ПРИМЕНЕНИЕ СЕТЧАТЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ СОЗДАНИЯ
ЭФФЕКТИВНЫХ СРЕДСТВ ВИБРОУДАРОЗАЩИТЫ В ТЕХНИКЕ
Каримов Р.Р., Пономарёв Ю.К. (СГАУ, г. Самара, РФ)
In the article analytical overview is given to the published rational design of vibroinsulators and shock absorption system in which metal netting is used as a damping material. Metal netting has a good damping capacity and can be utilize in wide range applications.
Сетчатые материалы применяются в технике довольно давно. Помимо традиционных направлений – фильтры, армирующие элементы в строительстве и архитектуре, элементы катализаторов в химической промышленности, ‑ в последние десятилетия сетки начали применяться в качестве упругодемпфирующих элементов виброизоляторов и демпферов, а также в качестве материала двойного назначения в конструкциях трубопроводов. Это, так называемые, гибкие металлические рукава, применяемые в авиационной и ракетно-космической технике [1]. Сетчатые оплетки гибких металлических рукавов существенно увеличили уровень внутреннего давления транспортируемых через них жидкостей, а также повысили их надежность при работе в условиях интенсивных вибраций за счет увеличения демпфирующих свойств.
Рассмотрим некоторые оригинальные разработки, базирующиеся на применении сетчатых материалов. В 1956 году Otto H. York с соавторами предложил использовать сетчатую структуру в виде тканого чулка из металлической проволоки [2] для изготовления эластичных втулок, которые можно использовать для виброизоляции колеблющихся объектов (рис. 1). Согласно изобретению [2], после изготовления металлического сетчатого чулка, его скатывают в торообразный рулон или в многократно зигованную втулку, а затем опрессовывают в цилиндрической прессформе. Эта разработка легла в основу производства металлических сетчатых подушек германской фирмы «StopCock».
В 1966 году James J. Kerley [3] предложил виброзащищенную конструкцию контейнера для подвески элементов электрооборудования (плавкие предохранители, элементы автоматики и т.д.) (рис. 2). Помимо виброзащитных свойств данная конструкция обладает еще и повышенными теплорассеивающими характеристиками.
Сетки нашли широкое применение в качестве армирующего материала, повышающего прочностные и жесткостные характеристики в контактных уплотнениях [4], в конструкциях демпфирующих поясов направляющих лопаток газотурбинных двигателей [5] разработки генерального конструктора Н.Д.Кузнецова (рис. 3). Тензометрирование лопаток двигателей НК‑12СТ показало, что применение демпфирующих поясов из металлической сетки в конструкции направляющих аппаратах первой и второй ступеней снижает действующие напряжения более чем в два раза.
Рисунок 1 Рисунок 2
Успешное применение сеток в газотурбинных двигателях натолкнуло исследователей и инженеров на целенаправленное использование сеток в конструировании виброизоляторов и демпферов для защиты приборов, агрегатов и радиоаппаратуры. Так, В.А. Колесниковым, Е.В. Шахматовым и Фойтом В.В. в 1998 году была разработана конструкция многослойного сетчатого виброизолятора [6], показанного на рис. 4. Он представляет собой таврообразное основание с закрепленным на его полках многослойным пакетом сеток, скрепленных хомутами. Для повышения нагрузочной способности между обоймой с пакетом сеток и основанием виброизолятора установлен ансамбль цилиндрических винтовых пружин. Как показала практика, виброизолятор обладает весьма неплохими демпфирующими характеристиками.
Рисунок 3 Рисунок 4
В 1971 году в СГАУ В.А. Колесниковым была разработана и доведена до серийного производства оригинальная конструкция сетчатого-металлорезинового виброизолятора [7], состоящего из двух металлических чашек, рулона металлической сетки и находящегося внутри нее противоударного устройства в виде цилиндра из материала МР (металлорезины) и двух переплетенных между собой тросов (рис. 5). Зависимость коэффициента поглощения виброизолятора от амплитуды деформации показана на рис. 6. В рабочем диапазоне виброизолятор имеет практически линейную жесткостную характеристику, а при посадке на противоударные устройства плавно увеличивает жесткость. Благодаря этому, виброизолятор эффективен как при вибрационном, так и при ударном воздействии.
Рисунок 5 Рисунок 6
В 2003 и 2007 годах Karl Sebert разработал несколько оригинальных конструкций малогабаритных виброизоляторов на основе сеток [8, 9]. Первая из них показана на рис. 7. Она представляет собой две тонкостенных обоймы 62, 63 из листового материала с отверстиями 64 и С – образного упругодемпфирующего сетчатого элемента. Другие варианты конструкций виброизоляторов, в которых в качестве упругого элемента применяется металлическая сетка, показаны на рисунках 8, 9 и 10.
Рисунок 7 Рисунок 8
Таким образом, данный обзор показывает, что металлические сетки успешно применяются в качестве упругодемпфирующих материалов. К сожалению, анализ опубликованных отечественных и зарубежных работ показывает, что, несмотря на достаточно большое количество разработанных и запатентованных конструкций виброизоляторов, в которых применяются сетчатые материалы, отсутствуют публикации, освещающие вопросы исследования и математического моделирования металлических сеток как упругодемпфирующего элемента конструкции, что позволяет сделать вывод о недостаточной изученности данной области. В частности отсутствует общий подход к исследованию материалов такого типа, выявлено мало фундаментальных свойств сетчатых материалов, которые позволили бы разработать научно обоснованные принципы их проектирования и эксплуатации.
Рисунок 9 Рисунок 10
Литература
1. Агафонов В. К., Воинова О. Н., Попков В. И., Ульянова В. Я., Черноберевский В. В. Исследование механических сопротивлений сильфонных компенсаторов и гибких металлических шлангов // Техническая акустика. -2008. -Т.5. -Вып. 1 – 2.
2. Патент US 2755079 Elastic metal mesh tubular bellows / Otto H. York et al. // Patented July 17, 1956.
3. Патент US 3383455 Isolator / J. J. Kerley, JR // Patented May 14, 1968.
4. Патент DE 3815750 A1 Federkissenmaterial und verfahren zu seiner herstellung / U. Osternag, R. Osternag // Offenlegungstag 23 November 1989.
5. А.с. 386154 СССР, М. кл. F04D 29/66. Направляющий аппарат осевого компрессора / В. А. Колесников, А. И. Ошурков, В. А. Фролов // Заявл. 10.01.72, Опубл. 14.06.73, Бюлл. № 26.
6. Патент 02115842 РФ, МКИ F16F 7/14. Демпфер/ Колесников В. А. Шахматов Е. В., Фойт В. В. // Заявл. 28.06.96, Опубл. 20.07.98.
7. А.с. 308254 СССР, МПК F181 13/00. Цельнометаллический амортизатор / В. А. Колесников // Заявл. 15.01.1970, Опубл. 01.07.1971, Бюлл. № 21.
8. Патент US 6629688 B1 Damping arrangement/ K. Sebert // Patented Oct. 7, 2003.
9. Патент US 7216859 B2 Damping arrangement/ K. Sebert // Patented May. 15, 2007.