Комбинированный демпфирующий элемент

Предлагаемая полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована в системах демпфирования различных типов.
Известен 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) авторов №186280 "Комбинированный упругий элемент с функцией аварийного демпфирования"; заявка от 27.09.2018 г., опубликовано "Бюллетень изобретений" №2, 2019 г.].
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.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является комбинированный демпфирующий элемент для систем демпфирования, выполненный из полой металлической спиральной пружины, внутренняя полость которой заполнена дилатантной неньютоновской жидкостью [патент РФ (ПМ) авторов №196775 "Комбинированный упругий элемент"; заявка от 27.05.2019 г., опубликовано "Бюллетень изобретений" №8, 2019 г.].
Одним из недостатков известного комбинированного упругого элемента для систем демпфирования является то, что ее жесткость повышается только при больших скоростях и ускорениях деформации, а при обычной скорости деформации полая пружина имеет несколько меньшую жесткость, чем обычная сплошная пружина тех же размеров. Это снижает надежность ее работы.
Задачей полезной модели является повышение надежности работы комбинированного демпфирующего элемента для систем демпфирования.
Техническим результатом полезной модели является повышение жесткости комбинированного демпфирующего элемента для систем демпфирования при работе не только при больших скоростях и ускорениях, но и при обычной скорости деформации.
Указанная задача решается тем, что в комбинированном демпфирующем элементе для систем демпфирования, выполненном из полой металлической спиральной пружины, внутренняя полость которой заполнена дилатантной неньютоновской жидкостью, на наружную поверхность пружины нанесена электростатически заряженная пленка моноэлектрета.
Так как металлическая пружина выполнена в виде в виде полой витой пружины, внутренняя закрытая полость которой заполнена дилатантной неньютоновской жидкостью, а на наружную поверхность пружины нанесена пленка моноэлектрета, имеющая электростатический заряд, то за счет возникновения дополнительных электростатических сил отталкивания витков увеличивается жесткость конструкции не только при высоких скоростях и ускорениях, но и при обычной скорости деформации. Это существенно расширяет диапазон условий
надежной работы демпфирующего элемента для систем демпфирования и тем самым 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 во внутренней закрытой полости витой металлической пружины; 3 - элементы заделки концов, имеющие электроизоляцию, для закрытой полости витой металлической пружины, 4 - электростатически заряженная пленка моноэлектрета.
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, имеющие электроизоляцию, например диски или шайбы. На поверхность пружины 1 нанесена электростатически заряженная пленка моноэлектрета 4. В качестве дилатантной неньютоновской жидкости 2 может использоваться, например, смесь вискозы, этиленгликоля и наночастиц кремнезема.
При деформировании полой витой металлической пружины 1 с малой скоростью она будет деформироваться в зависимости от модуля упругости материала пружины 1. Но так как на ее наружную поверхность нанесена пленка моноэлектрета, имеющая электростатический заряд, то с увеличение деформации пружины ее витки будут сближаться, и будут возникать дополнительные электростатические силы отталкивания витков. И тем самым будет увеличиваться жесткость конструкции. В качестве электростатически заряженной пленки моноэлектрета 4, нанесенной на поверхность пружины 1, могут быть использованы, например, электретные пленки поли-бис-трифторэтоксифосфазена (ПТФЭФ).
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, тип дилатантной неньютоновской жидкости 2, величину электростатического заряда пленки моноэлектрета 4, нанесенной на ее наружную поверхность, можно существенно изменять упругие свойства комбинированного демпфирующего элемента и обеспечить повышение надежности и долговечности, особенно при значительных ударных и знакопеременных нагрузках.
p
o
-2
-3
-2
-3
3
-8
2
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 d=1⋅10(м), толщина стенок металлической трубки 1⋅10(м), диаметр намотки Dp=4⋅10 (м), число витков равно n=3. Внутренняя закрытая полость витой металлической пружины имеет диаметр полости d=8⋅10 (м). Внутренняя закрытая полость витой металлической пружины заполнена, например, дилатантной неньютоновской жидкостью d3o, разработанный одной из британских компаний, имеющей плотность р=0,5…0,65 (г/см). На наружную поверхность пружины нанесена электретная пленка моноэлектрета из поли-бис-трифторэтоксифосфазена (ПТФЭФ) толщиной 100…300 мкм, имеющие начальную поверхностную плотность заряда σ=10 Кл/м [Формирование поверхности в смесях полистирола с поли-бис-трифторэтоксифосфазеном / И.О. Волков, Д.Р. Тур, А.И. Перцин [и др.] // Высокомолекулярные соединения. Серия Б. - 2002. - Т. 44. - №5. - С. 882-885, Smirnova, N.N., Lebedev, B.V., Bykova, Т.А. et al. Thermodynamic properties of poly[bis(trifluoroethoxy) phosphazene] in the range from T→0 TO 620 K://J. Therm. Anal. Calorim, 2009. - Vol. 95, P. 229-234 URL: https://doi.org/10.1007/s10973-008-9038-7].
При скорости деформации 10 (м/с) данная жидкость имеет модуль сдвига G=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 с.]:
Такую жесткость комбинированный демпфирующий элемент будет иметь при скорости деформации примерно до 1 (м/с), так как при такой скорости деформации жесткостью дилатантной неньютоновской жидкостью в внутренней полости можно пренебречь по сравнению с жесткостью пружины.
-3
3
3
Однако после нанесения на поверхность пружины пленки моноэлектрета ее жесткость возрастет. Используя известные соотношения электростатики, а также информацию [Е.Л. Тарунин. Взаимодействие заряженных проводников на близких расстояниях. Вестник Пермского университета. Пермский государственный национальный исследовательский университет, 2012 г. Серия: Физика. Вып. 3 (21), с. 92-100] и указанные геометрические размеры пружины 1, на которую нанесена пленка моноэлектрета 4, имеющая начальную поверхностную плотность заряда, определим дополнительное приращение коэффициента жесткости при ударной нагрузке, которая привела к уменьшению межвиткового расстояния до 2*10 (м). В первом приближении оно равно Ко=56,63*10 (н/м). Суммарная жесткость системы К=Кр+Ко=366,63*10 (н/м). Как видно, жесткость системы комбинированного демпфирующего элемента при данных геометрических размерах пружины 1 при нанесенной пленке моноэлектрета 4, имеющей начальную поверхностную плотность заряда, дополнительно возросла примерно на 18,3%.
3
3
По той же формуле определим коэффициент жесткости другой части демпфирующего элемента, образованной заполненной внутренней закрытой полостью с дилатантной неньютоновской жидкостью, при скорости деформации 10 (м/с). Он равен Кд=42,7*10 (н/м). Суммарная жесткость системы К=Кр+Ко+Кд=409,3*10 (н/м). Как видно, жесткость системы комбинированного демпфирующего элемента при данных геометрических размерах при повышении скорости деформации до 10 (м/с) возросла еще примерно на 12%.
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 ударных и 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, а наружная поверхность пружины покрыта пленкой моноэлектрета, 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.