Что такое демпфер

Дек 15, 2019 Дом

Что такое демпфер

Демпфер

Де́мпфер (нем. Dämpfer — глушитель,амортизатор от dämpfen — заглушать) — устройство для гашения (демпфирования) или предотвращения колебаний, возникающих в машинах, приборах, системах при их работе.

Де́мпфер в общем смысле — кто-либо или что-либо, действующее успокаивающе, смягчающе, угнетающе.

Применение

  • Гидравлические и пневматические демпферы применяются в гидравлических системах, автоматических регуляторах и измерительных приборах. Гидравлические демпферы подразделяют на демпферы пульсаций, стабилизаторы потоков, гасители пульсаций и глушители гидроударов. Также, в различной степени в качестве гидравлических демпферов используют стандартные поршневые, баллонные и мембранные гидроаккумуляторы.
  • В электрических машинах демпфер (демпферная обмотка) — катушки индуктивности, предотвращающие резкое увеличение коммутационных токов или напряжений в электрических цепях; например, в случае короткого замыкания или наводки.
  • В струнных музыкальных инструментах демпфер — приспособление для прекращения колебаний струн, состоящее из отдельных колодочек (у фортепиано) или планок (у арфы), оклеенных мягким войлоком (фильцем).
  • В подвесках автомобилей и других транспортных средств используются демпфирующие устройства — амортизаторы.
  • В акустических системах (т.н. «колонках») демпфер — ободок, крепящий мембрану звукового элемента к раме. Обычно производится из полимерных материалов (для ВЧ-элементов), резины или поролона (для СЧ- и НЧ-элементов). Используется для гашения остаточных колебаний мембраны.
  • В авионике демпфер аэроупругих колебаний летательного аппарата — самостоятельная бортовая электронная система или подсистема в составе системы автоматического управления полётом (САУ), предназначенная для автоматического гашения короткопериодических колебаний самолёта, неизбежно возникающих при изменениях полётных режимов и, что особенно важно, для предотвращения раскачки самолёта лётчиком, что может привести к значительным перегрузкам и разрушению конструкции. В техническом плане состоит из группы гироскопических датчиков, контролирующих угловые перемещения самолёта в пространстве, электронной схемы обработки и усиления сигналов демпфирования и исполнительных агрегатов, включённых последовательно в механическую проводку управления, либо эти сигналы подмешиваются к другим сигналам управления САУ. Проблема раскачки остро проявилась на испытаниях сверхзвукового бомбардировщика Ту-22.
  • В риск-менеджменте демпфер — пороговое значение безопасного риска для предприятия. Механизм демпфирования рисков предполагает анализ возможных угроз или факторов, порождающих эти угрозы, определение пороговых значений безопасности, выделение диапазона сознательных рисков, который готов принять на себя хозяйствующий субъект.

Физика процесса

Важным свойством демпфера является уменьшение добротности той колебательной системы, к которой он подключён. Принцип действия демпфера заключается в необратимом переводе полученной им энергии в тепло или разрушение материала. Например, масло в амортизаторе предотвращает его паразитные колебания после проезда колесом препятствия. Масло при этом нагревается.

Очень хорошим демпфером является песок: при поглощении им энергии, песчинки трутся друг о друга (происходит нагрев) и измельчаются (механическое разрушение).

См. также

  • Демпфер шимми
  • Контактная сеть
  • Сейсмостойкое строительство

Ссылки

  • Демпфер колебаний двигателя

Что такое демпфер в автомобиле

Демпфер, что это за непонятное слово в обиходе автослесарей? Несомненно об автомобильном демпфере многие никогда не слышали и даже не представляют для чего он нужен. Мы постараемся исправить этот недочет и рассказать о нем как можно подробнее.

В процессе движения и взаимодействия автомобиля с различными типами поверхностей между отдельными его частями возникает вибрация. Конечно, конструктивные особенности автомобилей уже предусматривают некоторую степень защиты от таких явлений. Но иногда их оказывается недостаточно, что, в конечном итоге, становится причиной возникновения определённого дискомфорта.

Избежать этого сегодня достаточно просто. Достаточно установить на наиболее подверженных системах или узлах специальный демпфер. По сути это небольшой вспомогательный амортизатор, с помощью которого «вбираются» излишки колебаний и стабилизируется устойчивость конкретной системы, снижается уровень вибрации в ней.

Где используют демпфер

Наиболее частое применение демпферов можно наблюдать в процессе усиления защиты двигателей и рулевого управления. Именно в этих местах присутствие дополнительной вибрации становится причиной повышенного уровня дискомфорта.

Нужно понимать, что на современных спортивных или скоростных автомобилях наличие демпферов предусматривается конструктивно. Но это вовсе не означает, что это приспособление невозможно установить на транспортное средство другой модели.

Здесь важно понимать, что технологически демпфер совместим практически со всеми типами автомобилей. Правда, придется немного повозиться с креплениями, вплоть до небольшого конструктивного вмешательства, в виде приваривания к днищу или кузову специальных крепительных скоб, за которые будет крепиться демпфер.

Следует отметить, что поставляются демпферы с минимально необходимым набором крепительных элементов, которые существенно упрощают поиск необходимых деталей для их установки и закрепления.

Теперь немного о том, когда следует использовать демпфер на машинах. Конечно, если дорога ровная, на ней нет выбоин, отсутствуют различные сверхнормативные нагрузки на автомобиль. Роль демпфера будет сведена при работе авто к минимуму, поэтому его использование может быть даже не целесообразным. Но если предстоит постоянное движение по неровной местности, где автомобиль подвергается испытаниям устойчивости и прочности конструкций, возникновение излишних вибраций обычное дело.

Именно в этом случае демпфер окажется идеальным решением, чтобы уменьшить (а в некоторых случаях стать основанием для ее полного отсутствия) воздействие вибрации на корпус автомобиля и на рулевое управление. В итоге водитель, держась за руль, не будет ощущать колебаний, а в процессе осуществления поворотов чувство, что руль вас не слушается, либо колеса поворачиваются в другую сторону, также не будет проявляться.

Идеально демпферные приспособления подходят к внедорожникам самых различных типов и моделей, а также транспортным средствам, что большую часть времени передвигаются по проселочным дорогам, либо дорогам с поврежденным покрытием.

Как устанавливается демпфер на автомобиль

Прежде чем описывать процедуру установки демпфера целесообразно сказать несколько слов о его конструктивных особенностях. Итак, стандартное устройство состоит из таких элементов:

  • две камеры, которые между собой разделяются перегородкой;
  • небольшой емкости с маслом;
  • регулируемые клапана;
  • специальная пружина (для отдельных моделей);
  • элементы крепления.

Из всего описанного выше становится очевидным, что сложностей для крепления демпфера возникать не должно. Правда, в отдельных случаях придется проявить некоторую смекалку. Важным моментом является возможность регулировки устройства под конкретный тип автомобиля и нагрузки (вибрации), которые в дальнейшем нужно будет «усмирять».

Наиболее часто с помощью демпфера усиливают рулевое управление. Для этого один конец устройства жестко крепится между рулевыми тягами, а другой закрепляют к раме или кузову автомобиля. В процессе выбора места установки важно учитывать, что детали гашения удара должны иметь минимальный уровень перемещения относительно друг друга.

Это важно из-за конструктивных особенностей демпфера, который сам по себе достаточно жесткий, и если его пытаться растянуть в другую сторону, то может получиться обратный эффект, когда устройство погашения колебаний, будет сопротивляться на длительных поворотах и непроизвольно подтягивать ваше рулевое управление в обратную сторону.

Нужно помнить, что выбор правильного демпфера зависит от типа, веса, конструкции автомобиля, дальнейших нагрузок, которые транспортное средство будет испытывать, а также условий его эксплуатации. Обычно устройства имеют универсальную форму и размеры, что позволяет свободно пристраивать их фактически к любому автомобилю. Но вот за счет различного уровня сопротивления колебаниям и возможности их поглощения важно точно определить, что подойдет именно в вашем случае, чтобы не получить обратного эффекта.

Поделитесь информацией с друзьями:

Теория и механизмы демпфирования в механике конструкций

Если ударить по стеклянной или металлической чаше, то она будет издавать затухающий со временем звон. В мире без демпфирования этот звон продолжался бы вечно. В реальности же, благодаря нескольким физическим процессам, кинетическая энергия и (потенциальная) энергия упругой деформации чаши переходят в другие формы энергии. В этой статье мы обсудим, как описывать демпфирование в моделях и какие физические явления его вызывают затухание в вибрирующих механических системах.

Как математически описывается демпфирование?

Есть несколько математических подходов к описанию и учету демпфирования. Давайте кратко резюмируем самые популярные из них.

Самое заметное проявления демпфирования — падение (затухание) амплитуды свободных колебаний со временем, как, например, в случае с «поющей» чашей. Скорость ослабления амплитуды зависит от того, насколько большое демпфирование в системе. Обычно амплитуда колебаний экспоненциально затухает со временем. В таком случае потери энергии за период пропорциональны амплитуде колебаний (на этом периоде).


Классическая «поющая» чаша. Изображение предоставлено Sneharamm0han — собственное произведение. Доступно по лицензии CC BY-SA 4.0 на Викискладе.

Давайте начнем с уравнения движения для системы из одной степени свободы с вязким трением в отсутствии внешних нагрузок.

m \ddot u + c \dot u + k u = 0

Разделив на массу m, мы получим отнормированное уравнение, которое обычно записывают в виде

\ddot u + 2 \zeta \omega_0 \dot u + \omega_o^2 u = 0

Здесь \omega_0 — это собственная частота недемпфированных колебаний, а \zeta — относительный коэффициент демпфирования (damping ratio).

Чтобы движение было периодическим, относительный коэффициент демпфирования должен оставаться в диапазоне 0 \le \zeta < 1. Амплитуда свободных колебаний в этой системе будет падать пропорционально множителю

e^{-\zeta \omega_0 t} = e^{\frac{-2 \pi \zeta t }{T_0}}

где T0 — период колебаний без затухания.


Затухание свободных колебаний с тремя разными значениями относительного коэффициента демпфирования.

В данном контексте существует еще один часто используемый критерий — это логарифмический декремент δ. Это логарифм отношения амплитуд в двух последовательных периодах:

\delta = \mathrm {ln} \left ( \dfrac{u(t_i)}

{u(t_\{i+1}
)} \right ) = \mathrm {ln} \left ( \dfrac{u(t_i)}

{u(t_i+T)}
\right )

где T — период.

Связь между логарифмическим декрементом и относительным коэффициентом демпфирования следующая:

\delta = \dfrac{2 \pi \zeta}{\sqrt{1-\zeta^2}} \approx 2 \pi \zeta

Еще одним случаем, когда эффект демпфирования играет ключевую роль, является возбуждение в конструкции гармонических колебаний на частоте, близкой к собственной частоте системы. При точном резонансе амплитуда колебаний будет стремиться к бесконечности, пока не будет учитываться демпфирование. Фактическая амплитуда в резонансе фактически определяется величиной такого демпфирования.


Частотный (резонансный) отклик системы с одной степенью свободы при различных относительных коэффициентах демпфирования.

В таких системах, как резонаторы, мы хотим добиться как можно большего усиления. С этим связан еще один критерий, описывающий демпфирование — добротность (Q-factor). Добротность можно определить как усиление в резонансе. Она связана с относительным коэффициентом демпфирования:

Q = \dfrac{1}{2 \zeta \sqrt{1-\zeta^2}} \approx \dfrac{1}

{2 \zeta}

Другой формализм математического описания демпфирования построен на предположении о наличии некого фазового сдвига между приложенной силой и итоговым смещением, или, другими словами, между напряжением и деформацией. Обсуждение таких фазовых сдвигов целесообразно только в случае установившихся гармонических колебаний. Если построить график зависимости напряжения от деформации для полного периода, вы увидите эллипс — петлю гистерезиса.


Кривая нагружения.

В таком варианте можно представить свойства материала как комплекснозначные величины. Для одноосной линейной упругой деформации комплексное соотношение между напряжением и деформацией можно записать в виде

\tilde \sigma = \tilde E \tilde \varepsilon = (E^\prime+iE^{\prime \prime}) \tilde \varepsilon

Действительная часть модуля Юнга в этом соотношении называется модулем накопления (storage modulus), а мнимая часть — модулем потерь (loss modulus). Модуль потерь обычно описывают через коэффициент гистерезисных потерь (loss factor) η, а именно:

\tilde E = E(1+i \eta)

В этом выражении E совпадает с модулем накопления E’. Можно встретить и другое определение, в котором за E обозначается отношение между амплитудой напряжения и амплитудой деформации, то есть

E = |\tilde E| = \sqrt{(E^\prime)^2+(E^{\prime \prime})^2}

В этом случае

\tilde E = \dfrac{E(1+i \eta)}{\sqrt{1+\eta^2}}

Это различие важно только при больших значениях коэффициента гистерезисных потерь. Эквивалентной метрикой является тангенс угла потерь, а именно

\mathrm {tan} \, \delta = \dfrac{E^{\prime \prime}}{E^\prime} = \eta

Угол потерь δ определяет фазовый сдвиг между напряжением и деформацией.

Демпфирование, заданное через коэффициент гистерезисных потерь, несколько отличается от случая вязкого демпфирования. Гистерезисные потери пропорциональны амплитуде смещений, а вязкое демпфирование пропорционально скорости. Таким образом, эти величины невозможно однозначно связать друг с другом.

На рисунке ниже сравнивается отклик системы с одной степенью свободы при использовании двух разных моделей демпфирования. Можно заметить, что модель вязкого демпфирования предсказывает более сильное затухание на частотах выше резонансной по сравнению с моделью через коэффициент гистерезисных потерь и более слабое затухание на частотах ниже резонансной.

Сравнение динамического отклика для модели вязкого демпфирования (сплошные линии) и для модели через коэффициент гистерезисных потерь (пунктирные линии).

Обычно на резонансной частоте выполняется следубщее соотношение между указанными критериями: \eta \approx 2 \zeta. Но это соотношение выполняется только на одной частоте. На рисунке ниже показана система с двумя степенями свободы. Значения коэффициентов были подобраны под первый резонанс, и при этом хорошо заметно, что кривые у второго резонанса достаточно серьезно расходятся.

Сравнение динамического отклика для модели вязкого демпфирования (сплошные линии) и для модели через коэффициент гистерезисных потерь (пунктирные линии) в системе с двумя степенями свободы.

Концепцию коэффициента гистерезисных потерь можно обобщить, определив его через энергию. Можно показать, что в вышеописанной модели материала энергия, рассеиваемая за один период, равна

D = \pi E^{\prime \prime} \varepsilon_a^2

где \varepsilon_a — амплитуда деформации.

Схожим образом, максимальная энергия упругой деформации за период равна

W_s = \dfrac{1}

{2}
E^{\prime} \varepsilon_a^2

Коэффициент гистерезисных потерь тогда можно записать через энергетические величины:

\eta = \dfrac{E^{\prime \prime}}{E^\prime} = \dfrac{D}

{2 \pi W_s}

Это определение через рассеянную энергию можно использовать, даже если петля гистерезиса не выглядит как идеальный эллипс; достаточно лишь иметь возможность определить две эти энергетических величины.

Источники демпфирования

Физических механизмов демпфирования огромное множество. Во всех естественных процессах энергия так или иначе рассеивается.

Внутренние потери в материале

Во всех реальных материалах энергия рассеивается при деформации. Можно считать это разновидностью внутреннего трения. Обратите внимание, что кривая нагружения для полного периода не укладывается на идеально прямую линию. Она больше похожа на вытянутый эллипс.

Обычно для описания демпфирования в материале применяется модель через коэффициент гистерезисных потерь, так как на опыте оказывается, что потери энергии за период слабо зависят от частоты и амплитуды. При этом математическое описание в модели коэффициента потерь основано на комплексных величинах, то есть подразумевает только случай гармонических колебаний. Поэтому эту модель демпфирования можно использовать только для исследований в частотной области.

Коэффициенты гистерезисных потерь в материале могут сильно различаться в зависимости от точного состава материала и источников данных, которыми вы пользуетесь. В таблице ниже приведены некоторые грубые оценки.

Материал Коэффициент гистерезисных потерь η
Алюминий 0.0001–0.02
Бетон 0.02–0.05
Медь 0.001–0.05
Стекло 0.0001–0.005
Резина 0.05–2
Сталь 0.0001–0.01

Коэффициенты потерь и схожие модели демпфирования используются, если физические механизмы затухания в материале неизвестны или не важны в контексте рассматриваемой задачи. В некоторых моделях материала, например, в вязкоупругих материалах, рассеивание энергии изначально заложено в математическую модель.

Трение в соединениях

Конструкции часто соединяются болтами или другими типами креплений. Если при колебаниях соединенные поверхности двигаются относительно друг друга, энергия рассеивается через трение. Если величина силы трения не меняется за период, потери энергии за период слабо зависят от частоты. В этом смысле трение схоже с внутренними потерями в материале.

Болтовые соединения широко распространены в задачах механики конструкций. Величина рассеиваемой в болтовых соединениях энергии может сильно зависеть от конструкции. Если важно снизить потери, болты должны плотно прилегать друг к другу и быть хорошо затянуты, чтобы уменьшить макроскопическое проскальзывание между поверхностями.

Излучение звука

Вибрирующая поверхность будет приводить в движение окружающий воздух (или другую среду) и испускать звуковые (акустические) волны. Эти волны уносят часть энергии, из-за чего конструкция теряет энергию.

Излучение звука преобразователем типа Tonpilz.

Анкерные потери

Часто небольшой компонент крепится к большой конструкции (основанию/подложке), которая не включается в расчетную модель. Когда деталь вибрирует, в несущей конструкции возникают упругие волны, также являющимися источником рассеяния энергии. В контексте микроэлектромеханических систем (МЭМС), этот эффект называют анкерные потери (anchor losses).

Термоупругое демпфирование

Даже если в процессе совершенно упругой деформаций энергия не рассеивается, деформация материала слегка изменяет его температуру. Локальное растяжение приводит к снижению температуры, а сжатие — к нагреву.

Это принципиально обратимый процесс, так что при снятии напряжения температура вернется к исходному значению. Однако часто в поле напряжения есть ненулевые градиенты, которым соответствуют градиенты распределения температуры. Они вызывают тепловые потоки от теплых областей к холодным. Когда по ходу цикла нагружения напряжение «убирают», распределение температуры уже отличается от того, что было при нагрузке. Поэтому локальный возврат к исходному состоянию невозможен. Это приводит к рассеиванию энергии.

Термоупругое демпфирование (thermoelastic damping) важно при исследовании высокочастотных колебаний на малых масштабах. Например, оно может значительно снизить добротность микроэлектромеханических резонаторов.

Демпферы и гасители

Иногда в конструкцию включают специализированные выделенные гасители колебаний, например, рессоры в подвеске колес.

Рессоры. Автор изображения — Avsar Aras, собственное произведение. Доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 на Викискладе.

Естественно, такие компоненты сильно влияют на суммарное демпфирование, по крайней мере, для некоторых мод колебаний.

Сейсмогасители

Особое внимание искуственному демпфированию колебаний уделяется при строительстве в сейсмоопасных районах. Чрезвычайно важно снизить амплитуду колебаний в зданиях при землетрясении. При этом гасители могут как изолировать здание от фундамента, так и рассеивать энергию.

Сейсмогасители в общественном здании. Изображение предоставлено Shustov — собственное произведение. Доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 на Викискладе.

Продолжение

Во второй части данной серии вы сможете найти информацию о том, как задавать демпфирование в COMSOL Multiphysics®.

Сейсмический амортизатор: общий вид

Испытание сейсмического амортизатора в CSUN

Сейсмический амортизатор Earthquake-Protective Building Buffer — это разновидность сейсмической изоляции для защиты зданий и сооружений от потенциально разрушительных землетрясений.

Недавно сейсмические амортизаторы под именем Metallic Roller Bearings были установлены в жилом 17-этажном комплексе в г.Токио, Япония.

Инерционный демпфер

Инерционный демпфер на высотном здании Тайбэй 101

Обычно, инерционный демпфер (Tuned Mass Damper), называемый также инерционный гаситель, который является одним из устройств для вибрационного контроля, представляет собой массивный бетонный блок, установленный на высотном здании или другом сооружении, который колеблется с резонансной частотой данного объекта с помощью специального пружиноподобного механизма под сейсмической нагрузкой.

Для этой цели, например, инерционный демпфер небоскреба Тайбэй 101 оборудован двумя маятниковыми подвесками, на 92-ом и 88-ом этажах, весящими 660 тонн каждая.

Гистерезисный демпфер

Жидкостный вязкоупругий демпфер в здании

Гистерезисный демпфер (Hysteretic damper) предназначен для улучшения работы зданий и сооружений под сейсмической нагрузкой за счёт диссипации сейсмической энергии проникающей в эти здания и сооружения. Имеются, в основном, четыре группы гистерезисных демпферов, а именно:

  • · Жидкостный вязкоупругий демпфер
  • · Твердый вязкоупругий демпфер
  • · Металлический вязкотекучий демпфер
  • · Демпфер сухого трения

Каждая группа демпферов имеет свою специфику, свои достоинства и недостатки, которые следует учитывать при их применении.

Смотреть что такое «Гистерезисный демпфер» в других словарях:

  • Инерционный демпфер — Основная статья: Сейсмостойкое строительство Инерционный демпфер на высотном здании Тайбэй 101 … Википедия

  • Сейсмостойкое строительство — Сейсмостойкое строительство раздел гражданского строительства, специализирующийся в области изучения поведения зданий и сооружений под сейсмическим воздействием в виде сотрясений земной поверхности, потери грунтом своей несущей… … Википедия

  • Виброконтроль — Сейсмоконтроль Виброконтроль • … Википедия

  • Сейсмическая изоляция — Основная статья: Сейсмостойкое строительство Стоп кадр испытания: справа – модель на сейсмопротекторах, с … Википедия

  • Сейсмостойкость — Основная статья: Сейсмостойкое строительство Сейсмостойкость или cейсмическая приспособленность (seismic fitness) характеристика зданий и сооружений, описывающая степень их устойчивости к землетрясениям в пределах допустимого риска. Она… … Википедия

  • Анализ сейсмостойкости — Основная статья: Сейсмостойкое строительство Анализ сейсмостойкости (Seismic performance analysis) является интеллектуальным инструментом в сейсмостойком строительстве, который разбивает эту сложную тему на ряд подразделов для лучшего понимания… … Википедия

  • Демпфирование вертикальной конфигурацией — Основная статья: Сейсмостойкое строительство Здание Трансамерика. Демпфирование вертикальн … Википедия

  • Многочастотный успокоитель колебаний — Основная статья: Сейсмостойкое строительство Высотное здание … Википедия

  • Сейсмопротектор — Основная статья: Сейсмостойкое строительство Модель 18 этажного здания на сейсмопротекто … Википедия

  • Оценка сейсмической работы — Основная статья: Сейсмостойкое строительство Стоп кадр разрушительного испытания на вибростоле … Википедия

admin

Поadmin

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *