрированные сигналы углового ускорения мод  и  определяют углы наклона плиты, так что, как видно из (4) и (5), паразитные сигналы наклона, пропорциональные этим углам, в сигналах трансляционных мод  и  могут быть подавлены:

 

,                      (4)

.                      (5)

 

На рис. 2 представлен преобразователь каналов управления, выполняющий с помощью прецизионных сумматоров С1…С6 функции (1), и содержащий также компенсаторы сигналов наклона акселерометров К1 и К2, которые выполняют функции (4) и (5). При этом заметим, что сигнал моды  не нуждается в компенсаторе, т.к. паразитные сигналы акселерометров 1 и 5, как видно из схемы на рис. 1, противофазны.

 

Рис. 2. Разделитель каналов регулирования.

 

Количественно эффективность новой схемы управления виброзащитных устройств зависит главным образом от характеристик акселерометров и двойных интеграторов. Из двух доступных к настоящему времени типов акселерометров: механических компенсационных, использующихся в навигационных устройствах, и пьезоэлектрических – для измерения вибраций, нами выбран второй. Механические акселерометры дороги и функционируют в ограниченном диапазоне частот, до ≈100 Гц, в то время как во многих случаях верхняя граница активного диапазона частот виброзащитных устройств должна быть не ниже (300–800) Гц. Пьезоэлектрические акселерометры с коэффициентом передачи от  до  обеспечивают остаточный уровень шумов виброзащитной плиты в области частот (0,1–10) Гц (использовались малошумящие операционные усилители ОРА627, ОРА111). Проблемы, возникающие в связи с необычно низкой граничной частотой измерительных цепей ( Гц), представляют собой медленный температурный дрейф сигнала, вызванный термическим расширением корпуса акселерометра и пьезоэлемента. Для устранения температурного дрейфа использовалась многослойная тепловая изоляция корпусов акселерометров, а также, при необходимости, усилители сигнала акселерометров с автоподстройкой нуля.

Нижняя граница активного диапазона частот виброзащитного устройства, построенного по новой схеме, определяется точностью цепей компенсатора сигнала наклона акселерометров, то есть точностью интегрирования. Использование операционных усилителей ОРА111, ОРА128 с малыми токами смещения ( фА) обеспечивает точность интегрирования не ниже 1 %, что отвечает десятикратному понижению границы активного диапазона частот, с ≈ 2 Гц до ≈ 0,2 Гц.

Цепи авторегулирования виброзащитной панели, за исключением преобразователей каналов и компенсаторов сигнала наклона акселерометров, строятся по стандартным схемам (см., напр. [3]). Рассчитанная функция передачи шести идентичных авторегуляторов обеспечивает кривую подавления колебаний, показанную на рис. 3. Видно, что при десятикратном понижении граничной частоты активного диапазона частот и десятикратном увеличении максимального коэффициента подавления колебаний существенно расширяется область применения новых виброзащитных устройств. Так, в области частот (2–6) Гц, в которой, как правило, наблюдаются резонансные колебания зданий, эффективность новых виброзащитных устройств, в отличие от коммерческих, существенно выше.

 

Рис. 3. Коэффициент подавления колебаний коммерческого виброзащитного устройства (кривая 1) и новой конструкции, рассчитанной на нижнюю границу активного диапазона частот ≈0,2 Гц (кривая 2).

 

В заключение необходимо отметить, что описанная выше новая конструкция активных виброзащитных устройств фактически представляет собой исходную принципиальную схему, на основе которой могут быть построены устройства с различными заданными параметрами, отличающиеся степенью совершенства электронных узлов и параметрами акселерометров.

 

Список литературы

 1. Захаров Б.Г., Серебряков Ю.А., Стрелов В.И. Проблемы и перспективы получения в условиях микрогравитации монокристаллов полупроводников с высокой микрооднородностью свойств // Поверхность. 2001. № 9. С. 48–55.

2. Стрелов В.И., Захаров Б.Г., Безбах И.Ж. Математическое моделирование и экспериментальные исследования влияния вибраций и конвекции Марангони на микрооднородность кристаллов полупроводников // Поверхность. 2005. № 10. С. 80–86.

3. Трофимов А.И., Егупов Н.Д., Дмитриев А.Н. Методы теории автоматического управления, ориентированные на применение ЭВМ. М.: Энергоатомиздат, 1997. 532 с.

Поделиться:
 
ПОИСК
 
elibrary crossref ulrichsweb neicon rusycon
 
ЮБИЛЕИ
ФОТОРЕПОРТАЖИ
 
СОБЫТИЯ
 
НОВОСТНАЯ ЛЕНТА
18.12.2017
С 21 по 24 ноября 2017г. в МГТУ им. Н.Э. Баумана прошла XII Всероссийская инновационная молодежная научно-инженерная выставка «Политехника», посвященная 170-летию со дня рождения Н.Е. Жуковского в рамках Всероссийского инновационного молодежного научно-инженерного форума «Политехника».

11.10.2017
XII Всероссийская инновационная молодежная научно-инженерная выставка «ПОЛИТЕХНИКА», посвященная 170-летию со дня рождения Н.Е. Жуковского 21–24 ноября 2017 года г. Москва

25.05.2017
C 15 по 17 мая 2017г. в МГТУ им. Н.Э. Баумана прошел III этап (Всероссийский) Всероссийской студенческой олимпиады по физике (в технических вузах).

25.04.2017
С 12 по 14 апреля в МГТУ им. Н.Э. Баумана прошел Всероссийский этап Всероссийской олимпиады по безопасности жизнедеятельности.

4.04.2017
С 14 по 16 марта 2017г. в МГТУ им. Н.Э. Баумана прошел III (Всероссийский) тур Всероссийской студенческой олимпиады по иностранному языку (английский в технических вузах).




Авторы
Пресс-релизы
Библиотека
Конференции
Выставки
О проекте
Rambler's Top100
Телефон: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)
  RSS
© 2003-2018 «Наука и образование»
Перепечатка материалов журнала без согласования с редакцией запрещена
 Тел.: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)