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.

В механике ударом называют механическое воздействие материальных тел, приводящее к конечному изменению скоростей их точек за бесконечно малый промежуток времени. Ударное движение — движение, возникающее в результате однократного взаимодействия тела (среды) с рассматриваемой системой при условии, что наименьший период собственных колебаний системы или ее постоянная времени соизмеримы или больше времени взаимодействия.

При ударном взаимодействии в рассматриваемых точках определяют ударные ускорения, скорость или перемещение. В совокупности такие воздействия и реакции называют ударными процессами. Механические удары могут быть одиночными, многократными и комплексными. Одиночные и многократные ударные процессы могут воздействовать на аппарат в продольном, поперечном и любом промежуточном направлениях. Комплексные ударные нагрузки оказывают воздействие на объект в двух или трех взаимно перпендикулярных плоскостях одновременно. Ударные нагрузки на ЛА могут быть как непериодическими, так и периодическими. Возникновение ударных нагрузок связано с резким изменением ускорения, скорости или направления перемещения ЛА. Наиболее часто в реальных условиях встречается сложный одиночный ударный процесс, представляющий собой сочетание простого ударного импульса с наложенными колебаниями.

Основные характеристики ударного процесса:

• законы изменения во времени ударного ускорения a(t), скорости V(t) и перемещения X(t) \ длительность действия ударного ускорения т - интервал времени от момента появления до момента исчезновения ударного ускорения, удовлетворяющий условию, а> ап, где ап - пиковое ударное ускорение;
• длительность фронта ударного ускорения Тф - интервал времени от момента появления ударного ускорения до момента, соответствующего его пиковому значению;
• коэффициент наложенных колебаний ударного ускорения - отношение полной суммы абсолютных значений приращений между смежными и экстремальными значениями ударного ускорения к его удвоенному пиковому значению;
• импульс ударного ускорения - интеграл от ударного ускорения за время, равное длительности его действия.

По форме кривой функциональной зависимости параметров движения ударные процессы разделяют на простые и сложные. Простые процессы не содержат высокочастотных составляющих, и их характеристики аппроксимируются простыми аналитическими функциями. Наименование функции определяется формой кривой, аппроксимирующей зависимость ускорения от времени (полусинусоидальная, косанусоидальная, прямоугольная, треугольная, пилообразная, трапецеидальная и т.д.).

Механический удар характеризуется быстрым выделением энергия, в результате чего возникают местные упругие или пластические деформации, возбуждение волн напряжения и другие эффекты, приводящие иногда к нарушению функционирования и к разрушению конструкции ЛА. Ударная нагрузка, приложенная к ЛА, возбуждает в нем быстро затухающие собственные колебания. Значение перегрузки при ударе, характер и скорость распределения напряжений по конструкции ЛА определяются силой и продолжительностью удара, и характером изменения ускорения. Удар, воздействуя на ЛА, может вызвать его механическое разрушение. В зависимости от длительности, сложности ударного процесса и его максимального ускорения при испытаниях определяют степень жесткости элементов конструкции ЛА. Простой удар может вызвать разрушение вследствие возникновения сильных, хотя и кратковременных перенапряжений в материале. Сложный удар может привести к накоплению микродеформации усталостного характера. Так как конструкция ЛА обладает резонансными свойствами, то даже простой удар может вызвать колебательную реакцию в ее элементах, также сопровождающуюся усталостными явлениями.

Механические перегрузки вызывают деформацию и поломку деталей, ослабление соединений (сварных, резьбовых и заклепочных), отвинчивание винтов и гаек, перемещение механизмов и органов управления, в результате чего изменяется регулировка и настройка приборов и появляются другие неисправности.

Борьба с вредным действием механических перегрузок ведется различными путями: увеличением прочности конструкции, использованием деталей и элементов с повышенной механической прочностью, применением амортизаторов и специальной упаковки, рациональным размещением приборов. Меры защиты от вредного воздействия механических перегрузок делят на две группы:

1. меры, направленные на обеспечение требуемой механической прочности и жесткости конструкции;
2. меры, направленные на изоляцию элементов конструкции от механических воздействий.

В последнем случае применяют различные амортизирующие средства, изолирующие прокладки, компенсаторы и демпферы.

Общая задача испытаний ЛА на воздействие ударных нагрузок состоит в проверке способности ЛА и всех его элементов выполнять свои функции в процессе ударного воздействия и после него, т.е. сохранять свои технические параметры при ударном воздействии и после него в пределах, указанных в нормативно-технических документах.

Основные требования при ударных испытаниях в лабораторных условиях — максимальная приближенность результата испытательного удара на объект к эффекту реального удара в натурных условиях эксплуатации и воспроизводимость ударного воздействия.

При воспроизведении в лабораторных условиях режимов ударного нагружения накладывают ограничения на0форму импульса мгновенного ускорения как функции времени (рис. 2.50), а также на допустимые пределы отклонений формы импульса. Практически каждый ударный импульс на лабораторном стенде сопровождается пульсацией, являющейся следствием резонансных явлений в ударных установках и вспомогательном оборудовании. Так как спектр ударного импульса в основном является характеристикой разрушающего действия удара, то наложенная даже небольшая пульсация может сделать результаты измерений недостоверными.

Испытательные установки, имитирующие отдельные удары с последующими колебаниями, составляют специальный класс оборудования для механических испытаний. Ударные стенды можно классифицировать по различным признакам (рис. 2.5!):

I — по принципу формирования ударного импульса;

II — по характеру испытаний;

III — по виду воспроизводимого ударного нагружения;

IV — по принципу действия;

V — по источнику энергии.

В общем виде схема ударного стенда состоит из следующих элементов (рис. 2.52): испытуемого объекта, укрепленного на платформе или контейнере вместе с датчиком ударной перегрузки; средства разгона для сообщения объекту необходимой скорости; тормозного устройства; системы управления; регистрирующей аппаратуры для записей исследуемых параметров объекта и закона изменения ударной перегрузки; первичных преобразователей; вспомогательных приборов для регулировки режимов функционирования испытуемого объекта; источников питания, необходимых для работы испытуемого объекта и регистрирующей аппаратуры.

Простейшим стендом для ударных испытаний в лабораторных условиях является стенд, работающий по принципу сбрасывания закрепленного на каретке испытуемого объекта с некоторой высоты, т.е. использующий для разгона силы земного тяготения. При этом форма ударного импульса определяется материалом и формой соударяющихся поверхностей. На таких стендах можно обеспечить ускорение до 80000 м/с2. На рис. 2.53, а и б приведены принципиально возможные схемы таких стендов.

В первом варианте (рис. 2.53, а) специальный кулачок 3 с храповым зубом приводится во вращение мотором. По достижении кулачком максимальной высоты H стол 1 с объектом испытания 2 падает на тормозные устройства 4, которые и сообщают ему удар. Ударная перегрузка зависит от высоты падения Н, жесткости тормозящих элементов к, суммарной массы стола и объекта испытания M и определяется следующей зависимостью:

Варьируя эта величины, можно получить различные перегрузки. Во втором варианте (рис. 2.53, б) стенд работает по методу сбрасывания.

Испытательные стенды, использующие гидравлический либо пневматический привод для разгона каретки, практически не зависят от действия гравитации. На рис. 2.54 показаны два варианта ударных пневматических стендов.

Принцип работы стенда с пневмопушкой (рис. 2.54, а) заключается в следующем. В рабочую камеру / подается сжатый газ. При достижении заданного давления, которое контролируется манометром, срабатывает автомат 2 освобождения контейнера 3, где размещен испытуемый объект. При выходе из ствола 4 пневмопушки контейнер контактирует с устройством 5, которое позволяет измерять скорость движения контейнера. Пневмопушка через амортизаторы крепится к опорным стойкам б. Заданный закон торможения на амортизаторе 7 реализуется за счет изменения гидравлического сопротивления перетекающей жидкости 9 в зазоре между специально спрофилированной иглой 8 и отверстием в амортизаторе 7.

Конструктивная схема другого пневматического ударного стенда, (рис. 2.54, б) состоит из объекта испытаний 1, каретки 2, на которой установлен объект испытаний, прокладки 3 и тормозного устройства 4, клапанов 5, позволяющих создавать заданные перепады давления газа на поршне б, и системы подачи газа 7. Тормозное устройство включается сразу же после соударения каретки и прокладки, чтобы предотвратить обратный ход каретки и искажение форм ударного импульса. Управление такими стендами может быть автоматизировано. На них можно воспроизвести широкий диапазон ударных нагрузок.

В качестве разгонного устройства могут быть использованы резиновые амортизаторы, пружины, а также, в отдельных случаях, линейные асинхронные двигатели.

Возможности практически всех ударных стендов определяются конструкцией тормозных устройств:

1. Удар испытуемого объекта с жесткой плитой характеризуется торможением за счет возникновения упругих сил в зоне контакта. Такой способ торможения испытуемого объекта позволяет получать большие значения перегрузок с малым фронтом их нарастания (рис. 2.55, а).

2. Для получения перегрузок в широком диапазоне, от десятков до десятков тысяч единиц, с временем нарастания их от десятков микросекунд до нескольких миллисекунд используют деформируемые элементы в виде пластины или прокладки, лежащей на жестком основании. Материалами этих прокладок могут быть сталь, латунь, медь, свинец, резина и т.д. (рис. 2.55, б).

3. Для обеспечения какого-либо конкретного (заданного) закона изменения п и т в небольшом диапазоне используют деформируемые элементы в виде наконечника (крешера), который устанавливается между плитой ударного стенда и испытуемым объектом (рис. 2.55, в).

4. Для воспроизведения удара с относительно большим путем торможения применяют тормозное устройство, состоящее из свинцовой, пластически деформируемой плиты, расположенной на жестком основании стенда, и внедряющегося в нее жесткого наконечника соответствующего профиля (рис. 2.55, г), закрепленного на объекте или платформе стенда. Такие тормозные устройства позволяют получать перегрузки в широком диапазоне n(t) с небольшим временем их нарастания, доходящим до десятков миллисекунд.

5. В качестве тормозного устройства может быть использован упругий элемент в виде рессоры (рис. 2.55, д), установленной на подвижной части ударного стенда. Такой вид торможения обеспечивает получение относительно малых перегрузок полусинусоидальной формы с продолжительностью, измеряемой миллисекундами.

6. Пробиваемая металлическая пластина, закрепленная по контуру в основании установки, в сочетании с жестким наконечником платформы или контейнера, обеспечивает получение относительно малых перегрузок (рис. 2.55, е).

7. Деформируемые элементы, установленные на подвижной платформе стенда (рис. 2.55, ж), в сочетании с жестким коническим уловителем обеспечивают получение длительно действующих перегрузок с временем нарастания до десятков миллисекунд.

8. Тормозное устройство с деформируемой шайбой (рис. 2.55, з) позволяет получать большие пути торможения объекта (до 200 — 300 мм) при малых деформациях шайбы.

9. Создание в лабораторных условиях интенсивных ударных импульсов с большими фронтами возможно при использовании пневматического тормозного устройства (рис. 2.55, ы). К числу достоинств пневмодемпфера следует отнести его многоразовое действие, а также возможность воспроизведения ударных импульсов различной формы, в том числе и со значительным заданным фронтом.

10. В практике проведения ударных испытаний широкое применение получило тормозное устройство в виде гидравлического амортизатора (см. рис. 2.54, а). При ударе испытуемого объекта об амортизатор его шток погружается в жидкость. Жидкость выталкивается через очко штока по закону, определяемому профилем регулирующей иглы. Изменяя профиль иглы, можно реализовать различный вид закона торможения. Профиль иглы можно получить расчетным путем, но при этом слишком трудно учесть, например, наличие воздуха в полости поршня, силы трения в уплотнительных устройствах и т.д. Поэтому расчетный профиль необходимо экспериментально корректировать. Таким образом, расчетно-экспериментальным методом можно получить профиль, необходимый для реализации любого закона торможения.

Проведение ударных испытаний в лабораторных условиях выдвигает и ряд специальных требований к монтажу объекта. Так, например, максимально допустимое перемещение в поперечном направлении не должно превышать 30% номинальной величины; как при испытаниях на ударную устойчивость, так и при испытаниях на ударную прочность изделие должно иметь возможность устанавливаться в трех взаимно перпендикулярных положениях с воспроизведением необходимого количества ударных импульсов. Разовые характеристики измерительного и регистрирующего оборудования должны быть идентичными в широком диапазоне частот, что гарантирует правильную регистрацию соотношений различных частотных составляющих измеряемого импульса.

Вследствие разнообразия передаточных функций различных механических систем один и тот же ударный спектр может быть вызван ударным импульсом различной формы. Это означает, что не существует однозначного соответствия некоторой временной функции ускорения и ударного спектра. Поэтому с технической точки зрения более правильно задавать технические условия на ударные испытания, содержащие требования к ударному спектру, а не к временной характеристике ускорения. В первую очередь это относится к механизму усталостного разрушения материалов вследствие накопления циклов нагружений, которые могут быть различными от испытаний к испытанию, хотя пиковые значения ускорения и напряжения будут оставаться постоянными.

При моделировании ударных процессов системы определяющих параметров целесообразно составлять по выявленным факторам, необходимых для достаточно полного определения искомой величины, которую иногда можно найти только экспериментальным путем.

Рассматривая удар массивного, свободно движущегося жесткого тела по деформируемому элементу относительно малого размера (например, по тормозному устройству стенда), закрепленному на жестком основании, требуется определить параметры ударного процесса и установить условия, при которых такие процессы будут подобными друг другу. В общем случае пространственного движения тела можно составить шесть уравнений, три из которых дает закон сохранения количества движения, два — законы сохранения массы и энергии, шестым является уравнение состояния. В указанные уравнения входят следующие величины: три компоненты скорости Vx Vy \ Vz> плотность р, Давление р и энтропия. Пренебрегая диссипативными силами и считая состояние деформируемого объема изоэнтропическим, можно исключить из числа определяющих параметров энтропию. Так как рассматривается только движение центра масс тела, то можно не включать в число определяющих параметров компоненты скоростей Vx, Vy; Vz и координаты точек Л", Y, Z внутри деформируемого объекта. Состояние деформируемого объема будет характеризоваться следующими определяющими параметрами:

• плотностью материала р;
• давлением р, которое целесообразней учитывать через величину максимальной местной деформации и Otmax, рассматривая ее как обобщенный параметр силовой характеристики в зоне контакта;
• начальной скоростью удара V0, которая направлена по нормали к поверхности, на которой установлен деформируемый элемент;
• текущим временем t;
• массой тела т;
• ускорением свободного падения g;
• модулем упругости материалов Е, так как напряженное состояние тела при ударе (за исключением зоны контакта) считается упругим;
• характерным геометрическим параметром тела (или деформируемого элемента) D.

В соответствии с тс-теоремой, из восьми параметров, среди которых три имеют независимые размерности, можно составить пять независимых безразмерных комплексов:

Безразмерные комплексы, составленные из определяемых параметров ударного процесса, будут некоторыми функциями независимы] безразмерных комплексов П1 — П5.

К числу определяемых параметров относятся:

• текущая местная деформация а;
• скорость тела V;
• контактная сила Р;
• напряжение внутри тела а.

Следовательно, можно записать функциональные соотношения:

Вид функций /1, /2, /э, /4 может быть установлен экспериментально, с учетом большого количества определяющих параметров.

Если при ударе в сечениях тела за пределами зоны контакта не появляются остаточные деформации, то деформация будет иметь местный характер, и, следовательно, комплекс Я5 = рУ^/Е можно исключить.

Комплекс Jl2 = Pttjjjax) ~ Cm называется коэффициентом относительной массы тела.

Коэффициент силы сопротивления пластическому деформированию Cp связан непосредственно с показателем силовой характеристики N (коэффициентом податливости материала, зависящим от формы соударяющихся тел) следующей зависимостью:

где р — приведенная плотность материалов в зоне контакта; Cm = т/(ра?) — приведенная относительная масса соударяющихся тел, характеризующая отношение их приведенной массы M к приведенной массе деформируемого объема в зоне контакта; xV — безразмерный параметр, характеризующий относительную работу деформирования.

Функцией Cp - /з(Я1(Яг, Я3, Я4) можно воспользоваться для определения перегрузок:

Если обеспечить равенство числовых значений безразмерных комплексов IJlt Я2, Я3, Я4 для двух ударных процессов, то эти условия, т.е.

будут представлять собой критерии подобия данных процессов.

При выполнении указанных условий одинаковыми будут и числовые значения функций /ь/г./з» Л» те- в сходственные моменты времени -V CtZoimax- const; ^r= const; Cp = const, что и позволяет определять параметры одного ударного процесса простым пересчетом параметров другого процесса. Необходимые и достаточные требования физического моделирования ударных процессов можно сформулировать следующим образом:

1. Рабочие части модели и натурного объекта должны быть геометрически подобными.
2. Безразмерные комплексы, составленные из определяющих пара, метров, должны удовлетворять условию (2.68). Вводя масштабные коэффициенты.

Необходимо иметь в виду, что при моделировании только параметров ударного процесса напряженные состояния тел (натуры и модели) будут обязательно различными.

Если удары имеют периодический характер, то спектр колебаний не будет расширяться, поскольку спектр будет вписываться в кривую общего спектра. После удара аппарат и его элементы начинают колебаться на собственных резонансных частотах. Эти колебания имеют затухающий характер. На практике длительность удара ограничивается несколькими миллисекундами, а ускорение может достигать 100 150g .

Любой элемент, конструкция или блок РЭА имеют собственные резонансные частоты, на которых элементы подвергаются сильному разрушающему воздействию. Удар

τ и = T .

(резисторы, конденсаторы,…) – сотни и тысячи Гц.

Меры способы реализации виброизоляции в РЭА.

Безотказность функционирования аппаратуры является одной из основных задач конструктора, которую он постоянно должен иметь в виду при проектировании РЭА, подвергающейся воздействию окружающей среды.

Применение элементов и материалов, которые отвечают заданным условиям эксплуатации РЭА, улучшение технологии изготовления, введение более жёстких норм контроля позволяют повысить виброустойчивость до некоторых пределов. Кроме перечисленных общих, для борьбы с вибрациями применяют следующие специальные меры:

- уменьшение уровней вибрации встроенных в РЭА блоков реле, двигателей и т.д.;

- устранение резонансов, то есть, предотвращение совпадения частоты возбуждающих сил с собственной частотой элементов и блоков РЭА;

- изоляция чувствительных к вибрации объектов от вибровозмущений с помощью упругодемпфирующих элементов (амортизаторов).

Эти меры относятся к так называемым конструктивным методам и осуществляются при проектировании чувствительных к вибрации объектов и их носителей. Конструктивные методы повышения виброустойчивости и вибропрочности аппаратуры разрабатываются исходя из условий эксплуатации изделий. При этом основная задача конструктора состоит в том, чтобы выбрать такое расположение применяемых элементов, при котором механические нагрузки, испытываемые элементами, будут наименьшими. Так, для получения виброустойчивой конструкции, применяют метод сравнения спектров ускорений конструкции и элементов. Элементы, наиболее чувствительные к вибрациям, располагают на жёстких участках шасси. Если максимально допустимые ускорения элементов меньше ускорений шасси, то необходимо увеличить жёсткость и демпфирование шасси.

Существенное значение имеет способ крепления радиоэлементов. Как правило, при монтаже РЭА, работающей в условиях сильных вибраций, используются мастики различных типов.

Другим конструктивным методом снижения вибраций является изменение жёсткости конструкции. При этом изменяется соотношение между частотами возбуждения и собственными колебаниями упругого элемента. Так как резонансная зона обычно распространяется на узкую область вблизи частоты собственных колебаний, достаточно изменить соотношение между частотами возбуждения и собственных колебаний конструктивного элемента на 5-10%, чтобы резонансные колебания полностью прекратились.

Однако вышеизложенные методы конструктивного снижения уровня вибраций делают конструкцию дороже, утяжеляют её и часто снижают технологичность.

Для эффективной борьбы с вибрациями и ударами применяют виброизоляцию РЭА. Сущность виброизоляции заключается в том, что между защищаемым объектом и вибрирующей поверхностью помещаются виброизоляторы – амортизаторы, которые ослабляют вибрационные воздействия на защищаемый объект. Требования к амортизаторам определяются условиями эксплуатации. Любой амортизатор включает три основных функциональных элемента: направляющее устройство, упругий элемент и демпфер.

Амортизация является наиболее распространённым средством защиты аппаратуры от вибрации и удара. Однако она имеет ряд особенностей, без учёта которых нельзя достичь желаемого эффекта.

Амортизацией принято называть систему упругих опор, на которые устанавливается объект с целью защиты его от внешних динамических воздействий. Основное свойство таких опор (амортизаторов) заключается в том, что колебания несущей конструкции, возникающие в результате действия внешних вибраций и ударов, передаются аппаратуре через упругие опоры в значительной мере ослабленными. Это свойство амортизаторов имеет свои ограничения, связанные с особенностями поведения упругой конструкции.

В результате установки аппаратуры на упругие амортизаторы получается

колебательная система, образованная амортизированным объектом и его упругими опорами. Положительный эффект амортизации обеспечивается правильным выбором характеристики этой системы, позволяющей лучшим образом использовать её свойства.

В настоящее время известно много конструктивных видов амортизаторов,

предназначенных для работы в самых разнообразных условиях. Не все они равнозначны по своим техническим характеристикам и эксплуатационным возможностям. Некоторые из них хорошо себя зарекомендовали, выпускаются серийно на протяжении многих лет и используются в различных отраслях техники. Применение других в силу конструктивных особенностей сильно ограничено.

Разработка амортизаторов, способных защитить аппаратуру от вибраций и ударов и вместе с тем обладающих ограниченными габаритами, составляет достаточно сложную техническую задачу. Проектирование системы амортизации также является задачей, требующей внимательного подхода. Успех решения всех этих вопросов возможен только при всестороннем учёте конструктивных особенностей амортизаторов и аппаратуры, а также при правильной оценке характера динамических воздействий носителя.

Теоретическая сторона проектирования системы амортизации основывается на общих положениях теории колебаний и теории удара. Большое распространение получила линейная интерпретация задач о малых колебаниях упруго опертого тела. Это объясняется в основном стройностью и завершённостью математического аппарата, используемого при решении задачи.

Расчёт системы амортизации на воздействие вибрационной нагрузки.

Основная цель расчёта системы амортизации на воздействие вибрационной нагрузки состоит в том, чтобы определить частоты собственных колебаний системы, параметры

вынужденных колебаний амортизируемого блока по известным параметрам колебаний основания и установить эффективность виброизоляции системы амортизации.

Для аналитического описания существующих воздействий рассмотрим вынужденные колебания с вязким демпфированием. Вязкое демпфирование означает, что сила сопротивления прямо пропорциональна скорости блока. При этом можно рассматривать силовое и кинематическое возмущение. Аппаратура чаще всего подвергается кинематическому возмущению.

Числом степеней свободы амортизированного объекта называют минимальное число независимых координат, необходимых для полного определения положения всех точек системы в любой момент времени. Хотя для реальных механических систем это число всегда бесконечно велико, то в ряде случаев практически достаточен учёт конечного числа существенных степеней свободы. Чаще всего оно равно числу возможных независимых перемещений.

В лабораторной работе для исследования предлагается упругая система с одной степенью свободы (Рис. П.2). В ней исследуются вынужденные колебания с вязким демпфированием при кинематическом возмущении.

Для исследования таких систем обычно вводятся следующие рациональные допущения и ограничения:

- динамическое воздействие на амортизируемый объект совершается только прямолинейно и вдоль одной из осей координат;

- масса основания настолько больше массы амортизируемого объекта, что обратным влиянием можно пренебречь;

- масса упругого элемента настолько меньше массы амортизируемого объекта, что ею можно пренебречь;

- масса амортизируемого объекта, коэффициент жёсткости и коэффициент демпфирования упругого элемента являются величинами постоянными, не изменяющимися во времени;

- сила упругости пропорциональна деформации амортизатора; сила сопротивления амортизатора пропорциональна первой степени скорости смещения амортизируемого объекта;

Таким образом, тело массой m может перемещаться в направлении оси Z так, что его

положение полностью определяется единственной координатой z.

Возмущение колебательной системы, показанной на рис. П.2, может быть вызвано в результате движения основания.

Дифференциальное уравнение движения такой системы m z ′′ + h ∑ (z ′ − ξ ′(t ) ) + k ∑ (z − ξ (t )) = 0

где: h ∑ - коэффициент трения демпфера, k ∑ - коэффициент упругости пружин,

колебание с собственной частотой затухнет, определяется перемещением массы объекта m

z = 1 A sin (ω t − ψ ) ,

где коэффициент динамичности (в других литературных источниках этот коэффициент может носить название коэффициент ослабления или виброизоляции) определяется из уравнения

Ω 2

Ω 2

2 ζ Ω 2

Здесь: а - амплитуда вибросмещения амортизируемого объекта; А - амплитуда вибросмещения основания;

	Коэффициент демпфирования амортизаторов;

2 m ω o

ω o - угловая частота собственных колебаний.

На практике в большинстве случаев рассчитать собственные резонансные частоты не представляется возможным, так как не всегда известны все переменные входящие в исходное выражение. Поэтому частоты либо определяют экспериментально, либо пользуются приближёнными методами расчётов для простейших систем с одной степенью свободы.

Примем (для упрощения расчёта), что линейная система с одной степенью свободы, в зарезонансной области является не демпфированной (D=0). При этом уравнение движения амортизируемого блока существенно упрощается.

Выражение, определяющее коэффициент динамичности примет вид:

		Ω 2 −1

Для расчёта собственных резонансных частот колебания необходимо знать массу объекта и коэффициент упругости амортизатора К (или статический прогиб δ СТ и

амплитуду вибросмещения основания А)

		f o =					250 A
			2 π				δ СТ
		ускорение свободного падения (g = 9810 мм/с2 );
	К - коэффициент упругости амортизатора (кг/мм);
		вес груза (кг);

А - амплитуда вибросмещения стола (мм);

δ СТ - статический прогиб (мм).

Отношение ζ = h ∑ / h кр называется относительным коэффициентом затухания.

Величина h kp вычисляется по формуле h кр = 2 k ∑ m

Наиболее полное представление о работе системы амортизации даёт её частотная характеристика, которая представляет собой график зависимости коэффициента динамичности от отношения частоты действующих колебаний к частоте собственных колебаний системы η = Ω / ω o .

С ростом частоты возмущающих колебаний после перехода через резонанс амплитуда вынужденных колебаний уменьшается (рис.П.3). Кроме того, чем меньше коэффициент демпфирования h, тем сильнее проявляется резонанс.

Применение демпфирования в системе приносит пользу вне резонансной области, снижая амплитуду вынужденного колебания. В резонансной области оно несколько ухудшает работу амортизации, так как увеличивает амплитуду колебаний по сравнению со случаем, когда h = 0.

Область частот η < 2 , где 1/ γ ≥ 1, является резонансной. С ростом частоты

η .

Таким образом, амортизаторы выполняют свою виброизолирующую функцию, лишь, когда частоты возмущающих колебаний не менее, чем в 2 раза больше частоты их собственных колебаний. Естественно, что в области резонанса амортизаторы ухудшают условия работы амортизируемого тела.

Поэтому, основное условие виброизоляции сводится к тому, чтобы собственная частота f o колеблющейся системы была меньше низшей частоты спектра воздействий.

Амортизаторы и их характеристики.

1. Общие требования, предъявляемые к конструкции амортизаторов.

Сложные динамические и климатические условия эксплуатации амортизированной РЭА в сочетании с жёсткими требованиями к надёжности её работы накладывают серьёзные ограничения на выбор амортизаторов.

Характеристики амортизаторов, их конструкции и материалы, из которых выполнены детали, - всё это должно соответствовать основному требованию обеспечения надёжной защиты аппаратуры от динамических воздействий.

При разработке амортизатора необходимо стремиться к тому, чтобы он не только обеспечивая удовлетворительную изоляцию вибрации и ударов, но и был компактным, стойким к различного рода климатическим и другим воздействиям, выдерживал значительное число циклов динамических и климатических воздействий без повреждения.

Вследствие того, что на современных транспортных средствах одновременно действуют как установившиеся вибрации, так и периодические удары, проблема конструирования амортизаторов бортовой РЭА является весьма сложной. Требования, предъявляемые к амортизаторам, предназначенным для защиты от ударов, часто не согласуются с требованиями к виброизолирующим амортизаторам.

Амортизаторы для изоляции вибрации и удара представляют собой две основные разновидности упругих амортизаторов. Они имеют различное назначение и не являются взаимно заменяемыми, хотя внешне и очень похожи. Для защиты бортовой аппаратуры чаще всего применяются виброизолирующие амортизаторы.

Всё многообразие технических требований, предъявляемых к амортизаторам, можно подразделить на три группы. Первая группа требований устанавливает параметры динамических воздействий, вторая – характеризует климатические условия эксплуатации и третья – параметры конструкции. В зависимости от частоты собственных колебаний все амортизаторы бортовой РЭА можно разделить на низкочастотные, среднечастотные,

высокочастотные и амортизаторы специального назначения.
	собственных колебаний номинально		нагруженного	амортизатора
направлении	не должна превышать для низкочастотного 3..4 Гц, для среднечастотного
8..10 Гц, для	высокочастотного 20..25	Гц, для специальных амортизаторов – любой из
указанных пределов в зависимости от назначения.
Диапазон частот возмущающих		колебаний,	в котором	амортизаторы

обеспечивать надёжную виброизоляцию аппаратуры, обычно составляет: для низкочастотных 5..2500 Гц, для среднечастотных 15..2500 Гц и для высокочастотных

Предельные значения вибрационного ускорения на высоких частотах не превышают 15g, максимальное ускорение многократного действия достигает 12g. Амортизаторы должны обеспечивать защиту бортовой радиоэлектронной аппаратуры от вибраций и ударов, действующих под любым углом к плоскости опорного основания.

Температура, давление, влажность, морской туман, пыль, плесневые грибки, радиация и другие виды внешних воздействий не должны оказывать существенного влияния на работу амортизатора.

По параметрам механической надёжности амортизаторы должны выдерживать воздействие вибрации в заданном диапазоне частот в течение времени, эквивалентного гарантийному сроку службы, и испытания на резонансной частоте при амплитуде смещения не менее 1 мм. После испытания на механическую надёжность амортизаторы должны сохранять свою работоспособность.

Конструкция амортизаторов должна обеспечивать возможность использования их как в опорной, так и подносной схемах нагружения, а также под углом. Для этого амортизаторы должны быть снабжены соответствующими фланцами с необходимым количеством отверстий для крепления на месте монтажа, а также соответствующими устройствами для крепления блоков или подблочных рам с помощью винтов.

Амортизаторы должны быть технологичными и рассчитаны на крупносерийное или массовое производство. Они должны обладать минимально возможным весом, удовлетворять удобству монтажа и быть взаимозаменяемыми.

Приведённые требования являются результатом опыта эксплуатации амортизированной аппаратуры и относятся к вновь разрабатываемым конструкциям амортизаторов.

Не все выпускаемые амортизаторы в одинаковой мере отвечают указанным требованиям.

Конструктивные схемы построения амортизаторов бывают самые разнообразные, но любой из них обязательно содержит упругий элемент (или упругие элементы), детали (или

деталь, обладающая большой податливостью и способная служить механическим фильтром частот колебаний. Он выполняется из эластичного материала (натуральной или синтетической резины), либо из пружинной стали или бериллиевой бронзы. Упругие элементы из эластичного материала имеют самую разнообразную форму. Обычно это монолит, работающий на сжатие, растяжение, сдвиг или кручение. Упругие металлические элементы могут изготавливаться в виде витой пружины (цилиндрической, конической или экспоненциальной), троса или металлической структуры (путанки или плетёнки из тонкой проволоки). Чаще всего они работают на сжатие, хотя известны и другие случаи

внутреннего трения в материале, как, например, в резине или металлических пружинах. Однако такое демпфирование обычно бывает слабым, особенно в пружинах.

Стремление увеличить демпфирование в амортизаторах, которые были бы нечувствительны к изменениям внешних условий, привело к появлению амортизаторов, имеющих специальные устройства для рассеяния энергии колебаний. Эти устройства рассеивают колебательную энергию в результате трения, возникающего при взаимном перемещении деталей. При этом возможно «вязкое» (воздушное или гидравлическое) или фрикционное («сухое») трение.

Следовательно, в зависимости от типа упругого элемента амортизаторы можно классифицировать на: резиновые и пружинные. По виду демпфирования - на амортизаторы с внутренним демпфированием в упругом материале, с воздушным, фрикционным и структурным демпфированием.

Таким образом, амортизаторы могут быть разделены на следующие четыре основные группы:

- резинометаллические амортизаторы,

- амортизаторы пружинные с воздушным демпфированием,

- амортизаторы пружинные с фрикционным демпфированием,

- цельнометаллические амортизаторы со структурным демпфированием.

В лабораторной работе, в качестве характеристик для всех используемых амортизаторов, взяты:

ном [Н];

- максимальное смещение d [мм];

- статический коэффициент жёсткости k [кг/мм];

- коэффициент демпфирования h [Нс/м].

2. Резинометаллические амортизаторы .

Резинометаллические амортизаторы являются наиболее ранними конструкциями,

разработанными для защиты бортовой аппаратуры. Широкое применение резины для изготовления амортизаторов объясняется присущими ей физико-механическими свойствами.

Резиновые изделия могут иметь любые размеры и разнообразную конфигурацию, путём вулканизации прочно соединяются с металлической арматурой, что позволяет изготовлять амортизаторы с различными характеристиками, в том числе и с нелинейными. Резинометаллические амортизаторы компактны, просты, несложны в производстве, могут быть установлены под любым углом к направлению действия нагрузки.

Резина способна выдержать большие относительные деформации, которые полностью или в очень значительной степени могут быть упругими, обладает внутренним трением, обеспечивающим поглощение энергии колебаний, когда они связаны с деформированием резиновых деталей конструкции. У различных марок резин эти свойства различны.

К недостаткам резинометаллических амортизаторов следует отнести сравнительно высокую частоту собственных колебаний (20..33 Гц). Резина не способна долгое время выдерживать большие деформации, по истечении некоторого времени характеристики амортизатора ухудшаются. Явление изменения физико-механических характеристик резин во времени известно под названием «старение». Старение является преимущественно химическим процессом. Оно происходит под влиянием атмосферных воздействий, солнечных лучей и различных агрессивных сред, например, паров топлива и масел. Скорость старения в значительной степени зависит от напряжённого состояния резины. Незащищённая поверхность резинового амортизатора, подвергнувшаяся старению, становится более твёрдой, теряет эластичность и прочность и покрывается мелкими волосовидными трещинами. Для защиты от старения резиновый массив амортизаторов иногда подвергают воскованию.

Резинометаллические амортизаторы в настоящее время находят весьма ограниченное применение в бортовой радиоэлектронной аппаратуре. Это объясняется в основном их температурными ограничениями и, в некоторой степени, недостаточным внутренним демпфированием. Однако возможности резинометаллических амортизаторов ещё далеко не исчерпаны.

Рис.П.4 Амортизатор типа «АЧ»

Об этом говорит не только обширная номенклатура выпускаемых серийных амортизаторов, но и обилие латентных заявок на амортизаторы, основным упругим

низких частотах до 0.002 мм на высоких частотах.

Амортизаторы относятся к группе среднечастотных, при номинальной нагрузке частота собственных колебаний в вертикальном направлении 10-15 Гц и в горизонтальном направлении 15-25 Гц.

К недостаткам амортизаторов можно отнести следующее. Резина плохо переносит действие радиации и солнечных лучей. После пребывания на солнце в течение 20 ч поверхность резинового массива покрывается мелкими трещинами, приводящими к разрушению амортизатора. Амортизаторы весьма чувствительны к низким температурам. При температуре около -30о С амортизаторы начинают затвердевать, упругость их уменьшается на 50%, жёсткость повышается, частота собственных колебаний возрастает. При температуре -60о С они полностью затвердевают и делаются непригодными для виброизоляции. Только после продолжительной работы при частоте 50 Гц и выше амортизаторы начинают немного разогреваться, при этом частично восстанавливаются их виброизолирующие свойства.

В результате старения резины при хранении амортизаторов в течение шести месяцев их жёсткость может увеличиться на 15%. Амортизатор обладает невысокой вибропрочностью и может выходить из строя из-за недостаточно прочного присоединения арматуры к резиновому массиву. Поэтому допустимое статическое напряжение на поверхности при вулканизации резины к металлической арматуре не превышает 35 Н/см2 . Средняя вибропрочность амортизатора составляет 40-50 ч.

3. Амортизаторы пружинные с воздушным демпфированием .

Если в резинометаллических амортизаторах резиновый массив работает и как упругий элемент, и как демпфирующий, то в пружинном амортизаторе с воздушным демпфированием эти функции разделены между двумя самостоятельными элементами. В качестве этого элемента такой амортизатор обычно имеет спиральную пружину с цилиндрическим, коническим или экспоненциальным профилем. Экспоненциальная пружина обеспечивает равночастотность амортизатора. Пружина, по существу, не обладает заметным внутренним трением. Её собственные колебания затухают очень медленно. Поэтому в амортизаторах стальная пружина заключена в резиновый баллончик с калиброванным

резинометаллические амортизаторы. Частоты собственных колебаний амортизаторов в

На более низких частотах наступает резонанс, воздушное демпфирование даже при нормальных окружающих условиях не обеспечивает полного эффекта.

Амортизаторы могут использоваться преимущественно в системах, обеспечивающих статическую нагрузку вдоль оси амортизатора. Вибрационную нагрузку в боковом направлении амортизаторы могут воспринимать при соблюдении некоторых ограничений. Использование воздуха в демпфере приводит к тому, что при изменении климатических условий (температура, влажность), а также при увеличении высоты полёта качество демпфирования значительно ухудшается и практически может совсем исчезнуть.

В лабораторной работе используются амортизаторы типа АД (рис.П.5).

Рис. П.5 Амортизатор типа АД.

В амортизаторах данного типа применена фасонная пружина, обеспечивающая равночастотность амортизатора, то есть при нагружении пружины различным весом (в

70о С. В условиях низких температур колебания амортизаторов иногда носят явно выраженный апериодический характер. Частоты собственных колебаний амортизаторов в условиях низких температур и пониженных давлений несколько возрастают вследствие увеличения упругости подмороженного резинового демпфера. Высокая температура окружающей среды, как показали исследования, на работу амортизаторов не влияет.

Амортизаторы АД могут работать при атмосферном давлении 190 мм Hg и влажности 95..98% при температуре +20о С.

Согласно техническим условиям амортизаторы предназначены для эксплуатации в

испытания и опыт эксплуатации показывают, что амортизаторы АД способны удовлетворительно работать в условиях вибрации до 2000 Гц при ускорении на высоких частотах до 10g.

В нормальных условиях частоты собственных колебаний нагруженных амортизаторов находятся в пределах 8..10 Гц. Испытания амортизаторов АД на ударную нагрузку выявили сравнительно удовлетворительные качества. Применяя эти амортизаторы, можно в некоторых случаях снизить ударные ускорения примерно в 2,8 раза.

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.

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

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 Хабаровск – Розенгартовка

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 (альбом чертежей, лист 6)...

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

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

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 (альбом чертежей, лист 6)...

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

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

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 (альбом чертежей, лист 6)...

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...