Настроенный массовый демпфер ( TMD ) , также известный как гармонический поглотитель или сейсмический демпфер , представляет собой устройство, устанавливаемое в конструкциях для снижения механических колебаний , состоящее из массы, установленной на одной или нескольких демпфированных пружинах. Его частота колебаний настраивается так, чтобы быть похожей на резонансную частоту объекта, на котором он установлен, и уменьшает максимальную амплитуду объекта, при этом веся намного меньше его.
TMD могут предотвратить дискомфорт, повреждение или прямое разрушение конструкции . Они часто используются в трансмиссиях, автомобилях и зданиях.
Настроенные инерционные демпферы стабилизируют от сильного движения, вызванного гармонической вибрацией . Они используют сравнительно легкий компонент для снижения вибрации системы, чтобы ее наихудшие вибрации были менее интенсивными. Грубо говоря, практические системы настраиваются либо для перемещения основного режима от тревожной частоты возбуждения, либо для добавления демпфирования к резонансу, который трудно или дорого демпфировать напрямую. Примером последнего является демпфер крутильных колебаний коленчатого вала. Инерционные демпферы часто реализуются с фрикционным или гидравлическим компонентом, который превращает механическую кинетическую энергию в тепло, как автомобильный амортизатор .
Если двигатель массой m 1 прикреплен к земле с помощью опор двигателя, то во время работы двигатель вибрирует, а мягкие опоры двигателя действуют как параллельная пружина и демпфер, k 1 и c 1 . Сила на опорах двигателя равна F 0 . Чтобы уменьшить максимальную силу на опорах двигателя, когда двигатель работает в диапазоне скоростей, меньшая масса m 2 соединена с m 1 пружиной и демпфером, k 2 и c 2 . F 1 — это эффективная сила на двигателе из-за его работы.
График показывает влияние настроенного инерционного демпфера на простую систему пружина–масса–демпфер, возбуждаемую вибрациями с амплитудой в одну единицу силы, приложенной к основной массе, m 1 . Важной мерой производительности является отношение силы на опорах двигателя к силе, вибрирующей в двигателе, Ф 0/Ф 1 . Это предполагает, что система линейна, поэтому если сила на двигателе удвоится, то же самое произойдет и с силой на опорах двигателя. Синяя линия представляет базовую систему с максимальным откликом 9 единиц силы на частоте около 9 единиц. Красная линия показывает эффект добавления настроенной массы в размере 10% от базовой массы. Она имеет максимальный отклик 5,5 на частоте 7. В качестве побочного эффекта она также имеет вторую нормальную моду и будет вибрировать несколько сильнее, чем базовая система на частотах ниже примерно 6 и выше примерно 10.
Высоты двух пиков можно регулировать, изменяя жесткость пружины в настроенном демпфере массы. Изменение демпфирования также изменяет высоту пиков, сложным образом. Разрыв между двумя пиками можно изменять, изменяя массу демпфера ( m 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 рассмотрим m 2 = м 1/10 , синяя линия показывает движение демпфирующей массы, а красная линия показывает движение первичной массы. График амплитуды показывает, что на низких частотах демпфирующая масса резонирует гораздо сильнее, чем первичная масса. График фаз показывает, что на низких частотах две массы находятся в фазе. По мере увеличения частоты m 2 выходит из фазы с m 1 до тех пор, пока примерно на 9,5 Гц он не окажется на 180° вне фазы с m 1 , максимизируя эффект демпфирования за счет максимизации амплитуды x 2 − x 1 , это максимизирует энергию, рассеиваемую в c 2 , и одновременно тянет первичную массу в том же направлении, что и крепления двигателя.
Настроенный массовый демпфер был представлен как часть системы подвески Renault на ее болиде F1 2005 года ( Renault R25 ) на Гран-при Бразилии 2005 года . Сообщается, что система сократила время круга на 0,3 секунды: феноменальный выигрыш для относительно простого устройства. [1] Стюарды встречи посчитали это законным, но FIA подала апелляцию на это решение.
Две недели спустя Международный апелляционный суд FIA признал демпфер массы незаконным. [2] [3] Он был признан незаконным, поскольку масса не была жестко прикреплена к шасси; влияние демпфера на положение автомобиля по тангажу, в свою очередь, влияло на зазор под автомобилем и наземные эффекты автомобиля. Таким образом, демпфер считался подвижным аэродинамическим устройством и, следовательно, незаконным влиянием на аэродинамические характеристики .
Настроенные инерционные демпферы широко используются в серийных автомобилях, как правило, на шкиве коленчатого вала для контроля крутильных колебаний и, реже, изгибных мод коленчатого вала. Они также используются в трансмиссии для свиста коробки передач и в других местах для других шумов или вибраций на выхлопе, кузове, подвеске или где-либо еще. Почти все современные автомобили будут иметь один инерционный демпфер, а некоторые могут иметь десять или больше.
Обычная конструкция демпфера на коленчатом валу состоит из тонкой полосы резины между ступицей шкива и внешним ободом. Это устройство, часто называемое гармоническим демпфером , расположено на другом конце коленчатого вала, напротив маховика и трансмиссии. Альтернативная конструкция — это центробежный маятниковый демпфер , который используется для снижения крутильных колебаний двигателя внутреннего сгорания .
Все четыре колеса Citroën 2CV были оснащены настроенным инерционным демпфером (в оригинальном французском варианте именуемым «Batteur»), конструкция которого очень похожа на ту, что использовалась в автомобиле Renault F1. С начала производства в 1949 году он устанавливался на всех четырех колесах, а в середине 1970-х годов был снят с задних, а затем и с передних колес.
Настроенный инерционный демпфер широко используется в качестве метода добавления демпфирования мостам. Одним из вариантов использования настроенных инерционных демпферов в мостах является предотвращение больших вибраций из-за резонанса с пешеходными нагрузками. [5] При добавлении настроенного инерционного демпфера к конструкции добавляется демпфирование, что приводит к снижению вибрации конструкции, поскольку амплитуда установившегося состояния вибрации обратно пропорциональна демпфированию конструкции. [6]
Одним из предложений по снижению вибрации твердотопливного ускорителя Ares от NASA было использование 16 настроенных инерционных демпферов в рамках стратегии проектирования для снижения пиковых нагрузок с 6 g до 0,25 g , при этом TMD отвечали за снижение с 1 g до 0,25 g , а остальное делали обычные виброизоляторы между верхними ступенями и ускорителем. [7] [8]
Высоковольтные линии часто имеют небольшие демпферы Стокбриджа в форме штанги, подвешенные к проводам , чтобы уменьшить высокочастотные колебания малой амплитуды, называемые флаттером . [9] [10]
Стандартный настроенный инерционный демпфер для ветряных турбин состоит из вспомогательной массы, которая прикреплена к основной конструкции с помощью пружин и элементов демпфера. Собственная частота настроенного инерционного демпфера в основном определяется его жесткостью и коэффициентом затухания, определяемым демпфером . Настроенный параметр настроенного инерционного демпфера позволяет вспомогательной массе колебаться со сдвигом фаз относительно движения конструкции. В типичной конфигурации вспомогательная масса подвешивается под гондолой ветряной турбины, поддерживаемой демпферами или фрикционными пластинами. [ необходима цитата ]
При установке в зданиях демпферы обычно представляют собой огромные бетонные блоки или стальные тела, установленные в небоскребах или других сооружениях, которые движутся в направлении, противоположном 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, на первый взгляд, безобидным источником вибрации, вызывающим резонанс, который может быть разрушительным, неприятным или просто неудобным.
Сейсмические волны, вызванные землетрясением , заставят здания качаться и колебаться различными способами в зависимости от частоты и направления движения грунта , а также высоты и конструкции здания. Сейсмическая активность может вызвать чрезмерные колебания здания, которые могут привести к разрушению конструкции . Для повышения сейсмостойкости здания выполняется надлежащее проектирование здания с использованием различных технологий контроля сейсмических колебаний . Как упоминалось выше, демпфирующие устройства использовались в авиационной и автомобильной промышленности задолго до того, как они стали стандартными для смягчения сейсмического ущерба зданиям. Фактически, первые специализированные демпфирующие устройства для землетрясений были разработаны только в конце 1950 года. [11]
Массы людей, одновременно поднимающихся и спускающихся по лестнице, или большое количество людей, топающих в унисон, могут вызвать серьезные проблемы в крупных сооружениях, таких как стадионы, если в этих сооружениях отсутствуют меры по гашению шума.
Сила ветра, воздействующая на высокие здания, может привести к перемещению верхней части небоскребов более чем на метр. Это движение может иметь форму качания или скручивания и может привести к перемещению верхних этажей таких зданий. Определенные углы ветра и аэродинамические свойства здания могут усиливать движение и вызывать укачивание у людей. TMD обычно настраивается на резонансную частоту своего здания для эффективной работы. Однако в течение своего срока службы высотные и тонкие здания могут испытывать естественные изменения резонансной частоты под воздействием скорости ветра, температуры окружающей среды и колебаний относительной влажности, среди прочих факторов, что требует надежной конструкции TMD.
{{cite book}}: CS1 maint: others (link)Два 250-тонных настроенных инерционных амортизатора были размещены на высоте груди для контроля колебаний при сильном ветре.
Чтобы остановить любое колебание такой высокой конструкции, были использованы два настроенных инерционных амортизатора по 250 тонн каждый.
{{cite web}}: CS1 maint: bot: original URL status unknown (link)