Комбинированный демпфирующий элемент

Предлагаемая полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована в системах демпфирования различных типов, например, при изготовлении различных пуленепробиваемых защитных чехлов, кожухов, жилетов, закрывающие подвижные узлы от внешних воздействий, в военной технике, для крепления контейнеров с взрывоопасными грузами для снижения вероятности взрыва при столкновении поездов в случае железнодорожной аварии, для предотвращения аварий на атомных электростанциях (АЭС).
Известны упругие элементы для систем демпфирования [Детали машин. Расчет и конструирование. Справочник /Под ред. Н.С. Ачеркана. Том 1. М.: Машиностроение, 1968. - 440 с.], выполненные из металла, а также в машиностроении широко применяются неметаллические упругие элементы, выполненные, как правило, из резины или полимерных материалов.
Однако такие упругие элементы не пригодны для использования в машинах и механизмах при повышенных деформациях сжатия, изгиба и сдвига, так как такие демпфирующие элементы быстро разрушаются.
Известен упругий элемент для систем демпфирования, выполненный из металлической пружины, заделанной в корпус упругого элемента [Авторское свидетельство СССР №136608, кл. 47 а8. "Упругий элемент для систем демпфирования" /A.M. Сойфер, В.Н. Бузицкий, В.А. Першин. Опубликовано "Бюллетень изобретений" №5, 1961 г.].
Недостатком известного упругого элемента для систем демпфирования является слабая зависимость его упругих свойств от скорости деформирования.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является комбинированный демпфирующий элемент для систем демпфирования, выполненный в виде полой металлической спирали, внутренняя полость которой заполнена дилатантной неньютоновской жидкостью [патент авторов (ПМ) №196775 "Комбинированный демпфирующий элемент", 2019 г.] - прототип.
Недостатком известного комбинированного демпфирующего элемента для систем демпфирования является невозможность изменения коэффициента демпфирования (то есть, жесткости) при различных частотных величинах действующей ударной знакопеременной нагрузки, что связано с возможностью работы только в ограниченном диапазоне эксплуатационных частот изделия при значительных знакопеременных нагрузках.
Задачей полезной модели является расширение эксплуатационных свойств и области применения демпфирующего элемента системы демпфирования.
Техническим результатом полезной модели является увеличение диапазона скоростей деформации, в котором происходит' увеличение жесткости демпфирующего элемента.
Указанная задача решается тем, что в известном комбинированном демпфирующем элементе для систем демпфирования, выполненном в виде полой металлической спирали, внутренняя полость которой заполнена дилатантной неньютоновской жидкостью, дилатантная неньютоновская жидкость размещена в наборе из не менее двух гибких эластичных полимерных трубок с закрытыми полостями, в каждой из которых дилатантная неньютоновская жидкость имеет различный состав и разную зависимость жесткости от градиента скорости деформации пружины.
Так как внутренняя полость металлической пружины содержит набор гибких эластичных трубок, заполненных дилатантными неньютоновскими жидкостями с различным составом и разной зависимостью жесткости от градиента скорости деформации пружины, то жесткость комбинированного демпфирующего элемента будет возрастать в широком диапазоне скоростей деформации, что решает задачу расширения эксплуатационных свойств и области практического применения демфирующего элемента системы демпфирования.
Сущность полезной модели поясняется рисунками, где на фиг. 1 приведена схема конструкции комбинированного демпфирующего элемента, а на фиг. 2 показано поперечное сечение демпфирующего элемента.
На рисунках используюся следующтие обозначения: 1 - полая металлическая пружина; 2 - полимерные трубки; 3 - дилатантная неньютоновская жидкость.
Комбинированный демпфер состоит из полой витой металлической пружины 1, внутренняя полость витой металлической пружины 1 содержит набор гибких эластичных трубок из полимерного материала 2, заполненных дилатантными неньютоновскими жидкостями 3 с различным составом и параметрами, определяющих зависимость ее жесткости от градиента скорости деформации комбинированного деформирующего элемента ситемы демпфирования. Концы полимерных трубок 2 заделаны так (не показано), что это предотвращает вытекание из них дилатантной неньютоновской жидкости, а концы полой металлической пружины 1 сдеформированы так, что это предотвращает выпадение из ее полости полимерных трубок 2 (не показано).
В качестве дилатантных неньютоновских жидкостей в наборе гибких эластичных трубок из полимерного материала 2 может использоваться, например, смесь вискозы, этиленгликоля и кремнезема с различной концентрацией.
При деформировании полой витой металлической пружины 1 с малой скоростью она будет деформироваться как обычная упругая пружина с постоянной жесткостью, которая зависит только от модуля упругости ее материала. Дилатантные неньютовские жидкости 3, которыми наполнены полимерные трубки 2, при малой скорости деформации ведут себя как обычные жидкости, и поэтому не вызывают сопротивление деформации пружины. При увеличении скорости деформации - например, при действии вибрационных ускорений различных частот и ударных ускорений жесткость гибких эластичных трубок 2, заполненных неньютоновскими жидкостями резко возрастает, каждая из них приобретает свойство твердого упругого тела и начинает выполнять функцию дополнительной упругой спирали, подсоединенной параллельно к полой витой металлической пружине 1. Так как состав и свойства дилатантной неньютоновской жидкости в различных полимерных трубках различна, то с увеличением скорости деформации жесткость комбинированного демпфера будет плавно возрастать. Подбирая экспериментально геометрические параметры, сечение и материал полой витой металлической пружины 1, количество гибких эластичных полимерных трубок 2, заполненных дилатантными неньютоновскими жидкостями в наборе, и типы дилатантных неньютоновских жидкостей с различными параметрами жесткости, можно существенно изменять упругие свойства комбинированного демпфера и обеспечить увеличение жесткостных и прочностных свойств демпфера. Это расширяет диапазон скоростей деформации, в котором происходит увеличение жесткости демпфирующего элемента, а, следовательно, расширяет эксплуатационные свойства и область практического применения демпфирующего элемента системы демпфирования.
-3
-3
-3
-3
3
Пример. Полая витая металлическая пружина изготовлена из металлической трубки из пружинной стали, например, марок 50ХГ, 55ХГР, имеющей модуль сдвига G=80 ГПа. Диаметр металлической трубки (20⋅10)(м), толщина стенок металлической трубки (1⋅10)(м), диаметр намотки (100⋅10)(м), число витков равно 3. Внутренняя закрытая полость витой металлической пружины имеет диаметр полости (18⋅10)(м). Во внутренней закрытой полости витой металлической пружины расположены две гибкие эластичные трубки из полимерного материала, заполненные дилатантными неньютоновскими жидкостями с различными параметрами вязкости; например, дилатантной неньютоновской жидкостью d3o, разработанный одной из британских компаний, имеющей плотность р=0,5…0,65 (г/см) и дилатантной неньютоновской жидкостью на основе мелкодисперсного порошка кремнезема и этиленгликоля в качестве жидкой фракции.
В неньютоновской жидкости d3o роль жидкой фазы играет вискоза - производное целлюлозы, жидкий полимер - раствор ксантогената целлюлозы в разбавленном NaOH, получаемый, в основном, из древесного сырья. Твердой фазой служат наночастицы полиборметилсилоксана - сложного боркремнийорганического полимера.
1
При скорости деформации 10 (м/с) - (первый диапазон ударных ускорений для трубки, заполненной материалом d3o при резонансной частоте ω) - данная жидкость имеет модуль сдвига G=16 ГПа.
2
При скорости деформации 18 (м/с) - (второй диапазон ударных ускорений для трубки, заполненной жидкостью на основе мелкодисперсного порошка кремнезема и этиленгликоля в качестве жидкой фракции при резонансной частоте ω) - данная жидкость имеет модуль сдвига G=18 ГПа.
Произведем оценку жесткости комбинированного многоступенчатого демпфера.
Коэффициент жесткости для упругого элемента - витой полой цилиндрической пружины сжатия определяется по соотношению [Яворский Д.М. и др. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов. 8 - изд. М.:"Оникс", 2006 г. - 1056 с.]:
р
p
p
p
4
3
9
4
-12
3
-9
К=G d*/(8 D n)=80х10х7х10/(8х100х10х3)=8003 (Н/м)
Такую жесткость комбинированный упругий элемент будет иметь при скорости деформации менее 10 (м/с).
1
1
По той же формуле определим коэффициент жесткости первой трубки из полимерного материала, заполненной дилатантной неньютоновской жидкостью d3o, при скорости деформации 10 (м/с) - (при вибрационной частоте ω). Он равен Κ=4374 (Н/м).
2
2
По той же формуле определим коэффициент жесткости второй трубки из полимерного материала, заполненной дилатантной неньютоновской жидкостью на основе мелкодисперсного порошка кремнезема и этиленгликоля в качестве жидкой фракции, при скорости деформации 18 (м/с) - (при вибрационной частоте ω). Он равен K=4920 (Н/м).
Таким образом, при скорости деформации до 10 м/с суммарная жесткость комбинированного демпфера равна К=8003 Н/м, при скорости деформации от 10 до 18 м/с суммарная жесткость комбинированного демпфера будет равна К=К1+К2=12377 Н/м, а при скорости деформации 18 м/с и более суммарная жесткость комбинированного демпфера будет равна K=Kp+K1+K2=17297 (Н/м). Отсюда следует, что жесткость системы комбинированного демпфирующего элемента при повышении скорости деформации более 18 (м/с) плавно возрастает более чем в 2 раза, что плавно уменьшает перемещения в системе демпфирования, а это может являться решающим фактором при предотвращении различного рода аварий.
Таким образом, использование предлагаемой конструкции комбинированного демпфирующего элемента позволяет обеспечить увеличение диапазона скоростей деформации, в котором происходит плавное увеличение жесткости демпфирующего элемента, что решает задачу расширения эксплуатационных свойств и области применения демпфирующего элемента системы демпфирования.