RU2723102C1 - Viscous friction damper - Google Patents
Viscous friction damper Download PDFInfo
- Publication number
- RU2723102C1 RU2723102C1 RU2019116294A RU2019116294A RU2723102C1 RU 2723102 C1 RU2723102 C1 RU 2723102C1 RU 2019116294 A RU2019116294 A RU 2019116294A RU 2019116294 A RU2019116294 A RU 2019116294A RU 2723102 C1 RU2723102 C1 RU 2723102C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- housing
- fluid
- partition
- damping fluid
- flange
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
- F16F13/00—Units comprising springs of the non-fluid type as well as vibration-dampers, shock-absorbers, or fluid springs
- F16F13/04—Units comprising springs of the non-fluid type as well as vibration-dampers, shock-absorbers, or fluid springs comprising both a plastics spring and a damper, e.g. a friction damper
- F16F13/06—Units comprising springs of the non-fluid type as well as vibration-dampers, shock-absorbers, or fluid springs comprising both a plastics spring and a damper, e.g. a friction damper the damper being a fluid damper, e.g. the plastics spring not forming a part of the wall of the fluid chamber of the damper
- F16F13/08—Units comprising springs of the non-fluid type as well as vibration-dampers, shock-absorbers, or fluid springs comprising both a plastics spring and a damper, e.g. a friction damper the damper being a fluid damper, e.g. the plastics spring not forming a part of the wall of the fluid chamber of the damper the plastics spring forming at least a part of the wall of the fluid chamber of the damper
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
- F16F9/00—Springs, vibration-dampers, shock-absorbers, or similarly-constructed movement-dampers using a fluid or the equivalent as damping medium
- F16F9/06—Springs, vibration-dampers, shock-absorbers, or similarly-constructed movement-dampers using a fluid or the equivalent as damping medium using both gas and liquid
- F16F9/08—Springs, vibration-dampers, shock-absorbers, or similarly-constructed movement-dampers using a fluid or the equivalent as damping medium using both gas and liquid where gas is in a chamber with a flexible wall
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Fluid-Damping Devices (AREA)
- Vibration Prevention Devices (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к конструкции демпферов для защиты оборудования от вибраций, ударов многократного и одиночного действия в авиационно-ракетной технике, а также на бронетранспортерах для защиты людей от механических воздействий на корпус машин.The invention relates to the construction of dampers for protecting equipment from vibration, multiple and single action shocks in aircraft-rocket technology, as well as on armored personnel carriers to protect people from mechanical stresses on the machine body.
Проблема демпфирования ударных нагрузок, возникающих при работе и эксплуатации образцов вооружения, военной и специальной техники (ВВСТ) (старты ракет наземного и морского базирования, стрелковое оружие, авто- и бронетехника) является в настоящее время одной из важнейших, особенно для технических систем, работающих в экстремальных условиях.The problem of damping shock loads arising from the operation and operation of weapons, military and special equipment (WWS) (launches of land and sea-based missiles, small arms, auto and armored vehicles) is currently one of the most important, especially for technical systems operating in extreme conditions.
Известно, что демпфер - устройство для уменьшения или предотвращения вредных механических колебаний звеньев машин и механизмов, поглощающее энергию механических колебаний, а амортизатор - устройство для смягчения ударов в конструкциях машин и сооружений в целях их защиты от сотрясений и больших нагрузок (Марков В.А., Пусев В.И., Селиванов В.В. О вопросах демпфирующих и амортизирующих свойств материалов и конструкций / Россия, Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана, №6, июнь 2012).It is known that a damper is a device for reducing or preventing harmful mechanical vibrations of machine links absorbing the energy of mechanical vibrations, and a shock absorber is a device for mitigating shock in the structures of machines and structures in order to protect them from shocks and heavy loads (V. Markov , Pusev V.I., Selivanov V.V.On the issues of damping and shock-absorbing properties of materials and structures / Russia, Science and education: scientific publication of MSTU named after N.E.Bauman, No. 6, June 2012).
Система защиты от ударов должна снижать ускорение тела после удара до безопасных пределов, гарантирующих нормальную работу объектов как во время динамического воздействия, так и после него. Удародемпфирующие элементы, входящие в состав таких средств защиты, должны обеспечивать плавное гашение энергии ударного импульса во время перемещения, а также обеспечивать возврат системы в исходное положение после окончания действия ударного импульса.The system of protection against impacts should reduce the acceleration of the body after impact to safe limits, guaranteeing the normal operation of objects both during dynamic impact and after it. Impact-damping elements that are part of such protective equipment must ensure smooth damping of the energy of the shock pulse during movement, and also ensure that the system returns to its original position after the end of the shock pulse.
До настоящего времени не созданы демпферы, которые одновременно эффективно защищают от воздействия и ударов, и вибраций, хотя эта задача поставлена давно. При этом известно, что демпферы, предназначенные для защиты от вибраций, не обеспечивают защиты от ударов большой амплитуды и длительности, так как при ударе необходим значительный «ход» системы защиты.To date, no dampers have been created that simultaneously effectively protect against impact and shock, and vibration, although this task has been set for a long time. Moreover, it is known that dampers designed to protect against vibrations do not provide protection against shock of large amplitude and duration, since a significant “stroke” of the protection system is required upon impact.
Проблема, которая возникает при проектировании демпферов для одновременной защиты от одиночных ударов и вибраций - недопустимость больших перемещений защищаемого оборудования. Перемещения в этом случае должны быть соизмеримы, в противном случае, амплитуда импульсных ударов может превысить допускаемые нормы, в результате чего могут быть повреждены элементы, связывающие защищаемое оборудование с оборудованием, находящимся на основании изделия. Так например, если при вибрации перемещение защищаемого оборудования может составлять 1 мм, то при одиночном ударе (100g и более) оно должно составлять не более 5 мм. Эти ограничения необходимы для нормального функционирования оборудования.The problem that arises when designing dampers for simultaneous protection against single impacts and vibrations is the inadmissibility of large movements of the protected equipment. In this case, the movements must be commensurate, otherwise, the amplitude of the impulse shocks may exceed the permissible norms, as a result of which the elements connecting the protected equipment to the equipment located on the base of the product may be damaged. So, for example, if during vibration the movement of the protected equipment can be 1 mm, then with a single impact (100g or more) it should be no more than 5 mm. These limitations are necessary for the proper functioning of the equipment.
Актуальность проблемы демпфирования ударных нагрузок возрастает в связи с тем, что в настоящее время достигнут предел по энергетическим, временным и силовым характеристикам демпферов, работающих на принципе демпфирования ударных воздействий за счет упругих деформаций рабочей среды, в качестве которых используются газовые смеси, жидкости и пружинные механизмы.The urgency of the shock damping problem is increasing due to the fact that the limit on the energy, time and power characteristics of dampers operating on the principle of shock damping due to elastic deformations of the working medium, which are used as gas mixtures, liquids, and spring mechanisms, has now been reached. .
Одним из вариантов одновременной защиты оборудования от вибрационных воздействий и частично от ограниченного диапазона ударных нагрузок является ударозащитная система с квазинулевой жесткостью (Зотов А.Н., Ахияров Д.Т., Надыршин Р.Ф. Ударозащитная система с квазинулевой жесткостью. / Уфимский государственный нефтяной технический университет, Нефтяное дело, 2006). Данная система позволяет решать задачу защиты оборудования от низкочастотных вибраций в отсутствие демпфирования. Для случайных ударных нагрузок система с квазинулевой жесткостью может работать только в определенном диапазоне ударов, когда амплитуда удара соизмерима с амплитудами вибрационных нагрузок. Упругие элементы системы содержат две пары наклоненных пружин, которые расположены под определенными, расчетными углами и имеют соответствующие длины, а при сложении усилий появляется участок с квазинулевой жесткостью, т.е. в заданном диапазоне перемещений система имеет точку, в которой жесткость равна нулю, а в окрестности этой точки жесткость системы имеет крайне низкое значение, что обеспечивает низкую частоту собственных колебаний системы. Ударозащитная система с участками квазинулевой жесткости позволяет передавать на основание силу удара (направленного вниз), не больше заданной при ходе вниз. Поглощение энергии удара осуществляется за счет кулонова трения.One of the options for simultaneous protection of equipment from vibration and partly from a limited range of shock loads is a shock-proof system with quasi-zero stiffness (Zotov A.N., Akhiyarov D.T., Nadyrshin R.F. Shock-proof system with quasi-zero stiffness. / Ufa State Oil Technical University, Petroleum, 2006). This system allows you to solve the problem of protecting equipment from low-frequency vibrations in the absence of damping. For random shock loads, a system with quasi-zero stiffness can work only in a certain range of shocks, when the shock amplitude is comparable with the amplitudes of vibration loads. The elastic elements of the system contain two pairs of inclined springs, which are located at certain, calculated angles and have corresponding lengths, and when combined, a section with quasi-zero stiffness appears, i.e. in a given range of displacements, the system has a point at which the stiffness is zero, and in the vicinity of this point, the stiffness of the system is extremely low, which ensures a low frequency of natural oscillations of the system. The shock-proof system with quasi-zero stiffness sections allows you to transfer the impact force (downward) to the base, not more than specified during the downward stroke. Impact energy is absorbed due to Coulomb friction.
Системы с квазинулевой жесткостью находят применение в виброзащитных креслах, защите подвижных составов от вибраций на железной дороге и в других областях техники. К недостаткам данной системы, кроме небольшого диапазона перемещений с квазинулевой жесткостью, следует отнести отсутствие демпфирования, а защита от ударных воздействий здесь не может быть достаточно эффективной в принципе.Systems with quasi-zero stiffness are used in vibration protection chairs, protection of rolling stock from vibrations on the railway and in other areas of technology. The disadvantages of this system, in addition to a small range of movements with quasi-zero stiffness, include the absence of damping, and protection from impacts here may not be effective enough in principle.
В настоящее время проводятся исследования по разработке и созданию сложных высокодисперсных лиофобных систем, состоящих из капиллярно-пористого тела и несмачивающей это тело (лиофобной) жидкости. Данные гетерогенные системы (ГС) обладают более высокой, и что важно, регулируемой демпфирующей способностью, т.е. свойством материала гасить энергию. В таких системах полезная работа совершается за счет межфазного взаимодействия развитой поверхности раздела капиллярно-пористой матрицы и лиофобной жидкости.Currently, studies are underway to develop and create complex highly dispersed lyophobic systems consisting of a capillary-porous body and a non-wetting (lyophobic) body. These heterogeneous systems (HS) have a higher, and more importantly, regulated damping ability, i.e. property of the material to quench energy. In such systems, useful work is accomplished due to the interfacial interaction of the developed interface between the capillary-porous matrix and the lyophobic liquid.
Повышение мощности диссипации энергии (перехода механической энергии в теплоту) достигается за счет подбора систем «капиллярно-пористая матрица - лиофобная жидкость» с максимальным значением угла смачивания, увеличения дисперсности пустот и их абсолютного объема в матрице, а также применения жидкостей с повышенным значением поверхностного натяжения.An increase in the power of energy dissipation (the transfer of mechanical energy into heat) is achieved through the selection of “capillary-porous matrix - lyophobic liquid” systems with a maximum wetting angle, an increase in the dispersion of voids and their absolute volume in the matrix, as well as the use of liquids with an increased surface tension .
Принцип работы такой гетерогенной системы теоретически изложен в патенте RU 2309307 С1 на изобретение «Способ поглощения энергии ударного воздействия с использованием гетерогенной системы» (опубл. 27.10.2007, МПК F16F 5/00). Способ заключается в сжатии размещенной в замкнутом объеме гетерогенной системы, состоящей из пористого вещества и несмачивающей жидкости, путем ударного воздействия, удовлетворяющего неравенству Р>Ркр, где:The principle of operation of such a heterogeneous system is theoretically described in patent RU 2309307 C1 for the invention “Method for absorbing impact energy using a heterogeneous system” (published on October 27, 2007, IPC F16F 5/00). The method consists in compressing a heterogeneous system located in a closed volume, consisting of a porous substance and a non-wetting fluid, by impact, satisfying the inequality P> Pcr, where:
Р - скорость роста давления в результате заданного ударного воздействия на гетерогенную систему;P is the rate of pressure growth as a result of a given impact on a heterogeneous system;
Ркр - критическая скорость роста давления, определяемая как Ркр=Pc/t;Pcr is the critical rate of pressure growth, defined as Pcr = Pc / t;
Рс - давление, при котором происходит заполнение кластера доступных пор;Pc is the pressure at which the cluster of available pores is filled;
t - время заполнения жидкостью кластера доступных пор.t is the time of filling the cluster with the available pores.
Воздействие ударных воздействий на гетерогенную систему исследовано с помощью лабораторной стендовой установки, содержащей верхнюю и нижнюю платформы, две направляющие для ударного блока, датчик давления, на который установлена камера с гетерогенной системой в виде пористого вещества и несмачивающей жидкости, и датчик перемещения, связанный с ударным штоком. Установка снабжена блоками приема и обработки данных.The impact of impacts on a heterogeneous system was studied using a laboratory bench installation containing an upper and lower platform, two guides for the shock block, a pressure sensor on which a chamber with a heterogeneous system in the form of a porous substance and non-wetting fluid, and a displacement sensor associated with the shock stock. The unit is equipped with data receiving and processing units.
Рассмотренная в патенте установка имитирует ударозащитную систему, не представляющую собой конструкцию какого-либо конкретного демпфирующего устройства. Она предназначена для защиты от ударов одиночного действия, при которых скорость роста давления становится больше критической скорости роста давления, и не предусматривает защиту от вибраций и многократных малых ударных нагрузок.The installation described in the patent imitates a shockproof system that is not a construction of any particular damping device. It is designed to protect against single-impact shocks, in which the pressure growth rate becomes greater than the critical pressure growth rate, and does not provide protection against vibrations and repeated small shock loads.
Известен «Амортизатор с высокой гасящей способностью» (патент РФ №2248478 С2, опубл. 20.03.2005, МПК F16F 9/10) для транспортных средств, содержащий узел «шток-поршень», установленный с возможностью скольжения внутри цилиндра с гидравлической жидкостью с образованием по обеим сторонам поршня рабочей камеры, при этом узел «шток-поршень» соединен с источником внешних воздействий, а цилиндр - с защищаемой конструкцией. Каждая рабочая камера сообщена с соответствующей камерой, содержащей в себе гетерогенную систему для поглощения-гашения энергии. Система также состоит из капиллярно-пористой матрицы и соответствующей жидкости, по отношению к которой матрица является гидрофобной. Комбинированное применение в данном техническом решении явлений капиллярности и закона Паскаля для гидравлических систем (одинаковое давление во всех точках замкнутого пространства) обеспечивает повышение гасящей способности амортизатора.The well-known "Shock absorber with high damping ability" (RF patent No. 2248478 C2, publ. March 20, 2005, IPC
Предложенный в аналоге амортизатор имеет существенные недостатки. Он предназначен для защиты транспортных средств, например, автомобиля от механических ударов, и не предусматривает демпфирование колебаний с малыми амплитудами.The shock absorber proposed in the analogue has significant drawbacks. It is designed to protect vehicles, for example, a car from mechanical shocks, and does not provide for damping vibrations with small amplitudes.
Также данный аналог имеет относительно малый диапазон рабочих частот, т.к. предназначен для защиты от воздействия опасных для человека вибраций. Так, на частотах 3-3,5 Гц возникает периодическое смещение внутренних органов человека, вызывающее неприятные ощущения, а частотный диапазон от 4 Гц до 8 Гц ограничивает устойчивость человека к вибрациям именно из-за смещения внутренних органов. Область резонанса для головы сидящего человека располагается в зоне между 20 Гц и 30 Гц. (Ф.М. Диментберг, К.В. Фролов. Вибрация в технике и человек / М: Знание, 1987). Рабочий диапазон частот аналога составляет от 2 Гц до 30 Гц, в то время как для летательных аппаратов диапазон частот должен быть значительно шире, например до 2 кГц.Also, this analogue has a relatively small range of operating frequencies, because Designed to protect against the effects of vibration hazardous to humans. So, at frequencies of 3-3.5 Hz, a periodic displacement of the internal organs of a person arises, causing unpleasant sensations, and the frequency range from 4 Hz to 8 Hz limits a person's resistance to vibrations precisely because of a displacement of internal organs. The resonance region for the head of a seated person is in the region between 20 Hz and 30 Hz. (F.M. Dimentberg, K.V. Frolov. Vibration in technology and man / M: Knowledge, 1987). The operating frequency range of the analog is from 2 Hz to 30 Hz, while for aircraft, the frequency range should be much wider, for example, up to 2 kHz.
Кроме того, амортизатор по патенту №2248478 С2 имеет достаточно большие габариты, его технические параметры не позволяют реализовать защиту от вибраций и ударов в ракетной технике в широком диапазоне частот.In addition, the shock absorber according to patent No. 2248478 C2 has rather large dimensions, its technical parameters do not allow protection against vibration and shock in rocket technology in a wide frequency range.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является «Демпфер вязкого трения» (патент РФ №2249734 С2, опубл. 10.04.2005, МПК F16F 5/00, F16F 9/10), принятый в качестве прототипа. Устройство содержит корпус, перегородку с отверстиями и шток, проходящий через центральное отверстие в перегородке. В демпфер введены две аналогичные гофры из эластичного материала, закрепленные в корпусе, между которыми зажата центральная перегородка, и образующие две различные по объему и переменные по величине полости, заполненные демпфирующей жидкостью. При этом шток имеет две площадки для герметичного скрепления с двумя гофрами. Отверстия в перегородке, через которые продавливается демпфирующая жидкость, перекрыты гибкой мембраной, обеспечивающей возможность регулировки их размера и количества.The closest in technical essence to the proposed device is a “Viscous Friction Damper” (RF patent No. 22979734 C2, publ. 10.04.2005, IPC F16F 5/00,
Недостаток прототипа заключается в том, что предложенное в нем устройство работает, как гидравлический амортизатор, который обеспечивает потерю энергии движения штока и демпфирование его перемещения за счет перетекания жидкости через отверстия из полости одной гофры в полость другой гофры. Причем, в прототипе не ограничивается движение самого штока, которое может превысить допускаемую величину перемещения, например 10 мм, при котором может быть повреждено оборудование, закрепленное на подвижной части штока и соединенное с оборудованием, расположенным на корпусе (стационаре).The disadvantage of the prototype is that the device proposed in it works like a hydraulic shock absorber, which provides the loss of energy of the rod’s movement and damping of its movement due to fluid flowing through the holes from the cavity of one corrugation into the cavity of another corrugation. Moreover, the prototype does not limit the movement of the rod itself, which can exceed the allowable displacement, for example 10 mm, in which equipment fixed on the moving part of the rod and connected to equipment located on the body (hospital) can be damaged.
Другой недостаток этого устройства - заливка демпфирующей жидкости одной вязкости. Для демпфирования вибраций и малых механических воздействий требуется жидкость с малой вязкостью, а для работы в качестве амортизаторов и защиты оборудования от сильных ударов необходима значительно более вязкая демпфирующая жидкость для создания диссипативной системы, обеспечивающей переход механической энергии в другие формы энергии, например, в теплоту. Вследствие недостаточной мощности диссипации энергии данное устройство не может одновременно обеспечить демпфирование вибраций и защиту от ударов оборудования с малым перемещением.Another disadvantage of this device is the filling of a damping fluid of the same viscosity. Damping vibrations and small mechanical influences requires a liquid with a low viscosity, and to work as shock absorbers and protect equipment from strong shocks, a much more viscous damping fluid is required to create a dissipative system that provides the transfer of mechanical energy to other forms of energy, for example, heat. Due to the insufficient power of energy dissipation, this device cannot simultaneously provide vibration damping and shock protection of equipment with small movement.
В прототипе отсутствует система поглощения энергии ударов, обеспечивающая малое перемещение штока, а также отсутствует элемент, обладающий переменной силой (тормоз), для восстановления положения конструкции в исходное нулевое положение, т.е. в результате удара система будет с затуханием колебаться около положения равновесия.In the prototype, there is no system for absorbing energy of shocks, providing a small displacement of the rod, and there is also no element with variable strength (brake) to restore the position of the structure to its original zero position, i.e. as a result of the impact, the system will oscillate around the equilibrium position with damping.
Задача, решаемая предлагаемой группой изобретений, заключается в создании демпфера, способного защищать конструкцию как от вибраций и малых ударных нагрузок, так и от сильных одиночных ударов (100g и более).The problem solved by the proposed group of inventions is to create a damper capable of protecting the structure from vibration and small shock loads, and from strong single impacts (100g or more).
Техническим результатом является расширение функциональных возможностей демпфера вязкого трения (ДВТ) при соизмеримых перемещениях как при вибрациях, так и при ударных воздействиях за счет повышения мощности диссипации энергии.The technical result is the expansion of the functionality of a viscous friction damper (DWT) with comparable displacements both during vibration and shock impacts by increasing the power of energy dissipation.
Указанный технический результат достигается тем, что в первом и втором вариантах исполнения демпфера вязкого трения, содержащего корпус и две различные по объему полости, заполненные демпфирующей жидкостью и разделенные перегородкой с отверстиями, к которой прилегает эластичная мембрана, в отличие от прототипа корпус выполнен из трех частей, одной из которых является сильфон, концы которого закреплены на верхней и нижней частях корпуса. При этом одна полость (условно - нижняя) с демпфирующей жидкостью находится в нижней части корпуса, а вторая полость (условно - верхняя) с демпфирующей жидкостью расположена в верхней части корпуса и сильфоне, которые разделены дополнительной перегородкой с центральным отверстием. Верхняя полость частично заполнена под давлением воздухом. Основная перегородка с отверстиями выполнена в виде полого усеченного конуса, в верхней части которого закреплен за основание цилиндр с пазами переменного сечения вдоль образующих, причем консольная часть его входит в центральное отверстие дополнительной перегородки в верхней части корпуса. Эластичная мембрана, герметично разделяющая полости с демпфирующими жидкостями, прижата по окружности фланцем и гайкой к нижней плоскости полого конуса. Фланец выполнен в виде стакана с отверстиями.The specified technical result is achieved in that in the first and second embodiments, a viscous friction damper comprising a housing and two cavities of different volume, filled with a damping fluid and separated by a partition with openings to which the elastic membrane is adjacent, in contrast to the prototype, the housing is made of three parts , one of which is a bellows, the ends of which are fixed on the upper and lower parts of the housing. In this case, one cavity (conditionally lower) with damping fluid is located in the lower part of the housing, and the second cavity (conditionally upper) with damping fluid is located in the upper part of the housing and the bellows, which are separated by an additional partition with a central hole. The upper cavity is partially filled under pressure with air. The main partition with holes is made in the form of a hollow truncated cone, in the upper part of which a cylinder with grooves of variable cross section along the generators is fixed to the base, and the cantilever part of it enters the central hole of the additional partition in the upper part of the housing. An elastic membrane hermetically separating cavities with damping fluids is pressed around the circumference by a flange and a nut to the lower plane of the hollow cone. The flange is made in the form of a glass with holes.
В первом варианте исполнения демпфирующие жидкости в верхней и нижней полостях имеют разные коэффициенты кинематической вязкости. Отверстия фланца калиброваны в соответствии с заполняющей его демпфирующей жидкостью. Фланец закрыт снаружи эластичной прокладкой, герметично прижатой по окружности той же гайкой к наружной поверхности фланца.In the first embodiment, the damping liquids in the upper and lower cavities have different kinematic viscosity coefficients. The flange holes are calibrated in accordance with the damping fluid filling it. The flange is closed externally with an elastic gasket tightly pressed around the circumference with the same nut to the outer surface of the flange.
Во втором варианте исполнения в нижней части корпуса под фланцем размещено пористое тело, а сама нижняя полость заполнена соответствующей пористому телу лиофобной (несмачивающей) жидкостью.In the second embodiment, a porous body is placed under the flange in the lower part of the housing, and the lower cavity itself is filled with the corresponding porous body with a lyophobic (non-wetting) liquid.
Расширение функциональных возможностей ДВТ предполагает возможность осуществления устройством и демпфирования механических колебаний, и защиты оборудования от механических ударов, в том числе одиночных ударов с большой амплитудой, т.е. выполнение функции амортизатора.Expanding the functionality of a DWT implies the possibility of a device damping mechanical vibrations and protecting equipment from mechanical shocks, including single strokes with a large amplitude, i.e. performing the function of a shock absorber.
Для решения этой проблемы в демпферах используются два независимых эффекта: первый - явление диссипации приложенной энергии, когда механическая энергия от вибрации и многократных ударов за счет сил внутреннего трения слоев вязкого материала переходит в тепловую с выделением тепла; второй эффект основан на принципе поглощения энергии за счет фазовых превращений в пористом теле.To solve this problem, two independent effects are used in the dampers: the first is the phenomenon of dissipation of the applied energy, when the mechanical energy from vibration and repeated shocks due to the forces of internal friction of the layers of viscous material goes into heat with the release of heat; the second effect is based on the principle of energy absorption due to phase transformations in a porous body.
Вязкость представляет собой свойство жидкости сопротивляться сдвигу (скольжению) ее слоев, в результате чего происходит переход механических (касательных) напряжений в тепловую энергию. Напряжения трения возможны только в движущейся жидкости, т.е. вязкость жидкости проявляется лишь при ее течении. В покоящейся жидкости касательные напряжения считаются равными нулю.Viscosity is the property of a fluid to resist the shear (slip) of its layers, resulting in a transition of mechanical (tangential) stresses into thermal energy. Friction stresses are possible only in a moving fluid, i.e. the viscosity of the liquid appears only during its flow. In a stationary fluid, the tangential stresses are considered equal to zero.
Создание демпферов с расширенными функциональными возможностями возможно при использовании полимерных материалов с разными свойствами вязкости. В предложенном техническом решении (первый вариант исполнения) полость в нижней части корпуса демпфера заполнена жидкостью, кинематическая вязкость которой больше, чем вязкость жидкости в верхней полости демпфера, что позволяет использовать верхнюю полость для демпфирования вибраций и малых ударов, а нижнюю полость - в качестве амортизатора для защиты от многочисленных ударов.The creation of dampers with enhanced functionality is possible using polymer materials with different viscosity properties. In the proposed technical solution (first embodiment), the cavity in the lower part of the damper body is filled with a liquid whose kinematic viscosity is greater than the viscosity of the liquid in the upper cavity of the damper, which allows the upper cavity to be used to damp vibrations and small impacts, and the lower cavity as a shock absorber for protection against numerous blows.
Калиброванные отверстия фланца в нижней полости демпфера, через которые жидкость под давлением дозированно вытекает на эластичную прокладку, создают турбулентный поток и увеличивают диапазон скоростей слоев жидкости, повышая тем самым энергию диссипации. Регулируя объем, вязкость демпфирующей жидкости и движение самой жидкости через калиброванные отверстия, можно снизить линейные перемещения до допустимых, преобразуя линейные перемещения в изменение внутреннего объема демпфера.The calibrated holes of the flange in the lower cavity of the damper, through which liquid under pressure flows out in a metered way to the elastic gasket, create a turbulent flow and increase the range of velocities of the liquid layers, thereby increasing the energy of dissipation. By adjusting the volume, viscosity of the damping fluid and the movement of the fluid itself through the calibrated holes, it is possible to reduce the linear displacements to allowable ones by converting the linear displacements into a change in the internal volume of the damper.
Второй эффект, основанный на принципе поглощения энергии за счет межфазного взаимодействия поверхности раздела капиллярно-пористой матрицы и лиофобной жидкости, использован во втором варианте исполнения устройства.The second effect, based on the principle of energy absorption due to the interfacial interaction of the interface of the capillary-porous matrix and lyophobic liquid, was used in the second embodiment of the device.
При приложении избыточного давления в гетерогенной системе происходит заполнение (интрузия) пор среды тела с нанометровыми капиллярами несмачивающей жидкостью, которая переходит из объемной фазы в состояние, которое характеризуется большой удельной поверхностью раздела жидкость-пористое тело (диспергированное состояние). При этом механическая энергия преобразуется в потенциальную энергию межфазовой поверхности «жидкость-пористое тело». При уменьшении избыточного давления происходит обратный процесс (экструзия), который сопровождается высвобождением накопленной энергии, причем наблюдается явление гистерезиса, а именно, пороговое давление заполнения превышает давление вытекания.When excessive pressure is applied in a heterogeneous system, the pores of the body medium with nanometer capillaries are filled with non-wetting fluid, which passes from the bulk phase to a state that is characterized by a large specific liquid-porous body interface (dispersed state). In this case, the mechanical energy is converted into the potential energy of the liquid-porous body interphase surface. When the excess pressure decreases, the reverse process (extrusion) occurs, which is accompanied by the release of the stored energy, and there is a hysteresis phenomenon, namely, the threshold filling pressure exceeds the leakage pressure.
Процесс заполнения-вытекания жидкости сопровождается тепловыми эффектами, диссипацией механической энергии и нестандартными зависимостями пороговых давлений от температуры. Этот эффект позволяет значительно уменьшить величину перемещения за счет изменения заполнения объема пористого тела (пористого металла) лиофобной жидкостью при определенном критическом давлении и используется, в основном, для гашения энергии одиночных ударов большой амплитуды.The process of filling-outflow of a liquid is accompanied by thermal effects, dissipation of mechanical energy, and non-standard temperature dependence of threshold pressures. This effect can significantly reduce the amount of displacement due to changes in the filling volume of the porous body (porous metal) with a lyophobic liquid at a certain critical pressure and is mainly used to quench the energy of single impacts of large amplitude.
Предложенные конструкции демпферов позволяют использовать в них указанные выше эффекты, что значительно повышает мощность диссипации энергии и снижает линейное перемещение оборудования.The proposed designs of dampers allow using the above effects in them, which significantly increases the power of energy dissipation and reduces the linear movement of equipment.
Сущность предлагаемых технических решений поясняется приведенными графиками, диаграммами и рисунками:The essence of the proposed technical solutions is illustrated by the graphs, charts and figures:
Фиг. 1 - сечение демпфера вязкого трения для вибрационных и ударных нагрузок;FIG. 1 - cross section of a viscous friction damper for vibration and shock loads;
Фиг. 2 - сечение демпфера вязкого трения с пористым телом и лиофобной жидкостью для вибрационных и ударных нагрузок, в том числе одиночных ударов с большой амплитудой;FIG. 2 is a cross section of a viscous friction damper with a porous body and a lyophobic fluid for vibration and shock loads, including single impacts with a large amplitude;
Фиг. 3 - график зависимости восстанавливающей силы от перемещения ДВТ;FIG. 3 is a graph of the dependence of the restoring force on the movement of the engine;
Фиг. 4 - расчетная гистограмма диапазона скоростей слоев турбулентной жидкости с кинематической вязкостью от 1 сСт до 20 сСт в верхней полости модели ДВТ (при механическом воздействии 4g);FIG. 4 is a calculated histogram of the velocity range of the layers of turbulent fluid with a kinematic viscosity of 1 cSt to 20 cSt in the upper cavity of the DWT model (under mechanical action 4g);
Фиг. 5 - расчетная векторная диаграмма скоростей слоев турбулентных жидкостей по высоте ДВТ при ударной нагрузке 8g (при кинематической вязкости жидкости от 40 сСт до 800 сСт в нижней полости модели ДВТ);FIG. 5 is a calculated vector diagram of the velocities of the layers of turbulent fluids over the height of the DWT at an impact load of 8g (with a kinematic viscosity of the liquid from 40 cSt to 800 cSt in the lower cavity of the DWT model);
Фиг. 6 - расчетная гистограмма диапазона скоростей слоев турбулентной жидкости с кинематической вязкостью от 500 сСт до 1000 сСт в нижней полости модели ДВТ (при ударной нагрузке 60g);FIG. 6 is a calculated histogram of the velocity range of turbulent fluid layers with a kinematic viscosity of 500 cSt to 1000 cSt in the lower cavity of the DWT model (at an impact load of 60 g);
Фиг. 7 - расчетная гистограмма диапазона скоростей слоев турбулентной жидкости с кинематической вязкостью 1500 сСт в нижней полости модели ДВТ (при ударной нагрузке 200g);FIG. 7 is a calculated histogram of the velocity range of the layers of turbulent fluid with a kinematic viscosity of 1500 cSt in the lower cavity of the DWT model (at an impact load of 200 g);
Фиг. 8 - график диапазонов скоростей слоев турбулентной жидкости при ударной нагрузке 200g (при кинематической вязкости жидкости 1500 сСт в нижней полости модели ДВТ);FIG. 8 is a graph of velocity ranges of turbulent fluid layers at an impact load of 200 g (at a kinematic viscosity of the fluid of 1500 cSt in the lower cavity of the DWT model);
Фиг. 9 - графики изменения скоростей слоев демпфирующей жидкости в зависимости от ее вязкости при различных ударных воздействиях;FIG. 9 - graphs of the changes in the velocity of the layers of the damping fluid depending on its viscosity under various impacts;
Фиг. 10 - график расчета кинетической энергии турбулентного потока модели ДВТ при вязкости жидкости 1600 сСт (при ударной нагрузке 30g);FIG. 10 is a graph of calculating the kinetic energy of the turbulent flow of the DWT model at a fluid viscosity of 1600 cSt (at an impact load of 30 g);
Фиг. 11 - график расчета кинетической энергии турбулентного потока модели ДВТ при вязкости жидкости 1600 сСт (при ударной нагрузке 220g);FIG. 11 is a graph for calculating the kinetic energy of the turbulent flow of the DWT model at a fluid viscosity of 1600 cSt (at an impact load of 220 g);
Фиг. 12 - график зависимости изменения объема гетерогенной системы (ГС) от перепада давления;FIG. 12 is a graph of the variation in the volume of a heterogeneous system (HS) on the pressure drop;
Фиг. 13 - графики зависимости силы от времени по показаниям тензометрических датчиков при ударной нагрузке для различных демпфирующих устройств;FIG. 13 - graphs of the dependence of force on time according to the readings of strain gauges at shock load for various damping devices;
Фиг. 14 - модель системы ДВТ, обеспечивающая защиту от вибраций, многократных ударных воздействий, а также одиночных ударов большой амплитуды.FIG. 14 is a model of a DWT system that provides protection against vibrations, multiple impacts, as well as single impacts of large amplitude.
Защищаемое оборудование размещается на верхней части демпфера.Protected equipment is located on top of the damper.
В первом варианте исполнения (фиг. 1) демпфер вязкого трения содержит корпус 1 и две различные по объему полости, заполненные демпфирующей жидкостью и разделенные основной перегородкой 2 с отверстиями, к которой прилегает эластичная мембрана 3. Корпус 1 выполнен из трех частей, одной из которых является сильфон 4, концы которого закреплены на верхней (условно) и нижней (условно) частях корпуса 1. Одна полость с демпфирующей жидкостью 5 находится в нижней части корпуса 1, а вторая полость с демпфирующей жидкостью 6 расположена в верхней части корпуса 1 и сильфоне 4, которые разделены дополнительной перегородкой 7 с центральным отверстием 8, причем верхняя полость частично заполнена под давлением воздухом. Основная перегородка 2 с отверстиями выполнена в виде полого усеченного конуса. В верхней наружной части конуса закреплен за основание цилиндр 9 с пазами 10 переменного сечения вдоль образующих. Консольная часть цилиндра 9 входит в центральное отверстие 8 дополнительной перегородки 7 в верхней части корпуса 1. Эластичная мембрана 3, герметично разделяющая полости с демпфирующими жидкостями 5 и 6, имеющими разные коэффициенты кинематической вязкости, прижата по окружности фланцем 11 и гайкой 12 к нижней плоскости полого конуса 2. Фланец 11 выполнен в виде стакана с калиброванными отверстиями 13, соответствующими заполняющей его демпфирующей жидкости 5, и закрыт снаружи эластичной прокладкой 14, которая герметично прижата по окружности той же гайкой 12 к наружной поверхности фланца 11.In the first embodiment (Fig. 1), the viscous friction damper comprises a
В качестве демпфирующих жидкостей 5 и 6 могут быть использованы кремнийорганические жидкости. Наиболее важным и специфическим свойством кремнийорганических жидкостей является малое изменение их вязкости в широком интервале температур (Справочник химика 21. Химия и химические технологии. Кремнийорганические жидкости, свойства. В Интернете: https://hem21.info/1325673/). Демпфирующая способность (вязкость) кремнийорганических жидкостей при колебаниях температуры от -40°C до +70°C изменяется всего в три раза.As damping
Для демпфирования вибраций и малых ударных нагрузок могут использоваться полиметилсилоксановые жидкости от ПМС-1 до ПМС-20, обладающие малой вязкостью. ПМС обладают наименьшей зависимостью вязкости от температуры из всех выпускаемых промышленностью кремнийорганических жидкостей. ПМС-20рк в качестве демпфирующей жидкости 6 в сильфоне 4 и в верхней части корпуса 1 может работать от -90°C до +80°C.For damping vibrations and low impact loads, polymethylsiloxane fluids from PMS-1 to PMS-20, which have a low viscosity, can be used. PMS have the least dependence of viscosity on temperature of all organosilicon liquids produced by the industry. PMS-20rk as a damping
Для защиты оборудования от больших механических нагрузок и обеспечения возможности работы ДВТ в качестве амортизатора в нижней части корпуса 1 в качестве демпфирующей жидкости 5 могут быть использованы, например, силиконовые кремнийорганические жидкости от ПМС-100 до ПМС-2000, имеющие достаточно большую вязкость. Причем, большая сжимаемость этих жидкостей (до 14%) имеет исключительное значение для применения их в качестве амортизаторов.To protect the equipment from high mechanical loads and to ensure the possibility of the operation of the diesel engine as a shock absorber in the lower part of the
Во втором варианте исполнения (фиг. 2) демпфер вязкого трения также содержит аналогичный корпус 1 и две различные по объему полости, заполненные демпфирующей жидкостью и разделенные основной перегородкой 2 с отверстиями, к которой прилегает эластичная мембрана 3. Корпус 1 выполнен из трех частей, одной из которых является сильфон 4, концы которого закреплены на верхней (условно) и нижней (условно) частях корпуса 1. Одна полость с демпфирующей жидкостью 16 находится в нижней части корпуса 1, а вторая полость с демпфирующей жидкостью 6 расположена в верхней части корпуса 1 и сильфоне 4, которые разделены дополнительной перегородкой 7 с центральным отверстием 8, причем верхняя полость частично заполнена под давлением воздухом. Основная перегородка 2 с отверстиями выполнена в виде полого усеченного конуса. В верхней наружной части конуса закреплен за основание цилиндр 9 с пазами 10 переменного сечения вдоль образующих. Консольная часть цилиндра 9 входит в центральное отверстие 8 дополнительной перегородки 7 в верхней части корпуса 1. Эластичная мембрана 3, герметично разделяющая полости с демпфирующими жидкостями 16 и 6, прижата по окружности к нижней плоскости полого конуса 2 фланцем 11 и гайкой 12. Фланец 11 выполнен в виде стакана с отверстиями 13. В нижней части корпуса 1 под фланцем 11 размещено пористое тело 15, например пористый металл. При выборе пористого тела необходимо учитывать, что напряжения, возникающие от воздействия удара, не должны быть больше допускаемых напряжений самого сплошного металла. Для обеспечения работоспособности гетерогенной системы и защиты от ударов большой амплитуды демпфирующая жидкость 16, находящаяся в нижней полости, должна быть лиофобной (несмачивающей) жидкостью, соответствующей пористому телу 15.In the second embodiment (Fig. 2), the viscous friction damper also contains a
Работу демпфера вязкого трения, выполняющего дополнительно роль амортизатора, можно рассмотреть для различных случаев механических воздействий на защищаемое оборудование: вибрации и слабые ударные нагрузки до 4g, многократные удары до 60g, одиночные удары от 60g до 200g, а также сильные одиночные удары свыше 200g.The viscous friction damper, which additionally acts as a shock absorber, can be considered for various cases of mechanical impact on the protected equipment: vibrations and low impact loads up to 4g, multiple impacts up to 60g, single impacts from 60g to 200g, as well as strong single impacts over 200g.
В первом варианте исполнения (фиг. 1) при механическом воздействии на нижнюю часть корпуса 1 ДВТ сильфон 4 сжимается. Учитывая, что кремнийорганическая жидкость может сжиматься на 14%, жидкости 5 и 6 будут работать как амортизаторы в упругой зоне и смягчать удары. Вместе с тем, цилиндр 9 поднимается в центральном отверстии 8 и жидкость начинает перетекать по пазам 10 цилиндра 9, что приводит к движению слоев демпфирующей жидкости в верхней части ДВТ. За счет сил трения слоев вязкого материала механическая энергия переходит в тепловую с выделением тепла, мощность энергии диссипации повышается.In the first embodiment (Fig. 1), under mechanical action on the lower part of the
Пазы 10 переменного сечения цилиндра 9 также изменяют гидравлическое сопротивление жидкости 6 и, тем самым, ограничивают (тормозят) ход верхней части корпуса 1 с закрепленным на нем оборудованием. Движение жидкости 6 вверх через пазы переменного сечения и обратно защищает оборудование от вибраций и малых ударов в заданном диапазоне механических воздействий, например до 4g, т.е. устройство работает как демпфер при перемещении оборудования до 1-1,5 мм.The
При малых механических воздействиях из-за высокой вязкости жидкости 5 (100 сСт - 2000 сСт) по отношению к вязкости жидкости 6 (1 сСт - 20 сСт), движение жидкости 5 через отверстия 13 во фланце 11 не происходит. Давление демпфирующей жидкости 6 на мембрану 3 оказывается недостаточным.For small mechanical stresses due to the high viscosity of the fluid 5 (100 cSt - 2000 cSt) with respect to the viscosity of the fluid 6 (1 cSt - 20 cSt), the movement of the
При механическом воздействии на ДВТ более 4g нагрузка на верхнюю часть корпуса 1 и сильфон 4 увеличивается до критической величины и цилиндр 9 полностью перекрывает отверстие 8. Движение слоев жидкости 6 прекращается и она становится гидравлической жидкостью, которая равномерно давит на мембрану 3 через отверстия основной перегородки 2. Жидкость 5 с вязкостью от 100 сСт до 2000 сСт (вязкость выбирается в зависимости от ожидаемых нагрузок), находящаяся в нижней части корпуса I, начинает дозированно вытекать через калиброванные отверстия 13 фланца II. Вытекающая жидкость растягивает эластичную прокладку 14 и сжимает воздух под ней. Вытекание жидкости 5 приводит к возникновению турбулентного движения слоев этой жидкости в нижней полости демпфера и повышению мощности диссипации энергии за счет трения слоев демпфирующей жидкости 5. Процесс диссипации гасит механическую энергию вибраций с амплитудами более 1-1,5 мм и ударов многократного действия, например до 60g. В случае одиночного удара, например 200g, вязкость демпфирующей жидкости 5 выбирается около 2000 сСт.When the mechanical action on the DWT is more than 4g, the load on the upper part of the
При прекращении механического воздействия сжатый сильфон и сдавленный воздух, находящийся над жидкостью 6 в верхней полости ДВТ и под эластичной мембраной в нижней части ДВТ, помогают вернуть систему в исходное состояние.When the mechanical impact ceases, the compressed bellows and the compressed air located above the
Работу демпфера вязкого трения можно показать на графике зависимости восстанавливающей силы от перемещения ДВТ (фиг. 3). Восстанавливающая сила F(x), направленная противоположно воздействующей силе, дойдя до линии АВ, практически переходит в прямую линию до координаты перемещения Х=5 мм. До линии АВ восстанавливающая сила F(x) является силой упругой деформации и пропорциональна перемещению демпфера. Часть графика от линии АВ до линии CD характеризует процесс диссипации, т.е. поглощения механической энергии за счет трения слоев жидкости. При перемещении Х=5 мм кинетическая энергия полностью переходит в потенциальную энергию. После окончания воздействия процесс идет в обратном порядке и за счет силы F(x) демпфер возвращается в исходное состояние «0».The operation of the viscous friction damper can be shown on the graph of the dependence of the restoring force on the movement of the DWT (Fig. 3). The restoring force F (x) directed opposite to the acting force, reaching the line AB, practically passes into a straight line to the coordinate of movement X = 5 mm. Up to line AB, the restoring force F (x) is the force of elastic deformation and is proportional to the movement of the damper. A part of the graph from the AB line to the CD line characterizes the dissipation process, i.e. absorption of mechanical energy due to friction of the liquid layers. When moving X = 5 mm, the kinetic energy completely transforms into potential energy. After the end of the exposure, the process proceeds in the reverse order and due to the force F (x), the damper returns to the initial state “0”.
Для подтверждения работоспособности предполагаемого изобретения (по первому варианту исполнения) с помощью программы ANSYS Fluent, предназначенной для гидродинамического расчета, была разработана модель изделия ДВТ. Модель представляет собой сильфон диаметром 64 мм и высотой 43 мм, разделенный в средней части внутренней герметичной горизонтальной перегородкой так, что верхняя часть сильфона с жидкостью 6, от перегородки до его крышки с выполненными четырьмя отверстиями по 2 мм, имитирующими пазы 10 переменного сечения цилиндра 9, имеет размер по высоте 20 мм. Нижняя часть сильфона с жидкостью 5 и высотой 23 мм, имеет в своем основании шестнадцать отверстий диаметром 2 мм и одно центральное отверстие диаметром 4 мм (соответствующие калиброванным отверстиям 13 на фиг. 1).To confirm the operability of the alleged invention (according to the first embodiment), using the ANSYS Fluent program, designed for hydrodynamic calculation, a model of a DVT product was developed. The model is a bellows with a diameter of 64 mm and a height of 43 mm, divided in the middle part of the internal sealed horizontal partition so that the upper part of the bellows with
Указанные параметры модели, имитирующей работу ДВТ, являются величинами постоянными для всех проведенных расчетов и отражают размеры области турбулентности жидкостей.The indicated parameters of the model simulating the operation of a DWT are constant values for all the calculations performed and reflect the dimensions of the fluid turbulence region.
При сжатии сильфона от воздействующих нагрузок возникает турбулентное движение жидкостей 5 и 6 в корпусе ДВТ. Известно, что в потоках с развитой турбулентностью вязкость и теплопередача могут качественно описываться соответствующими аналоговыми коэффициентами (Б.Н. Иванов. Законы физики: Учебное пособие / М: Едиториал УРСС, 2016, с. 200-201). Так, коэффициент турбулентной вязкости Vтурб. соответствуетWhen the bellows is compressed from the acting loads, turbulent movement of
Vтурб.~ΔU х L,V turb. ~ ΔU x L,
где:Where:
L - основной масштаб турбулентности, отражающий размеры области турбулизации потока;L is the main scale of turbulence, reflecting the size of the region of flow turbulization;
ΔU - изменение средней скорости на расстояниях порядка величины L. Среднее количество энергии, диссипируемой в единицу времени в единице массы жидкости, по порядку величины естьΔU is the change in the average velocity at distances of the order of magnitude L. The average amount of energy dissipated per unit time in a unit mass of liquid is, in order of magnitude,
Vтурб.х (ΔU/L)2.V turb. x (ΔU / L) 2 .
Трансформация кинетической энергии в тепло зависит от вязкости, изменения скорости потока и основного масштаба турбулентности. Учитывая эту зависимость, на модели, имитирующей работу ДВТ, методом конечных элементов были проведены расчеты изменения скорости потока по высоте корпуса сильфона для различных по величине механических воздействий.The transformation of kinetic energy into heat depends on viscosity, changes in flow velocity and the main scale of turbulence. Given this dependence, on a model simulating the operation of a DWT, the method of finite elements was used to calculate the change in flow velocity with respect to the height of the bellows body for different mechanical stresses.
Для выбора оптимальной вязкости демпфирующей жидкости, обеспечивающей необходимый диапазон скоростей при различных заданных механических воздействиях, в программу для расчета ANSYS Fluent были введены следующие данные:To select the optimal viscosity of the damping fluid, providing the necessary speed range for various specified mechanical stresses, the following data were entered into the ANSYS Fluent calculation program:
1. V - скорость потока (исходная), м/с;1. V - flow rate (initial), m / s;
2. Y - кинематическая вязкость, сСт;2. Y — kinematic viscosity, cSt;
3. Р - давление, Па;3. P - pressure, Pa;
4. Плотность постоянная, 860 кг/м3.4. The density is constant, 860 kg / m 3 .
Первоначально на модели ДВТ определялся оптимальный диапазон вязкости для демпфирующей жидкости 6 в верхней части демпфера (для фиг. 1). Так, для жидкости с исходной скоростью потока V=0.2 м/c, Р=100000 Па (4g), оптимальный уровень вязкости Y составил от 1 сСт до 20 сСт. Если для Y=1 cCt диапазон скоростей турбулентной жидкости находится в пределах от 0 м/с до 400 м/с, то для Y=20 cCt эта величина составляет от 0 м/с до 20 м/с. Гистограмма диапазона скоростей в процентном соотношении для слоев турбулентной жидкости 6 в верхней полости модели ДВТ (при механическом воздействии 4g) показана на фиг. 4. Для жидкости с кинематической вязкостью от 1 сСт до 20 сСт 80% всех слоев жидкости 6 движется со скоростью 200 м/с.Initially, the optimal viscosity range for the damping
На основании полученных данных можно сделать вывод, что при малых воздействиях до 4g, из-за малых диаметров 4-х отверстий, имитирующих в модели пазы 10 цилиндра 9, диапазон скоростей с увеличением вязкости потока жидкости 6 снижается. После окончательного перекрытия пазов 10 цилиндра 9 жидкость из демпфирующей постепенно переходит в гидравлическую и скорость потоков внутри верхней части модели сильфона с высотой 20 мм становится равной нулю. Так, на фиг. 5 показана векторная диаграмма скоростей по высоте ДВТ, характерная для вязкости жидкости от 40 сСт до 800 сСт в нижней полости модели ДВТ, при ударной нагрузке 8g (200000Па) и исходной скорости потока 0.4 м/с. Как видно, на фиг. 5 изображение верхней части сильфона с жидкостью 6 практически отсутствует. Изображения векторов скоростей турбулентных потоков видны только в нижней части сильфона с жидкостью 5, особенно в области расположения калиброванных отверстий диаметром 2 мм.Based on the data obtained, it can be concluded that for small impacts up to 4g, due to the small diameters of 4 holes imitating the
На фиг. 6 представлена расчетная гистограмма диапазона скоростей слоев турбулентной жидкости 5 с кинематической вязкостью от 500 сСт до 1000 сСт в нижней полости модели ДВТ при многократных ударах 60g и исходной скорости потока 15 м/с. Гистограмма показывает, что в нижней полости около 100% всех слоев жидкости движется со скоростью 1000 м/с, т.е. диапазон скоростей возрастает за счет увеличения количества трущихся слоев потока, что приводит к повышению эффекта диссипации энергии.In FIG. Figure 6 shows the calculated histogram of the velocity range of the layers of
На фиг. 7 и фиг. 8 представлены результаты расчета одиночного удара 200g (6000000 Па) при кинематической вязкости жидкости 1500 сСт в нижней полости модели ДВТ и исходной скорости V=10 м/c. Гистограмма фиг. 7, также как и фиг. 6, подтверждает увеличение диапазона скоростей (100% слоев турбулентной жидкости в нижней полости движется со скоростью 1000 м/с). При этом график диапазонов скоростей фиг. 8 показывает, что в верхней полости модели ДВТ, где находится гидравлическая жидкость, скорость практически нулевая, а в нижней полости ДВТ в области отверстий 13 слои турбулентной жидкости движутся с максимальной скоростью, обусловленной оптимальными размерами и количеством этих отверстий.In FIG. 7 and FIG. Figure 8 shows the results of calculating a single impact of 200g (6,000,000 Pa) at a kinematic viscosity of a fluid of 1,500 cSt in the lower cavity of the DWT model and the initial velocity V = 10 m / s. The histogram of FIG. 7, as well as FIG. 6, confirms the increase in the speed range (100% of the layers of turbulent fluid in the lower cavity moves at a speed of 1000 m / s). In this case, the graph of the speed ranges of FIG. 8 shows that in the upper cavity of the DWT model where the hydraulic fluid is located, the speed is practically zero, and in the lower cavity of the DWT in the region of the
Расчеты ДВТ для защиты устройств от многократных и одиночных ударов показали, что увеличение воздействующих механических нагрузок на защищаемое изделие требует повышения кинематической вязкости демпфирующей жидкости 5 (фиг. 1). С ростом вязкости повышается диапазон скоростей потока демпфирующей жидкости, что приводит к повышению мощности диссипации энергии в тепло. Причем, для всех механических воздействий вязкость жидкости 6 (фиг. 1) остается постоянной в пределах от 1 сСт до 20 сСт.Calculations of DWTs to protect devices from multiple and single shocks showed that an increase in the acting mechanical loads on the protected product requires an increase in the kinematic viscosity of the damping fluid 5 (Fig. 1). With increasing viscosity, the range of flow rates of the damping fluid increases, which leads to an increase in the power of energy dissipation into heat. Moreover, for all mechanical influences, the viscosity of the fluid 6 (Fig. 1) remains constant in the range from 1 cSt to 20 cSt.
На фиг. 9 представлены расчетные графики изменения скоростей слоев демпфирующей жидкости 5 (фиг. 1) в зависимости от ее вязкости при различных ударных воздействиях:In FIG. 9 shows the calculated graphs of changes in the velocities of the layers of the damping fluid 5 (Fig. 1) depending on its viscosity under various impacts:
График 1 - удары 4g;Chart 1 - 4g hits;
График 2 - удары 30g;Chart 2 - strokes 30g;
График 3 - удары 63g;Chart 3 - strokes 63g;
График 4 - удары 220g.Chart 4 - strokes 220g.
Приведенные расчетные графики позволяют выбрать жидкость с необходимой кинематической вязкостью, позволяющей погасить кинетическую энергию удара определенной силы.The given calculation graphs allow you to choose a fluid with the necessary kinematic viscosity, which allows you to quench the kinetic energy of a shock of a certain force.
Графики фиг. 10 и фиг. 11 показывают, что кинетическая энергия турбулентного потока от удара 220g, при одной и той же кинематической вязкости жидкости 1600 сСт в нижней полости, в 5 раз выше кинетической энергии турбулентного потока от удара 30g.The graphs of FIG. 10 and FIG. 11 show that the kinetic energy of the turbulent flow from the impact 220g, with the same kinematic viscosity of the fluid 1600 cSt in the lower cavity, is 5 times higher than the kinetic energy of the turbulent flow from the impact 30g.
Таким образом, трансформация кинетической энергии в тепло в ДВТ подтверждается зависимостью от вязкости, изменения скорости слоев жидкости и основного масштаба турбулентности, т.е. от геометрических размеров ДВТ. Также графики показывают, что верхняя полость ДВТ с жидкостью 6 во время ударов практически не создает кинетическую энергию этой жидкости, т.к. сама жидкость становится гидравлической и передает всю энергию удара через мембрану 3 жидкости 5 фиг. 1.Thus, the transformation of kinetic energy into heat in DWT is confirmed by the dependence on viscosity, changes in the velocity of the liquid layers and the main scale of turbulence, i.e. from the geometric dimensions of the engine. Also, the graphs show that the upper cavity of a DWT with
Во втором варианте исполнения (фиг. 2) при вибрациях и малых ударных нагрузках до 4g работа ДВТ осуществляется аналогично его первому варианту исполнения.In the second embodiment (Fig. 2), with vibrations and small shock loads up to 4g, the operation of the engine is carried out similarly to its first embodiment.
При механическом воздействии на нижнюю часть корпуса 1 ДВТ сильфон 4 сжимается, цилиндр 9 поднимается в центральном отверстии 8 и демпфирующая жидкость 6, с вязкостью от 1 сСт до 20 сСт, перетекает по пазам 10 цилиндра 9, вызывая процесс диссипаци энергии в верхней части корпуса 1 ДВТ.When mechanical action is applied to the lower part of the
Демпфирующая жидкость 6 может перемещаться по пазам 10 цилиндра 9 в случае механических воздействий с амплитудой до 1-1,5 мм, после чего цилиндр 9 полностью перекрывает отверстие 8, жидкость 6 становится гидравлической жидкостью и передает усилие на мембрану 3 и лиофобную демпфирующую жидкость 16 через отверстия основной перегородки 2.The damping
При увеличении силы ударных нагрузок лиофобная демпфирующая жидкость 16, кинематическая вязкость которой меньше кинематической вязкости жидкости 5 по первому варианту исполнения ДВТ, под воздействием демпфирующей жидкости 6 становится гидравлической жидкостью и давит через отверстия 13 на размещенное под фланцем 11 пористое тело 15, например, пористый металл.When the force of shock loads increases, the lyophobic damping
Лиофобная жидкость 16, заполняющая нижнюю часть ДВТ, не может сразу проникнуть в капиллярные поры матрицы гетерогенной системы из-за несмачиваемости этой жидкостью пористого тела 15. Лиофобная жидкость на порах, находящихся с наружной стороны пористого тела 15, образует мениски (мембраны), которые в результате поверхностного натяжения не дают проникнуть жидкости во внутренние поры пористого тела. Мениски могут растягиваться и сжиматься как пружины под воздействием нагрузок до определенного критического давления Ркр. На графике зависимости изменения объема гетерогенной системы от перепада давления (фиг. 12) упругая деформация пористого тела отражена на участке 0-1, при этом ДВТ работает как амортизатор многократных ударов. За исходное состояние «0» выбирается положение гетерогенной системы, когда защищаемое оборудование находится только под действием своего веса.The lyophobic liquid 16 filling the lower part of the DWT cannot immediately penetrate into the capillary pores of the matrix of the heterogeneous system due to the non-wettability of the
Когда при одиночном мощном ударе давление достигает Ркр. (точка 1 на графике фиг. 12), мембраны прорываются и начинает происходить заполнение пор пористого тела 15 лиофобной жидкостью 16 (участок 1-2). В гетерогенной системе возникают нелинейные диссипативные процессы, связанные с динамикой заполнения несмачивающей вязкой жидкостью пористого вещества. Эти нелинейные процессы приводят к поглощению и диссипации энергии ударного воздействия, которая преобразуется в энергию образования поверхности раздела «пористое тело-несмачивающая жидкость» и энергию на преодоление нелинейного вязкого трения. После прекращения механического воздействия и снятия давления происходит выход лиофобной жидкости из пор и система возвращается в исходной состояние.When, with a single powerful blow, the pressure reaches Pkr. (
Работу ДВТ с гетерогенной системой также можно показать на графике зависимости восстанавливающей силы от перемещения ДВТ (фиг. 3). Участок графика от «0» до линии АВ характеризует действие сил упругой деформации мембран пористого тела при ударных нагрузках, а участок от линии АВ до линии CD - нелинейные диссипативные процессы при заполнении пор лиофобной жидкостью.The operation of a DWT with a heterogeneous system can also be shown on the graph of the dependence of the restoring force on the movement of the DWT (Fig. 3). The plot from “0” to the AB line characterizes the action of the elastic deformation forces of the membranes of the porous body under shock loads, and the plot from the AB line to the CD line shows nonlinear dissipative processes when pores are filled with lyophobic liquid.
Для каждой гетерогенной системы существует диапазон ударных воздействий, при которых она обладает наибольшим энергопоглощением диссипируемой энергией. Взаимосвязи энергетических, силовых и временных характеристик ГС с требуемыми параметрами проектируемых устройств являются обоснованием для подбора рабочих пар «пористое тело - лиофобная жидкость». Для устройства с заданными характеристиками разработаны прикладные программы, позволяющие проводить расчеты с целью выбора ГС.For each heterogeneous system, there is a range of shock effects under which it has the highest energy absorption of dissipated energy. The interconnections of the energy, power and time characteristics of the HS with the required parameters of the designed devices are the rationale for the selection of working pairs "porous body - lyophobic liquid". For the device with the given characteristics, application programs have been developed that allow calculations to be made with the aim of choosing a horizontal network.
Предложенная конструкция ДВТ с ГС позволяет защитить оборудование не только от одиночных ударов от 60g до 200g, но и от сильных одиночных ударов свыше 200g.The proposed design of DWT with GS allows protecting equipment not only from single strokes from 60g to 200g, but also from strong single strokes over 200g.
На фиг. 13 представлены сравнительные характеристики пружинного, гидравлического и гетерогенных демпферов. В гетерогенных демпферах в качестве пористого тела используется силохром С-80 (диаметр пор 40-50 нм) и СХ-2 (диаметр пор 100-160 нм). Графики показывают, что при использовании пружинного или гидравлического демпферов резонансные частоты увеличивают амплитуду механических колебаний. Наилучшими характеристиками обладают демпфирующие устройства на основе силохрома.In FIG. 13 shows the comparative characteristics of spring, hydraulic and heterogeneous dampers. In heterogeneous dampers, a silochrom C-80 (pore diameter 40-50 nm) and CX-2 (pore diameter 100-160 nm) are used as a porous body. The graphs show that when using spring or hydraulic dampers, resonant frequencies increase the amplitude of mechanical vibrations. Silochrom-based damping devices have the best characteristics.
Количество демпферов вязкого трения, необходимое для защиты оборудования, определяется допускаемыми динамическими нагрузками, воздействующими на оборудование, а также допускаемыми амплитудами перемещения и ускорения. Набором демпферов фиг. 1 и фиг. 2 в одной конструкции можно обеспечить полную защиту изделия как от вибраций, так и от многократных и одиночных ударов с малым линейным перемещением изделия, установив последовательно ДВТ по варианту 1 и варианту 2, как показано на фиг. 14. При этом демпфер фиг. 1 будет смягчать удар на демпфер фиг. 2.The number of viscous friction dampers necessary to protect equipment is determined by the allowable dynamic loads acting on the equipment, as well as the allowable amplitudes of displacement and acceleration. The set of dampers of FIG. 1 and FIG. 2 in one design, it is possible to provide complete protection of the product both from vibrations, and from multiple and single impacts with a small linear movement of the product, sequentially installing the DVT according to
Оригинальное конструктивное исполнение демпфера вязкого трения обеспечивает повышение мощности диссипации энергии и позволяет защитить оборудование не только от вибраций, но и от ударов многократного и одиночного действия, т.е. устройство может работать как в качестве демпфера, так и в качестве амортизатора.The original design of the viscous friction damper provides an increase in the power of energy dissipation and allows you to protect the equipment not only from vibrations, but also from shocks of multiple and single action, i.e. the device can work both as a damper and as a shock absorber.
Источники информацииSources of information
1. Марков В.А., Пусев В.И., Селиванов В.В. О вопросах демпфирующих и амортизирующих свойств материалов и конструкций / Россия, Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана, №6, июнь 2012, УДК 620.178.311.6; 62-3; 62-756.1. Markov V.A., Pusev V.I., Selivanov V.V. On the issues of damping and shock-absorbing properties of materials and structures / Russia, Science and Education: Scientific Edition of MSTU named after N.E. Bauman, No. 6, June 2012, UDC 620.178.311.6; 62-3; 62-756.
2. Зотов А.Н., Ахияров Д.Т., Надыршин Р.Ф. Ударозащитная система с квазинулевой жесткостью. / Уфимский государственный нефтяной технический университет, Нефтяное дело, 2006, УДК 62-75, hhtp:/www.ogdus.ru2. Zotov A.N., Akhiyarov D.T., Nadyrshin R.F. Shock-proof system with quasi-zero stiffness. / Ufa State Petroleum Technical University, Petroleum Engineering, 2006, UDC 62-75, hhtp: /www.ogdus.ru
3. Патент RU 2309307 С1 «Способ поглощения энергии ударного воздействия с использованием гетерогенной системы», опубл. 27.10.2007, МПК F16F 5/00.3. Patent RU 2309307 C1 "Method for the absorption of energy of shock using a heterogeneous system", publ. 10.27.2007,
4. Патент RU 2248478 С2 «Амортизатор с высокой гасящей способностью», опубл. 20.03.2005, МПК F16F 9/10.4. Patent RU 2248478 C2 "Shock absorber with high damping ability", publ. 03/20/2005,
5. Ф.М. Диментберг, К.В. Фролов. Вибрация в технике и человек / М: Знание, 1987.5. F.M. Dimentberg, K.V. Frolov. Vibration in technology and man / M: Knowledge, 1987.
6. Патент RU 2249734 С2 «Демпфер вязкого трения», опубл. 10.04.2005, МПК F16F 5/00, F16F 9/10.6. Patent RU 2249734 C2 "Viscous friction damper", publ. 04/10/2005,
7. Справочник химика 21. Химия и химические технологии. Кремнийорганические жидкости свойства. В Интернете: https://hem21.info/1325673/.7. Handbook of a
8. Б.Н. Иванов. Законы физики: Учебное пособие / М: Едиториал УРСС, 2016, с. 200-201.8. B.N. Ivanov. The laws of physics: Textbook / M: URSS editorial, 2016, p. 200-201.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019116294A RU2723102C1 (en) | 2019-05-27 | 2019-05-27 | Viscous friction damper |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019116294A RU2723102C1 (en) | 2019-05-27 | 2019-05-27 | Viscous friction damper |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2723102C1 true RU2723102C1 (en) | 2020-06-08 |
Family
ID=71067931
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019116294A RU2723102C1 (en) | 2019-05-27 | 2019-05-27 | Viscous friction damper |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2723102C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114154362A (en) * | 2021-10-20 | 2022-03-08 | 中国航发四川燃气涡轮研究院 | Energy dissipation-based simulation evaluation method for damping characteristics of turbine blade flanges |
| CN117230911A (en) * | 2023-11-16 | 2023-12-15 | 北京市建筑设计研究院有限公司 | Integrated serial-type inertial damping and shock absorbing device |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0643238A1 (en) * | 1993-09-09 | 1995-03-15 | Firma Carl Freudenberg | Switchable hydraulical damping support |
| JPH09166175A (en) * | 1995-12-18 | 1997-06-24 | Tokai Rubber Ind Ltd | Liquid enclosed suspension type mount device |
| RU2229636C1 (en) * | 2002-08-29 | 2004-05-27 | Образцов Дмитрий Иванович | Hydraulic support for automobile power unit suspension |
| RU2249734C2 (en) * | 2002-08-30 | 2005-04-10 | Урецкий Юрий Исаакович | Viscous-friction type shock absorber |
-
2019
- 2019-05-27 RU RU2019116294A patent/RU2723102C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0643238A1 (en) * | 1993-09-09 | 1995-03-15 | Firma Carl Freudenberg | Switchable hydraulical damping support |
| JPH09166175A (en) * | 1995-12-18 | 1997-06-24 | Tokai Rubber Ind Ltd | Liquid enclosed suspension type mount device |
| RU2229636C1 (en) * | 2002-08-29 | 2004-05-27 | Образцов Дмитрий Иванович | Hydraulic support for automobile power unit suspension |
| RU2249734C2 (en) * | 2002-08-30 | 2005-04-10 | Урецкий Юрий Исаакович | Viscous-friction type shock absorber |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114154362A (en) * | 2021-10-20 | 2022-03-08 | 中国航发四川燃气涡轮研究院 | Energy dissipation-based simulation evaluation method for damping characteristics of turbine blade flanges |
| CN114154362B (en) * | 2021-10-20 | 2023-06-30 | 中国航发四川燃气涡轮研究院 | Simulation evaluation method for damping characteristics of turbine blade edge plate based on energy dissipation |
| CN117230911A (en) * | 2023-11-16 | 2023-12-15 | 北京市建筑设计研究院有限公司 | Integrated serial-type inertial damping and shock absorbing device |
| CN117230911B (en) * | 2023-11-16 | 2024-02-06 | 北京市建筑设计研究院有限公司 | Integrated serial-type inertial damping and shock absorbing device |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Ledezma-Ramírez et al. | Recent advances in shock vibration isolation: an overview and future possibilities | |
| US3424448A (en) | Springs and/or shock absorbers | |
| RU2723102C1 (en) | Viscous friction damper | |
| US6340153B1 (en) | Shock and acoustic mount | |
| Guan et al. | Test and simulation the failure characteristics of twin tube shock absorber | |
| US8881876B2 (en) | Force-controlling hydraulic device | |
| US9371883B2 (en) | Inertial terrain transit event manager apparatus | |
| US20170326934A1 (en) | Inertial Terrain Transit Event Manager Apparatus | |
| JP2011158015A (en) | Vibration reducing device | |
| SK126999A3 (en) | Device for producing torque | |
| US8997951B2 (en) | Actively controlled colloidal damper | |
| Rittweger et al. | Passive damping devices for aerospace structures | |
| US5568847A (en) | Device for providing a rigid mechanical link with frequency cut-off | |
| Yue et al. | Liquid spring damper for vertical landing Reusable Launch Vehicle under impact conditions | |
| Bajkowski et al. | Reduction of the vibration amplitudes of a harmonically excited sandwich beam with controllable core | |
| KR100942496B1 (en) | Damper applying shear force of high viscosity oil and vibration isolation device using the damper | |
| Lee et al. | A method of transmissibility design for dual-chamber pneumatic vibration isolator | |
| Lei et al. | Non-obstructive particle damping using principles of gas-solid flows | |
| US5083756A (en) | Load support vibration isolation mount | |
| Tikani et al. | Two‐Mode Operation Engine Mount Design for Automotive Applications | |
| MORISHITA et al. | Basic damping property of a double-rod type damper utilizing an elastomer particle assemblage | |
| Doengi et al. | Lander shock-alleviation techniques | |
| Velichkovich | Shock absorber for oil-well sucker-rod pumping unit | |
| Toyouchi et al. | Damper force characteristics of a separated dual-chamber single-rod type damper utilizing an elastomer particle assemblage in the case of both chambers containing particles | |
| Kang | Semi-active magneto-rheological damper and applications in tension leg platform/semi-submersible |