Защита объектов и спасательного оборудования от воздействия вибрации

УДК. 699.059

ЗАЩИТА ОБЪЕКТОВ И СПАСАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВИБРАЦИИ

А.П. Сизов, В.А. Комельков, М.А. Колбашов

В статье представлены результаты разработки оборудования и объектов, подлежащих защите от действия вибрации, которая может привести к возникновению чрезвычайных ситуаций. Предложено с целью увеличения эффективности устройств защиты в качестве энергопоглощающего элемента, при возникновении вибрации использовать магнитную жидкость, которая позволяет характеристиками демпфера управлять магнитным полем.

Ключевые слова: виброзащита, демпфер, энергия при колебаниях, магнитная жидкость, магнитное поле.

Вибрация, которая возникает при работе оборудования, может приводить к выходу этого оборудования из строя и, как следствие, возникновению чрезвычайных ситуаций. Это особенно опасно, когда в машине имеется несколько колеблющихся деталей, так как в этом случае возможно возникновение резонанса, поэтому в оборудовании всегда имеются устройства, поглощающие энергию колебаний, которые называются демпферы.

Демпфирующие устройства прошли большой путь развития [1] и отличаются друг от друга как элементами, которые поглощают энергию колебаний, так и воздействием на эти элементы усилий, которые возникают при колебаниях и которые необходимо уменьшить. Среди элементов, поглощающих энергию колебаний, можно выделить элементы, в которых происходит трение. Так, трение может происходить при движении колеблющихся тел или за счет внутреннего трения в резиновых демпферах за счет движения колеблющегося тела в жидкости. Однако в некоторых случаях [2] требуется, чтобы одновременно воспринимались статическая нагрузка колеблющейся массы и диссипация энергии колебаний. Поэтому такие демпферы называются комбинированными. Они

распространены в машиностроении, например, для уменьшения колебаний металлорежущих станков, уменьшения вибрации двигателей на автомобилях, особенно с передним приводом. Эффективная защита технологического оборудования от вибрации позволяет значительно снизить количество аварий оборудований на промышленных предприятиях и часто предотвратить возникновения чрезвычайных ситуаций. Защита зданий, сооружений от последствий землетрясения позволяет повысить сейсмоустойчивость таких объектов и значительно уменьшает риски возникновения чрезвычайных ситуаций в районах, часто подвергаемых землетрясением. Следовательно, использование демпферов с управляемым диссипативным элементом в перечисленных случаях является

наиболее перспективным.

В качестве жидкости, поглощающей энергию колебаний, предлагается использовать нанодисперсную магнитную жидкость (МЖ), реологическими свойствами которой возможно управлять с помощью магнитного поля [3].

Реологической моделью магнитной жидкости, которую предлагается использовать в демпфере является тело Шведова--Бингама [4], при наложении на МЖ магнитного поля. Такие жидкости имеют определенный предел текучести, величиной которого также управляют с помощью магнитного поля. Однако, как показали исследования, его величина нестабильна и зависит от времени воздействия. Поэтому в демпфер необходимо вводить элемент, компенсирующий статическую нагрузку, структурная схема которого представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Тело Шведова-Бингама

Исходя из задач, решаемых демпфером, схема его функционирования должна иметь следующий вид.

Рис. 2. Схема функционирования демпфера

Разработана конструкция демпфера [5]. В этом случае: 1 - объект виброзащиты, 2 - демпфер с

магнитной жидкостью, 3 - колеблющееся основание, 4 - пружина. Поэтому для достижения необходимого эффекта необходимо иметь корпус, заполненный магнитной жидкостью и способной перетекать между полостями в корпусе элемент и поглощающий энергию колебаний объекта. Разработан вариант конструкции такого демпфера. На рисунке 3 представлена схема предлагаемого устройства. В корпусе 1, выполненном из немагнитного материала, установлен шток 2 и статический демпфер 3, выполненный из эластичного материала. На штоке 2 установлен постоянный магнит 4, фиксированный на штоке от осевых перемещений с помощью шайбы 5 и гайки 6. В корпусе 1 установлена дросселирующая шайба 7, разделяющая пространства в корпусе 1 на две полости А и Б и выполненная их магнитных материалов, между торцевой и поверхностью магнита 4 и шайбы 7 образован неравномерный зазор 5. В корпусе 1 установлен постоянный магнит 8, намагниченный в осевом направлении полярности противоположному магниту 4.

Полости А и Б и зазор 5 заполнены магнитной жидкостью 9. Защищаемый объект 10 устанавливается на шток 2. Амортизатор работает следующим образом. При установке на штоке 2 объекта, подлежащего защите от колебаний, статическая нагрузка, определенная массой объекта, компенсируется за счет жесткости эластичного элемента 3. При возникновении колебаний защищаемого объекта 10 происходит деформация статического демпфера 3 и возникает колебания внутри эластичного элемента, которые передаются на шток 2, закрепленный жестко в элементе 3. Эти же колебания передаются на магнитную жидкость 10, которая начинает перетекать через зазоры дроссирующей шайбы 7, пронизанные магнитным потоком от совместного взаимодействия постоянных магнитов 4 и 8. В результате перетекания магнитной жидкости через отверстия, образованные в дроссилирующей шайбе, происходит диссипация энергии, выделяющейся при колебаниях объекта 10. Изготовлена модель такого демпфера, которая показала эффективность его работы.

Диссипации энергии при колебаниях объекта защиты способствует также изменение формы распределения магнитного потока, созданного совместным действием магнитов 4 и 8, имеющих встречную полярность. Намагничивание магнитов 4 и 8 встречной полярности способствует изменению жесткости статического демпфера 3, который также становится энергопоглощающим за счет изменения длины молекул вещества, образующего эластичный материал статического демпфера. Осевое перемещение штока 2 не ограничивается жесткой связью дроссирующей

шайбы 7 и штока 2 путем создания торцевого зазора 5, между постоянным магнитом 4 и дроссирующей шайбы 7, и этот зазор выполнен неравномерным для увеличения перепада давления, воздействующего на его магнитную жидкость при ее перетекании через отверстия в дроссирующей шайбе в плоскости, перпендикулярной оси.

Рис. 3. Магнитожидкостное устройство для гашения колебаний

Проведены испытания на вибростенде такого устройства, которые показали, что в области определенных частот вибраций демпферы наиболее эффективны. Колебания объекта колебаний задавались с низкой частотой, и при этом изменялась масса объекта колебаний, которая варьировалась от 10 до 50 кг с разницей в 10 кг. В результате испытаний установлено, что масса объекта колебаний и поглощение энергии колебаний - зависимые величины. Этот результат свидетельствует о том, что жесткость эластичного демпфера должна быть определенной величины. Поэтому установлено, что испытуемый демпфер наиболее эффективен в области определенных частот колебаний. Установлено также, что при использовании постоянных магнитов из материала феррита - бария и самарий - кобальта частота колебаний объекта колебания, при котором наблюдается наиболее эффективное поглощение энергии колебаний, также изменяется. Таким образом, сделан вывод о том, что для разработки наиболее эффективного демпфера необходимо знать массу объекта защиты и область частот, в которых происходят его колебания. Эти параметры важны для разработки эффективного демпфирующего устройства.

Библиография

1. Айрапетов Э.Л. Вибрации в технике [Текст]: справочник: в 6-ти т. /ред. В.Н. Челомей. -Москва: Машиностроение, 2009. - Т. 3: Колебания машин, конструкций и их элементов / Э.Л. Айрапетов, И.А. Биргер, В.Л. Вейц: ред. Ф.М. Диментберг, К.С. Колесников. - 2009. - 544 с.

2. Гумеров А.Г. Виброизолирующая компенсирующая система насосно-энергетических агрегатов [Текст]: монография / ред. А.Г. Гумеров. - Уфа, 2008. - 328 с.

3. Патент № 2145394 Российской Федерации 7 МПКПбЕб/ООМагнитожидкостное устройство для гашения колебаний [Текст] / Бурченков В.Н., Сизов А.П., Соловьев М.Л.; заявитель Специальное конструкторско-технологическое бюро «Полюс» при Ивановском государственном энергетическом университете им. В.И. Ленина, патентообладатель Бурченков В.Н., Сизов А.П., Соловьев М.Л. Заявл. 09.07.1999, опубл. 10.02.2000.

4. Патент № 2238454 Российская Федерация 7 МПК F16F15/10, F16F11/00 Демпфер колебаний вращающихся тел [Текст] /Белый Д.М.; заявитель и патентообладатель Ульяновский государственный технический университет. Заявл. 08.04.2003, опубл. 20.10.2004.

5. Патент № 2670181 Российская Федерация МПК ¥1б¥/00 Магнитожидкостное устройство для гашения колебаний [Текст] / Сизов А.П., Еловский В.С., Колбашов М.А. и др.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России. Заявл. 17.07.2017, опубл. 18.10.2018.

References

1. Ajrapetov EH.L. Vibracii v tekhnike [Tekst]: spravochnik: v 6-ti t. / red. V.N. CHelomej. - Moskva: Mashinostroenie, 2009. - T. 3: Kolebaniya mashin, konstrukcij i ih ehlementov / EH.L. Ajrapetov, I.A. Birger, V.L. Vejc: red. F.M. Dimentberg, K.S. Kolesnikov. - 2009. - 544 s.

2. Gumerov A.G. Vibroizoliruyushchaya kompensiruyushchaya sistema nasosno-ehnergeticheskih agregatov [Tekst]: monografiya / red. A.G. Gumerov. - Ufa, 2008. - 328 s.

3. Patent № 2145394 Rossijskoj Federacii 7 MPKF16F6/00Magnitozhidkostnoe ustrojstvo dlya gasheniya kolebanij [Tekst] / Burchenkov V.N., Sizov A.P., Solov'ev M.L.; zayavitel' Special'noe konstruktorsko-tekhnologicheskoe byuro «Polyus» pri Ivanovskom gosudarstvennom ehnergeticheskom universitete im. V.I. Lenina, patentoobladatel' Burchenkov V.N., Sizov A.P., Solov'ev M.L. Zayavl. 09.07.1999, opubl. 10.02.2000.

4. Patent № 2238454 Rossijskaya Federaciya 7 MPK F16F15/10, F16F11/00 Dempfer kolebanij vrashchayushchihsya tel [Tekst] / Belyj D.M.; zayavitel' i patentoobladatel' Ul'yanovskij gosudarstvennyj tekhnicheskij universitet. Zayavl. 08.04.2003, opubl. 20.10.2004.

5. Patent № 2670181 Rossijskaya Federaciya MPK F16F/00 Magnitozhidkostnoe ustrojstvo dlya gasheniya kolebanij [Tekst] / Sizov A.P., Elovskij V.S., Kolbashov M.A. i dr.; zayavitel' i patentoobladatel' FGBOU VO Ivanovskaya pozharno-spasatel'naya akademiya GPS MCHSRossii. Zayavl. 17.07.2017, opubl. 18.10.2018.

PROTECTION OF OBJECTS AND RESCUE EQUIPMENT FROM VIBRATION

EXPOSURE

The article presents the results of the development of equipment and objects to be protected from the action of vibration, which can lead to emergencies. It is proposed to increase the effectiveness of protection devices as an energy-absorbing element, in the event of vibration use magnetic fluid, which allows the characteristics of the damper to control the magnetic field.

Key words: vibration protection, damper, energy during oscillations, magnetic fluid, magnetic field.

Сизов Александр Павлович,

доктор технических наук, профессор,

профессор кафедры пожарной безопасности объектов защиты,

ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России

Россия, г. Иваново,

Тел. 89605076117,

e-mail:kafppv@mail.ru,

Sizov A.P.,

Doctor of Technical Sciences, Professor,

Professor, Department of Fire Safety of Protected Facilities,

Ivanovo fire and rescue academy of State Firefighting Service of EMERCOM of Russia, Russia, Ivanovo.

Комельков Вячеслав Алексеевич,

кандидат технических наук,

начальник кафедры пожарной безопасности объектов защиты,

ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПСМЧС России

Россия, г. Иваново,

Тел. 89203414141,

e-mail:kafppv@mail. ru,

Komelkov V.A.,

Candidate of Technical Sciences,

Head of the Department of Fire Safety of Protected Facilities,

Ivanovo fire and rescue academy of State Firefighting Service of EMERCOM of Russia, Russia, Ivanovo.

Колбашов Михаил Александрович,

кандидат технических наук, доцент,

доцент кафедры эксплуатации пожарной техники, средств связи и малой механизации,

ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,

Россия, г. Иваново,

Тел. 89303450683,

e-mail:kolbashow@mail.ru,

Kolbashov M.A.,

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor,

Associate Professor of the Department of Operation of Fire Equipment, Communication Facilities and Small Mechanization,

Ivanovo fire and rescue academy of State Firefighting Service of EMERCOM of Russia, Russia, Ivanovo.

© Сизов А.П., Комельков В.А., КолбашовМ.А., 2018