ВИБРОДЕМПФИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОРПУСА ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
VIBRATION-DAMPING DEVICE FOR VEHICLE BODY

Изобретение относится к средствам, применяемым для уменьшения интенсивности вибрации корпусных конструкций судов и других транспортных средств.
Известно большое количество средств поглощения вибрации. Наиболее распространенными из них являются вибропоглощающие покрытия. Вибропоглощающее покрытие присоединяется к демпфируемой конструкции, например к пластине судовой конструкции, и обычно состоит из одного или нескольких слоев различных материалов. Одним из наиболее распространенных типов является армированное вибропоглощающее покрытие, представляющее собой слой вязкоупругого материала, на который наносится тонкий армирующий слой из жесткого материала. Известно, что армированные покрытия и особенно конструкции типа «сэндвич» с внутренними вязкоупругими  слоями обеспечивают значительный  вибропоглощающий  эффект    ( А.В.Ионов. Средства снижения вибрации и шума на судах. СПб, ГНЦ «ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова», 2000).
Сущность действия таких покрытий объясняется следующим образом: при изгибных колебаниях основной пластины армирующий слой смещается параллельно ее поверхности, вызывая деформацию сдвига вязкоупругого слоя. Симметричное расположение упругих обрамляющих слоев одинаковой изгибной жесткости относительно внутреннего вязкоупругого слоя позволяет реализовать максимальные деформации сдвига. Это обеспечивает значение коэффициента потерь в самих конструкциях (в том числе относительно толстых и сложного профиля) в диапазоне 0,1÷0,5.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является вибродемпфирующее устройство для корпуса транспортного средства, содержащее ребра жесткости, закрепленные на обшивке корпуса с вибропоглощающим покрытием и армирующим слоем (СССР, патент на изобретение, авторское свидетельство №965873, В.Ю. Кирпичников и др. Вибродемпфирующее устройство корпуса транспортного средства., 15.10.1982 г.) - прототип.
Сущность действия устройства прототипа сводится к следующему: изгибные колебания пластин корпуса вызывают изгибные колебания их ребер жесткости, вызывающие продольные и сдвиговые колебания армирующего слоя, функция которого заключается в увеличении величины деформации сдвига поглощающего слоя, расположенного под ним. Такие колебания армирующего слоя всегда имеют разность фаз с колебаниями основной пластины, что определяет сдвиговые деформации в вязкоупругом слое, эффективно поглощаемые из-за его демпфирующих свойств.
К недостаткам устройства-прототипа относятся обратная зависимость диапазона эффективной полосы частот уменьшения вибраций от расстояния между ребрами жесткости и незначительный демпфирующий эффект в области низких частот.
На современных судах применение известных мер для уменьшения интенсивности вибрации не позволяет эффективно снижать вибрационное поле, вызванное работой гребного винта. Такая вибрация передается через воду на обшивку кормовой оконечности судна. Причем частотный диапазон этих колебаний всегда достаточно низкий и лежит в пределах 6÷40 Гц. В этом частотном диапазоне современные пассивные средства уменьшения интенсивности вибрации не имеют достаточной эффективности.
Цель предлагаемого изобретения - улучшение демпфирующих свойств конструкции корпуса судна в более широком диапазоне частот. Поставленная цель достигается тем, что в армирующий слой конструкции введены пьезоэлектрические пластины, усиливающие деформации сдвига ее вязкоупругого слоя, рассеивающие часть колебательной энергии на активном электрическом сопротивлении. Сама конструкция выполнена симметричной относительно основной пластины, то есть слои вязкоупругого материала и армирующие находятся по обе стороны основной пластины.
Известно, что электрический заряд, образующийся в результате упругой деформации на обкладках пьезоэлектрического элемента, прямо пропорционален величине его механических напряжений (N.W. Hagood, A. Von Flotow, Damping of structural vibrations with piezoelectric materials and passive electrical networks. Journal of Sound and Vibration (1991) 146 (2), p. 243÷268).
Известно также, что движение любой колебательной системы (механической, электрической и т.д.) в установившемся режиме можно представить как сумму ее собственных колебаний. Это означает, что уменьшением амплитуды колебаний системы на собственной частоте можно добиваться общего уменьшения амплитуды ее колебаний на других нерезонансных частотах. Также известно, что сила переменного электрического тока, протекающего в цепи, тем больше, чем ближе его частота к собственной резонансной частоте цепи.
Исходя из этого для определения основных параметров импеданса электрической цепи и оптимального места размещения пьезоэлектрических элементов в армирующем слое, а также их количества и размеров, можно расчетным или опытным методом проводить модальный анализ частотных характеристик демпфируемой конструкции. Армирующий слой лучше всего изготавливать весь из пьезоэлектрического материала. Однако хрупкость пьезокерамических материалов не позволяет изготавливать армирующий слой таким образом, поэтому размеры и количество пьезокерамических пластин выбирают исходя из размеров демпфируемой конструкции и пьезоэлектрических свойств материала пластин.
Предлагаемая схема устройства представлена на фиг. 1. Устройство содержит пластину 1. Через диссипативный слой 2 пластина связана с армирующим слоем 3. С помощью клеевых соединений пьезоэлектрические пластины 4 закреплены на армирующем слое.
p
c
p
В предлагаемом устройстве при возникновении изгибных колебаний пластины под действием внешней возбуждающей силы w происходит генерация изгибных колебаний армирующего слоя и участвующих с ним в перемещении пьезоэлектрических пластин (фиг. 2). Колебания армирующего слоя всегда имеют разность фаз с колебаниями основной пластины, в результате чего в диссипативном слое создаются интенсивные сдвиговые колебания, приводящие к эффективному поглощению колебательной энергии вязкоупругим слоем. Часть энергии механических колебаний пьезоэлемента преобразуется в электрическую и рассеивается на активном сопротивлении внешней электрической цепи. Электрический импеданс цепи Z, с учетом внутреннего электрического импеданса пьезоэлемента C, выбирается таким образом, чтобы резонансная частота электрического контура совпадала с резонансной частотой механических колебаний демпфируемой конструкции при короткозамкнутых электродах пьезоэлектрических элементов. Тем самым достигается максимальные значения мощности электрического тока, рассеиваемого на активном сопротивлении электрической цепи. Управляющие электрические цепи содержат активные элементы и внешние источники питания U, управляемые пропорционально-интегрально-дифференциальным регулятором обратной связи по току I, сгенерированному пьезоэлектрическими элементами.
Предлагаемое устройство имеет следующие преимущества по сравнению с прототипом:
- позволяет уменьшать амплитуду колебаний корпусных конструкций в области низких частот, где не могут эффективно действовать пассивные средства поглощения вибрации;
- существует возможность частотной подстройки устройства за счет варьирования параметров управляющих цепей. Устройство обладает максимальной эффективностью, когда резонансы цепей настраиваются в окрестностях выбранных мод всей конструкции, что аналогично увеличению толщины диссипативного слоя или созданию резонансного поглотителя.
Использование предлагаемой схемы вибродемпфирующего устройства корпусной конструкции транспортного средства позволяет эффективно снижать интенсивность вибрации корпуса в гораздо более широком диапазоне частот, чем при использовании прототипа, что способствует созданию нормальной экологической обстановки и комфортных условий труда.