КОМБИНИРОВАННЫЙ УПРУГИЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ СИСТЕМ ДЕМПФИРОВАНИЯ

Предлагаемая полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована в системах демпфирования различных типов.
в
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 G=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 является 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.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является комбинированный упругий элемент для систем демпфирования, выполненный из отрезков металлической спирали, заделанной прессованием в корпус упругого элемента, выполненного их упругого материала, например, технической резины [Авторское свидетельство СССР №136608, кл. 47 а8. Упругий элемент для систем демпфирования /A.M. Сойфер, В.Н. Бузицкий, В.А. Першин. Опубликовано "Бюллетень изобретений" №5, 1961 г.] - прототип. Известная полезная модель 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 комбинированного упругого элемента 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, а следовательно, повышение надежности и долговечности военной техники. [Сравнение российских и зарубежных виброизоляторов из проволочных демпфирующих материалов. /Ю.К. Пономарев, A.M. 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 со взрывоопасными грузами для снижения вероятности взрыва при столкновении поездов в железнодорожной аварии.
Повышенная жесткость демпфера также требуется для предотвращения аварии на АЭС, которая может возникнуть из-за падения тяжелых объектов, например контейнеров с отработавшими сборками энергетических 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. И во многих других случаях.
Задачей полезной модели является придание комбинированному упругому элементу переменной жесткости, увеличивающейся с возрастанием скорости его деформирования.
Техническим результатом полезной модели является увеличение жесткостных и прочностных свойств комбинированного упругого элемента под действием высокой скорости деформирования.
Указанная задача решается тем, что комбинированный упругий элемент для систем демпфирования выполнен из упругой спирали, установленной прессованием в корпус упругого элемента, выполненного из упругого материала, при этом в качестве упругой спирали используют гибкие трубки из полимерного материала с закрытой полостью и помещенной в их внутреннюю полость неньютоновской жидкостью.
Так как упругая спираль, находящаяся внутри материала упругого элемента, выполнена в виде гибких трубок из полимерного материала с закрытой полостью и помещенной в их внутреннюю полость 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. Таки образом, при увеличении скорости деформирования увеличивается жесткость спирали, а, следовательно, жесткость комбинированного упругого элемента, что решает поставленную задачу.
Сущность полезной модели поясняется рисунком, где на фиг. показана схема упругого элемента в виде втулки. На схеме обозначены: 1 - корпус комбинированного упругого элемента; 2 - трубчатая спираль; 3 -неньютоновская жидкость.
Комбинированный упругий элемент в виде втулки состоит из корпуса 1, установленной в него трубчатой спирали 2 и расположенной внутри трубчатой спирали 2 неньютоновской жидкости 3. Корпус 1 втулки может быть выполнен из технической резины, трубчатая спираль 2 выполнена из полимерного материала, например, полиамида, в качестве неньютоновской жидкости 3 может использоваться, например, смесь воды и крахмала.
При деформировании втулки с низкой скоростью она будет деформироваться в зависимости от модуля упругости материала корпуса 1, т.е. как обычная техническая резина, так как неньютовская жидкость 3 при малой скорости деформации ведет себя как обычная вода. При увеличении скорости деформации жесткость неньютоновской жидкости 3 возрастает, возрастает жесткость трубчатой спирали 2, а, следовательно, возрастает жесткость всей втулки. Меняя соотношение объемов, занимаемых материалом втулки и трубчатой спирали, можно существенно изменять упругие свойства втулки и ее чувствительность к скорости деформации.
Пример практического применения предлагаемой полезной модели. На ОАО «Российские железные дороги» в рессорном подвешивании локомотивов серии ТЭЗ, ТЭ10 используются резиновые амортизаторы, имеющие следующие характеристики:
- используемая марка резины - 7842;
- твердость по Шору - 60;
- наружный диаметр - 220 мм;
- внутренний диаметр - 60 мм;
- высота слоя резины - 30 мм;
- коэффициент жесткости амортизатора - 24,3 кН/м.
Недостатком таких амортизаторов является то, что после удара колес о стыки рельсов локомотив совершает гармонические колебания, амплитуда которых может существенно возрастать от частых повторяющихся ударов.
Встроим в указанный амортизатор гибкую полиамидную трубку с заделанными концами, наполненную неньютоновской жидкостью со следующими характеристиками:
- диаметр используемой гибкой трубки - 4 мм;
- диаметр спирали, сформированной используемой гибкой трубкой - 160 мм;
- число витков спирали - 3;
- в качестве неньютоновской жидкости используем дилатантную неньютоновская жидкость на основе мелкодисперсного порошка кремнезема и этиленгликоля в качестве жидкой фракции.
Величину модуля сдвига полиамидной спирали, наполненной неньютоновской жидкостью, примем равной, гПА - 45.
На основе данных ОАО «Российские железные дороги» проведем сравнение характеристик резинометаллических элементов используемых в рессорном подвешивании некоторых тепловозов (для серии локомотивов ТЭЗ, ТЭ10) с характеристиками: используемая марка резины - 7842;
твердость по Шору - 60; наружный диаметр, мм - 220;
внутренний диаметр, мм - 60; высота слоя резины, мм - 30;
коэффициент жесткости амортизатора, кН/м - 24,3;
и предлагаемого аналогичного по размерам комбинированного упругого элемента для систем демпфирования.
Произведем расчет коэффициента жесткости такого комбинированного упругого элемента для систем демпфирования, рассматривая его в первом приближении как витую пружину сжатия или растяжения.
Для витой пружины сжатия или растяжения, намотанной из полиамидной трубки, наполненной неньютоновской жидкостью, и упруго деформируемой вдоль оси, коэффициент жесткости может быть рассчитан по соотношению:
D
F
4
3
K=G*d/8*d*n;
D
F
где d - диаметр полиамидной трубки; d - диаметр намотки; n - число витков; G - модуль сдвига. Подставляя принятые значения, получим величину коэффициента жесткости комбинированного упругого элемента для систем демпфирования - К=220 кН/м. Отсюда следует, что комбинированный упругий элемент для систем демпфирования по сравнению с типовыми характеристиками резинометаллических элементов, используемых в рессорном подвешивании некоторых типов тепловозов, превосходит его по величине коэффициента жесткости более чем в 8 раз и может эффективно использоваться в широком диапазоне ударных и вибрационных нагрузок, действующих на рессорные подвески в условиях эксплуатации.
Из-за отсутствия в своем составе металлических частей предлагаемый комбинированный упругий элемент обладает меньшим весом по сравнению с прототипом, технология его изготовления достаточно проста и не требует значительной доли ручного труда, поэтому он будет иметь невысокую стоимость, что важно в условиях массового производства.