ВИБРОПОГЛОТИТЕЛЬ
VIBRATION ABSORBER

Изобретение относится к области борьбы с вибрацией от воздействия на конструкции воздушного шума или динамических усилий, возникающих при работе шумящего и (или) виброактивного оборудования, используемого на транспортных средствах различного функционального назначения (суда, самолеты, автомобили и т.д.).
Известно большое количество средств уменьшения вибрации, наиболее распространенными из которых являются вибропоглощающие покрытия и локальные вибропоглотители. Подробное описание принципа действия и конструкции указанных средств приведено, см. например, А.С. Никифоров. Вибропоглощение на судах. Гл. 3 Вибропоглощающие покрытия для судовых конструкций, стр. 53-78 и Гл. 5 Прочие средства вибропоглощения. §17 Локальные вибропоглотители, стр. 87-95. Издательство "Судостроение", Ленинград, 1979 г.
Одним из наиболее распространенных типов вобропоглощающих покрытий является армированное вибропоглощающее покрытие (А.С. Никифоров. Акустическое проектирование судовых конструкций. §6.3 Средства вибропоглощения, стр. 158-161. Издательство "Судостроение", Ленинград, 1990 г.), представляющее собой диссипативный слой резиноподобного материала на который наносится армирующий слой из металла. Одним из недостатков армированного вибропоглощающего покрытия является большая масса, обусловленная как большими размерами покрытия в плане, так и его большой толщиной. Действительно, для повышения эффективности армированное вибропоглощающее покрытие наносят на всю или  часть (не менее 60%) поверхности демпфируемой конструкции, а толщина покрытия превышает толщину демпфируемой конструкции в два и более раз.
Для минимизации массы и площади размещения вибропоглощающих устройств вместо армированных вибропоглощающих покрытий используют локальные вибропоглотители, представляющие собой груз (металлическую массу) и упругий слой между грузом и демпфируемой конструкцией (см. А.С. Никифоров. Вибропоглощение на судах. Гл. 5 Прочие средства вибропоглощения. §17 Локальные вибропоглотители, стр. 87-95. Издательство "Судостроение", Ленинград, 1979 г.).
Известно также устройство по техническому решению (US 2011/0012419 А1, 20.01.2011, параг. 0073-0084, фиг. 1-11), являющееся вибропоглотителем, направленным на гашение вибрации балансируемого колеса механического средства путем установки на колесо одного или нескольких связанных друг с другом грузов из металлической массы в виде металлической пластины, соединенной с колесом упругим слоем из полимерной пленки - прототип.
Недостатком прототипа-устройства является малая эффективность снижения уровней вибрации известным устройством на низших резонансных частотах демпфируемой конструкции, а также малый срок службы в агрессивных средах металлической пластины и упругого слоя из полимерной пленки.
Задачей предполагаемого изобретения является повышение эффективности снижения уровней вибрации устройством на низших резонансных частотах демпфируемой конструкции при одновременном увеличении срока службы в агрессивных средах металлической пластины и упругого слоя между металлической пластиной и демпфируемой конструкцией.
Указанная задача решается благодаря тому, что в локальном вибропоглотителе, включающем скрепленные между собой металлическую массу в виде металлической пластины и упругий слой между металлической пластиной и колеблющейся на частоте ƒ демпфируемой конструкцией, по изобретению металлическая пластина имеет толщину h, составляющую от 0,2 до 0,5 толщины демпфируемой конструкции, длину  определяемую величиной от половины до одной длины изгибной волны в металлической пластине на частоте ƒ, и ширину b, определяемую значением не менее 0,1 ее длины  а упругий слой между металлической пластиной и демпфируемой конструкцией выполнен спрессованным из проволоки, обладающей подпружинивающими свойствами, и имеет толщину, равную 5-20 толщинам металлической пластины. Причем металлическая пластина и проволока в упругом слое выполнены из одинакового и из нержавеющего материала. При этом металлическая пластина соединена с демпфируемой конструкцией через установленное в геометрическом центре или в углах упомянутой пластины механическое крепление, которое отстоит от места с наибольшим уровнем вибрации демпфируемой конструкции на расстоянии, не превышающем 0,1 длины изгибной волны в демпфируемой конструкции на частоте ƒ.
Выполнение металлической пластины толщиной h, составляющей от 0,2 до 0,5 толщины демпфируемой конструкции, длиной  определяемой величиной от половины до одной длины изгибной волны в металлической пластине на частоте ƒ, и шириной b, определяемой значением не менее 0,1 ее длины  и расположенной между металлической пластиной и демпфируемой конструкцией без зазора упругого слоя из прессованной проволоки, обладающей подпружинивающими свойствами, и изготовления их из одинакового материала, обеспечивает повышение эффективности вибропоглотителя на низших резонансных частотах демпфируемой конструкции за счет настройки низшей резонансной частоты изгибных колебаний металлической пластины выбором ее размеров на частоту ƒ повышенной вибрации демпфируемой конструкции в сравнении с прототипом. При этом из-за возникновения изгибных колебаний металлической пластины на частотах более высоких, чем ее низшая резонансная частота, расширяется частотный диапазон, в котором проявляется эффективность вибропоглотителя.
Выполнение находящейся между металлической пластиной и демпфируемой конструкцией без зазора упругого слоя из спрессованной проволоки, обладающей подпружинивающими свойствами и имеющей толщину, равную 5-20 толщинам металлической пластины, обеспечивает повышение эффективности вибропоглотителя за счет улучшения поглощения колебательной энергии в упругом слое из прессованной проволоки при резонансных колебаниях металлической пластины на частоте ƒ, совпадающей с частотой колебания демпфируемой конструкции, возникающей при передаче повышенной вибрации демпфируемой конструкции на металлическую пластину через механические крепления.
Размещение механических креплений в геометрическом центре или в углах металлической пластины от места с наибольшим уровнем вибрации на расстоянии, не превышающем 0,1 длины изгибной волны в демпфируемой конструкции на частоте ƒ, повышает эффективность вибропоглотителя за счет увеличения потерь колебательной энергии в упругом слое из прессованной проволоки при вибрации демпфируемой конструкции на частоте ƒ.
Выполнение металлической пластины и проволоки в упругом слое из материала, одинакового с материалом демпфирующей конструкции, предотвращает возможность появления на них электрохимической коррозии и благодаря этому повышает срок службы вибропоглотителя в агрессивных средах.
Сущность изобретения поясняется рисунками, где на фиг. 1 представлен предлагаемый вибропоглотитель на демпфируемой конструкции, имеющий механическое крепление в геометрическом центре его металлической пластины, и на фиг. 2 - поперечное сечение по А-А вибропоглотителя на фиг. 1, установленного на демпфируемой конструкции, на фиг. 3 представлен предлагаемый вибропоглотитель на демпфируемой конструкции, имеющий механические крепления в углах металлической пластины, и на фиг. 4 - поперечное сечение по А-А вибропоглотителя на фиг. 3, установленного на демпфируемой конструкции.
Вибропоглотитель содержит металлическую пластину 1, имеющую толщину h, составляющую от 0,2 до 0,5 толщины демпфируемой конструкции 2, длину  определяемую величиной от половины до одной длины изгибной волны в металлической пластине на частоте ƒ, и ширину b, определяемую значением не менее 0,1 ее длины  а между металлической пластиной и демпфируемой конструкцией без зазора находится слой прессованной проволоки 3, обладающей подпружинивающими свойствами, толщина которого равна 5-20 толщинам металлической пластины (фиг. 1-4).
Металлическая пластина 1 соединена с демпфируемой конструкцией 2, имеющей повышенные уровни вибрации на частоте ƒ, с помощью механических креплений 4, расположенных в геометрическом центре или углах упомянутой пластины (фиг. 1-4). Механические крепления геометрического центра или углов металлической пластины расположены отстоящими от точки с повышенным уровнем вибрации демпфируемой конструкции на расстоянии, не превышающем 0,1 длины изгибной волны в демпфируемой конструкции на частоте ƒ.
В качестве материалов металлической пластины и упругого слоя из прессованной проволоки с подпружинивающими свойствами использован один и тот же нержавеющий материал, за счет чего обеспечивается повышение эффективности вибропоглотителя на низших резонансных частотах демпфируемой конструкции и увеличивается срок службы вибропоглотителя в агрессивных средах.
Предлагаемый вибропоглотитель работает следующим образом.
Демпфируемой конструкцией может являться корпусная или внутрикорпусная конструкция транспортного средства, возбуждаемая воздушным шумом или динамическими усилиями со стороны работающего шумящего и (или) виброактивного механизма. Ею может быть, например, ограждающая конструкция помещения, в котором находится механизм, повышенные вибрации которой являются причиной превышающих нормы уровней вибрации и шума в соседних и более удаленных помещениях транспортного средства. Демпфируемой конструкцией могут являться также днищевая конструкция кормовой оконечности судна, возбуждаемая пульсационными давлениями со стороны гребного винта, или корпус виброактивного механизма, возбуждаемый соударениями движущихся элементов, являющиеся причиной возникновения повышенных вибрации и (или) шума транспортного средства.
Вибрационная энергия, введенная источником в демпфируемую конструкцию 2, распространяется на металлическую пластину 1 через механические крепления. При толщине h металлической пластины 1, составляющей от 0,2 до 0,5 толщины демпфируемой конструкции 2, длине  определяемой величиной от половины до одной длины изгибной волны в металлической пластине на частоте ƒ, и шириной b, определяемой значением не менее 0,1 ее длины  в ней на частоте ƒ возникают колебания, которые воздействуют на установленный без зазора упругий слой 3 из прессованной проволоки. Колебательный процесс в прессованной проволоке, обладающей подпружинивающими свойствами, сопровождается потерями вибрационной энергии из-за ее преобразования в тепло, а его интенсификация при резонансных колебаниях металлической пластины 1 приводит к увеличению вибропоглощения, что повышает эффективность вибропоглотителя. Потери колебательной энергии в прессованной проволоке возрастают и на резонансных частотах колебаний демпфируемой конструкции 2, превышающих частоту ƒ и совпадающих с более высокими, чем низшая, резонансными частотами изгибных колебаний металлической пластины 1. Это способствует расширению частотного диапазона эффективности вибропоглотителя.
При толщине h металлической пластины 1 меньшей, чем 0,2 часть толщины демпфируемой конструкции 2, уменьшается эффективность вибропоглотителя из-за его малой массы по отношению к массе демпфируемой конструкции. Увеличение толщины h металлической пластины 1 больше 0,5 толщины демпфируемой конструкции 2 приводит к необходимости увеличения длины  обеспечивающей уменьшение вибрации на частоте ƒ, и к росту массы вибропоглотителя.
При длине  металлической пластины 1 со значениями, меньшими чем половина длины и  чем одна длина изгибной волны в металлической пластине на частоте ƒ, ухудшается настройка низшей резонансной частоты ее изгибных колебаний на частоту ƒ вибрации демпфируемой конструкции 2, что приводит к уменьшению эффективности вибропоглотителя.
При ширине b металлической пластины 1 менее 0,1 ее длины уменьшается эффективность вибропоглотителя из-за его малой массы по отношению к массе демпфируемой конструкции 2.
При нахождении упругого слоя из прессованной проволоки 3, обладающей подпружинивающими свойствами, без зазора между металлической пластиной 1 и демпфируемой конструкцией 2, создаются условия для передачи колебательной энергии на прессованную проволоку и создания в ней вибропоглощения.
Выполнение условия, что механические крепления в геометрическом центре или в углах металлической пластины 1 отстоят от места с наибольшим уровнем вибрации на расстоянии, не превышающем 0,1 длины изгибной волны в демпфируемой конструкции 2 на частоте ƒ, способствует наилучшему возбуждению металлической пластины 1 и прессованной проволоки в упругом слое 3, что приводит к увеличению вибропоглощения, т.е. к росту эффективности вибропоглотителя. При  отстояниях механических креплений от места с наибольшим уровнем вибрации демпфируемой конструкции 2 уровни колебаний металлической пластины 1 на частоте ƒ уменьшаются, и эффективность вибропоглотителя становится меньшей.
-3
Измерения эффективности технического решения по заявляемому изобретению проводились при установке вибропоглотителя на демпфируемую конструкцию - перфорированную пластину из стали с размерами в плане 0,522×0,371 м и толщиной 1,5⋅10 м. Испытания выполнялись при последовательном нахождении демпфируемой конструкции с вибропоглотителем и без него в воздухе и в воде.
-3
Первая низшая резонансная частота изгибных колебаний конструкции в воздухе, на которой регистрировались повышенные уровни ее вибрации, составляла 77 Гц. Металлическая пластина вибропоглотителя с такой же низшей резонансной частотой изгибных колебаний имела толщину 0,6⋅10 м и длину  равную примерно 0,72 длины изгибной волны в пластине из стали на частоте 77 Гц и определяемую по формуле
изг
где λ - длина изгибной волны на частоте ƒ в металлической пластине толщиной h. Ширина металлической пластины составляла 0,06 м, а толщина упругого слоя 3 из спрессованной проволоки, изготовленной из нержавеющей стали, - 6 мм. Масса вибропоглотителя составляла 4% от массы демпфируемой конструкции. Максимальный уровень вибрации демпфируемой конструкции 2 на частоте 77 Гц был зарегистрирован в ее геометрическом центре - пучности низшей формы ее изгибных колебаний. Механическое крепление геометрического центра вибропоглотителя совмещалось с указанной пучностью изгибных колебаний демпфируемой конструкции 2. При установке вибропоглотителя было достигнуто уменьшение уровня вибрации демпфируемой конструкции на частоте ƒ=77 Гц на величину 22 дБ (~12 раз). Достигнуть такой же эффект на этой частоте при использовании прототипа с массой в 3 раза большей, чем у предлагаемого вибропоглотителя, оказалось невозможным. Эффективность прототипа на той же частоте и с такой же массой, как у испытанного вибропоглотителя, отсутствовала.
При нахождении в воздухе вибропоглотитель уменьшил на 6-15 дБ (2-6 раз) уровни вибрации демпфируемой конструкции также на двадцати более высоких резонансных частотах, где эффект от установки прототипа отсутствовал. Увеличение уровней вибрации пластины на других частотах при установке вибропоглотителя не зарегистрировано.
При испытаниях в воде эффективность вибропоглотителя оказалась несколько меньшей, чем в воздухе. На низшей резонансной частоте (45 Гц) изгибных колебаний демпфируемой конструкции она составила 6 дБ, а на восьми последующих частотах - 6-28 дБ. Такие же результаты были получены при испытаниях вибропоглотителя с узлами крепления в углах металлической пластины.
Предлагаемый вибропоглотитель имеет высокую эффективность снижения уровней вибрации устройством на низших резонансных частотах демпфируемой конструкции и при большем сроке службы в агрессивных средах, что выгодно отличает его от прототипа.