СПОСОБ ГАШЕНИЯ ВИБРАЦИИ УПРУГИХ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ
METHOD FOR SUBSTITUTING THE VIBRATION OF ELASTIC ELEMENTS OF CONSTRUCTIONS

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано как способ гашения колебаний упругих элементов конструкций объектов в условиях внешнего нагружения в любой области техники.
Известны способы снижения амплитуды вибрации конструкций с использованием динамических виброгасителей [Патент US 989958, F16F 7/1022, F16F 15/14, Device for damping vibrations of bodies, автор: Hermann Frahm, заявлен 30.10.1911, опубл. 18.04.1911] и [Ден-Гартог Дж.П. Механические колебания. - М.: Физматгиз, 1960. - 580 с.], широко применяемые в технике для подавления колебаний конструкций и сооружений (небоскребов, мостов, заводских труб, проводов ЛЭП и т.п.). Согласно указанным способам вибрация исходной конструкции возбуждает вибрацию закрепленного на ней виброгасителя, который начинает оказывать на конструкцию обратное воздействие. Если собственная частота колебаний виброгасителя совпадет с частотой внешнего силового воздействия, действующего на исходную конструкцию, виброгаситель начнет колебаться в противофазе с внешним воздействием и противодействовать ему. В результате внешнее воздействие и воздействие со стороны виброгасителя компенсируют друг друга, равнодействующая сила, действующая на исходную конструкцию, становится близка к нулю, и ее вибрации практически подавляются.
Основной недостаток способов с использованием динамического виброгашения состоит в том, что они подавляют вибрации конструкции в узком диапазоне частот, близких к ее собственной частоте колебаний. Вне этого диапазона снижения вибрации не происходит, она может даже усиливаться [Вибрации в технике. Справочник в 6-ти т. Том 6 - Защита от вибрации и ударов. М.: Машиностроение, 1981, 456 с. - С. 326-365].
Применение динамического способа подавления вибрации в упругих элементах типа тросов, стержней, плит и оболочек вызывает необходимость в использовании нескольких гасителей.
Для преодоления указанного недостатка используются разные способы - введение в гаситель повышенного демпфирования, применение нелинейной пружины, оснащение гасителя средствами управления [Вибрации в технике. Справочник в 6-ти т. Том 6 - Защита от вибрации и ударов. М.: Машиностроение, 1981, 456 с. - С. 326-365], однако, все это усложняет систему.
Наиболее близким к предлагаемому решению является способ с использованием тросового виброизолятора [Патент RU 38868 ПМ, F16F 7/14 (2000.01), F16G 11/00 (2000.01), Тросовый виброизолятор, авторы: Пономарев Ю.К., Калакутский В.И., Пономарев Д.Ю, Шатров В.Г., Антипов В.А., Дулецкий В.А., Огнянов И.О., опубл. 10.07.2004. Бюл. №19].
Технический эффект при использовании указанного решения состоит в повышении эффективности подавления вибрации. При применении данного способа вибрационная или ударная нагрузка, приходящая от вибрирующего объекта или основания, приводит к изгибной или крутильной деформации участков тросового элемента. Деформируясь, отдельные проволочки троса проскальзывают друг относительно друга с трением в местах их контакта. Взаимное проскальзывание проволочек при деформировании троса приводит к тому, что нагрузочные характеристики виброизолятора в трех взаимно перпендикулярных направлениях имеют вид гистерезисных петель, площадь которых характеризует рассеянную циклическую энергию. Эта энергия, превращаясь в тепло, рассеивается в окружающем пространстве. Благодаря рассеянию энергии, происходит гашение колебаний объекта и снижение нагрузок на него при ударах.
Использование данного способа, однако, характеризуется низкой надежностью и ограниченным ресурсом, так как связано с интенсивным износом деформируемых и трущихся элементов тросового виброизолятора и их сильным нагревом.
Указанные недостатки устраняются предлагаемым изобретением.
Задача, решаемая изобретением, - создание принципиально иного способа гашения вибрации упругих элементов конструкций без использования каких-либо дополнительных устройств, то есть не усложнением конструкции, а за счет формирования виброгасящих свойств самого защищаемого элемента. Достигаемый технический результат - повышение эффективности подавления вибрации при одновременном снижении затрат, увеличение долговечности деталей и узлов машин и механизмов и повышение эксплуатационной надежности при реализации способа гашения вибрации.
Поставленная задача решается тем, что гашение вибрации в определенной области элемента конструкции осуществляют за счет периодического изменения по пространственным координатам элемента одного из доступных его параметров: геометрической формы или физико-механических свойств материала. При этом измеряют и фиксируют закон изменения во времени внешнего высокочастотного колебательного воздействия и на его основе выбирают закон периодического по координатам изменения соответствующего параметра элемента - стоячей волны свойств, который используют при проектировании элемента.
Закон изменения одного из параметров элемента, а именно, его формы или физико-механических свойств предпочтительно выбирают в виде гармонической стоячей волны свойств некоторой длины L и амплитуды А и определяют из выражения
, где
S(x) - параметр формы элемента (площадь поперечного сечения стержня, троса; толщина - для плиты и оболочки), или параметр физико-механических свойств материала элемента;
0
S(х) - исходная величина параметра формы;
х - одна из пространственных координат;
А - амплитуда изменения параметра S(x);
L - длина волны изменения параметра S(x).
В результате достигают достаточно высокого уровня гашения колебаний при простом изготовлении элемента, монтируемого в конструкции защищаемого объекта. Иными словами, поставленная цель достигается путем определенного изменения геометрической формы или физико-механических свойств защищаемого элемента.
Предложенное решение выгодно отличается от прототипа отсутствием трущихся деталей и, соответственно, отсутствием износа и тепловыделения. Оно также обладает универсальностью, поскольку применимо для гашения вибрации различных упругих элементов конструкций, например, стержней, тросов, плит, оболочек
Последовательность действий согласно предлагаемому способу состоит в следующем:
1. Измеряют и фиксируют закон периодического изменения во времени внешнего высокочастотного колебательного воздействия.
2. На основе этого закона выбирают закон периодического изменения по пространственной координате соответствующего параметра элемента - «стоячей волны свойств». Целью выбора является достижение максимального эффекта гашения вибрации. Геометрическим параметром в случае стержня или троса может быть площадь их поперечного сечения, а в случае плиты или оболочки - толщина элемента. Параметром физико-механических свойств материала может быть его модуль упругости, плотность, характеристика демпфирования. Выбор параметра зависит от вида элемента и его доступности для измерения.
Выбор закона изменения параметра производят на основе расчетов, например, использования модели элемента и методов теории оптимального управления [Босс В. Лекции по теории управления. Т. 2: Оптимальное управление. М.: ЛЕНАНД, 2016. - 208 с.], а также путем а также путем численного или физического эксперимента.
В подавляющем большинстве случаев можно ограничиться выбором закона «стоячей волны свойств» в виде гармонической стоячей волны некоторой длины L и амплитуды А (п. 2 формулы изобретения). При этом достигается приближенное к оптимальному решение.
3. В соответствии с установленным законом изготавливают соответствующий элемент (деталь).
4. Деталь монтируют в конструкцию защищаемого объекта.
Физической основой предлагаемого способа является перераспределение энергии по упругому элементу при указанном изменении его формы или физико-механических свойств материала.
Способ иллюстрируется на примере упругого стержня (фиг. 1 и 2).
На фиг. 1 показаны: исходный стержень 1 с постоянным поперечным сечением, стержень 2, поперечное сечение которого изменяют по периодическому вдоль длины закону («стоячая волна свойств» длины L), а также условно изображен стержень 3 постоянного поперечного сечения, материал которого имеет периодически изменяющиеся по длине стержня физико-механические свойства (показано на чертеже изменением густоты темного фона).
На фиг. 2 представлены: 1 - исходный элемент - упругий стержень длины  и радиуса r с постоянным по длине круговым поперечным сечением.
Стержень заделан на правом конце, а на левом действует периодическое внешнее возмущение F(ωt); ω - круговая частота колебаний, t - время. Закон изменения силы F(ωt) во времени t представлен кривой 4 (фиг. 2). Сила F(ωt) вызывает продольные колебания стержня y(ωt), которые в точке  описываются кривой 5. На основе зависимости 4 определяют закон изменения (кривая 6 фиг. 2) площади S(x) поперечного сечения стержня 1 вдоль его длины - координаты х. Этот закон (стоячая волна свойств) определен на основе закона 4 изменения внешнего воздействия F(ωt) путем минимизации колебаний стержня в точке  и вблизи нее. Соответствующая конструкция боковой поверхности стержня 2 представлена кривой 8 (осевое сечение) (фиг. 2). В результате колебания стержня 2 в точке , описываемые кривой 7, значительно подавляются.
Предлагаемый способ подавления вибрации в заданных местах упругих элементов конструкций путем введения пространственных периодических по координате изменений параметров этих элементов обеспечивает высокий уровень гашения колебаний. Поскольку подавление вибрации достигается без использования дополнительных устройств, а лишь за счет перераспределения энергии колебаний упругого элемента и изменения его собственных частот, то обеспечивается простота решения задачи виброгашения при одновременном снижении затрат и повышении эксплуатационной надежности и ресурса.