CC BY
100
УДК 624.042: 629.5.024
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ СТЕНД ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕМПФИРУЮЩИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ
В. И. Сутырин, И. А. Шинкаренко, Э. Р. Кужахметова
A TEST STAND FOR DETERMINING THE DAMPING PROPERTIES OF CONSTRUCTION ELEMENTS AND MATERIALS
V. I. Sutyrin, I. А. Shinkarenko, E. R. Kuzhakhmetova
Предлагается конструкция экспериментальной установки для определения коэффициента демпфирования сыпучих материалов и жидкостей. Необходимость в подобных исследованиях возникает, например, в судостроении при проектировании корпусов судов с учетом вибрации, имеющих герметичные отсеки (балластные, грузовые и др., предназначенные для хранения запасов питьевой воды, топлива, смазочных материалов), заполняемые жидкостью. В области строительства зданий и сооружений используются характеристики демпфирования грунта, устанавливаемые только экспериментально. Предложенный способ относится к применяемым в вибрационно-измерительной технике и служит для определения коэффициента демпфирования сыпучих материалов, а также жидкостей, находящихся в замкнутом объеме (емкости). Способ теоретически основан на резонансном методе измерения коэффициента демпфирования, который широко используется для вычисления параметров вибродемпфирующих покрытий.
вибрация, амортизация, демпфирование колебаний, резонанс, частотный анализ, виброизоляция, судно
The paper presents of a test stand for determining the damping coefficient of bulk materials and liquid. The need for such studies arises, for example, in shipbuilding when designing ship hulls, with allowances made for vibration, having sealed compartments (ballast, cargo, and others intended for storing supplies of drinking water, fuel, lubricants) filled with liquid. Only those characteristics of soil damping that have been determined experimentally are used in design of buildings and structures. The proposed method relates to vibration-measuring equipment, in particular to methods for determining the damping coefficient of bulk materials, as well as liquids in an enclosed volume (capacity). The method is theoretically based on the resonant method of measuring the damping coefficient, which is widely used to determine the parameters of vibration-damping coatings.
vibration, absorbtion, vibration damping, resonance, frequency analysis, vibration isolation, vessel
ВВЕДЕНИЕ
В области строительного производства актуальной задачей является определение коэффициентов демпфирования различных видов грунтового основания проектируемых зданий, имеющих, например, свайный фундамент и подверженных действию нагрузок, меняющихся во времени (моторная вибрация, сейсмические и ветровые нагрузки). Характеристики демпфирования важны для практики проектирования оснований и фундаментов зданий и сооружений (например, свай, находящихся в грунтовом основании), а также сыпучих грузов и жидкостей в замкнутом объеме (трюмах, отсеках, танках судов различного назначения). Если для применяемых в судостроении вибродемпфирующих материалов методика определения коэффициента демпфирования разработана и реализована на практике, то для сыпучих, которые используются значительно реже, таких методов, технически реализованных, не предложено.
ОПИСАНИЕ МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ Известно, что диссипативные (демпфирующие) свойства вибрирующих объектов в наиболее явном виде фиксируются на резонансных режимах колебаний, когда искусственно создаются условия, при которых частоты собственных колебаний совпадают с частотами вынуждающих внешних сил (явление резонанса). Соответствующий метод получил название резонансного (далее РМ). Согласно РМ колебания испытуемого объекта возбуждаются гармонической силой (или моментом), например, с помощью вибратора. При этом посредством измерительной системы экспериментально определяются амплитуды колебаний объекта в зависимости от частоты и строятся амплитудно-частотные характеристики (резонансные кривые). Искомые собственные частоты, формы колебаний и коэффициенты демпфирования рассчитываются по резонансным пикам амплитудных характеристик (рис. 1) согласно следующей зависимости:
С = (<го2- <го1)/2<горез, (1)
где ю1 и а2, - частоты колебаний, соответствующие точкам а и б пересечения /-го резонансного пика прямой, проведенной параллельно оси абсцисс на расстоянии, равном высоте пика Лг = Аmax , деленной на (2)12,
т. е. А0= Атах ; шрез - резонансная частота или абсцисса амплитудного пика [1].
Рис. 3. Определение коэффициента демпфирования по резонансной кривой Fig. 1. Determination of damping coefficient by resonance curve
Известны многочисленные способы практической реализации резонансного метода. В качестве примера можно привести способ, согласно которому конструкция сваи, погружаемой в грунт путем забивки и используемой для моделирования условий и определения характеристик демпфирования при колебаниях в грунтовом массиве, снабжается резонатором [2]. В указанном техническом решении коэффициент демпфирования сваи грунтом находят в условиях втягивания модельной сваи в вынужденную резонансную вибрацию через вибрирующий грунт. В результате инструментальной фиксации характеристик вибрации появляется возможность определения зависимости коэффициента демпфирования в сваи от ряда характеристик грунта и воздействия внешней среды. Однако недостаток указанного способа применительно к рассматриваемой задаче заключается в выявлении демпфирующих характеристик грунта в условиях сложного напряженного состояния, что затрудняет их пересчет на реальные натурные условия. Кроме того, указанное техническое решение не может использоваться для определения коэффициента демпфирования жидких сред.
Наиболее близким к предлагаемому является способ, согласно которому, с целью снижения амплитудных значений вынужденных колебаний основания машин и оборудования, в системе их амортизации создаются два каскада амортизаторов. Между ними помещается герметичная емкость, выступающая в качестве амортизирующего объекта вследствие значительных диссипативных и амортизирующих свойств залитой в нее жидкости. Указанный способ обоснован в изобретении [3], однако применяется для снижения уровней вибрации судовых машин, механизмов и оборудования. В этом смысле эффект от использования указанной конструкции прямо противоположен целевым установкам предлагаемого изобретения.
Основной целью предложенного способа является, наоборот, создание резонансных режимов и определение демпфирующих характеристик жидкости и сыпучих материалов, необходимых для выполнения проектных расчетов судовых и строительных конструкций с учетом динамических нагрузок.
Поставленная цель достигается тем, что испытываемое вещество (грунт, жидкость) помещают в герметизированную емкость (например, в металлический ящик), которую затем размещают в составе колебательной амортизирующей системы между первым и вторым рядами амортизаторов, задающих, соответственно, низшую атп и высшую атах резонансные частоты диапазона колебаний емкости. Возбуждение колебаний в системе осуществляется линейным гармоническим вибратором, например электродвигателем с эксцентриком. Колебания фиксируются датчиком колебаний (ускорения, амплитуды), смонтированным на крышке емкости.
Для уточненного определения зависимости коэффициента демпфирования от частоты колебаний на емкость устанавливаются (жестко крепятся к ней) боковые ребра-резонаторы с перемещаемыми по ним грузами. Положение груза на резонаторе задает промежуточную резонансную частоту колебаний испытуемого вещества.
Способ определения демпфирующих характеристик жидкостей и сыпучих материалов осуществляют следующим образом (рис. 2 - 4). Металлический ящик (емкость) 1 заполняется испытуемым веществом, герметизируется крышкой 4 и
устанавливается в систему амортизации, опирающуюся на основание (стол) 13 между амортизаторами нижнего ряда 14 и верхнего ряда 15, на которых закрепляется платформа 17 с вибратором 16. Возбуждая гармоническую вибрацию и меняя частоту, строят резонансные кривые ящика 1 с резонансными частотами, определяемыми жесткостями амортизаторов первого 14 и второго 15 каскадов.
Построение указанных кривых позволяет определить коэффициенты а и в в матрице демпфирования вещества ||С||. Согласно гипотезе пропорционального демпфирования
||С|| = а М + в ||К||, (2)
где ||М|| - матрица масс; ||К|| - матрица жесткости; а = 2 ¿т\п/ат\п; в = 2 ¿тах/ ютах; ¿тт - коэффициент демпфирования, определенный на частоте ют;п; ¿тах - коэффициент демпфирования, определенный на частоте ютах. Зависимость коэффициента демпфирования от частоты установившихся колебаний можно представить в следующем виде: £ = а/2ю + вю/2. Указанные зависимости используются в современных расчетных комплексах инженерного анализа, например, таких как АКБУБ и КАБТКАК, и др.
Поскольку в ходе измерений определяется зависимость коэффициента демпфирования емкости, содержащей испытуемое вещество, то окончательная зависимость ¿М(ю) для материала выявляется путем вычитания из полученной зависимости ¿Я(ю), найденной для пустого ящика:
¿М (ю)= £ (ю) - ¿Я (ю). (3)
Для определения уточненной зависимости коэффициента демпфирования от частоты в заданном диапазоне частот к боковым стенкам 2 металлического ящика 1 с двух сторон симметрично крепятся, например на болтах 7, 8, боковые ребра 9 с перемещающимися по ним грузами 10. В указанной ситуации резонансная частота юрез изменяется и задается величиной массы груза 10 (М) и его состоянием (Ь) от точки закрепления боковых ребер 9. При этом резонансная частота юрез колебаний груза 10 массой М на консольном ребре длиной Ь приближенно определяется по формуле (4): ЪЕ1
. (4)
ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ Предлагаемый способ может быть реализован с помощью металлического ящика с боковыми ребрами-грузами 9, 10 на двухкаскадной амортизации опорных связей 14, 15, элементы которой изображены на рис. 2 - 4.
Симметричная двухкаскадная система амортизаторов и симметричное расположение грузов на ребрах гарантируют вертикальное перемещение ящика, заполненного материалом, поскольку горизонтальные центробежные силы взаимно компенсируются. Вибратор (электродвигатель) с эксцентриком обеспечивает горизонтальные вибрации емкости и, соответственно, возможности определения коэффициента демпфирования материала при горизонтальных колебаниях. В качестве варианта используется линейный одноосный вибратор, установленный непосредственно на боковую поверхность ящика. В указанном
варианте может формироваться двухкаскадная амортизация с амортизаторами, установленными в горизонтальной плоскости.
VII
Рис. 2. Стенд для определения коэффициента демпфирования. Общий вид Fig. 2. Stand for determining the damping coefficient. General view
f V13
Рис. 3. Стенд для определения коэффициента демпфирования. Вид сбоку Fig. 3. Stand for determining the damping coefficient. Side view
\ l
Рис. 4. Стенд для определения коэффициента демпфирования. Вид сверху Fig. 4. Stand for determining the damping coefficient. Above view
Изменение массы груза, закрепляемого на ребрах в вертикальном или горизонтальном положениях, позволяет варьировать колебательную нагрузку, действующую на металлический ящик с материалом. Система управления частотой колебаний вибратора и изменение массы его вибрирующего элемента (эксцентрика) обеспечивают проведение испытаний жидких и сыпучих материалов при различных амплитудах и частотах. Способ позволяет определить коэффициент демпфирования материала в одноосных испытаниях, что дает возможность включать его характеристики непосредственно в исходные данные современных вычислительных комплексов, а также пересчитывать модельные результаты на натурные объекты. Согласно теории подобия при моделировании устройства критериями подобия служат следующие зависимости: т ю / к (критерий подобия по частоте); т к / е2 (критерий подобия по сопротивлению), где т - приведенная масса ящика и грунта (жидкости); к - приведенная жесткость ящика; с - коэффициент сопротивления, ю - частота колебаний боковых ребер с грузами и ящика.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Предложена конструкция экспериментальной установки для определения коэффициента демпфирования сыпучих материалов и жидкостей, приведено описание резонансного метода. Предлагаемый способ позволяет определить зависимость коэффициента демпфирования сыпучих материалов и жидкостей от частоты внешнего воздействия, амплитуды колебаний, типа, плотности, влажности и температуры грунта. На конструкцию описанного в работе стенда получено положительное решение ФИПС [4]. Результаты работы с данным стендом будут опубликованы в последующих работах авторов.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Нашиф, А. Демпфирование колебаний / А. Нашиф, Д. Джоунс, Дж. Хендерсон. - Москва: Мир, 1988. - С. 148 -149.
2. Пат. № 2 646 540 РФ, МПК G01M 7/04, G01/N 3/32. Экспериментальная установка (стенд) для изучения многофакторной зависимости коэффициента демпфирования сваи при взаимодействии с грунтом / Сутырин В. И., Кужахметова Э. Р.; Заявитель и патентообладатель ФГАОУ ВО «БФУ им. И. Канта»; № 2017116082/28; заявл. 05.05.2017; опубл. 12.12.2017 г. - 4 с.
3. Пат. № 2 547 946 РФ, МПК F16F 7/10, F16F 9/30. Способ двухкаскадной амортизации опорных конструкций машин / Короткая Е. И., Сутырин В. И., Сапожников А. И.; Заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО "КГТУ». -№ 2013136463/11; заявл.02.08.2013; опубл. 10.04.2015. - 6с.
4. Пат. на полезную модель № 184 676 РФ, МПК G01N 19/10. Устройство для определения коэффициента демпфирования сыпучих материалов и жидкостей / Сутырин В. И., Кужахметова Э. Р., Шинкаренко И. А.; Заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО "КГТУ». - № 2018125340; заявл.10.07.2018; опубл. 02.11.2018. - 7с.
REFERENCES
1. Nashif A., Dzhouns D., Henderson Dzh. Dempfirovanie kolebaniy [Vibration damping]. Moscow, Mir Publ., 1988, pp. 148-149.
2. Patent № 2 646 540 RF, MPK G01M 7/04, G01/N 3/32. Eksperimental'naya ustanovka (stend) dlya izucheniya mnogofaktornoy zavisimosti koefficienta dempfirovaniya svai pri vzaimodeystvii s gruntom [Test stand for studying the multivariate dependence of the pile damping coefficient when interacting with the ground]. Sutyrin V. I., Kuzhahmetova E. R. Zayavitel' i patentoobladatel' FGAOU VO "BFU im. I. Kanta", no. 2017116082/28, 05.05.2017; publ. 12.12.2017, 4 p.
3. Patent № 2 547 946 RF, MPK F16F 7/10, F16F 9/30. Sposob dvuhkaskadnoy amortizacii opornykh konstrukciy mashin [Method of two-stage depreciation of machine support structures]. Korotkaya E. I., Sutyrin V. I., Sapozhnikov A. I. Zayavitel' i patentoobladatel' FGBOU VPO "KGTU", no. 2013136463/11, 02.08.2013; publ. 10.04.2015, 6 p.
4. Patent № 184 676 RF, MPK G01N 19/10. Ustroystvo dlya opredeleniya koefficienta dempfirovaniya sypuchikh materialov i zhidkostey [Device for determining the damping coefficient of bulk materials and liquids]. Sutyrin V. I., Kuzhahmetova E. R., Shinkarenko I. A. Zayavitel' i patentoobladatel' FGBOU VPO "KGTU", no. 2018125340, 10.07.2018; publ. 02.11.2018, 7 p.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Сутырин Валерий Игоревич - Балтийский федеральный университет им. И. Канта; Инженерно-технический институт;
доктор технических наук, профессор кафедры машиноведения и технических
систем; E-mail: [email protected]
Sutyrin Valeriy Igorevich - Emmanuel Kant Baltic Federal University; Institute of Engineering and Technology; Doctor of Engineering, Professor of the Department of Machine and Technical Systems; E-mail: [email protected]
Шинкаренко Иван Александрович - АО «Прибалтийский cудостроительный завод "Янтарь"»; инженер; E-mail: [email protected].
Shinkarenko Ivan Aleksandrovich - «Baltic shipyard "Yantar"»; Engineer;
E-mail: [email protected]
Кужахметова Эльвира Рафаэльевна - Балтийский федеральный университет
им. И. Канта; Инженерно-технический институт; аспирант кафедры машиноведения и технических систем; Email:[email protected]
Kuzhakhmetova Elvira Rafaelievna - Emmanuel Kant Baltic Federal University;
Institute of Engineering and Technology; Post-graduate Student; Department of Machine and Technical Systems; Email:[email protected]
