АМОРТИЗАТОР С КВАЗИНУЛЕВОЙ ЖЕСТКОСТЬЮ
SHOCK ABSORBER WITH QUASIZERO HARDNESS

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для виброизоляции технологического оборудования, аппаратов и приборов, а также человека-оператора от воздействия вибрационных и ударных нагрузок.
Известна виброопора (патент №2294857 кл. В62D 24/02, 2007 г.), которая предназначается для крепления кузова к раме автомобиля с изменяемой жесткостной характеристикой и состоит из резиновой подушки, основания виброопоры и перемещающейся втулки с самостопорящейся резьбовой частью, на верхней цилиндрической части которой имеется шестигранник под ключ, при перемещении втулки подушка изменяет свою вертикальную жесткость обратно пропорционально длине выступающей части.
Недостатком является отсутствие возможности уменьшения жесткости виброопоры до нуля, невозможность регулирования номинальной нагрузки.
Известен виброизолятор с квазинулевой жесткостью (патент №2298119 кл. F16F 7/08, 2007 г.), который может быть использован для защиты технологического оборудования, аппаратуры и приборов, а также человека-оператора от воздействия вибрационных и ударных нагрузок.
Данное средство защиты от вибрации содержит плоские упругие и демпфирующие элементы. При этом плоские упругие элементы выполняют в виде пакета упругих элементов арочного типа. Демпфирование колебаний осуществляют с помощью вязкоупругого демпфера, выполненного в виде упругодемпфирующего кольца, связанного с упругими элементами через втулки и расположенного в плоскости, перпендикулярной вертикальной оси пакета упругих элементов, за счет радиальной деформации упругих элементов.
Упругодемпфирующее кольцо имеет в поперечном сечении форму круга, эллипса, треугольника, квадрата, прямоугольника, многоугольника. Полость упругодемпфирующего кольца может быть заполнена вязкой жидкостью или сжатым до определенного давления воздухом или газом.
Недостатком аналога является сложность конструкции. Кроме того, изобретению присущи малая область квазинулевой жесткости и отсутствие возможности удобного регулирования номинальной нагрузки и заданной малой жесткости.
Прототипом является амортизатор с квазинулевой жесткостью (патент №2557865 кл. F16F 1/32, F16F 1/32, 2015 г.). Прототип выполнен сводчатой формы из упругого материала и включает жесткий хомут, опоясывающий амортизатор, при этом нагрузка амортизатора, при которой наблюдается квазинулевая жесткость, регулируется степенью натяжения жесткого хомута.
Недостатком прототипа является наличие единственного органа управления, как следствие невозможность одновременной регулировки номинальной нагрузки и жесткости конструкции. Таким образом, невозможна точная настройка виброизолятора в области номинальной нагрузки и заданной малой жесткости.
Технической задачей заявляемого изобретения является создание практичного амортизатора с квазинулевой жесткостью с возможностью регулировки отдельно номинальной нагрузки и жесткости виброизолятора.
Поставленная задача решается тем, что заявляемый амортизатор с квазинулевой жесткостью сводчатой формы, изготовленный из упругого материала, включающий жесткий хомут, опоясывающий амортизатор и регулирующий степень натяжения, дополнительно включает по центру стойку из упругого материала, опоясанную жестким хомутом с возможностью регулирования степени натяжения.
На фигуре показана конструкция заявляемого амортизатора с квазинулевой жесткостью.
Заявляемый амортизатор с квазинулевой жесткостью условно состоит из верхней опорной стенки 1, стенки 2 и нижней опорной стенки 3, при этом верхняя опорная стенка 1, стенка 2 и нижняя опорная стенки 3 являются единой конструкцией, изготовленной из упругого материала. Снизу от верхней опорной стенки 1 крепится стойка 4, выполненная из пористого упругого материала или материала, обладающего низкой жесткостью. Заявляемый амортизатор с квазинулевой жесткостью располагается нижней опорной стенкой 1 и стойкой 4 на неподвижной поверхности или фундаменте. Виброизолируемое оборудование опирается на верхнюю опорную стенку 3. Стойка 4 опоясана жестким хомутом 5, который находится в натянутом состоянии. Нижняя опорная стенка 3 опоясана жестким хомутом 6. Жесткие хомуты 5 и 6 должны иметь возможность регулирования степени натяжения.
Заявляемый амортизатор с квазинулевой жесткостью работает следующим образом.
Под действием нагрузки заявляемый амортизатор с квазинулевой жесткостью сжимается и стенка 2 испытывает два вида деформации: изгиб и сжатие в радиальном направлении. Деформация изгибом стенки 2 без учета деформации сжатия имеет линейную силовую характеристику. Нагрузка, действующая на амортизатор с квазинулевой жесткостью, воспринимается изгибом наклонной стенки 2 и продольным сжатием стойки 4. По мере сжатия амортизатора с квазинулевой жесткостью радиальное сжатие стенки 2 увеличивается. Это приводит к тому, что стенка 2 стремится вернуться в исходное положение, компенсируя деформацию за счет изгиба. Данное обстоятельство придает силовой характеристике конструкции заданную нелинейность. При большем сжатии амортизатора с квазинулевой жесткостью радиальное сжатие стенки 2 достигает своего максимума. При еще большем сжатии амортизатора с квазинулевой жесткостью стенка 2 за счет деформации сжатия стремится выгнуться по ходу деформации.
Таким образом, в данном положении стенка 2 обладает в вертикальном направлении отрицательной жесткостью. Размеры элементов заявляемого амортизатора с квазинулевой жесткостью подбираются таким образом, чтобы в данном положении жесткость деформации стенки 2 в вертикальном направлении в совокупности с жесткостью стойки 4 компенсировались отрицательной жесткостью стенки 2 в вертикальном направлении. Следовательно, в данном положении наблюдается квазинулевая жесткость. Нагрузку, соответствующую этому положению, обозначим как номинальную.
Изготовление стойки 4 из пористого упругого материала или материала, обладающего низкой жесткостью, позволяет при увеличении степени натяжения жесткого хомутf 5 повышать жесткостью стойки 4 при сжатии в вертикальном направлении. Таким образом, чем сильнее натянут жесткий хомут 5, тем больше номинальной нагрузка заявляемого амортизатора с квазинулевой жесткостью и больше его жесткость при номинальной нагрузке.
Жесткий хомут 6 определяет потенциальную энергию стенки 2 за счет радиального сжатия. Чем сильнее натянут жесткий хомут 6, тем сложнее сжать стенку 2, следовательно, больше вклад в формирование силовой характеристики деформации за счет радиального сжатия стенки. Это приводит к увеличению степени нелинейности силовой характеристики. Таким образом, чем сильнее натянут жесткий хомут 6, тем ниже жесткость заявляемого амортизатора с квазинулевой жесткостью при номинальной нагрузке. Также увеличение степени натяжения жесткого хомута 6 приводит к увеличению номинальной нагрузки.
Следовательно, совместное изменение степени натяжения жестких хомутов 5 и 6 позволяет вместе регулировать номинальную нагрузку и жесткость амортизатора с квазинулевой жесткостью.
Материалом верхней опорной стенки 1, стенки 2, нижней опорной стенки 3 и стойки 4 может быть любой упругий материал, допускающий большую упругую деформацию, например резина, ее производные, полиуретаны, другие упругие полимерные материала, металлы и сплавы с высокой максимальной относительной деформацией, а также другие подобные материалы, имеющие небольшое значение модуля Юнга.
Жесткие хомуты 5 и 6 должны быть выполнены из жесткого материала, например металлов, сплавов, жестких полимерных материалов, пластиков и других подобных материалов, имеющих большое значение модуля Юнга.
Для возможности регулирования степени натяжения жесткого хомута 5 в момент, когда заявляемый амортизатор с квазинулевой жесткостью установлен на поверхность, необходимо предусмотреть возможность доступа в регулировочному органу жесткого хомута 5. С этой целью можно выполнить отверстие в верхней опорной стенке 1, стенке 2 или нижней опорной стенке 3, через которое можно проводить регулирование, к примеру, отверткой или другим инструментом.
Благодаря квазинулевой жесткости заявляемый амортизатор с квазинулевой жесткостью почти не передает переменные динамические воздействия от вибрации и внешних возбуждающих переменных и ударных сил, виброизолирует фундамент, повышает надежность работы и долговечность виброизолируемого объекта. Применение жестких хомутов 5 и 6 позволяет плавно регулировать номинальную нагрузку и жесткость заявляемого средства защиты от вибрации. Данное обстоятельство позволяет компенсировать неточности монтажа и выбора материала упругих элементов, подстраиваться под различную нагрузку, что делает заявляемое средство защиты от вибрации более гибким в применении, а применение доступных и недорогих материалов - удобным и недорогим в изготовлении. Применение жестких хомутов 5 и 6 позволяет изменять силовую характеристику амортизатора и увеличивать номинальную нагрузку в два раза по сравнению со случаем со слабо натянутыми жесткими хомутами 5 и 6 или без них.