Настраиваемый демпфер массы ( TMD ), также известный как поглотитель гармоник или сейсмический демпфер , представляет собой устройство, монтируемое в конструкциях для уменьшения механических вибраций , состоящее из массы, установленной на одной или нескольких демпфирующих пружинах. Его частота колебаний настроена так, чтобы соответствовать резонансной частоте объекта, на котором он установлен, и уменьшает максимальную амплитуду объекта, веся при этом намного меньше его.
ДВНЧС могут предотвратить дискомфорт, повреждение или полный структурный отказ . Они часто используются в передаче энергии, автомобилях и зданиях.
Настроенные демпферы масс стабилизируют движение, вызванное гармонической вибрацией . Они используют сравнительно легкий компонент для снижения вибрации системы, поэтому ее вибрации в худшем случае становятся менее интенсивными. Грубо говоря, практические системы настроены либо на удаление основной моды от тревожной частоты возбуждения, либо на добавление демпфирования к резонансу, который трудно или дорого заглушить напрямую. Примером последнего является демпфер крутильных колебаний коленчатого вала. Массовые демпферы часто реализуются с фрикционным или гидравлическим компонентом, который превращает механическую кинетическую энергию в тепловую, как в автомобильном амортизаторе .
Учитывая двигатель массой m 1 , прикрепленный через опоры двигателя к земле, двигатель вибрирует во время работы, а мягкие опоры двигателя действуют как параллельные пружина и демпфер k 1 и c 1 . Усилие, действующее на опоры двигателя, равно F 0 . Чтобы уменьшить максимальную силу, действующую на опоры двигателя, когда двигатель работает в диапазоне скоростей, меньшая масса m 2 соединяется с m 1 с помощью пружины и демпфера k 2 и c 2 . F 1 — действующая сила, действующая на двигатель при его работе.
На графике показано влияние настроенного массового демпфера на простую систему пружина-масса-демпфер, возбуждаемую вибрациями с амплитудой в одну единицу силы, приложенной к основной массе, м 1 . Важным показателем производительности является соотношение силы, действующей на опоры двигателя, к силе, вибрирующей двигатель.Ф 0/Ф 1. Это предполагает, что система линейна, поэтому, если сила, действующая на двигатель, увеличится вдвое, то же самое произойдет и с опорами двигателя. Синяя линия представляет базовую систему с максимальным откликом 9 единиц силы при частоте около 9 единиц. Красная линия показывает эффект добавления настроенной массы в размере 10% от базовой массы. Он имеет максимальный отклик 5,5 на частоте 7. В качестве побочного эффекта он также имеет второй нормальный режим и будет вибрировать несколько сильнее, чем базовая система на частотах ниже примерно 6 и выше примерно 10.
Высоту двух пиков можно регулировать, изменяя жесткость пружины настроенного демпфера массы. Изменение демпфирования также сложным образом меняет высоту пиков. Распределение между двумя пиками можно изменить, изменив массу демпфера ( м 2 ).
График Боде более сложен и показывает фазу и величину движения каждой массы для двух случаев относительно F 1 .
На графиках справа черная линия показывает базовый ответ ( m 2 = 0). Теперь учитывая m 2 = м 1/10, синяя линия показывает движение демпфирующей массы, а красная линия показывает движение основной массы. Амплитудный график показывает, что на низких частотах демпфирующая масса резонирует гораздо сильнее, чем основная масса. Фазовый график показывает, что на низких частотах две массы находятся в фазе. По мере увеличения частоты m 2 смещается в противофазе с m 1 до тех пор, пока примерно на частоте 9,5 Гц он не сдвинут по фазе с m 1 на 180° , максимизируя эффект демпфирования за счет максимизации амплитуды x 2 − x 1 , что максимизирует энергию, рассеиваемую в c 2 и одновременно тянет первичную массу в том же направлении, что и опоры двигателя.
Настроенный демпфер масс был представлен как часть системы подвески Renault на ее автомобиле Формулы-1 2005 года ( R25 ) на Гран-при Бразилии 2005 года . Сообщается, что система сократила время прохождения круга на 0,3 секунды: феноменальный выигрыш для относительно простого устройства. [1] Стюарды встречи сочли это законным, но FIA обжаловала это решение.
Две недели спустя Международный апелляционный суд FIA признал массовый демпфер незаконным. [2] [3] Это было признано незаконным, поскольку масса не была жестко прикреплена к шасси; Влияние демпфера на наклон автомобиля, в свою очередь, повлияло на зазор под автомобилем и воздействие автомобиля на землю. Таким образом, демпфер считался подвижным аэродинамическим устройством и, следовательно, оказывал незаконное влияние на аэродинамические характеристики .
Демпферы с настроенной массой широко используются в серийных автомобилях, обычно на шкиве коленчатого вала для контроля крутильных колебаний и, реже, изгибных режимов коленчатого вала. Они также используются в трансмиссии для устранения шума коробки передач и других шумов или вибраций в выхлопной системе, кузове, подвеске или где-либо еще. Почти все современные автомобили будут иметь один массовый демпфер, а некоторые могут иметь десять и более.
Обычная конструкция демпфера коленчатого вала состоит из тонкой резиновой ленты между ступицей шкива и внешним ободом. Это устройство, часто называемое гармоническим демпфером , расположено на другом конце коленчатого вала, противоположном тому, где находятся маховик и трансмиссия. Альтернативной конструкцией является центробежный маятниковый амортизатор , который используется для уменьшения крутильных колебаний двигателя внутреннего сгорания .
Все четыре колеса Citroën 2CV имели настроенный массовый демпфер (называемый в оригинальном французском языке «Batteur»), очень похожей по конструкции на тот, который использовался в автомобиле Renault F1 с начала производства в 1949 году на всех четырех колесах. прежде чем его сняли с задних, а затем и с передних колес в середине 1970-х годов.
Настроенный массовый демпфер широко используется как метод усиления демпфирования мостов. Одним из вариантов использования настроенных демпферов массы в мостах является предотвращение сильных вибраций из-за резонанса с нагрузками от пешеходов. [5] При добавлении настроенного массового демпфера к конструкции добавляется демпфирование, что приводит к уменьшению вибрации конструкции, поскольку амплитуда установившегося состояния вибрации обратно пропорциональна демпфированию конструкции. [6]
Одним из предложений по снижению вибрации на твердотопливном ускорителе НАСА « Арес» было использование 16 настроенных демпферов массы в рамках стратегии проектирования по снижению пиковых нагрузок с 6 г до 0,25 г , при этом TMD отвечали за снижение с 1 г до 0,25 г. остальное делают обычные виброизоляторы между верхними ступенями и ускорителем. [7] [8]
Линии высокого напряжения часто имеют небольшие демпферы Стокбриджа в форме стержня , свисающие с проводов, чтобы уменьшить высокочастотные колебания малой амплитуды, называемые флаттерами . [9] [10]
Стандартный настроенный массовый демпфер для ветряных турбин состоит из вспомогательной массы, которая крепится к основной конструкции посредством пружин и элементов приборной панели. Собственная частота настроенного массового демпфера в основном определяется его жесткостью пружины и коэффициентом демпфирования, определяемым приборной панелью . Настраиваемый параметр настроенного демпфера массы позволяет вспомогательной массе колебаться со сдвигом по фазе относительно движения конструкции. В типичной конфигурации под гондолой ветряной турбины подвешивалась вспомогательная масса, поддерживаемая демпферами или фрикционными пластинами. [ нужна цитата ]
При установке в зданиях демпферы обычно представляют собой огромные бетонные блоки или стальные корпуса, установленные в небоскребах или других конструкциях, которые движутся в противовес колебаниям резонансной частоты конструкции с помощью пружин , жидкости или маятников.
Нежелательная вибрация может быть вызвана силами окружающей среды, действующими на конструкцию, такими как ветер или землетрясение, или кажущимся безобидным источником вибрации, вызывающим резонанс, который может быть разрушительным, неприятным или просто неудобным.
Сейсмические волны , вызванные землетрясением, заставят здания раскачиваться и колебаться по-разному в зависимости от частоты и направления движения грунта , а также высоты и конструкции здания. Сейсмическая активность может вызвать чрезмерные колебания здания, что может привести к разрушению конструкции . Для повышения сейсмических характеристик здания осуществляется его надлежащее проектирование с использованием различных технологий контроля сейсмической вибрации . Как упоминалось выше, демпфирующие устройства использовались в авиационной и автомобильной промышленности задолго до того, как они стали стандартными средствами уменьшения сейсмического ущерба зданиям. Фактически, первые специализированные устройства для гашения землетрясений были разработаны только в конце 1950 года. [11]
Массы людей, поднимающихся и спускающихся по лестнице одновременно, или большое количество людей, топающих в унисон, могут вызвать серьезные проблемы в больших сооружениях, таких как стадионы, если в этих конструкциях отсутствуют меры по демпфированию.
Сила ветра, направленная против высоких зданий, может привести к тому, что верхушки небоскребов сдвинутся более чем на метр. Это движение может иметь форму покачивания или скручивания и может вызывать перемещение верхних этажей таких зданий. Определенные углы ветра и аэродинамические свойства здания могут усиливать движение и вызывать у людей укачивание . Для эффективной работы TMD обычно настраивается на резонансную частоту своего здания. Однако в течение срока службы высотные и узкие здания могут испытывать естественные изменения резонансной частоты под воздействием скорости ветра, температуры окружающей среды и изменений относительной влажности, а также других факторов, что требует надежной конструкции TMD.
{{cite book}}: CS1 maint: others (link)Two 250 tonne tuned mass dampers were placed at chest height to control the sway in high winds.
To arrest any sway of such a tall structure, two Tuned Mass Dampers of 250 tonnes each have been used.
{{cite web}}: CS1 maint: bot: original URL status unknown (link)