Устройство для амортизации

Устройство для амортизации предназначено для гашения колебаний и пиковых нагрузок в широком диапазоне частот за счет использования дискретных рабочих сред. Устройство для амортизации состоит из внутреннего резервуара, заполненного дискретной рабочей средой, например, стальной дробью диаметром 0,61,0 мм, и штоков сложного геометрического профиля, жестко соединенных с внешним резервуаром. В нижней части внутреннего резервуара имеется упругая подложка. Амортизатор работает следующим образом: штоки при движении в резервуаре, заполненном дискретной рабочей средой, обеспечивают демпфирование колебаний за счет сил сухого трения между своей рельефной поверхностью и частицами дискретной рабочей среды, а также между частицами среды при принудительном перемешивании.

Устройство относится к области специальной техники и может быть использовано для технического оснащения военной техники, а также в качестве амортизационного устройства транспортных средств, не связанных с перевозкой пассажиров, например, грузовых прицепов.

Известны устройства - амортизаторы, использующие элементы, наполненные жидкостью или газом под давлением, для гашения колебаний [1-3]. Существует ряд разработок с дополнительными плавающими поршнями, использующих запатентованные решения. Устройства содержат компенсационную и рабочую полости, поршень, систему клапанов и осуществляют функцию амортизации за счет перетекания жидкости между полостями. Гидравлические амортизаторы оснащаются системами уплотнения и охлаждения.

В коротком двухтрубном амортизаторе немецкой фирмы «Боге» специального исполнения с газовым элементом в увеличенной компенсационной полости, заполненной жидкостью, герметичный газовый элемент (оболочка) выполнен из нейлона, заполнен газом, и допускает установку амортизатора в любом положении за счет того, что компенсационная полость может быть целиком заполнена жидкостью [4].

Недостатками устройств-прототипов является наличие элементов, наполненных газом или жидкостью под давлением, поэтому особые требования предъявляются к материалам элементов амортизатора и качеству герметизации.

Наиболее близким по технической сущности является двухкаскадный амортизатор, содержащий промежуточные массы в виде резервуаров, разделенных на ячейки, заполненные сыпучим материалом [5]. Амортизатор снабжен размещенными в каждой ячейке дисками с соединяющими их штоками. Недостатком является слабое демпфирование, которое осуществляется только за счет упругих свойств сыпучего материала при перемещении дисков, которое может оказаться достаточным при пуске-останове оборудования, но недостаточно эффективным в условиях длительных вибрационных и циклических ударных воздействий. Кроме того, амортизатор имеет малый ход и требует регулировки для настройки силы демпфирования на оптимальный режим.

Техническим результатом предлагаемого устройства является расширение эксплуатационных возможностей за счет использования дискретных рабочих сред, повышение безопасности за счет снижения требований к материалам полостей, а также упрощение устройств.

Это достигается тем, что амортизатор содержит резервуар, заполненный дискретной рабочей средой и штоки сложного геометрического профиля, размеры выступов и впадин поверхности которых соразмеримы с размерами фракций дискретной рабочей среды. Резервуар помещен внутрь пружины, имеет штатное крепление и обычный ход.

Заполнение резервуара дискретной рабочей средой, например, стальной дробью диаметром 0,61,0 мм, дает возможность снизить требования к степени его герметизации. Кроме того, установка амортизатора внутри пружины обеспечивает достаточную жесткость конструкции и сопротивление изгибающим моментам.

Введение дискретной рабочей среды, например, стальной дроби диаметром 0,61,0 мм, и штоков сложного геометрического профиля обеспечивает гашение колебаний и ударные нагрузки за счет диссипации энергии, происходящей между поверхностью штока и частицами среды и по границам зерен дискретной рабочей среды.

Устройство для амортизации (фиг.1) состоит из внутреннего резервуара 7, заполненного дискретной рабочей средой 2, например, стальной дробью диаметром 0,61,0 мм, и штоков 3 сложного геометрического профиля, жестко соединенных с внешним резервуаром 4. В нижней части внутреннего резервуара 1 имеется упругая подложка 5.

Амортизатор работает следующим образом: штоки 3 при движении в резервуаре 1, заполненном дискретной рабочей средой 2, обеспечивают демпфирование колебаний за счет сил сухого трения между своей рельефной поверхностью и частицами дискретной рабочей среды, а также между частицами среды при принудительном перемешивании. При прямом ходе дискретная рабочая среда 2 в зоне контакта со штоками 3 при их внедрении сжимается и ведет себя упруго, обеспечивая демпфирование колебаний за счет упруго-диссипативных свойств, а при обратном ходе разуплотняется до исходного состояния, не допуская нарушения сплошности, обеспечивая гашение колебаний. В целом диссипация энергии вызывается движением частиц дискретной рабочей среды 2 и сухого трения по поверхности контакта со штоками 3.

В результате такой работы динамические нагрузки гасятся и демпфируются.

Модель амортизатора с дискретными рабочими средами представляет собой колебательную систему, в которой на объект массой М действуют упруго-диссипативная сила, реализуемая дискретной рабочей средой. Упругие свойства среды моделируются приведенным коэффициентом жесткости с, а диссипативные - силой кулонова трения b. Если на массу М действует гармоническая сила P₀cos(t+), то дифференциальное уравнение движения системы имеют вид [6]:

или

ÿ+p² y+a=A₀cos(t+),

где , , .

Закон безостановочного движения определяется формулой

где y_max - амплитуда за половину периода колебаний

При больших значениях силы кулонова фения, которая возникает при внедрении поршня сложного геометрического профиля в объем дискретной рабочей среды, при достижении диссипативной силой предельного нижнего значения объект в условиях сухого трения прекращает колебательное движение, попадая в зону застоя, и возобновляет движение в противоположном направлении только тогда, когда диссипативная сила превысит нижнее предельное значение. На фиг.2 приведен график движения. Данная математическая модель хорошо согласуется с экспериментальными данными, полученными в ходе исследований.

Применение предлагаемого амортизатора приводит к гашению пиковых нагрузок и колебаний во всем диапазоне частот, в том числе в области резонанса.

Устройство для амортизации, содержащее резервуар, заполненный дискретной рабочей средой, и штоки сложного геометрического профиля, жестко соединенные с внешним резервуаром, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности и расширения условий применения, вместо амортизационной жидкости или газа, находящегося под давлением, резервуар заполняется дискретной рабочей средой, например стальной дробью диаметром 0,61,0 мм, а размеры рельефа поверхности штока соразмеримы с размерами фракций дискретной рабочей среды, при этом в нижней части внутреннего резервуара имеется упругая подложка, например, из резины.