Активное противоударное устройство
ACTIVE SHOCK-PROOF DEVICE

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для защиты неподвижных и подвижных объектов от воздействия ударных нагрузок, и может быть использовано, например, в качестве бамперов и буферов транспортных средств, отбойных брусов в гаванях, на автостоянках и аэропортах, машин-орудий и т.п.
Известны противоударные устройства, основанные на использовании механических упругих и пластических энергопоглощающих элементов или конструкций с повышенной энергоемкостью и эффективностью поглощения кинетической энергии ударов, а также со значительным внутренним трением, например, с возможностью многократного использования узлов и пакетов упруго-пластически деформирующихся элементов /см. патент СССР №664544, кл. B60R 19/08, F16F 13/00, 1973 [1]; а.с. СССР №1382693, кл. B60R 19/02, 1986 [2]; а.с. СССР №591343, кл. B60R 21/02, F16F 7/08, 1976 [3]/, со специальной энергопоглощающей ячеистой структурой /сотовой/ и применением полимерных пеноматериалов /см. а.с. СССР №1500529, кл. B60R 19/03, B62D 25/08, 1987 [4]; патент США №4022505, кл. 293-71, опубл. 1977 [5]/.
Известны также противоударные устройства, использующие эффект поглощения кинетической энергии удара за счет реализации упругих, диссипативных и инерционных свойств при взаимодействии специальных электрических, магнитных, ферромагнитных и термопластических элементов с особыми физическими свойствами и параметрами /см., например, патент РФ на изобретение №2328385, кл. B60R 19/00, 2007 [6]; патент РФ на изобретение №2332318, кл. B60R 19/03, 2007 [7]/.
Недостатками всех известных устройств является сравнительно низкая защита ими объектов при интенсивных ударных воздействиях со значительными инерционными перегрузками, что объясняется главным образом реализацией данными устройствами пассивных методов противодействия ударным возмущениям при полном отсутствии возможности осуществления активных методов защиты объектов от ударов.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков является противоударное устройство, содержащее жестко смонтированное на защищаемом объекте вдоль его воспринимающей поверхности удала внутреннее опорное звено, и внешнее подвижное звено, установленное за опорным звеном и кинематически связанное с последним посредством упругих элементов, причем, указанные звенья выполнены в виде прямоугольных рамок с эластичным покрытием /см. а.с. СССР №1162641, кл. B60R 19/18, 1985 [8]/, и принятое за прототип.
Недостатками устройства-прототипа при сравнительно сложной и низконадежной конструкции является низкая эффективность защиты объекта от мощных ударных воздействий со значительными инерционными перегрузками, что объясняется отсутствием в устройстве возможности активного ударогашения при осуществлении только процессов прогрессирующего поглощения энергии и сопротивления удару, а также рационального перераспределения силы удара.
Сущность изобретения заключается в создании сравнительно простого и надежного противоударного устройства, реализующего активный метод динамического гашения удара путем приложения к источнику ударного воздействия встречного силового электромагнитного импульса.
Технический результат - повышение эффективности защиты объекта от ударных воздействий, упрощение конструкции устройства и повышение его надежности.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном активном противоударном устройстве, включающем смонтированные на защищаемом объекте вдоль его воспринимающей ударной поверхности опорные звенья, представляющие собой упруго соединенные прямоугольные рамки, особенность заключается в том, что каждая из прямоугольных рамок выполнена в виде эластичного постоянного магнита с одноименными полюсами как по всему внешнему, так и по внутреннему контурам, намагниченным взаимно противоположно, изготовленного свертыванием свертыванием двухполюсно намагниченной по ширине в индукторе полосы из магнитотвердой резины, при этом рамки с плавно уменьшающимися размерами концентрично вставлены друг в друга с чередованием полюсов по их граничащим контурам и склеены по боковым торцам контактирующих сторон, а в тело сформированных вышеуказанным образом опорных звеньев по всему периметру зон соединения каждой пары рамок введены электрически замкнутые многовитковые обмотки также прямоугольной формы из жесткого изолированного стального провода.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где схематично изображено одно опорное звено предлагаемого активного противоударного устройства: на фиг. 1 - общий вид на воспринимающую удар поверхность; на фиг. 2 - разрез по А-А на фиг. 1.
Активное противоударное устройство содержит смонтированные на защищаемом объекте I вдоль его воспринимающей удар поверхности 2 опорные звенья /на рисунках показано одно из расположенных рядом на поверхности 2 опорных звеньев/, представляющие собой упруго соединенные прямоугольные рамки 3, 4, 5 …, каждая из которых выполнена в виде эластичного постоянного магнита /см. А.Г. Алексеев, А.Н. Корнеев. Эластичные магнитные материалы. М., "Химия", 1976, с. 151-169, 187-189 [9]/, с одноименными полюсами как по всему внешнему, так и по внутреннему контурам, намагниченным взаимно противоположно, изготовленного свертыванием в прямоугольник со скругленными углами полосы из магнитотвердой резины, намагниченной двухполюсно по ширине в индукторе с электрическим изолированным проводником, располагаемым вдоль рабочей поверхности полосы /см. [9], с. 162-165/, и запитываемым импульсным разрядом конденсаторной установки, создающей мощное импульсное магнитное поле /см. [9], с. 159-162/. При этом рамки-магниты 3, 4, 5 … с плавно уменьшающимися размерами концентрично вставлены друг в друга с чередованием полюсов по их граничащим контурам и склеены по боковым торцам контактирующих сторон, а в тело сформированных вышеуказанным образом опорных звеньев по всему периметру зон соединения каждой пары рамок 3 и 4,4 и 5 и т.д. введены электрически замкнутые многовитковые обмотки 6, 7 … также прямоугольной формы из жесткого изолированного стального провода. Необходимо указать, что технологические процессы склеивания концентрично вставленных друг в друга обмоток 3, 4, 5 … и введения в тело опорных звеньев многовитковых обмоток 6, 7 … совмещены. Для этого, например, на внутреннюю меньшую рамку 5 плотно с натягом надевается по всему ее внешнему контуру обмотка 7, далее опять с натягом по внутреннему контуру рамка 4, на нее по ее внешнему контуру обмотка 6,далее по внутреннему контуру рамка 3 и т.д. После этого зоны соединения всех рамок 3, 4, 5 … по периметру вместе с с обмотками 6, 7… заливают в нагретом состоянии специальным компаундом, прикладывают со стороны осевой полости распирающую опорное звено наружу во все стороны нагрузку, после чего выдерживают в таком состоянии заданное время до полного затвердевания. Кроме того, при необходимости усиления эффекта гашения удара высота опорных звеньев может быть увеличена до необходимой величины путем закрепления /приклеивания/ к верхним поверхностям полос рамок 3, 4, 5 … /правой наружной поверхности на фиг. 2/ еще таких же дополнительных полос рамок с электрическими обмотками
Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом. Пусть действие ударной нагрузки на защищаемый объект I происходит нормально /перпендикулярно/ воспринимающей удар поверхности 2 и направлено в соответствии с вектором  на рисунках, то есть в лист на фиг. 1 или влево на фиг. 2, естественно в ту же сторону в момент удара происходит упругая деформация /сжатия/ упругих эластичных полос контуров рамок 3, 4, 5 … вместе с электрическими обмотками 6, 7 … В результате такой деформации, как и в большинстве известных устройств, происходит диссипация кинетической энергии удара и ее преобразование в потенциальную энергию упругого деформирования. Однако, в предлагаемом устройстве за счет перемещения обмоток 6, 7 … при упругих деформациях рамок 3, 4, 5 …, со скоростью  перпендикулярно магнитным силовым линиям постоянных эластичных магнитов 3, 4, 5 … в обмотках индукцируются напряжения и возникают индукционные токи , направления которых определяются правилом правой руки /см., Х. Куклинг. Справочник по физике. М.,"Мир", 1982, с. 344 [10]/. При этом, магнитные поля, создаваемые рамками-магнитами в зонах расположения обмоток 6, 7 … сформированы так, что индуктируемые токи  во всех 4-х сторонах каждой обмотки 6, 7 … сонаправлены, что приводит к возникновению результирующего индукционного тока в каждой обмотке , где  - число витков обмотки; B - индукция магнитного поля эластичных магнитов;  - периметр соответствующей обмотки; R - электрическое сопротивление обмотки. Как известно, проводник с током в магнитном поле со стороны магнитного поля испытывает силу , направление которой определяется правилом левой руки /см. [10], c. 347/ . Эта сила  направлена противоположно  и приложена к каждой из обмоток 6, 7 …, то есть обуславливает встречное силовое воздействие упругих рамок 3, 4, 5 … на источник ударной нагрузки, характеризующее собой эффект активного динамического гашения удара. Осуществление данного эффекта гашения совместно с вышеуказанными эффектами диссипации кинетической энергии удара в упругом эластичном материале опорных звеньев и ее преобразование в потенциальную энергию упругих деформаций рамок 3, 4, 5 … позволяет обеспечить высокую эффективность защиты объектов от ударов даже при действии ударных нагрузок со значительными инерционными перегрузками. Вышеописанный эффект активного динамического гашения удара позволяет при сохранении необходимой продольной упругости и эластичности опорных звеньев при ударе одновременно увеличивать их продольную жесткость за счет синхронного обратного силового воздействия в момент удара, максимально растянуть во времени продолжительность импульса ударного воздействия. Отсутствие в предлагаемом устройстве механических и кинематических элементов и узлов, в частности пружин, шарнирно соединенных фигурных звеньев и т.п. позволяет резко упростить конструкцию устройства и повысить ее надежность.
По мнению заявителей, дополнительное использование наряду с упругими эластичными материалами и узлами с высокой диссипацией энергии удара и значительным энергопоглощением, материалов со специальными физическими свойствами, а также реализация с использованием этих материалов явления электромагнитной индукции при ударе, позволяет повысить эффективность защиты объектов при сильных акцентированных ударах.