Устройство для гашения колебаний
Устройство для гашения колебаний предназначено для гашения колебаний и пиковых нагрузок в широком диапазоне частот. Устройство для гашения колебаний содержит кольцевую камеру в виде упругой армированной оболочки, заполненную дискретной рабочей средой, при этом дискретная рабочая среда имеет разную степень уплотнения, реализующую линейную (слабонелинейную) упругую характеристику в случае уплотнения дискретной рабочей среды до плотнейшей степени, мягкую при отсутствии дискретной рабочей среды, и промежуточные в зависимости от плотности заполнения камеры. Диаметр, удельный вес частиц дискретной рабочей среды и степень заполнения, а также размеры и материал упругой армированной оболочки, подбираются в зависимости от веса объекта виброударозащиты и заданного диапазона частот. Дискретная рабочая среда обеспечивает демпфирование колебаний за счет диссипации энергии.
Устройство для гашения колебаний относится к области специальной техники и может быть использовано для технического оснащения военной техники, а также в качестве виброударозащитного устройства при эксплуатации в экстремальных условиях при динамических внешних воздействиях.
Известно устройство виброизоляции резинометаллический валик [1], содержащее упругую оболочку 1 с металлическим валиком 2 внутри (Фиг.1, а). Устройство предназначено для виброизоляции тяжелых объектов и имеет жесткую упругую характеристику (Фиг.2, а).
Недостаток заключается в том, упругие свойства, а следовательно, и степень демпфирования, определяются только материалом оболочки.
Известно устройство виброизоляции упругий пневматик [1], содержащее упругую оболочку 1 и полость 3, заполненную газом под давлением, например, воздухом (Фиг.1, б). Устройство имеет упругую характеристику, изображенную на Фиг.2, б. Демпфирование колебаний осуществляется в более широком диапазоне.
Недостатком является сильная нелинейность упругой характеристики и необходимость герметизации оболочки, в связи с чем устройство неприменимо для тяжелых объектов.
Из известных наиболее близким по технической сущности является устройство для гашения вибрации [2], содержащее заполненную сжатым газом емкость, снабженную балансирным грузом, закрепленным на мембране, разделяющей емкость на две полости, сообщающиеся через дроссельный канал.
Недостаток заключается в том, что устройство использует емкость со сжатым газом, находящимся под давлением, и требует крепления с защищаемым объектом.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение эксплуатационных возможностей за счет использования дискретных рабочих сред.
Это достигается тем, что в устройстве для гашения колебаний (Фиг.1, в), содержащем кольцевую камеру 1, заполненную дискретной рабочей средой 4, согласно предлагаемому изобретению дискретные рабочие среды, помещенные в упругую армированную оболочку, могут иметь разную степень уплотнения, от чего зависит степень демпфирования.
Заполнение внутреннего объема упругой армированной оболочки дискретной рабочей средой дает возможность получения практически любого вида упругой характеристики: линейной (слабонелинейной), мягкой и промежуточных, в зависимости от плотности заполнения.
Кроме того, введение дискретной рабочей среды снижает ударные нагрузки за счет диссипации энергии, происходящей в условиях сухого трения по границам зерен.
На фиг.1, в схематически изображен общий вид устройства для гашения колебаний.
Устройство (фиг.1, в) содержит:
1 - армированную упругую оболочку;
4 - дискретную рабочую среду;
Виды упругой характеристики (напряжение - деформация в приведенных единицах) приведены на фиг.2, в.
При этом дискретная рабочая среда 4 может иметь разную степень уплотнения, реализующую линейную (слабонелинейную) упругую характеристику (фиг.2, а) в случае уплотнения дискретной рабочей среды до теоретически плотнейшей степени, мягкую (фиг.2, б) при отсутствии дискретной рабочей среды, и промежуточные (фиг.2, в) в зависимости от плотности заполнения.
Работает устройство для гашения колебаний следующим образом.
При сжатии дискретная рабочая среда 4 ведет себя упруго, обеспечивая демпфирование колебаний, а при обратном ходе разуплотняется до исходного состояния, не допуская дополнительного растяжения ввиду невозможности нарушения сцепления между частицами.
Виртуальная внутренняя энергия (работа) объема дискретной среды 
Aд.с, вызывающая напряжения сжатия 
yy и сдвига xy, в соответствии с линейной теорией упругости определяется выражением
где yy - нормальные напряжения, xy - напряжения сдвига, 
- относительная деформация в нормальном направлении y, 
- сдвиг в соприкасающейся плоскости xy, a - характерный размер поперечного сечения оболочки в области заполнения дискретной средой, H - толщина слоя дискретной среды в ненагруженном состоянии.
Согласно теории упругости напряжения связаны с деформациями законом Гука [3]
yy=E1, xy=G1,
где 
модуль сдвига дискретной среды (коэффициент Пуассона принимается нулевым).
Для дискретной среды определяющие соотношения Гука остаются в силе лишь при сжатии, когда <0. При этом второе соотношение в нем справедливо для значений напряжений, меньших 
. Предполагается, что дальнейшее увеличение сдвига W приводит к проскальзыванию зерен дискретной среды с коэффициентом сухого трения f. Напряжения сдвига xy при проскальзывании равны по модулю 
. При растяжении, когда >0, все напряжения yy и xy равны нулю. Определяющие соотношения принимают вид:
yy=xy=0 при >0,
где sgn(j) - функция знака: sgn(j)=1 при j>0, sgn(j)=-1 при j<0.
Таким образом, включение дискретной среды внутрь армированной оболочки препятствует процессам растяжения, свойственным упругим системам виброзащиты, ограничивая процесс колебаний фазой сжатия и снижая амплитуду колебаний в два раза. Кроме того, цикл напряжений в устройстве при знакопеременном возмущающем воздействии является отнулевым с коэффициентом асимметрии r=0, который является более щадящим по сравнению с симметричным циклом r=-1 с точки зрения прочностных свойств конструкции [4].
Для всего устройства в целом (верхний и нижний слои армированной оболочки толщиной h каждый и слой дискретной среды толщиной Н) выражение для полной внутренней энергии (работы) имеет вид
где напряжения yyxy вычисляются по формулам определяющих соотношений.
Колебания описываются дифференциальным уравнением вида
которое имеет решение
- частота колебаний.
Диаметр, удельный вес частиц дискретной рабочей среды 4 и степень заполнения, а также размеры и материал упругой армированной оболочки 1, подбираются в зависимости от веса объекта виброударозащиты и заданного диапазона частот. Устройство для гашения колебаний должно выдерживать вес объекта виброударозащиты, и его собственная частота колебаний должна лежать вне заданного диапазона частот. В результате такой работы динамические нагрузки гасятся и демпфируются за счет диссипации энергии.
Устройство для гашения колебаний, содержащее кольцевую камеру, заполненную дискретной рабочей средой, отличающееся тем, что дискретная рабочая среда помещена в упругую армированную оболочку, при этом дискретная рабочая среда имеет разную степень уплотнения, реализующую линейную (слабонелинейную) упругую характеристику в случае уплотнения дискретной рабочей среды до плотнейшей степени, мягкую при отсутствии дискретной рабочей среды, и промежуточные в зависимости от плотности заполнения камеры, при этом диаметр, удельный вес частиц дискретной рабочей среды и степень заполнения, а также размеры и материал упругой армированной оболочки подбираются в зависимости от заданного диапазона частот.
