Устройство для определения коэффициента демпфирования сыпучих материалов и жидкостей

Полезная модель относится к области строительства и судостроения, а именно к лабораторным установкам, позволяющим определить коэффициент демпфирования сыпучих и жидких материалов. Характеристики демпфирования важны для практики проектирования оснований и фундаментов зданий и сооружений (например, свай, находящихся в грунтовом основании), а также сыпучих грузов и жидкостей, находящихся в замкнутом объеме (трюмах, отсеках, танках судов различного назначения).
Известна конструкция забивной сваи, погружаемой в грунт путем забивки и используемой для моделирования условий и определения характеристик демпфирования при колебаниях в грунтовом массиве (см. «Экспериментальная установка (стенд) для изучения многофакторной зависимости коэффициента демпфирования сваи при взаимодействии с грунтом» патент ПФ на изобретение №2646540).
В указанном техническом решении коэффициент демпфирования сваи грунтом определяется в условиях втягивания модельной сваи в вынужденную вибрацию через вибрирующий грунт. В результате инструментальной фиксации характеристик вибрации появляется возможность определения зависимости коэффициента демпфирования р сваи от ряда характеристик грунта и воздействия внешней среды.
Ее недостаток - определение демпфирующих характеристик грунта в условиях сложного напряженного состояния, что затрудняет их перерасчет на реальные натурные условия.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является устройство амортизации, содержащее двухкаскадную систему опирания вибрирующего объекта на основание через амортизаторы, между которыми помещена герметичная емкость с жидкостью, демпфирующая колебания системы (см. патент РФ №2547946 «Способ двухкаскадной амортизации опорных конструкций машин»)
Недостаток прототипа заключается в том, что это изобретение создано для снижения уровней вибрации объектов, а не для создания резонансных режимов вибрации исследуемых объектов и описанная конструкция не позволяет определить коэффициент демпфирования сыпучих материалов и жидкостей.
Технической задачей заявляемой полезной модели является создание вибрационного устройства на вертикальные и горизонтальные колебательные воздействия, обеспечивающего резонансные режимы колебаний, с помощью которого возможно определение коэффициента демпфирования сыпучих материалов и жидкостей при одноостных (вертикальных и горизонтальных) колебаниях на заданных резонансных частотах и построение зависимости коэффициента демпфирования материала от частоты колебаний.
Поставленная задача решается тем, что в для определения коэффициента демпфирования сыпучих материалов и жидкостей, содержащем двухкаскадную систему опирания вибрирующего объекта на основание через амортизаторы, между которыми помещена, как вибрирующий объект, герметичная емкость с испытуемой жидкостью или сыпучим материалом, дополнительно с боковых сторон емкости симметрично установлены металлические пластины (ребра - резонаторы) с перемещающимися по ним грузами, задающими частоты собственных колебаний (резонансные частоты конструкции). К боковым стенкам рамы емкости (например, при помощи болтов) обеспечивается поворотное крепление металлических пластин - ребер. Поворот пластин на 90 градусов обеспечивает смену направления преимущественного резонансного низкочастотного колебания испытуемого материала с горизонтального на вертикальное и наоборот. На поверхности емкости установлен датчик колебаний для определения ускорения и амплитуды колебаний.
Герметичная емкость, например, металлический ящик с герметизирующей крышкой, снизу опирается на амортизаторы нижнего каскада амортизации, задающего одну из собственных частот колебаний. Крышка служит опорой для верхнего ряда амортизаторов, жесткость которых определяет вторую резонансную частоту конструкции. Либо амортизаторы верхнего ряда устанавливаем в горизонтальном положении и крепим к стенкам металлического ящика. Анализ колебаний конструкции на двух частотах позволяет определить коэффициенты аир матрицы демпфирования классической модели вязкого трения Релея, которая используется в практике проектирования сложных конструкций и сооружений.
Металлические пластины (ребра) с перемещающимися по ним грузами задают любые другие резонансные частоты в выбранном диапазоне частот, что позволяет уточнить коэффициенты α и β в зависимости от частоты вынужденных колебаний.
Местоположение вибратора зависит от его вида. В случае, когда для возбуждения вынужденной вибрации используется одноостный (линейный) вибратор, место его закрепления может находиться центрально на верхней крышке ящика (случай вертикальных колебаний), либо центрально на боковой поверхности ящика (случай горизонтальных колебаний). При использовании в качестве вибратора электродвигателя с закрепленным на его валу эксцентриком, место крепления электродвигателя может находиться на верхней крышке. При этом ось вала ориентируется по оси установки ребер пластин.
Конструкция поясняется чертежом:
А) случай вертикальных колебаний: фиг. 1а - общий вид, фиг. 2а - вид сбоку,
фиг. 3а - вид сверху боковые ребра в горизонтальном положении;
Б) случай горизонтальных колебаний: фиг. 1б - общий вид, фиг. 2б - вид сбоку,
фиг. 3б - вид сверху боковые ребра в вертикальном положении.
Конструкция имеет двухкаскадную систему опирания вибратора на основание через амортизаторы. Промежуточная опорная рама системы амортизации выполнена в форме ящика 1, изготовленного, например, из металлических швеллеров 2 с приваренной к ним снизу (днище) металлической пластиной 3. В ящик засыпается сыпучий материал либо заливается жидкость.
Сверху на ящик 1 устанавливается крышка 4 в виде металлической пластины соединяемой болтами 5, 6 с верхними полками швеллера 2. К стенкам металлического ящика 2 с двух сторон крепятся на болтах 7, 8 боковые ребра - пластины 9 с перемещающимися по ним грузами 10. Грузы 10 жестко фиксируются на пластинах 9, например, при помощи болтов 11, 12. Ящик опирается на жесткое основание 13 через нижний ряд амортизаторов 14, установленных по его углам.
Для вертикальных колебаний на крышку 4 металлического ящика 1 устанавливается и закрепляется верхний ряд амортизаторов 15. Вибратор 16, устанавливается на платформе 17 и передает колебательные воздействия на всю конструкцию.
Для горизонтальных колебаний верхний ряд амортизаторов 15 и вибратор 16 устанавливается и закрепляется на боковой поверхности ящика 1 и передает горизонтальные воздействия на всю конструкцию.
Характеристика колебательного процесса фиксируется датчиком ускорения (амплитуды) 18.
Устройство работает следующим образом.
Металлический ящик 1 с боковыми ребрами 9 и грузами 10 устанавливается на жестком основании 13 через нижний ряд амортизаторов 14, затем в него помещают жидкость или сыпучий материал, закрывается крышка 4, которая соединяется болтами 5, 6 с полкой швеллера 2 ящика 1. Затем на крышку 4 металлического ящика 1 устанавливается и закрепляется верхний ряд амортизаторов 15, платформа 17 и вибратор 16.
При плавном изменении частоты колебаний вибратора инструментально фиксируется амплитудно - частотная характеристика ящика 1 с анализируемым веществом. На одной из резонансных частот, задаваемых жесткостями амортизаторов 14 и 15, либо положением грузов 10 на ребрах 6, возникает резонансный режим. По характеру резонансного режима определяются коэффициент демпфирования. Переходя от одного резонансного режима к другому, выстраивается зависимость коэффициента от частоты.
Конструкция выполняется в следующей последовательности. Стенки металлического ящика выполнены из швеллера и соединены между собой сваркой. Днище ящика - это металлическая пластина, приваренная к нижним полкам швеллеров. Ящик закрывается крышкой - пластиной, которая крепится болтами к верхним полкам швеллеров. Сверху, по углам крышки - пластины, устанавливается верхний ряд амортизаторов. На них помещается платформа и устанавливается вибратор. Либо к боковым стенкам ящика горизонтально устанавливаются и закрепляются амортизаторы верхнего ряда и вибратор. Металлический ящик устанавливается на амортизаторы нижнего ряда, расположенные по углам ящика. Амортизаторы нижнего ряда закреплены на жестком основании.
Предложенная конструкция вибрационного устройства позволяет определить коэффициент демпфирования сыпучих материалов и жидкостей, находящихся в замкнутом объеме, при одноостном колебании, а также зависимость указанного коэффициента от частоты колебаний.