ДВУХСТУПЕНЧАТЫЙ КОМБИНИРОВАННЫЙ ДЕМПФЕР С ФУНКЦИЕЙ АВАРИЙНОГО 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 являются 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.
Известен упругий элемент для систем демпфирования, выполненный из металлической пружины, заделанной в корпус упругого элемента [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.]. Известный упругий элемент для систем демпфирования 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 упругого элемента для систем демпфирования 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 и, 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 с взрывоопасными грузами для снижения вероятности взрыва при столкновении поездов в железнодорожной аварии. Повышенная жесткость демпфера также требуется для предотвращения аварий на атомных электростанциях (АЭС), которые могут возникнуть из-за падения тяжелых объектов, например, контейнеров с отработавшими сборками ТВЭЛ - тепловыделяющих элементов ядерных 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, а также и во многих других случаях.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является 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 [«Комбинированный упругий элемент с функцией аварийного демпфирования»; RU 186280 от 27.09.2018 г., решение о выдаче патента (ПМ) от 03.12.2018 г., /А.В. Королев, А.А. Скрипкин] - прототип.
Так как металлическая пружина помещена в полую спираль из полимерного материала с закрытой полостью, которая заполнена дилатантной 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.
При увеличении скорости деформации жесткость неньютоновской жидкости резко возрастает, она начинает выполнять функцию второй упругой спирали, подсоединенной параллельно к металлической пружине. При этом возрастает жесткость комбинированного упругого элемента, который может выполнять функцию аварийного демпфирования.
Недостатком известного комбинированного упругого элемента является невозможность изменения коэффициента демпфирования (то есть, жесткости) при различных величинах ударной знакопеременной нагрузки, что ограничивает его область применения в реальных условиях эксплуатации.
Задачей полезной модели является придание комбинированному упругому элементу с функцией аварийного демпфирования способности изменять свою жесткость в зависимости от скорости его деформирования.
Техническим результатом полезной модели является увеличение жесткостных и прочностных свойств комбинированного упругого элемента с функцией аварийного демпфирования под действием высокой скорости деформирования.
Указанная задача решается тем, что двухступенчатый комбинированный демпфер с функцией аварийного демпфирования 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, дополнительно содержит наружную полую спираль из полимерного материала с закрытой полостью, которая заполнена дилатантной неньютоновской жидкостью с другими параметрами вязкости.
Отметим, что дилатантные жидкости (или по-другому - дилатантные материалы) - один из видов неньютоновских жидкостей, у которых вязкость возрастает при увеличении скорости деформации сдвига.
Так как металлическая пружина помещена в полую спираль из полимерного материала с закрытой полостью, которая заполнена дилатантной 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.
При увеличении скорости деформации жесткость неньютоновской жидкости резко возрастает, она начинает выполнять функцию второй упругой спирали, подсоединенной параллельно к металлической пружине. При этом возрастает жесткость комбинированного упругого элемента.
Дилатантная неньютоновская жидкость, заполняющая наружную полую спираль из полимерного материала с закрытой полостью, имеет другие параметры вязкости и предназначена для большей величины ударных ускорений, чем неньютоновская жидкость, помещенная в полую спираль из полимерного материала с закрытой полостью, в которой расположена металлическая пружина. Поэтому, при воздействии ударных ускорений одного диапазона, неньютоновская жидкость, помещенная в полую спираль из полимерного материала с закрытой полостью, в которой расположена металлическая пружина, начинает выполнять функцию второй упругой спирали, подсоединенной параллельно к металлической пружине. При этом возрастает жесткость комбинированного упругого элемента. При увеличении скорости деформации - то есть, при возрастании значений ударной знакопеременной нагрузки, дилатантная неньютоновская жидкость, заполняющая наружную полую спираль из полимерного материала с закрытой полостью, также начинает выполнять функцию упругой спирали, подсоединенной параллельно к металлической пружине. При этом возрастает жесткость двухступенчатого комбинированного упругого элемента, который может выполнять функцию аварийного демпфирования, что решает поставленную задачу.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг. показана схема двухступенчатого комбинированного демпфера с функцией аварийного демпфирования. На чертеже цифрами обозначены: 1 - металлическая пружина; 2 - дилатантная неньютоновская жидкость в наружной полой упругой спирали с другими параметрами вязкости; 3 - наружная полая упругая спираль из полимерного материала с закрытой полостью; 4 - элементы заделки концов упругой спирали; 5 - полая спираль из полимерного материала с закрытой полостью; 6 - дилатантная неньютоновская жидкость.
Двухступенчатый комбинированный демпфер с функцией аварийного демпфирования состоит из металлической пружины 1, помещенной в полую упругую оболочку в виде спирали из полимерного материала с закрытой полостью 5, которая заполнена дилатантной неньютоновской жидкостью 6. Полая упругая спираль из полимерного материала с закрытой полостью 5, которая заполнена дилатантной неньютоновской жидкостью 6, помещена в наружную полую упругую спираль из полимерного материала с закрытой полостью 3, которая заполнена дилатантной неньютоновской жидкостью 2 с другими параметрами вязкости.
На концах металлической пружины 1 для повышения долговечности конструкции установлены элементы заделки 4, например, диски или шайбы.
Полая упругая спираль из полимерного материала с закрытой полостью 5 может быть выполнена, например, из полиамида, наполненного стекловолокном, или полипропилена. В качестве дилатантной неньютоновской жидкостью 6 может использоваться, например, смесь вискозы, этиленгликоля и кремнезема.
Наружная полая упругая спираль из полимерного материала с закрытой полостью 3 также может быть выполнена, например, из полиамида, наполненного стекловолокном, или полипропилена. В качестве дилатантной неньютоновской жидкости 2 с другими параметрами вязкости может использоваться, например, смесь вискозы, этиленгликоля и кремнезема другой концентрации, чем у дилатантной неньютоновской жидкостью 6; в качестве элементов заделки 4 для повышения долговечности конструкции для упругой спирали с полостью 3 могут быть использованы, например, металлические шайбы.
При деформировании упругой спирали 5 с низкой скоростью она будет деформироваться в зависимости от модуля упругости материала пружины 1, то есть как обычный упругий материал, так как дилатантная неньютовская жидкость 6 при малой скорости деформации ведет себя как обычная жидкость. При увеличении скорости деформации - (первый диапазон ударных ускорений) - жесткость неньютоновской жидкости 6 резко возрастает, она приобретает свойство твердого упругого тела и начинает выполнять функцию второй упругой спирали, подсоединенной параллельно к упругой спирали 3; при этом дилатантная неньютоновская жидкость 2, заполняющая наружную полую упругую спираль из полимерного материала с закрытой полостью 3, ведет себя как обычная жидкость. При последующем возрастании скорости деформации - (второй диапазон ударных ускорений) -жесткость неньютоновской жидкости 2 с другими параметрами вязкости резко возрастает, она приобретает свойство твердого упругого тела и начинает выполнять функцию следующей упругой спирали, также подсоединенной параллельно к упругой спирали 3.
При этом возрастает жесткость всего двухступенчатого комбинированного демпфера с функцией аварийного демпфирования, что обеспечивает возможность аварийного демпфирования в необходимых случаях. Изменяя геометрические параметры и материал пружины 1, геометрические параметры полой упругой спирали из полимерного материала 5 и тип дилатантной неньютоновской жидкости 6, а также геометрические параметры наружной полой упругой спирали из полимерного материала 3 и тип дилатантной неньютоновской жидкости 2, можно существенно изменять упругие свойства двухступенчатого комбинированного демпфера с функцией аварийного демпфирования и обеспечить увеличение жесткостных и прочностных свойств под действием высокой скорости деформирования.
p
o
н
-3
-2
-3
-3
Пример. Металлическая пружина изготовлена из металлической проволоки, имеющей модуль сдвига G=80 ГПа. Диаметр проволоки d=2⋅10 (м), диаметр намотки Dp=3⋅10 (м), число витков равно n=3. Полая упругая спираль из полимерного материала с закрытой полостью выполнена из полиамида, имеет диаметр полости d=4⋅10 (м); наружная полая упругая спираль также выполнена из полиамида и имеет диаметр полости d=5⋅10 (м). Шаг и число витков полой упругой спирали совпадает с шагом и числом витков металлической пружины.
Полость упругой спирали из полимерного материала заполнена дилатантной неньютоновской жидкостью d3o, разработанный одной из британских компаний.
В неньютоновской жидкости d3o роль жидкой фазы играет вискоза -производное целлюлозы, жидкий полимер - раствор ксантогената целлюлозы в разбавленном NaOH, получаемый, в основном, из древесного сырья. Твердой фазой служат наночастицы полиборметилсилоксана - сложного боркремнийорганического полимера.
При скорости деформации 10 (м/с) - (первый диапазон ударных ускорений) - данная жидкость имеет модуль сдвига G=16 ГПа. Произведем оценку жесткости системы двухступенчатого комбинированного демпфера с функцией аварийного демпфирования.
Коэффициент жесткости для упругого элемента - витой 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 упругий элемент будет иметь при скорости деформации примерно до 1 (м/с), так как при такой скорости деформации жесткостью полой упругой спирали из полимерного материала и жесткостью наружной полой упругой спирали из полимерного материала можно пренебречь по сравнению с жесткостью пружины.
o
р
o
По той же формуле определим коэффициент жесткости полой упругой спирали из полимерного материала, заполненной дилатантной неньютоновской жидкостью, при скорости деформации 10 (м/с). Он равен K=6329 (н/м). Суммарная жесткость системы K=K+K=7515 (н/м).
Как видно, жесткость системы двухступенчатого комбинированного демпфера с функцией аварийного демпфирования при повышении скорости деформации до 10 (м/с) возросла почти в 7 раз.
По той же формуле определим коэффициент жесткости наружной полой упругой спирали из полимерного материала, заполненной дилатантной неньютоновской жидкостью с другим параметрами вязкости, при последующем возрастании скорости деформации - (второй диапазон ударных ускорений) - при скорости деформации 30 (м/с).
1
В качестве дилатантной неньютоновской жидкости наружной полой упругой спирали из полимерного материала может использоваться, например, смесь вискозы, этиленгликоля и кремнезема другой концентрации, подобранная таким образом, что ее жесткость резко возрастает при скорости деформации, например, 30 (м/с) - (второй диапазон ударных ускорений) - и она приобретает свойство твердого упругого тела и начинает выполнять функцию следующей упругой спирали, также подсоединенной параллельно к предшествующей упругой спирали. Для оценки примем в первом приближении значение модуля сдвига данной жидкости G=12 ГПа. Он равен K=3124 (н/м).
р
o
1
Суммарная жесткость системы K=K+K+K=10639 (н/м). Отсюда следует, что жесткость системы двухступенчатого комбинированного демпфера с функцией аварийного демпфирования при повышении скорости деформации до 30 (м/с) возросла практически на порядок.
Таким образом, использование предлагаемой конструкции комбинированного двухступенчатого комбинированного демпфера с функцией аварийного демпфирования позволяет в случае аварийного демпфирования увеличить жесткостные и прочностные свойства системы, что обеспечивает во многих случаях предотвращение аварийных ситуаций.