КОМБИНИРОВАННЫЙ УПРУГИЙ ЭЛЕМЕНТ С ФУНКЦИЕЙ АВАРИЙНОГО ДЕМПФИРОВАНИЯ

Предлагаемая полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована в системах демпфирования различных типов.
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. 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 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.] - 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 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. Кроме того, указанные упругие элементы необходимы, например, для креплении контейнеров с взрывоопасными грузами для снижения вероятности взрыва при столкновении поездов в железнодорожной аварии. Повышенная жесткость демпфера также требуется для предотвращения аварии на атомной электростанции (АЭС), которая может возникнуть из-за падения тяжелых объектов, например, контейнеров с отработавшими сборками ТВЭЛ - тепловыделяющих элементов ядерных реакторов - на строительные конструкции здания, и во многих других случаях.
Задачей полезной модели является придание комбинированному упругому элементу 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 комбинированный упругий элемент для систем демпфирования, выполненный из металлической пружины, заключенной в упругую оболочку, в качестве упругой оболочки содержит полую спираль из полимерного материала с закрытой полостью, которая заполнена дилатантной неньютоновской жидкостью.
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, что решает поставленную задачу.
Сущность полезной модели поясняется рисунком, где на фиг. 1 показана схема комбинированного упругого элемента с функцией аварийного демпфирования. На схеме цифрами обозначены:
1 - металлическая пружина;
2 - дилатантная неньютоновская жидкость;
3 - полая упругая спираль из полимерного материала с закрытой полостью;
4 - элементы заделки концов упругой спирали.
Комбинированный упругий элемент с функцией аварийного демпфирования состоит из металлической пружины 1, помещенной в полую упругая спираль из полимерного материала с закрытой полостью 3, которая заполнена дилатантной неньютоновской жидкостью 2. 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 3 может быть выполнена, например, из полиамида, наполненного стекловолокном, или полипропилена. В качестве дилатантной неньютоновской жидкости 2 может использоваться, например, смесь вискозы, этиленгликоля и кремнезема; в качестве элементов заделки 4 для повышения долговечности конструкции для упругой спирали 1 могут быть использованы, например, металлические шайбы.
При деформировании упругой спирали с низкой скоростью она будет деформироваться в зависимости от модуля упругости материала пружины 1, то есть как обычный упругий материал, так как дилатантной неньютовская жидкость 2 при малой скорости деформации ведет себя как обычная жидкость. При увеличении скорости деформации жесткость неньютоновской жидкости 2 резко возрастает, она приобретает свойство твердого упругого тела и начинает выполнять функцию второй упругой спирали, подсоединенной параллельно к упругой спирали 1. При этом возрастает жесткость всего комбинированного упругого элемента, что обеспечивает возможность аварийного демпфирования в необходимых случаях. Изменяя геометрические параметры и материал пружины 1, геометрические параметры полой упругой спирали из полимерного материала 2 и тип дилатантной неньютоновской жидкости, можно существенно изменять упругие свойства комбинированного упругого элемента с функцией аварийного демпфирования и его чувствительность к скорости деформации.
p
o
-3
-2
-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=5⋅10 мм. 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 американских компаний. При скорости деформации 10 м/с данная жидкость имеет модуль сдвига G=16 ГПа. Произведем оценку жесткости системы комбинированного упругого элемента 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 можно пренебречь по сравнению с жесткостью пружины.
o
p
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=9251 н/м. Суммарная жесткость системы K=K+K=10437 н/м. Как видно, жесткость комбинированного упругого элемента при повышение скорости демпфирования до 10 м/с возрасла почти на порядок.
Таким образом, использование предлагаемой конструкции комбинированного упругого элемента с функцией аварийного демпфирования позволяет в случае аварийного демпфирования увеличить жесткость системы, что обеспечивает во многих случаях предотвратить аварию.