RU216767U1

RU216767U1 - Combined damping element

Info

Publication number: RU216767U1
Application number: RU2022130980U
Authority: RU
Inventors: Александр Александрович Скрипкин; Альберт Викторович Королев; Андрей Альбертович Королев; Ольга Алексеевна Черкасова
Filing date: 2022-11-28
Publication date: 2023-02-28

Abstract

Предлагаемая конструкция комбинированного демпфирующего элемента относится к области машиностроения и может быть использована в системах демпфирования различных типов. Задачей полезной модели является повышение надежности работы комбинированного демпфирующего элемента для систем демпфирования. Техническим результатом полезной модели является повышение жесткости комбинированного демпфирующего элемента для систем демпфирования при работе не только при больших скоростях и ускорениях, но и при обычной скорости деформации. Указанная задача решается тем, что в комбинированном демпфирующем элементе для систем демпфирования, выполненном из полой металлической пружины, внутренняя полость которой заполнена дилатантной неньютоновской жидкостью, на наружную поверхность пружины нанесена электростатически заряженная пленка моноэлектрета.

The proposed design of the combined damping element belongs to the field of mechanical engineering and can be used in various types of damping systems. The objective of the utility model is to increase the reliability of the combined damping element for damping systems. The technical result of the utility model is to increase the rigidity of the combined damping element for damping systems when operating not only at high speeds and accelerations, but also at normal strain rates. This problem is solved by the fact that in the combined damping element for damping systems, made of a hollow metal spring, the inner cavity of which is filled with a dilatant non-Newtonian fluid, an electrostatically charged film of a monoelectret is applied to the outer surface of the spring.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована в системах демпфирования различных типов.The proposed utility model relates to the field of mechanical engineering and can be used in various types of damping systems.

Известен комбинированный упругий элемент для систем демпфирования, выполненный из металлической пружины, заключенной в упругую оболочку, в качестве упругой оболочки содержащий полую спираль из полимерного материала с закрытой полостью, которая заполнена дилатантной неньютоновской жидкостью [патент РФ (ПМ) авторов №186280 "Комбинированный упругий элемент с функцией аварийного демпфирования"; заявка от 27.09.2018 г., опубликовано "Бюллетень изобретений" №2, 2019 г.].A combined elastic element for damping systems is known, made of a metal spring enclosed in an elastic shell, as an elastic shell containing a hollow helix made of polymer material with a closed cavity, which is filled with a dilatant non-Newtonian fluid [RF patent (PM) authors No. 186280 "Combined elastic element with emergency damping function"; application dated September 27, 2018, Bulletin of Inventions No. 2, 2019 published].

Недостатком известного комбинированного упругого элемента для систем демпфирования является ограниченная надежность и долговечность, особенно при значительных знакопеременных нагрузках, напрямую зависящая от механических свойств полой спирали из полимерного материала с закрытой полостью, которая заполнена дилатантной неньютоновской жидкостью, что ограничивает его область применения в реальных условиях эксплуатации.The disadvantage of the known combined elastic element for damping systems is limited reliability and durability, especially under significant alternating loads, directly dependent on the mechanical properties of a hollow helix made of a polymer material with a closed cavity, which is filled with a dilatant non-Newtonian fluid, which limits its scope in real operating conditions.

Наиболее близким к заявляемой полезной модели является комбинированный демпфирующий элемент для систем демпфирования, выполненный из полой металлической спиральной пружины, внутренняя полость которой заполнена дилатантной неньютоновской жидкостью [патент РФ (ПМ) авторов №196775 "Комбинированный упругий элемент"; заявка от 27.05.2019 г., опубликовано "Бюллетень изобретений" №8, 2019 г.].Closest to the claimed utility model is a combined damping element for damping systems, made of a hollow metal spiral spring, the inner cavity of which is filled with a dilatant non-Newtonian fluid [RF patent (PM) authors No. 196775 "Combined elastic element"; application dated May 27, 2019, Bulletin of Inventions No. 8, 2019 published].

Одним из недостатков известного комбинированного упругого элемента для систем демпфирования является то, что ее жесткость повышается только при больших скоростях и ускорениях деформации, а при обычной скорости деформации полая пружина имеет несколько меньшую жесткость, чем обычная сплошная пружина тех же размеров. Это снижает надежность ее работы.One of the disadvantages of the known combined elastic element for damping systems is that its stiffness increases only at high strain rates and accelerations, and at a normal strain rate, a hollow spring has a slightly lower stiffness than a conventional solid spring of the same dimensions. This reduces the reliability of its work.

Задачей полезной модели является повышение надежности работы комбинированного демпфирующего элемента для систем демпфирования.The objective of the utility model is to increase the reliability of the combined damping element for damping systems.

Техническим результатом полезной модели является повышение жесткости комбинированного демпфирующего элемента для систем демпфирования при работе не только при больших скоростях и ускорениях, но и при обычной скорости деформации.The technical result of the utility model is to increase the rigidity of the combined damping element for damping systems when operating not only at high speeds and accelerations, but also at normal strain rates.

Указанная задача решается тем, что в комбинированном демпфирующем элементе для систем демпфирования, выполненном из полой металлической спиральной пружины, внутренняя полость которой заполнена дилатантной неньютоновской жидкостью, на наружную поверхность пружины нанесена электростатически заряженная пленка моноэлектрета.This problem is solved by the fact that in the combined damping element for damping systems, made of a hollow metal helical spring, the inner cavity of which is filled with a dilatant non-Newtonian fluid, an electrostatically charged monoelectret film is deposited on the outer surface of the spring.

Так как металлическая пружина выполнена в виде в виде полой витой пружины, внутренняя закрытая полость которой заполнена дилатантной неньютоновской жидкостью, а на наружную поверхность пружины нанесена пленка моноэлектрета, имеющая электростатический заряд, то за счет возникновения дополнительных электростатических сил отталкивания витков увеличивается жесткость конструкции не только при высоких скоростях и ускорениях, но и при обычной скорости деформации. Это существенно расширяет диапазон условийSince the metal spring is made in the form of a hollow twisted spring, the inner closed cavity of which is filled with a dilatant non-Newtonian fluid, and a monoelectret film having an electrostatic charge is deposited on the outer surface of the spring, then due to the occurrence of additional electrostatic forces of repulsion of the coils, the rigidity of the structure increases not only at high speeds and accelerations, but also at normal strain rates. This significantly expands the range of conditions

надежной работы демпфирующего элемента для систем демпфирования и тем самым решает поставленную задачу.reliable operation of the damping element for damping systems and thus solves the problem.

Сущность полезной модели поясняется рисунком, где The essence of the utility model is illustrated by the figure, where

на фиг. 1 показана схема комбинированного демпфирующего элемента. На схеме цифрами обозначены: 1 - полая витая металлическая пружина; 2 - дилатантная неньютоновская жидкость во внутренней закрытой полости витой металлической пружины; 3 - элементы заделки концов, имеющие электроизоляцию, для закрытой полости витой металлической пружины, 4 - электростатически заряженная пленка моноэлектрета.in fig. 1 shows a diagram of a combined damping element. In the diagram, the numbers indicate: 1 - a hollow twisted metal spring; 2 - dilatant non-Newtonian fluid in the inner closed cavity of a twisted metal spring; 3 - termination elements with electrical insulation for a closed cavity of a twisted metal spring, 4 - electrostatically charged monoelectret film.

Комбинированный демпфирующий элемент состоит из полой витой металлической пружины 1, внутренняя закрытая полость витой металлической пружины заполнена дилатантной неньютоновской жидкостью 2. На концах полой витой металлической пружины 1 для повышения долговечности конструкции установлены элементы заделки 3, имеющие электроизоляцию, например диски или шайбы. На поверхность пружины 1 нанесена электростатически заряженная пленка моноэлектрета 4. В качестве дилатантной неньютоновской жидкости 2 может использоваться, например, смесь вискозы, этиленгликоля и наночастиц кремнезема.The combined damping element consists of a hollow twisted metal spring 1, the inner closed cavity of the twisted metal spring is filled with a dilatant non-Newtonian fluid 2. At the ends of the hollow twisted metal spring 1, to increase the durability of the structure, sealing elements 3 are installed, having electrical insulation, for example, disks or washers. An electrostatically charged monoelectret film 4 is deposited on the surface of the spring 1. As a dilatant non-Newtonian fluid 2, for example, a mixture of viscose, ethylene glycol and silica nanoparticles can be used.

При деформировании полой витой металлической пружины 1 с малой скоростью она будет деформироваться в зависимости от модуля упругости материала пружины 1. Но так как на ее наружную поверхность нанесена пленка моноэлектрета, имеющая электростатический заряд, то с увеличение деформации пружины ее витки будут сближаться, и будут возникать дополнительные электростатические силы отталкивания витков. И тем самым будет увеличиваться жесткость конструкции. В качестве электростатически заряженной пленки моноэлектрета 4, нанесенной на поверхность пружины 1, могут быть использованы, например, электретные пленки поли-бис-трифторэтоксифосфазена (ПТФЭФ).When a hollow twisted metal spring 1 is deformed at a low speed, it will deform depending on the modulus of elasticity of the spring material 1. But since a monoelectret film having an electrostatic charge is deposited on its outer surface, then with an increase in the deformation of the spring, its coils will approach each other, and there will be additional electrostatic forces of repulsion of the coils. And thus the rigidity of the structure will increase. As an electrostatically charged film of monoelectret 4 deposited on the surface of the spring 1, for example, electret films of poly-bis-trifluoroethoxyphosphazene (PTFE) can be used.

При увеличении скорости деформации жесткость неньютоновской жидкости 2 резко возрастает, она приобретает свойство твердого упругого тела и начинает выполнять функцию второй упругой спирали, подсоединенной параллельно к: полой витой металлической пружины 1.With an increase in the strain rate, the rigidity of the non-Newtonian fluid 2 increases sharply, it acquires the property of a solid elastic body and begins to function as a second elastic spiral connected in parallel to: a hollow twisted metal spring 1.

Изменяя геометрические параметры, сечение и материал полой витой металлической пружины 1, геометрические параметры внутренней закрытой полости у витой металлической пружины 1, тип дилатантной неньютоновской жидкости 2, величину электростатического заряда пленки моноэлектрета 4, нанесенной на ее наружную поверхность, можно существенно изменять упругие свойства комбинированного демпфирующего элемента и обеспечить повышение надежности и долговечности, особенно при значительных ударных и знакопеременных нагрузках.By changing the geometric parameters, the cross section and material of the hollow twisted metal spring 1, the geometric parameters of the internal closed cavity of the twisted metal spring 1, the type of dilatant non-Newtonian fluid 2, the magnitude of the electrostatic charge of the monoelectret film 4 deposited on its outer surface, it is possible to significantly change the elastic properties of the combined damping element and provide an increase in reliability and durability, especially with significant shock and alternating loads.

Пример. Полая витая металлическая пружина изготовлена из металлической трубки из пружинной стали, например, марок 50ХГ, 55ХГР, имеющей модуль сдвига G=80 ГПа. Диаметр металлической трубки d_p=1⋅10^-2(м), толщина стенок металлической трубки 1⋅10^-3(м), диаметр намотки Dp=4⋅10^-2 (м), число витков равно n=3. Внутренняя закрытая полость витой металлической пружины имеет диаметр полости d_o=8⋅10^-3 (м). Внутренняя закрытая полость витой металлической пружины заполнена, например, дилатантной неньютоновской жидкостью d3o, разработанный одной из британских компаний, имеющей плотность р=0,5…0,65 (г/см³). На наружную поверхность пружины нанесена электретная пленка моноэлектрета из поли-бис-трифторэтоксифосфазена (ПТФЭФ) толщиной 100…300 мкм, имеющие начальную поверхностную плотность заряда σ=10^-8 Кл/м² [Формирование поверхности в смесях полистирола с поли-бис-трифторэтоксифосфазеном / И.О. Волков, Д.Р. Тур, А.И. Перцин [и др.] // Высокомолекулярные соединения. Серия Б. - 2002. - Т. 44. - №5. - С. 882-885, Smirnova, N.N., Lebedev, B.V., Bykova, Т.А. et al. Thermodynamic properties of poly[bis(trifluoroethoxy) phosphazene] in the range from T→0 TO 620 K://J. Therm. Anal. Calorim, 2009. - Vol. 95, P. 229-234 URL: https://doi.org/10.1007/s10973-008-9038-7].Example. The hollow twisted metal spring is made of a metal tube made of spring steel, for example, grades 50KhG, 55KhGR, having a shear modulus G=80 GPa. Metal tube diameter d _p =1⋅10 ^-2 (m), metal tube wall thickness 1⋅10 ^-3 (m), winding diameter Dp=4⋅10 ^-2 (m), number of turns is n=3. The internal closed cavity of the coiled metal spring has a cavity diameter d _o =8⋅10 ^-3 (m). The internal closed cavity of a twisted metal spring is filled, for example, with a dilatant non-Newtonian fluid d3o, developed by one of the British companies, having a density of p=0.5...0.65 (g/cm ³ ). An electret film of monoelectret from poly-bis-trifluoroethoxyphosphazene (PTFE) with a thickness of 100 ... 300 μm is applied to the outer surface of the spring, having an initial surface charge density σ = 10 ^-8 C / m ² [Formation of the surface in mixtures of polystyrene with poly-bis-trifluoroethoxyphosphazene / AND ABOUT. Volkov, D.R. Tur, A.I. Pertsin [et al.] // High-molecular compounds. Series B. - 2002. - T. 44. - No. 5. - P. 882-885, Smirnova, NN, Lebedev, BV, Bykova, T.A. et al. Thermodynamic properties of poly[bis(trifluoroethoxy)phosphazene] in the range from T→0 TO 620 K://J. Therm. Anal. Calorim, 2009. - Vol. 95, P. 229-234 URL: https://doi.org/10.1007/s10973-008-9038-7].

При скорости деформации 10 (м/с) данная жидкость имеет модуль сдвига G=16 ГПа. Произведем оценку жесткости комбинированного демпфирующего элемента.At a strain rate of 10 (m/s), this fluid has a shear modulus G=16 GPa. Let us estimate the stiffness of the combined damping element.

Коэффициент жесткости для упругого элемента - витой полой цилиндрической пружины сжатия определяется по соотношению [Яворский Д.М. и др. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов. 8- изд. М.:"Оникс", 2006 г. - 1056 с.]:The stiffness coefficient for an elastic element - a twisted hollow cylindrical compression spring is determined by the ratio [Yavorsky D.M. and other reference book on physics for engineers and university students. 8th ed. M.: "Onyx", 2006 - 1056 p.]:

Такую жесткость комбинированный демпфирующий элемент будет иметь при скорости деформации примерно до 1 (м/с), так как при такой скорости деформации жесткостью дилатантной неньютоновской жидкостью в внутренней полости можно пренебречь по сравнению с жесткостью пружины.The combined damping element will have such stiffness at a strain rate of up to about 1 (m/s), since at such a strain rate the stiffness of the dilatant non-Newtonian fluid in the inner cavity can be neglected compared to the spring stiffness.

Однако после нанесения на поверхность пружины пленки моноэлектрета ее жесткость возрастет. Используя известные соотношения электростатики, а также информацию [Е.Л. Тарунин. Взаимодействие заряженных проводников на близких расстояниях. Вестник Пермского университета. Пермский государственный национальный исследовательский университет, 2012 г. Серия: Физика. Вып. 3 (21), с. 92-100] и указанные геометрические размеры пружины 1, на которую нанесена пленка моноэлектрета 4, имеющая начальную поверхностную плотность заряда, определим дополнительное приращение коэффициента жесткости при ударной нагрузке, которая привела к уменьшению межвиткового расстояния до 2*10^-3 (м). В первом приближении оно равно Ко=56,63*10³ (н/м). Суммарная жесткость системы К=Кр+Ко=366,63*10³ (н/м). Как видно, жесткость системы комбинированного демпфирующего элемента при данных геометрических размерах пружины 1 при нанесенной пленке моноэлектрета 4, имеющей начальную поверхностную плотность заряда, дополнительно возросла примерно на 18,3%.However, after applying a monoelectret film to the surface of the spring, its rigidity will increase. Using the known relations of electrostatics, as well as information [E.L. Tarunin. Interaction of charged conductors at close distances. Bulletin of the Perm University. Perm State National Research University, 2012 Series: Physics. Issue. 3 (21), p. 92-100] and the specified geometrical dimensions of the spring 1, on which the monoelectret film 4 is deposited, having the initial surface charge density, we determine an additional increment in the stiffness coefficient under shock loading, which led to a decrease in the interturn distance to 2 * 10 ^-3 (m). In the first approximation, it is equal to Ko=56.63*10 ³ (n/m). The total stiffness of the system K=Kr+Ko=366.63*10 ³ (n/m). As can be seen, the rigidity of the system of the combined damping element with the given geometrical dimensions of the spring 1 with the deposited monoelectret film 4, which has an initial surface charge density, additionally increased by approximately 18.3%.

По той же формуле определим коэффициент жесткости другой части демпфирующего элемента, образованной заполненной внутренней закрытой полостью с дилатантной неньютоновской жидкостью, при скорости деформации 10 (м/с). Он равен Кд=42,7*10³ (н/м). Суммарная жесткость системы К=Кр+Ко+Кд=409,3*10³ (н/м). Как видно, жесткость системы комбинированного демпфирующего элемента при данных геометрических размерах при повышении скорости деформации до 10 (м/с) возросла еще примерно на 12%.Using the same formula, we determine the stiffness coefficient of the other part of the damping element, formed by a filled internal closed cavity with a dilatant non-Newtonian fluid, at a strain rate of 10 (m/s). It is equal to Kd \u003d 42.7 * 10 ³ (n / m). The total stiffness of the system K \u003d Kr + Ko + Kd \u003d 409.3 * 10 ³ (n / m). As can be seen, the rigidity of the system of the combined damping element with the given geometrical dimensions increased by approximately 12% with an increase in the strain rate to 10 (m/s).

Таким образом, использование предлагаемой конструкции комбинированного демпфирующего элемента позволяет при демпфировании увеличить жесткостные и прочностные свойства системы, а также обеспечить повышение надежности и долговечности комбинированного демпфирующего элемента для систем демпфирования, особенно при значительных ударных и знакопеременных нагрузках, что обеспечивает во многих случаях предотвращение аварийных ситуаций.Thus, the use of the proposed design of the combined damping element makes it possible to increase the stiffness and strength properties of the system during damping, as well as to increase the reliability and durability of the combined damping element for damping systems, especially under significant shock and alternating loads, which in many cases prevents accidents.

Кроме того, поскольку у полой витой металлической пружины внутренняя закрытая полость заполнена дилатантной неньютоновской жидкостью, а наружная поверхность пружины покрыта пленкой моноэлектрета, то это дополнительно обеспечивает снижение массы комбинированного демпфирующего элемента - примерно на 25…35% - в зависимости от его геометрических параметров при сохранении жесткости - по сравнению с обычной металлической пружиной, изготовленной из пружинной стали, например, марок 50ХГ, 55ХГР и др.In addition, since the internal closed cavity of a hollow twisted metal spring is filled with a dilatant non-Newtonian fluid, and the outer surface of the spring is covered with a monoelectret film, this additionally reduces the weight of the combined damping element - by about 25 ... 35% - depending on its geometric parameters while maintaining stiffness - compared to a conventional metal spring made of spring steel, for example, grades 50KhG, 55KhGR, etc.

Claims

Combined damping element for damping systems, made of a hollow metal spiral spring, the inner cavity of which is filled with a dilatant non-Newtonian fluid, characterized in that an electrostatically charged monoelectret film is deposited on the outer surface of the spring.