Комбинированный демпфирующий элемент

Предлагаемая полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована в системах демпфирования различных типов.
в
G
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. Такие резиновые упругие элементы применяются в конструкциях упругих муфт, виброизолирующих опор, мягких подвесок агрегатов и ответственных грузов. При этом компенсируются перекосы и несоосности.      Для защиты резины от износа и передачи нагрузки в них применяют металлические детали – трубки, пластины и т.п.; в качестве материала элементов используется техническая резина с пределом прочности σ≥ 8 МПа и модулем сдвига  =500…900 МПа. В технической резине, из-за малого модуля упругости, рассеивается от 30 до 80% энергии колебаний, что примерно в 10 раз больше, чем в стали.
Преимуществами резиновых упругих элементов являются электроизолирующая способность; высокая демпфирующая способность (рассеяние энергии в резине достигает 30...80%); способность аккумулировать большее количество энергии на единицу массы, чем пружинная сталь (до 10 раз).
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 [Aвторское свидетельство СССР № 136608,   кл.47 а8. “Упругий элемент для систем демпфирования” /А.М. Сойфер, В.Н. Бузицкий, В.А. Першин. Опубликовано “Бюллетень изобретений” №5, 1961г.].  Известный упругий элемент для систем демпфирования представляет собой пористую структуру, получаемую путем холодного прессования упругого материала, например, технической резины с расположенной внутри нее заготовки из хаотически уложенной проволочной спирали. В качестве исходного материала для изготовления такого упругого элемента применяется тонкая металлическая проволока различных марок диаметром от 0,03 до 0,3 (мм).
Недостатком известного упругого элемента для систем демпфирования является слабая зависимость его упругих свойств от скорости деформирования. На практике часто бывает необходимо использовать материалы деталей переменной жесткости, зависящей от скорости их деформирования, например, при изготовлении различных пуленепробиваемых защитных чехлов, кожухов, жилетов, закрывающие подвижные узлы от внешних воздействий, в военной технике. При отсутствии воздействия на них различных деталей, например, снарядов, пуль они должны работать как обычные упругие изделия. При воздействии на них снарядов, имеющих высокую скорость, они должны мгновенно становиться жесткими, пуленепробиваемыми, что обеспечивает их сохранность и, следовательно, повышение надежности и долговечности военной техники. [Сравнение российских и зарубежных виброизоляторов из проволочных демпфирующих материалов./Ю.К. Пономарев, А.М. Уланов. Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 11, №3, с. 214-218, 2009 г.Самарский государственный аэрокосмический университет.].
Кроме того, указанные упругие элементы необходимы, например, для крепления контейнеров с взрывоопасными грузами для снижения вероятности взрыва при столкновении поездов в железнодорожной аварии.        Повышенная жесткость демпфера также требуется для предотвращения аварий на атомных электростанциях (АЭС), которые могут возникнуть из-за падения тяжелых объектов, например, контейнеров с отработавшими сборками ТВЭЛ – тепловыделяющих элементов ядерных реакторов – на строительные конструкции здания, так как демпфер должен эффективно затормозить падающий объект и при соответствующем выборе его жесткости, зависящей от скорости удара,  обеспечить условие, при котором силовое воздействие на основание, например, на междуэтажное перекрытие здания АЭС, не превзойдет достаточно низкий допустимый уровень, а также и во многих других случаях.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является комбинированный упругий элемент для систем демпфирования, выполненный из металлической пружины, заключенной в упругую оболочку, в качестве упругой оболочки содержащий полую спираль из полимерного материала с закрытой полостью, которая заполнена дилатантной неньютоновской жидкостью [патент РФ (ПМ) № 186280 «Комбинированный упругий элемент с функцией аварийного демпфирования»; заявка от 27.09.2018 г., опубликовано “Бюллетень изобретений” №2, 2019 г./А.В. Королев, А.А. Скрипкин] - прототип.
Так как металлическая пружина помещена в полую спираль из полимерного материала с закрытой полостью, которая заполнена дилатантной неньютоновской жидкостью,  то жесткость упругого элемента будет существенно зависеть от скорости его деформации. Известно, что неньютоновские жидкости могут менять свою структуру и вязкость в зависимости от колебания давления или температуры, а при высокой скорости деформации вообще могут превращаться в очень жесткий и прочный материал.
При увеличении скорости деформации жесткость неньютоновской жидкости резко возрастает, она начинает выполнять функцию второй упругой спирали, подсоединенной параллельно к металлической пружине. При этом возрастает жесткость комбинированного упругого элемента, который может выполнять функцию аварийного демпфирования.
Недостатком известного комбинированного упругого элемента для систем демпфирования является ограниченная надежность и долговечность, особенно при значительных знакопеременных нагрузках, напрямую зависящая от механических свойств полой спирали из полимерного материала с закрытой полостью, которая заполнена дилатантной неньютоновской жидкостью, что ограничивает его область применения в реальных условиях эксплуатации.
Задачей полезной модели является придание комбинированному демпфирующему элементу для систем демпфирования повышенной надежности и долговечности, особенно при значительных знакопеременных нагрузках.
Техническим результатом полезной модели является повышение надежности и долговечности комбинированного демпфирующего элемента для систем демпфирования при значительных знакопеременных нагрузках.
Указанная задача решается тем, что в комбинированном демпфирующем элементе для систем демпфирования, выполненным из металлической пружины и полой спирали, заполненной дилатантной неньютоновской жидкостью, металлическая пружина выполнена полой и используется в виде полой спирали.
Отметим, что дилатантные жидкости  (или по-другому – дилатантные материалы) – один из видов неньютоновских жидкостей, у которых  вязкость  возрастает при увеличении скорости деформации сдвига.
Так как металлическая пружина  выполнена в виде в виде полой витой пружины, внутренняя закрытая полость которой заполнена дилатантной неньютоновской жидкостью, то жесткость упругого элемента будет существенно зависеть от скорости его деформации. Известно, что неньютоновские жидкости могут менять свою структуру и вязкость в зависимости от колебания давления или температуры, а при высокой скорости деформации вообще могут превращаться в очень жесткий и прочный материал.
При увеличении скорости деформации жесткость неньютоновской жидкости резко возрастает, она начинает выполнять функцию  второй упругой спирали, подсоединенной параллельно к металлической пружине. При этом возрастает жесткость комбинированного упругого элемента.
Поскольку металлическая пружина выполнена в виде в виде полой витой пружины, внутренняя закрытая полость которой заполнена дилатантной неньютоновской жидкостью, то это обеспечивает повышение надежности и долговечности, особенно при значительных знакопеременных нагрузках, что решает поставленную задачу.
Сущность полезной модели поясняется рисунком, где на фиг. 1 показана схема комбинированного демпфирующего элемента. На схеме цифрами обозначены: 1 – полая витая металлическая пружина; 2 - дилатантная неньютоновская жидкость в внутренней закрытой полости  витой металлической пружины; 3 – элементы заделки концов закрытой полости  витой металлической пружины.
Комбинированный демпфирующий элемент состоит из полой витой металлической пружины 1; внутренняя закрытая полость витой металлической пружины заполнена дилатантной неньютоновской жидкостью 2. На концах полой витой металлической пружины 1 для повышения долговечности конструкции установлены элементы заделки 3, например, диски или шайбы.
В качестве дилатантной неньютоновской жидкости 2 может использоваться, например, смесь вискозы, этиленгликоля и кремнезема.
При деформировании полой витой металлической пружины 1 с малой скоростью она будет деформироваться в зависимости от модуля упругости материала пружины 1, то есть как обычный упругий материал, так как дилатантная неньютовская жидкость 2 при малой скорости деформации ведет себя как обычная жидкость. При увеличении скорости деформации жесткость неньютоновской жидкости 2 резко возрастает, она приобретает свойство твердого упругого тела и начинает выполнять функцию  второй упругой спирали, подсоединенной параллельно к полой витой металлической пружины 1.
Изменяя геометрические параметры, сечение и материал полой витой металлической пружины 1, геометрические параметры внутренней закрытой полости у витой металлической пружины 1 и тип дилатантной неньютоновской жидкости 2, можно существенно изменять упругие свойства комбинированного демпфирующего элемента и обеспечить повышение надежности и долговечности, особенно при значительных знакопеременных нагрузках.
Пример.
G
-3
3
Полая витая металлическая пружина изготовлена из металлической трубки из пружинной стали, например, марок 50ХГ, 55ХГР, имеющей модуль сдвига  =80 ГПа. Диаметр металлической трубки (м), толщина стенок металлической трубки 1*10(м), диаметр намотки (м), число витков равно .  Внутренняя закрытая полость витой металлической пружины имеет диаметр полости  (м). Внутренняя закрытая полость витой металлической пружины заполнена, например, дилатантной неньютоновской жидкостью d3o, разработанный одной из британских компаний, имеющей плотность ρ= 0,5...0,65 (г/см ).
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 [см. сайт: www.d3o.com].
G
При скорости деформации 10 (м/с) данная жидкость имеет модуль сдвига  =16 ГПа. Произведем оценку жесткости комбинированного демпфирующего элемента.
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 c.]:
(н/м).
Такую жесткость комбинированный демпфирующий элемент будет иметь при скорости деформации примерно до 1 (м/с), так как при такой скорости деформации жесткостью полой упругой спирали из полимерного материала и жесткостью наружной полой упругой спирали из полимерного материала можно пренебречь по сравнению с жесткостью пружины.
3
3
По той же формуле определим коэффициент жесткости полой витой  упругой спирали из полимерного материала, образованной заполненной внутренней закрытой полостью с дилатантной неньютоновской жидкостью, при скорости деформации 10 (м/с). Он равен  42,7*10  (н/м). Суммарная жесткость системы 352,7*10 (н/м). Как видно, жесткость системы комбинированного демпфирующего элемента при данных геометрических размерах при повышении скорости деформации до 10 (м/с) возросла примерно на 15%.
3
3
Таким образом, использование предлагаемой конструкции комбинированного демпфирующего элемента позволяет при демпфировании увеличить жесткостные и прочностные свойства системы, а также обеспечить повышение надежности и долговечности комбинированного демпфирующего элемента для систем демпфирования, особенно при значительных знакопеременных нагрузках, что обеспечивает во многих случаях предотвращение аварийных ситуаций. Кроме того, поскольку у полой витой металлической пружины внутренняя закрытая  полость заполнена дилатантной неньютоновской жидкостью, имеющей плотность ρ=0,5...0,65 (г/см), то это дополнительно обеспечивает снижение массы комбинированного демпфирующего элемента – примерно на 25..35% - в зависимости от его геометрических параметров при сохранении жесткости – по сравнению с обычной металлической пружиной, изготовленной из пружинной стали, например, марок 50ХГ, 55ХГР и др.,  имеющей плотность ρ=7,8 (г/см ).