Способ определения демпфирующих свойств амортизаторов из композиционных материалов при ударных воздействиях. Лекции Демпфирование и его характеристики

Лекция 1. Динамические характеристики элементов конструкций,

приводимых к системам с одной степенью свободы

План лекции

Демпфирование и его характеристики.

Экспериментальные методы определения характеристик демпфирования.

Факторы, влияющие на демпфирующие свойства материалов.

Вынужденные колебания одномассовой системы.

Поведение системы в частной области, АЧХ и ФЧХ.

1. Демпфирование и его характеристики

Изучение динамики конструкций имеет большое значение для понимания и оценки эксплуатационных характеристик любого изделия. Хорошие динамические характеристики представляют основу непрерывной и удовлетворительной эксплуатации. Анализ динамических свойств конструкции необходим для оценки ее эксплуатационных характеристик и усталости материалов. Важнейшей характеристикой системы является демпфирование. В условиях резонанса поведение системы, добротность определяется только ее демпфирующими свойствами. При резонансе система ведет себя как «чистый» демпфер. Демпфирование – любое воздействие, рассеивающие энергию системы.

Колебания реальной системы, вызванные однократным возмущением, постепенно затухают. Причиной затухания, кроме газодинамического сопротивления, являются силы неупругого сопротивления, обусловленные внутренним трением в материале колеблющейся конструкции, трением в кинематических парах и опорах, трением о внешнюю среду. Эти силы вызывают диссипацию (рассеяние) механической энергии. Способность системы поглощать энергию циклического деформирования называют демпфирующей способностью.

Демпфирующая способность обусловливает затухание свободных колебаний и ограничение амплитуды резонансных колебаний системы и ее элементов, что является одним из основных факторов динамической прочности вибрирующих элементов и устойчивой работы микросистемных устройств и микроприборов.

Силы неупругого сопротивления связаны со скоростями v точек системы, и для их описания используют степенную зависимость

где k 1 , n - опытные постоянные.

При n = 1 выражение (1) описывает линейное сопротивление.

Вследствие внутреннего трения при циклическом деформировании материалов наблюдается отклонение от закона Гука, т.е. связь между напряжениями и деформациями описывается не линейной зависимостью, а двумя кривыми, образующими петлю гистерезиса. Это относится и к связи между нагрузкой P на систему и соответствующим перемещением x (рис.1).

Рис.1. Петля гистерезиса

Мерой рассеяния энергии при колебаниях за один цикл является площадь петли гистерезиса W , которая определяется только амплитудой перемещения и описывается зависимостью

где - амплитуда перемещения; k 2 , n - постоянные, зависящие от материала и типа конструкции.

При продольных и изгибных колебаниях нормальные напряжения  в вязкоупругих материалах связывают с относительной деформацией  равенством

при крутильных колебаниях касательные напряжения  представляют в виде

где , G - модули упругости и сдвига; ,  - линейная и угловая деформации; b - коэффициент демпфирования.

Рассмотрим свободные колебания одномассовой системы при линейном сопротивлении на примере вязкоупругой модели, приведенной на рис.2. С учетом сил упругости kx и линейного вязкого сопротивления дифференциальное уравнение движения массы имеет вид

где m - масса; b - коэффициент демпфирования в системе; k - жесткость упругого подвеса массы; x - перемещение.

Рис.2. Модель вязкоупругого тела

Обозначим и b/ 2m = n . Здесь коэффициент n характеризует приведенное демпфирование в системе, его не следует смешивать с показателем степени в уравнениях (1) и (2).

Запишем дифференциальное уравнение (4) в форме

где - собственная круговая частота системы () ;  - относительный коэффициент демпфирования ().

Общее решение уравнения (5) при соблюдении неравенства может быть представлено в виде

где Х   - начальные амплитуда и фазовый угол соответственно; - круговая частота затухающих колебаний; n - приведенное демпфирование; t - время.

Кривая колебаний представлена на рис.3, где виден затухающий характер процесса с круговой частотой .

Рис.3. Кривая затухающих колебаний

Рассмотрим последовательные отклонения, соответствующие тем моментам времени, когда :

где t 1 - время, соответствующее первому наибольшему отклонению; T - длительность одного колебательного цикла,

Отношение двух последовательных пиковых значений амплитуды все время остается постоянным:

Следовательно, при любом значении i справедливо равенство

Величина nT =  называется логарифмическим декрементом затухания колебаний и используется как характеристика демпфирующих свойств колебательной системы.

Независимо от природы энергетических потерь за основную характеристику демпфирующих свойств механических систем при данной амплитуде a установившихся колебаний принято считать относительное рассеяние энергии

где - необратимо рассеянная энергия за цикл колебаний; - амплитудная энергия упругой деформации.

Из (6) видно, что относительное рассеяние энергии вдвое больше логарифмического декремента.

Добротность системы Q выражается как отношение максимальной резонансной амплитуды колебаний системы к ее деформации от действия статической вынуждающей силы. Величина Q –1 , обратная ей, называется внутренним трением.

При колебаниях в вязкоупругих материалах наблюдается сдвиг фаз между напряжением и деформацией на некоторый угол . Напряжение можно представить в виде суммы двух составляющих (рис.4) , где j - мнимая единица. Составляющая совпадает по направлению с деформацией и связана с упругой энергией тела. Составляющая опережает деформацию на 90 и связана с энергией потерь. Поэтому в качестве характеристики демпфирующих свойств материала часто применяют тангенс угла сдвига фаз tg, называемый также тангенсом угла потерь.

Рис.4. Векторная диаграмма напряжений

Указанные характеристики демпфирования связаны между собой следующими соотношениями:

Пример. Определить логарифмический декремент и изменение собственной круговой частоты вследствие демпфирования, если за один колебательный цикл амплитуда колебаний упругой системы уменьшается вдвое.

По формуле (6) найдем логарифмический декремент колебаний

откуда определим приведенное демпфирование

Из этого уравнения найдем, что приведенное демпфирование весьма мало в сравнении с собственной круговой частотой системы: .

Определим собственную круговую частоту затухающих колебаний

которая на 0,6% отличается от частоты незатухающих колебаний.

2. Экспериментальные методы определения характеристик демпфирования

Решение практических задач о колебаниях требует достоверных сведений о характеристиках конструкционного демпфирования, которые точно могут быть получены только опытным путем.

Метод свободных затухающих колебаний наиболее часто используется из-за простоты эксперимента. Метод предусматривает получение осциллограмм свободных затухающих колебаний механической системы. По темпу убывания амплитуды а колебаний определяют относительное рассеяние энергии

где Х i и - две последующие амплитуды соответственно в начале и конце i - го периода колебаний.

При построении огибающей затухающих колебаний X (N ) (рис.5) значение логарифмического декремента строго соответствует 0,5X . При любом уровне затухания и любой амплитудной зависимости логарифмический декремент определяют по формуле

где - число циклов на участке под касательной, проведенной к огибающей в точке с рассматриваемой амплитудой .

Рис.5. Определение декремента по огибающей затухающих колебаний

Метод резонансной кривой основан на получении экспериментальной амплитудно-частотной характеристики - зависимости амплитуды а перемещения (деформации) установившихся колебаний от частоты  гармонического возбуждения (рис.6). Демпфирующие свойства системы оценивают по ширине пика или впадины.

Рис.6. Амплитудно-частотная характеристика колебательной системы

Для линейных систем и используемых на практике уровней резонансного пика  = 0,5 и  = 0,707 (см. рис.6) применяют следующие выражения для логарифмического декремента колебаний, соответствующего резонансной частоте колебаний системы:

где - резонансная частота;   - ширина резонансного пика на уровне  его высоты.

3. Факторы, влияющие на демпфирующие свойства материалов

Технические материалы в большей или меньшей степени поглощают энергию циклического деформирования, преобразуя ее в теплоту, которая затем рассеивается. Демпфирующая способность конструкционных материалов рассматривается как самостоятельная характеристика, определяемая экспериментально с учетом реальных технологических и эксплуатационных факторов. Известные конструкционные материалы различаются по демпфирующей способности весьма существенно (на три порядка). Ниже приведены ориентировочные максимальные значения логарифмического декремента колебаний для различных материалов при амплитуде напряжения, равной одной десятой предела текучести данного материала, в условиях комнатной температуры:

Металлические материалы

Магниевые сплавы 0,13…0,3

Марганцево-медные сплавы 0,10…0,25

Никель-титановые сплавы 0,10…0,15

Кобальто-никелевые сплавы 0,06…0,12

Медно-алюминиевые сплавы 0,04…0,1

Хромистая сталь 0,01…0,04

Углеродистая сталь 0,002…0,01

Алюминиевые сплавы 0,001…0,01

Латунь и бронза 0,001…0,003

Титановые сплавы 0,005…0,0015

Неметаллические материалы

Наполненная резина 0,1…0,5

Капрон 0,25…0,45

Фторопласт 0,17…0,45

Полипропилен 0,36…0,40

Полиэтилен 0,26…0,39

Оргстекло 0,14…0,28

Пенопласт 0,06…0,24

Эпоксидные смолы 0,06…0,18

Текстолит 0,04…0,12

Стеклотекстолит 0,02…0,10

Результаты исследований свидетельствуют, что демпфирующие свойства материалов зависят от многих факторов: химического состава и структуры материала; амплитуды циклической деформации (напряжения) и неоднородности напряженного состояния; температуры и термической обработки; статической напряженности и внешнего магнитного поля; предварительного пластического деформирования и др.

Общей закономерностью для большинства материалов является возрастание демпфирующих свойств с повышением температуры, амплитуды циклических напряжений и размера зоны высокого уровня напряжений.

4. Вынужденные колебания одномассовой системы

Математическую модель одномассовой системыпри кинематическом возбуждении построим, используя второй закон Ньютона. Вынужденные колебания массы описываются уравнением движения, полученным при суммировании сил инерции, демпфирования, упругости и возбуждения (рис. 2):

где x - перемещение массы относительно основания; - перемещение основания.

После преобразования уравнение движения имеет вид

где - приведенное демпфирование, ; - собственная круговая частота ЧЭ, - жесткость упругого элемента.

При решение уравнения (7) имеет вид

где - амплитуда затухающих и вынужденных колебаний; - начальная фаза собственных затухающих колебаний и фазовый угол; - круговая частота вынужденных колебаний.

Перемещения после затухания собственных колебаний инерционной массы описываются уравнением

где  1 - коэффициент рассогласования частот, ; - относительный коэффициент демпфирования, ; K д - коэффициент динамичности; - статическое смещение инерционной массы под действием силы инерции.

Фазовый угол  определяется по формуле

Последние два уравнения являются амплитудно-частотной (АЧХ) и фазночастотной (ФЧХ) характеристиками системы.

5. Поведение системы в частной области, АЧХ и ФЧХ

Случай совпадения частоты внешних воздействий с частотой свободных колебаний (собственной частотой) называют резонансом. Наиболее неблагоприятными для работы изделий являются резонансные механические колебания. На резонансных режимах амплитуда колебаний элементов системы и их перегрузки резко возрастают и в деталях конструкции возникают опасные знакопеременные напряжения. При отсутствии сил вязкого сопротивления в случае резонанса амплитуда вынужденных колебаний, нарастая во времени, стремится к бесконечности. Это объясняется тем, что если колебания происходят с собственной частотой, то инерционные силы уравновешиваются квазиупругими при любых амплитудах колебаний. Возмущающие факторы оказываются при этом неуравновешенными и увеличивают амплитуду колебаний.

Графическое решение уравнения (7) представлено на рис.7 в виде частотных характеристик. Статическое смещение системы (при ) определяется только жесткостью упругого элемента k . При низких частотах реакция, определяемая в основном жесткостью, находится в фазе с внешним возбуждением.

Рис.7. Амплитудно-частотная (а) и фазочастотная (б) характеристики

При увеличении частоты возрастающее влияние оказывает присущая массе сила инерции. При резонансе (частоты вынужденных и собственных колебаний совпадают) реакция ЧЭ определяется демпфированием, поскольку составляющие, соответствующие массе и жесткости пружины, взаимно уравновешиваются. Податливость системы увеличивается, и реакция ЧЭ отстает от возбуждения на 90 о. При частотах, превышающих основное влияние оказывает присущая массе составляющая и система начинает вести себя как чистая масса. Податливость системы уменьшается и реакция отстает от возбуждения на 180 о.

методов определения сырого протеина в...

Курс лекций Чебоксары 2010 Федеральное агентство по образованию Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Документ

И с методами их анализа; ... Лекция 2 Качественные показатели и характеристики аналоговых электронных устройств. 2.1. Основные определения ... коэффициента демпфирования , ... его передаточная характеристика Передаточная характеристика ... экспериментальное ...

Лекции Внешние воздействия и отклик элементов конструкций. Конечно-элементные модели

Документ

... демпфирование , температурный коэффициент линейного расширения. Основным недостатком метода ... характеристики и податливость деформируемых элементов (пружин). После определения ... деформаций моделей сравниваются с экспериментальными или нормативными данными. ...

Математика, механика және информатика пәндерінен V республикалық студенттік ғылыми- практикалық конференция V республиканская студенческая научно-практическая к

Документ

... -экспериментальных исследований, направленных на получение расчетных формул для определения основных геометрических характеристик ... ударника принимаем пропорционально его скорости. Причем, жесткость пружины и коэффициент демпфирования в расчет...

4. Защита конструкций с помощью амортизаторов и демпферов

Если рассматривать блок как жесткое недеформируемое тело, то при установке его на амортизаторы получается колебательная система, в общем случае имеющая шесть степеней свободы. Обычно рассматривается только одна степень свободы - в направлении, наиболее опасном с точки зрения внешних воздействий. Тогда резонансная частота щ 0 определяется формулой (1). Эта частота обычно является довольно низкой и не превышает 100 Гц. В этом случае весь диапазон частот внешних возмущений оказывается выше щ 0 . И только при условии

сказывается защитное действие амортизатора. Амплитуда колебаний блока уменьшается по сравнению с амплитудой колебаний точек крепления амортизаторов к источнику вибрации в k раз

То, что блок аппаратуры не является абсолютно жестким и сам деформируется при колебаниях на амортизаторах, практически мало влияет на защитные свойства амортизаторов и, кроме того, это влияние положительно, поскольку установка более мягкого блока на амортизаторы уменьшает резонансную частоту f 0 . С другой стороны, установка конструкции на амортизаторы изменяет резонансные частоты самой конструкции. Все резонансные частоты становятся несколько ниже. Стремление повысить эффективность применения амортизаторов привело к изобретению множества различных конструкций амортизаторов:

1. Амортизаторы с дополнительными пружинами (рис. 4). Дополнительные пружины имеют длину, меньшую чем у основной пружины, и вступают в действие при увеличении амплитуды колебаний. В результате получается нелинейная ступенчатая характеристика жесткости. Дополнительные пружины могут устанавливаться как рядом с основной, так и внутри её.

2. Амортизаторы с коническими пружинами, позволяющими плавно изменять жесткость с ростом растяжения и сжатия (рис. 5). У таких пружин наружные витки, которые имеют больший диаметр, имеют меньшую жёсткость. Поэтому при небольшом сжатии работают только эти большие витки. При увеличении сжатия большие витки касаются нижней жесткой поверхности и начинают сжиматься верхние витки меньшего диаметра и большей жесткости. Поскольку амортизатор имеет начальное сжатие под действие массы блока, то аналогичный процесс получается и при растяжении амортизатора, когда начинают растягиваться сначала витки меньшего диаметра, а затем большего. В результате при растяжении жесткость плавно уменьшается.

3. Проволочно-пружинные (сетчатые) амортизаторы (рис. 6), получающиеся прессованием упругого элемента из тонкой спирали. В качестве материала спирали используется тонкая проволока из легированной стали или бериллиевой бронзы. Трение проволоки при деформации упругого элемента создаёт большие потери энергии в упругом элементе. При больших деформациях, например при растяжении, отдельные спирали вытягиваются в одном направлении. При этом получается картина такая же, как и при деформации материалов с длинными волокнами, например резины. Поэтому материал упругого элемента сеточного амортизатора стали называть металлической резиной.

Основной недостаток металлической резины - непостоянство во времени её упругих свойств. Поэтому промышленностью выпускаются пружинно-сеточные амортизаторы (рис. 7), в которых роль упругого элемента выполняет пружина 1, а роль демпфера - металлическая резина 2.

4. Тросовые амортизаторы. Металлический трос, или канат, свитый из множества тонких жил, при растяжении и особенно при изгибе обладает свойствами упругого тела с большими потерями энергии на трение между отдельными жилами. Эти свойства изменяются в широких пределах в зависимости от материала жил, их диаметра, способа изготовления троса и способа использования его в качестве амортизатора. Поэтому возможно большое разнообразие конструкций и характеристик тросовых амортизаторов (рис. 8).

Заметим, что все амортизаторы, в которых используется трение металлических частей, обладают тем недостатком, что металлы истираются, образуя металлическую пыль. Поэтому приходится принимать меры предосторожности, чтобы эта пыль не попадала на электрические цепи.

5. При малой массе блоков стали применять амортизаторы с распределёнными параметрами. Такими амортизаторами и демпферами можно считать амортизационные прокладки, а также заливки и засыпки аппаратуры различными синтетическими материалами. Амортизационные прокладки применяют для защиты от ударов и вибраций как целых блоков (рис. 9), так и отдельных частей внутри блока (рис. 10).

К материалу амортизационных прокладок предъявляются высокие требования. Во-первых, материал должен обладать хорошими упругими свойствами, т.е. должен после снятия нагрузок полностью восстанавливать свою форму, и должен быть достаточно мягким и эластичным. Во-вторых, он должен обладать высокими потерями энергии на внутреннее трение. Эти потери зависят от внутреннего строения вещества чем сложнее макроскопическая структура, тем больше потери. В-третьих, материал должен обладать высокой износостойкостью. Особенно он должен хорошо противостоять истиранию.

В различных конструкциях применяются сотни различных материалов, но по-видимому, самыми надежными материалами являются поролоны, пенопласты и резина.

При создании различных амортизаторов конструкторы стремились обеспечить, во-первых, нелинейную характеристику упругости и, во-вторых, большие потери энергии на трение.

Нелинейность характеристики "сила - деформация" амортизатора оказывается полезной по трём причинам.

Во-первых, она позволяет уменьшать габариты амортизатора. Дело в том, что большой эффект защиты конструкции дают "мягкие" амортизаторы. Но чем меньше жесткость, тем больше ход амортизатора при действии тех же сил. Приходится в конструкции выделять значительное место для устройств защиты. Для избежания ударов приходится увеличивать габариты амортизатора. Установка дополнительных коротких пружин (см. рис. 4) или конической пружины (см. рис. 5) позволяет с ростом амплитуды колебаний включать дополнительные жесткости и тем ограничивать амплитуды колебаний, не допуская ударов об ограничители движения.

Во-вторых, движение блока на нелинейных амортизаторах более сложно - несиносуидально по времени. Такое периодическое сложное движение можно представить в виде суперпозиции нескольких гармонических составляющих. Таким образом, при замене линейного амортизатора нелинейным помимо основной низшей гармонической составляющей колебаний, частота которой равна частоте внешних воздействий, появляются более высокие гармоники. На возбуждение этих гармоник расходуется часть энергии, передаваемой через амортизаторы от источника вибрации. Значит, меньшая часть энергии остаётся на возбуждение колебаний низшей гармоники. Резонансные явления развиваются не так интенсивно, как при линейных амортизаторах. Возникающие при этом высокочастотные гармоники быстро затухают вследствие потерь энергии на трение в амортизаторах. Эта энергия потерь тем больше, чем выше частота.

В-третьих, если в этом диапазоне имеются резонансные частоты конструкции, то начинают развиваться резонансные колебания. В этом случае иногда говорят о переходе через резонанс. В действительности, резонанс просто не успевает полностью развиться, поскольку для этого теоретически требуется бесконечное время. Но и такой развивающийся резонанс может привести к отказам и сбоям аппаратуры.

Блок автоматизированного управления связью

Вторичный источник электропитания ВИП–24В–3,5А

Радиоэлектроника и вычислительная техника применяются практически во всех отраслях народного хозяйства для выполнения однотипных задач - сбора, обработки и выдачи информации...

Методы и средства защиты РЭС от ударных воздействий

Целью расчета является определение статических нагрузок на амортизаторы и выбор их типоразмеров. 1. Расчет начинают с нахождения положения центра масс блока. Для каждого функционального узла и крупных деталей, входящих в блок...

Проект кабельной линии автоматики, телемеханики и связи на участке Восточно-Сибирской железной дороги "Иркутск - Черемхово"

Защиту кабелей от ударов молнии осуществляют с помощью медных, биметаллических или стальных тросов. Тросы прокладывают выше кабеля на глубине, равной половине глубины его залегания, но не менее 0,4 м. Расстояние между тросами 0,4…1,2 м...

Дренажные катушки (ДК) предназначены для обеспечения одновременного срабатывания разрядников, включенных в провода телефонной цепи...

Проект кабельной линии автоматики, телемеханики и связи на участке железной дороги Боготол – Ачинск – Красноярск

Проект кабельной линии автоматики, телемеханики и связи на участке железной дороги Хабаровск – Розенгартовка

Проект кабельной линии АТ и С на участке железной дороги Филоново–Иловля

Проект кабельной линии АТ и С на участке железной дороги Хабаровск-Розенгартовка

Проектирование цифрового фильтра на основе сигнального процессора 1813ВЕ1

При расчете y(nT) с помощью алгоритма ОБПФ исходной последовательностью является Y(jk) - отсчеты выходного сигнала в частотной области.Y(jk) найдем из соотношения: Отсчеты X(jk) иH(jk) были определены выше. После вычислений имеем: Y(jk) = {4,3124; 2,5222-j3,4214; -0,9033-j0...

Изобретение может быть использовано в области машиностроения для поглощения и снижения ударных нагрузок. Демпфер содержит шток 2 с закрепленным на нем режущим устройством, состоящим из опорной втулки 5, ножевой головки 7 и установленной между ними втулки 10 из пластичного материала. На торце 8 ножевой головки 7, контактирующем со втулкой 10, выполнены клинообразные зубья 9, а втулка 10 снабжена кольцевым буртиком 11. При работе демпфера зубья 9 ножевой головки 7 срезают буртик 11 втулки 10, уменьшая нагрузки ударного характера, действующие на амортизируемый объект. Технический результат заключается в увеличении энергоемкости демпфера, исключении его заклинивания при действии на демпфируемый объект нагрузок, направленных под углом, сохранении демпфирующей способности устройства при действии повторных ударных нагрузок. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в конструкциях устройств для поглощения и снижения ударных нагрузок.Известен демпфер, содержащий цилиндрический корпус и размещенный в нем шток с фрикционными колодками, которые связаны со штоком и взаимодействуют с внутренней поверхностью корпуса (см. а.с. №297518, кл. F 16 F 11/00, 1969 г.).Недостатком данного устройства является нестабильность характеристики демпфирования из-за больших колебаний коэффициента трения в зависимости от состояния трущихся поверхностей (температуры окружающей среды, наличия загрязнений на поверхностях, покрытия, смазки и т.д.).В результате анализа научно-технической и патентной литературы в качестве прототипа заявленного устройства принято известное устройство по поглощению энергии удара автомобиля, содержащее цилиндрический корпус и размещенные в нем шток и режущее устройство, состоящее из ножевой головки, неподвижно закрепленной на штоке, и набора режущих элементов, взаимодействующих с внутренней поверхностью корпуса (см. патент Франции №2137258, кл. F 16 F 7/00, 1972 г. - прототип). Недостатками указанного устройства также является нестабильность демпфирующих свойств, возможное заклинивание режущих элементов в теле цилиндрического корпуса из-за неравномерности и неопределенности глубины врезания режущих элементов в боковую поверхность корпуса, особенно при ударных нагрузках, действующих под углом на амортизируемую конструкцию, т.к. ножевая головка режущего устройства закреплена неподвижно на штоке. Заклинивание может привести к потере демпфирующих свойств устройства и даже к поломке режущих элементов при их врезании в корпус. Данный демпфер обладает сравнительно малой энергоемкостью из-за ограниченности хода режущих элементов вдоль оси корпуса и значительного сопротивления металла корпуса (хотя и пластичного) внедрению в него режущих элементов.Кроме того, известный демпфер снижает нагрузки только при однократном ударном воздействии и не может уменьшить повторные нагрузки колебательного затухающего характера, которые обычно возникают после первого удара, максимального по своему амплитудному значению.Целью предложенного устройства является получение более стабильных демпфирующих свойств по сравнению с прототипом, увеличение энергоемкости демпфера и расширение области его применения (возможность уменьшения нагрузок колебательного характера и нагрузок, действующих под углом к оси демпфера).Для достижения поставленной цели в предложенном устройстве процесс внедрения (врезания) режущих элементов в материал корпуса заменен на срез тонкостенного буртика втулки, выполненной из пластичного материала, например, из алюминиевого сплава типа АМц или АД. Для этого на шток, закрепленный на корпусе демпфируемой конструкции, установлено режущее устройство, состоящее из ножевой головки, опорной втулки и установленной между ними втулки из пластичного материала. На торце ножевой головки, контактирующем со втулкой из пластичного материала, выполнены клинообразные зубья, а на втулке из пластичного материала - кольцевой поясок или буртик. Причем ножевая головка установлена на шток соосно втулке из пластичного материала, охватывает ее за счет большего диаметра, т.е. центрируется по ее наружному диаметру, и, кроме того, имеет возможность перемещения относительно нее в осевом направлении. В исходном положении клинообразные зубья ножевой головки своими вершинами опираются (контактируют) на кольцевой буртик втулки и при работе демпфера, т.е. при действии ударных нагрузок, взаимодействуют с ним, а именно прорезают в буртике втулки пазы и своими боковыми поверхностями срезают его.Замена неопределенного процесса внедрения режущих элементов ножевой головки в тело корпуса (прототип) на срез буртика втулки зубьями ножевой головки (предложенное устройство) позволяет получить более стабильные и определенные демпфирующие свойства устройства. В предложенном устройстве отсутствует возможность заклинивания, т.к. даже при действии нагрузок, направленных под углом к оси демпфера, цилиндрический корпус ножевой головки будет перемещаться вдоль боковой поверхности втулки под действием осевой составляющей нагрузки. Выбор материала втулки с определенными механическими (пластическими) свойствами и толщины ее буртика (а значит и площади среза буртика) позволяют однозначно определить силу удара, приводящую к полному или частичному срезу кольцевого буртика, а варьированием высотой и углом при вершине клинообразных зубьев, срезающих буртик, можно обеспечить необходимый ход демпфера для поглощения энергии удара, тем самым обеспечив его необходимую энергоемкость.Выполнение пазов в буртике втулки и предварительная установка вершин клинообразных зубьев в эти пазы улучшает характеристики демпфера, т.к. в этом случае вершины зубьев не прорезают первоначальные пазы (при этом могут происходить нежелательные изгиб и сминание буртика), а сразу начинают срезать буртик втулки своими боковыми поверхностями (происходит “чистый” срез).Наличие пружины сжатия в предложенном устройстве, установленной на шток между корпусом демпфируемой конструкции и шайбой крепежной гайки штока, обеспечивает установку (возвращение) штока с опорой в исходное положение после действия на опору первого удара. Это позволяет снижать не только однократные ударные нагрузки, но и возможные повторные нагрузки.На фигуре 1 изображен общий вид демпфера в исходном состоянии. Изображен вариант устройства с предварительно выполненными пазами в буртике втулки и с установленными в них вершинами зубьев ножевой головки.На фигуре 2 изображен общий вид демпфера после срабатывания при частичном срезе буртика втулки (такой срез буртика возможен после первого удара).На фигуре 3 изображен общий вид демпфера после срабатывания при полном срезе буртика втулки (после последующих повторных ударов).Демпфер устанавливается на корпус 1 амортизируемой конструкции и закрепляется на нем через шток 2 гайкой 3 и шайбой 4. Один конец штока 2 закреплен на корпусе 1, на другом конце штока установлена опора 6, воспринимающая ударные нагрузки, действующие на конструкцию.Режущее устройство демпфера состоит из опорной втулки 5, ножевой головки 7, на торце 8 которой выполнены клинообразные зубья 9, и втулки 10 из пластичного материала, снабженной кольцевым буртиком 11. Опорная втулка 5, ножевая головка 7 и втулка 10 установлены на шток 2, причем втулка 10 размещена между ножевой головкой 7 и опорной втулкой 5. При этом внутренний диаметр ножевой головки 7 выполнен больше наружного диаметра втулки 10, корпус ножевой головки 7 охватывает корпус втулки 10, тем самым центрируется по наружному диаметру втулки 10 для обеспечения равномерного среза буртика 11 и для обеспечения свободного перемещения ножевой головки 7 относительно (вдоль) втулки 10 при срабатывании демпфера. Контакт ножевой головки 7 и втулки 10 осуществляется таким образом, что клинообразные зубья 9, выполненные на торце 8 ножевой головки 7, своими вершинами 12 установлены на буртик 11 и соприкасаются с ним. Опорная втулка 5 служит опорой для втулки 10, диаметр втулки 5 необходимо выполнять не больше диаметра втулки 10 для обеспечения среза ее буртика 11 зубьями 9 ножевой головки 7 и свободного перемещения зубьев 9 ножевой головки 7 вдоль втулки 10 при срабатывании демпфера.Для улучшения характеристик демпфера в буртике 11 втулки 10 предварительно выполнены пазы 13, в которые установлены вершины 12 зубьев 9 ножевой головки 7. При этом количество зубьев на торце 8 ножевой головки 7 равно количеству пазов 13 буртика 11 втулки 10. В этом случае при срабатывании демпфера срез буртика 11 втулки 10 происходит непосредственно боковыми поверхностями 14 зубьев 9.Пружина сжатия 15, охватывающая опорную втулку 5, ножевую головку 7 и втулку 10 из пластичного материала (режущее устройство) и установленная на шток 2 между корпусом 1 амортизируемой конструкции и шайбой 4 гайки 5, обеспечивает установку штока 2, шайбы 4, гайки 3 и опоры 6 в исходное положение после первоначального удара для последующего демпфирования возможных повторных ударов.Демпфер работает следующим образом.При ударе опоры 6 о преграду ударные нагрузки на корпус 1 амортизируемой конструкции передаются через демпфер, а именно через опору 6, гайку 3, шайбу 4, шток 2. Под действием осевой составляющей ударной нагрузки ножевая головка 7 со штоком 2 перемещается вдоль втулки 10. При этом ее зубья 9 своими вершинами 12 прорезают пазы в буртике 11 втулки 10 и своими боковыми поверхностями 14 при последующем движении вдоль втулки 10 срезают ее буртик 11 (см. фигуры 2 и 3) за счет своей клинообразной формы (ширина зубьев увеличивается с изменением высоты зубьев от их вершины к основанию). Срез участков буртика между зубьями может быть частичным или полным в зависимости от силы удара и геометрических параметров буртика 11 и механических свойств материала втулки 10.В случае предварительного выполнения пазов 13 в буртике 11 втулки 10 и установки в них вершин 12 зубьев 9 ножевой головки 7 (см. фигуру 1), при срабатывании демпфера срез буртика 11 будет происходить непосредственно боковыми поверхностями 14 зубьев 9.Срез буртика втулки зубьями ножевой головки будет происходить не только после первого удара максимальной величины, но и при последующих ударах меньшего значения за счет установки (возврата) штока 2, шайбы 4, гайки 3 и опоры 6 в исходное положение пружиной 15, которая при действии ударных нагрузок (движении ножевой головки 7 относительно втулки 10) сжимается, после окончания действия ударных нагрузок пружина 15 разжимается. При этом ножевая головка 7 частично срезает буртик 11 втулки 10 после первого удара (см. фигуру 2) и при последующих ударах продолжает дальше срезать буртик (см. фигуру 3).Таким образом, ударная нагрузка, действующая на корпус 1 конструкции, уменьшается за счет сил пластического среза участков буртика втулки зубьями ножевой головки.Заявленное устройство по сравнению с техническим решением, принятым в качестве прототипа, позволяет эффективно уменьшать как осевые нагрузки, так и нагрузки, направленные под углом к оси демпфера, а также ударные нагрузки повторного характера, исключается возможность заклинивания режущих элементов (отсутствует какое-либо врезание зубьев в материал корпуса втулки, имеется только срез ее буртика). Одновременно увеличивается энергоемкость демпфера и улучшается стабильность его демпфирующих свойств.Расчеты, проведенные авторами, а также натурные испытания устройства в составе штатных изделий и стендовые испытания в составе отработочных изделий показали значительную эффективность предложенного технического решения для демпфирования ударных нагрузок.

Формула изобретения

1. Демпфер, содержащий корпус, шток и размещенное на нем режущее устройство, взаимодействующее с внутренней поверхностью корпуса, отличающийся тем, что режущее устройство выполнено в виде ножевой головки с клинообразными зубьями, опорной втулки и установленной между ними втулки из пластичного материала, снабженной кольцевым буртиком, причем ножевая головка центрируется по наружному диаметру втулки с буртиком с возможностью перемещения относительно нее, а клинообразные зубья ножевой головки своими вершинами взаимодействуют с буртиком втулки.2. Демпфер по п.1, отличающийся тем, что в кольцевом буртике втулки выполнены пазы, в которые установлены вершины клинообразных зубьев ножевой головки, при этом зубья взаимодействуют с буртиком втулки своими боковыми поверхностями.3. Демпфер по пп.1 и 2, отличающийся тем, что на шток установлена пружина, охватывающая режущее устройство.

Сильные гидродинамические перегрузки, в проще - удары волн в днище, стали одной из основных проблем современного катеростроения, которые препятствуют росту скоростей движения. Создатели быстроходных глиссирующих катеров вели борьбу с чрезмерными перегрузками в основном по двум направлениям: искали такие обводы корпуса, которые смягчали бы силу ударов за счет уменьшения площади днища, касающейся воды, и придания ему клиновидной формы в поперечном сечении, или же стремились поднять корпус над гребнями волн, оторвать днище от поверхности воды. В результате развития первого направления появились обводы типа «глубокое V», катамараны, сани Фокса, «Морской нож» и т. п. По второму направлению развивались малые суда на подводных крыльях и на воздушной подушке, экранопланы.

Но оба этих направления в проектировании глиссирующих судов связаны с ощутимыми энергетическими затратами. Чтобы достичь высокой скорости, и катеру с обводами «глубокое V», и лодке на подводных крыльях или на воздушной подушке требуется дополнительная мощность двигателя по сравнению с судами традиционных типов - с днищем малой килеватости.

Между тем имеется еще способ уменьшить силу гидродинамических ударов в днище, не требующий повышения мощности двигателя или усиления конструкции корпуса. Сущность его заключается в применении амортизации, демпфирования ударных нагрузок при помощи упругих элементов конструкции, вводимых в корпус. При демпфировании сила удара снижается благодаря увеличению времени действия повышенного гидродинамического давления на днище. Величине перегрузки, измеряемой числом g - ускорением свободного падения тела, - почти прямо пропорциональна времени действия давления на лодку. Так вот: упругие элементы конструкции позволяют снизить перегрузки на корпусе глиссирующего катера при плавании на волнении почти в 2 раза по сравнению с корпусом, имеющим традиционную «жесткую» конструкцию.

Авторы выполнили ряд конструктивных проработок демпфирующих элементов, которые с успехом могут быть применены для корпусов прогулочно-туристских и спортивных судов. Они позволяют в ряде случаев сделать корпус более легким и дешевым, который потребует меньше материала и трудоемкости на свое изготовление, чем серийные конструкции.

Один из возможных вариантов корпуса «упругой» конструкции, предложенный авторами, представлен на рис. 1 (см. авторское свидетельство № 1070048, опубликовано в «Бюллетене изобретений» № 4 1984 г.). Демпфирование происходит за счет установки пустотелых кубообразных элементов в спонсонах между двумя слоями эластичных полос. Благодаря упругой конструкции днище спонсонов следует за профилем волны, что уменьшает брызгообразование, более плавной становится качка.

Носовая оконечность судна представляет собой узкий центральный корпус 1, переходящий в монолыжу 2 и имеющий боковые спонсоны 3, плавно переходящие в остроскулый корпус в кормовой части. В средней части спонсоны заполнены кубическими водонепроницаемыми элементами 5, которые связаны в верхней и нижней частях эластичными полосами 6 (возможно применение резиновых лент, армированиях стельным кордом). Кубические элементы могут перемещаться в боковых направляющих 7 спонсонов в вертикальном направлении. Сверху кубические элементы подпружинены амортизаторами 8. Концы нижних гибких полос 6 жестко закрепляются на линии спонсона, в верхних - остаются свободными.

При слабом волнении удары будут небольшими; волны, воздействуя на эластичную полосу 6, передадут через элементы 5 энергию ударов пружинным амортизаторам 8.

При значительном волнении одновременно с упругими спонсонами в работу войдет и центральный корпус 1, имеющий в носу обводы днища с повышенной килеватостью. Упругие спонсоны гасят энергию удара в начальный момент и не позволяют центральному корпусу значительно погрузиться в волну, уменьшая общее сопротивление судна. Эластичные ленты повторяют профиль волны, в пружинные амортизаторы поглощают энергию колебания элементов. Это в сочетании с узким центральным корпусом, переходящим в монолыжу, позволит эксплуатировать судно при большом волнении на высокой скорости. Благодаря снижению ударных нагрузок можно уменьшить размеры прочных связей корпуса. Это если и не приведет к экономии массы, то компенсирует массу гибких конструкций.

Такое техническое решение особенно целесообразно применить для глиссирующих тримаранов и катамаранов. Правда, известным недостатком является трудность использования объемов пустотелых демпфирующих элементов, которые занимают часть общего полезного объеме корпуса.

В другом варианте упругий элемент выполнен в виде продольных гофров в бортовой металлической обшивке (в. с. № 1088982, опубликовано в «Бюллетене» № 16 1984 г.). Гофрированная вставка распространяется по всей длине борте, начиная с носовой четверти, гофры заполнены эластичным материалом (рис. 2).

Днищевая обшивка подкреплена продольными ребрами жесткости, опорами для которой служат флоры 3. закрепляемые к нижней панели бортовой обшивки 4 ниже гофрированной вставки 5. Выше вставки бортовая обшивка подкрепляется стрингером 7 и попушпангоутами 8.

Гидродинамические удары, воспринимаемые панелями днища, передаются на флоры и, соответственно, на бортовую обшивку. Большая часть энергии удара поглощается при деформации бортовых вставок 5 и эластичного заполнителя 6. Благодаря «податливости» днищевой обшивки воспринимаемые им нагрузки оказываются меньше, чем при жесткой конструкции, и катер может развивать более высокую скорость на волнении без риска повреждения корпуса.

Этот вариант наиболее перспективен для малых глиссирующих мотолодок и катеров. Его внедрению не препятствуют какие-либо технические сложности - достаточно в обшивке борта отштамповать продольные гофры, обладающие определенной жесткостью. Описываемое изобретение было использовано, например, при разработке модернизированного варианта мотолодки «Неман-спорт» (), предварительные испытания опытного образца которой показали заметное улучшение эксплуатационных характеристик (прежде всего - комфортабельности при плавании на волнении) по сравнению с базовой моделью.

Для мотолодок и катеров можно также рекомендовать устанавливать податливые продольные ребра жесткости (в. с. № 1100000, «Бюллетень» № 19.) Как показали экспериментальные исследование, за счет снижение жесткости продольных ребер гидродинамическое давление на днище при плоском ударе уменьшается на 50-60% по сравнению с традиционной конструкцией продольного набора. Это позволяет уменьшить размеры прочных связей днищевого перекрытия и, в честности, - на 30% толщину наружной обшивки.

Податливые продольные ребра выполняются в виде штампованиях из тонкого алюминиевого листа С-образных профилей, соединенных между собой через амортизирующие элементы (рис. 3, а). Развитием подобной конструкции является использование амортизирующих С-образных элементов в сочетании с гофрированной обшивкой днища (в. с. № 1106724, «Бюллетень» № 29,1984 г.). Здесь гидродинамические нагрузки, которые воспринимаются гофрированной днищевой обшивной, передают ее на С-образные амортизаторы, являющиеся опорами для гофров на поперечных флорах 6 (рис. 3, б). В свою очередь флоры имеют опоры на стрингерах 6 и киле 7.

Благодаря упругости С-образных пластин 4 и устанавливаемых между ними эластичных прокладок 5, в момент гидродинамического удара о волну происходит упругая деформация днищевой обшивки. Прокладки 4 могут быть сделаны из синтетической резины и армированы стальным кордом. Вследствие упругой деформации днищевой обшивки величина действующих в обшивке и наборе напряжений снижается вдвое.

Выше были представлены лишь общие технические решения проблемы повышения надежности и снижения массы корпусов глиссирующих мотолодок и катеров. Предстоит еще кропотливая экспериментальная работа, результаты которой позволят создать надежную методику выбора размеров связей корпусе с учетом податливости упругих элементов.