Құрылымдардағы дірілді азайтуға арналған құрылғы

Кіріспе

Абдыратылған массалық демпфер (АМД), сондай-ақ гармониялық сіңіргіш немесе сейсмикалық демпфер деп те аталады, – бұл механикалық дірілді азайту үшін құрылымдарға орнатылатын құрылғы. Ол бір немесе бірнеше демпферленген серіппелерге бекітілген массадан тұрады. Оның діріл жиілігі орнатылған нысанның резонанстық жиілігіне жақын етіп реттеледі, бұл нысанның максималды амплитудасын азайтады, ал құрылғының өзі нысаннан әлдеқайда жеңіл болады. АМД ыңғайсыздыққа, зақымдануға немесе құрылымның толық бұзылуына жол бермейді. Олар электр энергиясын беру, автомобильдер және ғимараттарда жиі қолданылады.

Принцип

Түндетілген массалық демпферлер гармоникалық дірілден туындаған күшті қозғалысқа қарсы тұрақтайды. Олар жүйенің дірілін азайту үшін салыстырмалы түрде жеңіл компонентті пайдаланады, осылайша оның ең нашар жағдайдағы дірілінің қарқындылығы төмендейді. Шамамен айтқанда, практикалық жүйелер негізгі режимді алаңдатарлық қоздыру жиілігінен алыстату үшін, немесе тікелей демптеу қиын немесе қымбат болатын резонансқа демпфинг қосу үшін реттеледі. Соңғысының мысалы – коленвалдың бұрылыс демпфері. Массалық демпферлер көбінесе механикалық кинетикалық энергияны жылуға айналдыратын, автомобильдік амортизаторға ұқсас, үйкеліс немесе гидравликалық компоненттермен жүзеге асырылады. Массасы m1 болатын мотор, моторлық тіреулер арқылы жерге бекітілгенде, жұмыс істегенде дірілдейді, ал жұмсақ моторлық тіреулер қатарлас серіппе және демпфер ретінде, k1 және c1 болып әрекет етеді. Моторлық тіреулерге түсетін күш F0 болып табылады. Мотордың жылдамдық диапазонында жұмыс істеген кезде моторлық тіреулерге түсетін максималды күшті азайту үшін, кіші масса m2, серіппе және демпфер, k2 және c2 арқылы m1-ге қосылады. F1 – мотордың жұмыс істеуінен туындаған моторға түсетін тиімді күш. График негізгі массаға m1 күш бірлігі амплитудасымен қоздырылатын қарапайым серіппе-масса-демпфер жүйесіне үйлесімді массалық демпфердің әсерін көрсетеді. Тиімділіктің маңызды өлшемі – моторлық тіреулерге түсетін күш пен моторды дірілдетіп тұрған күш арақатынасы. Бұл жүйе сызықтық деп есептеледі, сондықтан моторға түсетін күш екі еселенсе, моторлық тіреулерге түсетін күш те екі еселенеді. Көк сызық бастапқы жүйені көрсетеді, шамамен 9 бірлік жиілікте 9 бірлік күштің максималды жауабы бар. Қызыл сызық бастапқы массаның 10% құрайтын үйлесімді массаны қосудың әсерін көрсетеді. Оның максималды жауабы 5,5, жиілігі 7. Қосымша әсер ретінде, оның екінші қалыпты режимі бар және шамамен 6-дан төмен және 10-нан жоғары жиіліктерде бастапқы жүйеге қарағанда әлдеқайда көп дірілдеуге бейім. Екі шыңның биіктігін үйлесімді массалық демпфердегі серіппенің қатаңдығын өзгерту арқылы реттеуге болады. Демпфингті өзгерту де шыңдардың биіктігін күрделі түрде өзгертеді. Екі шың арасындағы айырманы демпфердің массасын (m2) өзгерту арқылы өзгертуге болады. Боде графигі күрделірек, ол екі жағдайда F1-ге қатысты әр массаның қозғалысының фазасы мен шамасын көрсетеді. Оң жақтағы графиктерде қара сызық бастапқы жауапты көрсетеді (m2 = 0). Енді m2 = болғанда, көк сызық демпфинг массасының қозғалысын, ал қызыл сызық негізгі массаның қозғалысын көрсетеді. Амплитудалық график төменгі жиіліктерде демпфинг массасының негізгі массаға қарағанда әлдеқайда көп резонансқа түсетінін көрсетеді. Фазалық диаграмма төменгі жиіліктерде екі массаның фазада екенін көрсетеді. Жиілік артқан сайын m2, m1 фазасынан 9,5 Гц шамасында 180° фазадан тыс болғанша, m1 фазасынан шыға бастайды, бұл x2 - x1 амплитудасын максималдандыру арқылы демпфинг әсерін максималдандырады, бұл c2 энергиясын көбейтеді және бір мезгілде негізгі массаны моторлық тіреулермен бірдей бағытта тартады.

Tuned mass dampers stabilize against violent motion caused by harmonic vibration. They use a comparatively lightweight component to reduce the vibration of a system so that its worst case vibrations are less intense. Roughly speaking, practical systems are tuned to either move the main mode away from a troubling excitation frequency, or to add damping to a resonance that is difficult or expensive to damp directly. An example of the latter is a crankshaft torsional damper. Mass dampers are frequently implemented with a frictional or hydraulic component that turns mechanical kinetic energy into heat, like an automotive shock absorber. Given a motor with mass m1 attached via motor mounts to the ground, the motor vibrates as it operates and the soft motor mounts act as a parallel spring and damper, k1 and c1. The force on the motor mounts is F0. In order to reduce the maximum force on the motor mounts as the motor operates over a range of speeds, a smaller mass, m2, is connected to m1 by a spring and a damper, k2 and c2. F1 is the effective force on the motor due to its operation. The graph shows the effect of a tuned mass damper on a simple spring–mass–damper system, excited by vibrations with an amplitude of one unit of force applied to the main mass, m1. An important measure of performance is the ratio of the force on the motor mounts to the force vibrating the motor, This assumes that the system is linear, so if the force on the motor were to double, so would the force on the motor mounts. The blue line represents the baseline system, with a maximum response of 9 units of force at around 9 units of frequency. The red line shows the effect of adding a tuned mass of 10% of the baseline mass. It has a maximum response of 5.5, at a frequency of 7. As a side effect, it also has a second normal mode and will vibrate somewhat more than the baseline system at frequencies below about 6 and above about 10. The heights of the two peaks can be adjusted by changing the stiffness of the spring in the tuned mass damper. Changing the damping also changes the height of the peaks, in a complex fashion. The split between the two peaks can be changed by altering the mass of the damper (m2). The Bode plot is more complex, showing the phase and magnitude of the motion of each mass, for the two cases, relative to F1. In the plots at right, the black line shows the baseline response (m2 = 0). Now considering m2 = , the blue line shows the motion of the damping mass and the red line shows the motion of the primary mass. The amplitude plot shows that at low frequencies, the damping mass resonates much more than the primary mass. The phase plot shows that at low frequencies, the two masses are in phase. As the frequency increases m2 moves out of phase with m1 until at around 9.5 Hz it is 180° out of phase with m1, maximizing the damping effect by maximizing the amplitude of x2 − x1, this maximizes the energy dissipated into c2 and simultaneously pulls on the primary mass in the same direction as the motor mounts.

Автоспорт

Renault компаниясы 2005 жылғы Бразилия Гран-присінде өзінің 2005 жылғы F1 машинасына (Renault R25) серіппе жүйесінің бір бөлігі ретінде реттелген массалық демпферді енгізді. Бұл жүйе бір шеңберде жүру уақытын 0,3 секундқа төмендетті – салыстырмалы түрде қарапайым құрылғы үшін өте үлкен нәтиже. Жарыс төрешілері оны заңды деп шешті, бірақ FIA оған шағым түсірді. Екі аптадан кейін FIA Халықаралық апелляциялық соты массалық демпферді заңсыз деп таныды. Оның заңсыз деп танылу себебі – масса шассиге мызғымалы түрде бекітілмегендігі болды; демпфердің машинаның бойлық бұрылысына тигізген әсері машинаның астындағы кеңістікке және машинаның жерге жақындағандағы аэродинамикалық әсеріне де өзгеріс енгізді. Осылайша, демпфер жылдамдықты өзгертетін аэродинамикалық құрылғы саналды, демек, аэродинамиканың жұмысына заңсыз ықпал етеді.

Сериалдық автомобильдер

Тюнингтік массалық демпферлер өндіріс автомобильдерінде кеңінен қолданылады, әдетте коленвал шкивінде бұрылыстық тербелісті басқару үшін, және сирек жағдайларда коленвалдың иілу режимдерін басқару үшін. Олар сондай-ақ беріліс жүйесінде беріліс шуын азайту үшін, сонымен қатар эгзостық жүйеде, кузовда, суспензияда немесе басқа да жерлерде пайда болатын шулар мен дірілдерді жою үшін қолданылады. Көбінесе қазіргі заманғы автомобильдерде бір массалық демпфер болады, ал кейбіреулерінде оннан астам демпферлер болуы мүмкін. Коленвалға орнатылатын демпфердің стандартты құрылымы – шкивтің орталық бөлігі мен сыртқы жиегі арасындағы резеңкеленген қабат. Бұл құрылғы, көбінесе гармоникалық демпфер деп аталады, коленвалдың шырша мен беріліспен қосылмайтын екінші жағында орналасқан. Баламалы конструкция – орталықтан тепкіш маятник тәрізді абсорбер, ол ішкі жану қозғалтқышының бұрылыстық тербелісін азайтуға арналған. Citroën 2CV автомобильдерінің барлық төрт доңгелегінде 1949 жылдан бастап өндіріс кезінде, Renault F1 автомобильдерінде қолданылған ұқсас конструкциядағы, бапталған массалық демпфер (француз тілінде "Batteur" деп аталады) орнатылған, кейіннен 1970-жылдардың ортасында артқы және алдыңғы доңгелектерден алынып тасталды.

Көпірдегі массалық тұндырғыштар

Түндетілген массалық демпферлер көпірлерге серпімділік қосу әдісі ретінде кеңінен қолданылады. Көпірлерде түндетілген массалық демпферлерді қолданудың бір мысалы – жаяу адамдардың жүктемелерімен резонанс тудыратын үлкен дірілдердің алдын алу. Түндетілген массалық демпферді орнату арқылы құрылымға серпімділік қосылады, нәтижесінде құрылымның дірілі амплитудасы азаяды, себебі дірілдің тұрақты күйі амплитудасы құрылымның серпімділігіне кері пропорционал.

Ғарыш кемелерінің массалық тұндырғыштары

НАСА-ның Арес қатты отын күшейткішіндегі дірілді азайту үшін бір ұсыныс – жобалау стратегиясының бір бөлігі ретінде 16 дүйімделген массалық демпферлерді пайдалану болды, бұл төбелік жүктемені 6g-дан 0,25g-ға дейін азайтуға бағытталған. Демпферлер (TMD) 1g-дан 0,25g-ға дейін азайтуға жауапты болды, ал қалған азайту жоғарғы сатылар мен күшейткіш арасындағы стандартты діріл оқшаулағыштар арқылы жүзеге асырылды.

Электр беру желілеріндегі буылдырғыш

Жоғары кернеулі сымдарда жиілігі жоғары, амплитудасы төмен, "флаттер" деп аталатын тербелісті азайту үшін көбінесе кішкентай штанга пішіндес Стокбридж демпферлері ілініп тұрады.

Жел турбиналарындағы шамалы тоққыштар

Жел турбиналары үшін стандартты күйделген массалық демпер негізгі құрылымға пружиналар және демпфер элементтері арқылы бекітілген қосымша массадан тұрады. Күйделген массалық демпердің табиғи жиілігі негізінен оның пружина тұрақтылығымен және демпфермен анықталатын демпфирлеу коэффициентімен анықталады. Күйделген массалық демпердің күйделген параметрі қосымша массаның құрылымның қозғалысына қатысты фазалық ығысумен тербелуіне мүмкіндік береді. Типик конфигурацияда, қосымша масса жел турбинасының капелласының астына демпферлер немесе үйкеліс пластиналары арқылы ілініп қойылады.

Ғимараттар мен соған ұқсас құрылыстардағы бурандалар

Ғимараттарға орнатылған кезде, демпферлер әдетте көпірлер мен басқа да құрылыстарда орнатылған, немесе биік ғимараттардағы алып бетон блоктары немесе болат конструкциялар болып табылады. Олар пружиналар, сұйықтық немесе маятниктердің көмегімен құрылыстың резонанстық жиіліктік тербелісіне қарсы әрекет етеді.

Дәрелі мен резонанс көздері

Қажетсіз дірілдер жел немесе жер сілкінісі сияқты құрылымға әсер ететін сыртқы күштерден немесе көрінеу зиянсыз діріл көзінен туындауы мүмкін, бұл резонансқа алып келіп, құрылымды қиратуға, жағымсыз сезім тудыруға немесе жай ғана қолайсыздыққа себеп болуы мүмкін.

Жер сілкіністері

Жер сілкінісінен туындайтын сейсмикалық толқындар ғимараттарды жер қозғалысының жиілігі мен бағытына, сондай-ақ ғимараттың биіктігі мен құрылысына қарай әртүрлі тәсілмен шайқалып, қозғалысқа келеді. Сейсмикалық белсенділік ғимараттың тым күшті қозғалыстарын тудыруы мүмкін, бұл құрылымдық зақымдануға әкелуі мүмкін. Ғимараттың сейсмикалық төзімділігін арттыру үшін, әртүрлі сейсмикалық дірілді бақылау технологияларын пайдалана отырып, дұрыс ғимарат дизайны жасалады. Бұрын айтқанымыздай, дірілді басу құрылғылары авиация және автомобиль өнеркәсібінде ғимараттарға сейсмикалық зиянды азайту стандартты процедура болмас бұрын көптен бері қолданылып келді. Шындығында, жер сілкінісіне арналған алғашқы мамандандырылған дірілді басу құрылғылары 1950 жылдардың соңында ғана әзірленді.

Механикалық адам көздері

Бір мезгілде көптеген адамдардың баспалдақпен жоғары-төмен жүруі немесе үлкен топтың бір үнмен басқандары, егер стадион сияқты ірі құрылымдарда серіптеу шаралары болмаса, қауқапты проблемаларға әкелуі мүмкін.

Жел

Биік ғимараттарға соққан желдің күші олардың шатырларын бір метрден астам қозғалтуы мүмкін. Бұл қозғалыс дірілдеу немесе бұрылу түрінде болуы мүмкін, соның салдарынан мұндай ғимараттардың жоғарғы қабаттары да қозғалады. Желдің белгілі бір бұрыштары мен ғимараттың аэродинамикалық қасиеттері қозғалысты күшейте түсіп, адамдарда теңсіздік сезімін тудыруы мүмкін. TMD әдетте тиімді жұмыс істеуі үшін ғимараттың резонанстық жиілігіне қадамындастырылады. Дегенмен, биік және тар ғимараттар өмір бойында желдің жылдамдығы, қоршаған ортаның температурасы және салыстырмалы ылғалдылық сияқты факторлардың әсерінен табиғи резонанстық жиіліктерінің өзгеруін бастан кешіруі мүмкін, сондықтан берік TMD дизайны қажет болады.