Гидравлический демпфер
HYDRAULIC DAMPER

Изобретение относится к средствам поглощения энергии механических колебаний, в частности, к гидравлическим демпферам во втулках несущих и рулевых винтов винтокрылых летательных аппаратов, к примеру, вертолетов.
Известен гидравлический демпфер Hu, W. and Wereley, N.M., 2005, "Magnetorheological Fluid and Elastomeric Lag Damper for Helicopter Stability Augmentation," International Journal of Modern Physics Part B, 19(7-9): 1527-1533.
Недостатком данного технического решения является то, что данный демпфер с линейной характеристикой обладает дросселирующими элементами с ламинарным течением рабочей жидкости. Однако, сопротивление такого дросселирующего элемента пропорционально кинематической вязкости рабочей жидкости, которая при характерном для авиационной техники диапазоне рабочих температур минус 60… плюс 60°С может изменяться в 50…100 и более раз. Проблема решается за счет использования магнитореологических жидкостей, вязкость которых может регулироваться путем воздействия магнитного поля. Это требует использования сложной компьютеризованной системы управления демпфером и подвода к нему электропитания, что существенно усложняет конструкцию и снижает ее надежность.
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является гидравлический демпфер, состоящий из квазилинейных клапанов [Лейканд М.А. и др. авторское свидетельство СССР №597886 Гидравлический демпфер], имеющих ряд дросселирующих отверстий с турбулентным, характером истечения, подключающихся параллельно друг другу по мере роста давления. Характеристика такого клапана близка к линейной, но практически не зависит от температуры. Недостатком такой конструкции является наличие клапанов, что обуславливает сложность изготовления и настройки, а также высокие требования к чистоте рабочей жидкости.
Целью настоящего изобретения является создание гидравлического демпфера с бесклапанным дросселирующим устройством с ламинарным течением и автоматическим снижением коэффициента сопротивления при увеличении расхода жидкости или роста вязкости последней, что позволяет получить характеристику, подобную характеристике линейно-ступенчатого демпфера со слабой зависимостью от температуры.
Указанная цель достигается благодаря тому, что гидравлический демпфер, выполненный в виде гидроцилиндра и содержащий шток выполнен с рабочей полостью, разделенной на две части кольцевым зазором, образованным эластичным элементом из слабосжимаемого материала и закрепленным на жесткой основе, причем крепление выполнено таким образом, что эластичный элемент имеет возможность деформироваться за счет изменения гидравлического сопротивления зазора в зависимости от величины расхода жидкости через зазор и от температуры окружающей среды.
В предложенном техническом решении полости гидроцилиндра разделены кольцевым зазором. При этом на одной из поверхностей, образующих зазор, закреплен на жесткой основе цилиндрический эластичный элемент из слабосжимаемого материала, например, резины или полиуретана, причем крепление эластичного элемента к жесткой основе устроено таким образом, что материал эластичного элемента под действием давления рабочей жидкости имеет возможность деформироваться за счет своей сжимаемости в радиальном направлении при ограниченных деформациях в осевом направлении, вследствие чего гидравлическое сопротивление зазора изменяется в зависимости от величины расхода жидкости через зазор и от температуры окружающей среды, что обеспечивает близкую к оптимальной характеристику демпфера без использования сложных клапанных устройств.
Гидравлический демпфер иллюстрируется следующими чертежами:
На фиг. 1 - Демпфер - с зазором по штоку (Схема «Перегородка-шток»)
На фиг. 2 - Демпфер с зазором по наружной поверхности поршня (Схема «Поршень-корпус»)
На фиг. 3 - Профили рабочего зазора (а) и эпюры давлений (б) в нем
На фиг. 4 - Характеристики «Усилие демпфера - скорость»
На фиг. 5 - Зависимость характеристик демпфера от температуры
Демпфер по схеме «Перегородка-шток» состоит из цилиндрического корпуса 1, один из торцов которого через шарнир 2 соединен с корпусом втулки винта. Корпус 1 имеет перегородку 3, разделяющую рабочие полости. Шток 4 соединен с корпусом 1 упругими блоками 5 и перемещается относительно корпуса за счет упругих деформаций последних. Шток 4 через шарнир 6 присоединен к лопасти винта, вследствие чего угловые перемещения лопасти в плоскости вращения винта преобразуются в линейные перемещения штока. На перегородке 3 установлен эластичный элемент 7, внутренняя поверхность которого вместе с наружной поверхностью штока 4 образуют кольцевой дросселирующий зазор.
Демпфер по схеме «Поршень-корпус» состоит из цилиндрического корпуса 1, один из торцов которого через шарнир 2 соединен с корпусом втулки винта, опирающегося на буксы 3 корпуса 1 штока 4 с закрепленным на нем поршнем 5. Шток 4 через шарнир 6 присоединен к лопасти винта, вследствие чего угловые перемещения лопасти в плоскости вращения винта преобразуются в линейные перемещения штока. На поршне 5 установлен эластичный элемент 7, наружная поверхность которого вместе с внутренней поверхностью корпуса 1 образуют кольцевой дросселирующий зазор.
Работа демпфера основана на превращении механической энергии, затрачиваемой на преодоление сопротивления рабочего зазора течению жидкости в тепловую и последующим рассеиванием ее в окружающей среде.
В схеме, показанной на фиг. 1, при перемещении штока 4 в направлении, указанном стрелкой, происходит деформация упругих блоков, уменьшающая объем полости нагнетания, что приводит к перетеканию рабочей жидкости через рабочий зазор в другую полость. При движении штока в противоположном направлении картина зеркально изменяется.
В схеме, показанной на фиг. 2, изменение объема полостей обеспечивается перемещением поршня 5, жестко связанного с штоком 4.
Также возможен вариант демпфера, сочетающего обе описанные схемы.
Адаптивность предлагаемого демпфера обеспечивается особенностями конструкции рабочего зазора.
Гидравлическое сопротивление зазора в зависимости от величины расхода жидкости через зазор и от температуры окружающей среды, при этом гидравлическое сопротивление элемента кольцевой щели (Δр), имеющего координату х, отсчитываемую от начала щели со стороны полости нагнетания и длину dx, вычисляют по формуле:
где Q - расход жидкости,
D - средний диаметр кольцевой щели,
ν - кинематическая вязкость,
ρ - плотность рабочей жидкости,
δ=δ(х) - величина зазора в сечении с координатой х,
dp - перепад давления на участке dx,
а общее сопротивление кольцевой щели длиной L как
Эпюра давления в кольцевой щели с постоянным по длине зазором представляет собой прямую линию (кривая 1 на фиг. 3). В предлагаемой конструкции величина зазора увеличивается тем больше, чем выше величина давления в конкретном сечении щели, что приводит к снижению гидравлического сопротивления последней по мере роста амплитуды скорости (кривая 2 на фиг. 3). Характер и величина изменений профиля щели определяется подбором материала эластичного элемента с необходимыми упругими свойствами. Расчеты показывают, что для достижения желаемого эффекта коэффициент Пуассона материала эластичного элемента должен иметь значение не более μ=0.45…0.48 при возможно большем модуле упругости G.
Характеристика «Усилие - скорость штока» для демпфера с предлагаемым дросселирующим устройством (кривая 2 на фиг. 4) приобретает вид, подобный линейно-ступенчатой характеристике (кривая 1 на фиг. 4).
Аналогичный эффект снижения сопротивления щели имеет место и при росте вязкости жидкости при низких температурах. Это иллюстрируется фиг. 5, на которой показаны зависимости усилия предлагаемого демпфера (кривая 2) и линейного демпфера (кривая 1) от температуры при одинаковых скоростях движения штока.