PL238247B1

PL238247B1 - Adaptive-passive vibration absorber using loose granular material

Info

Publication number: PL238247B1
Application number: PL430075A
Authority: PL
Inventors: Robert Zalewski; Mateusz Żurawski; Paweł Chodkiewicz
Original assignee: Politechnika Warszawska
Priority date: 2019-05-30
Filing date: 2019-05-30
Publication date: 2021-08-02
Also published as: PL430075A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest adaptacyjno-pasywny tłumik drgań wykorzystujący luźny materiał granulowany, przeznaczony do minimalizacji drgań układów w ich niebezpiecznych zakresach pracy, zwłaszcza jako absorber drgań konstrukcji budowlanych.The subject of the invention is an adaptive-passive vibration damper using loose granular material, intended to minimize vibrations of systems in their hazardous operating ranges, especially as a vibration absorber of building structures.

Z patentu PL 231274 znany jest wieloosiowy adaptacyjny absorber zderzenia zbudowany z rdzenia z materiału granulowanego otoczonego szczelną membraną gumową, w którym zmiana właściwości mechanicznych następuje pod wpływem zmiany podciśnienia wewnątrz rdzenia. Membrana gumowa pozwala na eliminację odkształcenia plastycznego i powrót do stanu równowagi. Takie rozwiązanie pozwala na adaptacyjne sterowanie odpowiedzią układu na wymuszenie impulsowe.Patent PL 231274 describes a multi-axis adaptive impact absorber made of a core made of granular material surrounded by a sealed rubber membrane, in which the change of mechanical properties takes place as a result of a change in the negative pressure inside the core. The rubber diaphragm allows for the elimination of plastic deformation and return to the equilibrium state. This solution allows for adaptive control of the system's response to the impulse forcing.

Znane są także absorbery zawierające rdzeń ze specjalnych struktur granulowanych utworzonych z luźnego granulatu umieszczonego w elastycznej osłonie w podciśnieniu, pomiędzy elementami przenoszącymi obciążenie. Elementem zapewniającym powrót odkształconego rdzenia granulowanego jest umieszczona współśrodkowo sprężyna. Inny absorber, opisany w zgłoszeniu patentowym US4713917, zawiera sprężysty cylindryczny rdzeń zamknięty płytami końcowymi przenoszącymi obciążenie. Rdzeń jest wypełniony materiałem granulowanym w postaci śrutu stalowego, kulek szklanych lub kulek ceramicznych.Also known are absorbers containing a core made of special granular structures made of loose granules placed in an elastic sheath under negative pressure, between the load-bearing elements. The element ensuring the return of the deformed granular core is a concentric spring. Another absorber, described in patent application US4713917, comprises a resilient cylindrical core closed by load-bearing end plates. The core is filled with granulated material in the form of steel shot, glass spheres or ceramic spheres.

W publikacji „Prototyp kontrolowanego tłumika drgań pracującego na bazie rdzenia granulowanego”, Robert Zalewski, acta mechanica et automatica, vol. 5 no. 3, 2011, opisany jest absorber wykonany z granulatu z tworzywa sztucznego umieszczonego pomiędzy elementami przenoszącymi obciążenie w cylindrycznej elastycznej osłonie w podciśnieniu. W rozwiązaniu tym elastyczna osłona pełni rolę uszczelnienia przestrzeni wewnątrz rdzenia, umożliwiając uzyskanie podciśnienia. Absorber może być wyposażony we współśrodkowo sprężynę zapewniającą powrót odkształconego rdzenia granulowanego.In the publication "Prototype of a controlled vibration damper working on the basis of a granular core", Robert Zalewski, acta mechanica et automatica, vol. 5 no. 3, 2011, an absorber made of plastic granules placed between load-bearing elements in a cylindrical flexible shell under negative pressure is described. In this solution, the flexible sheath acts as a sealing of the space inside the core, enabling a negative pressure to be obtained. The absorber can be equipped with a concentric spring ensuring the return of the deformed granular core.

Celem wynalazku jest opracowanie tłumika do półaktywnego tłumienia drgań układów mechanicznych, szczególnie w ich niebezpiecznych zakresach pracy.The object of the invention is to develop a damper for semi-active vibration damping of mechanical systems, especially in their hazardous operating ranges.

Adaptacyjno-pasywny tłumik drgań wykorzystujący luźny materiał granulowany umieszczony wewnątrz balonu o zmiennej objętości przestrzeni roboczej realizowanej przez zmianę ciśnienia powietrza doprowadzanego przez zawór, który to balon jest umieszczony pomiędzy elementami przenoszącymi obciążenie, według wynalazku charakteryzuje się tym, że elementami przenoszącymi obciążenie są ruchome przegrody umieszczone przesuwnie w sztywnej i szczelnej obudowie w kształcie prostopadłościanu, a pomiędzy każdą przegrodą a podstawą obudowy jest osadzona sprężyna dociskowa dociskająca przegrodę do balonu wypełnionego granulatem, zaś zawór jest zamocowany w otworze wykonanym w ściance bocznej obudowy pomiędzy ruchomymi przegrodami.Adaptive-passive vibration damper using loose granular material placed inside the balloon with a variable volume of the working space realized by changing the air pressure supplied by the valve, which balloon is placed between the load-bearing elements, according to the invention, characterized in that the load-bearing elements are movable partitions arranged slidably in a rigid and tight cuboid-shaped casing, and between each baffle and the casing base there is a pressure spring pressing the baffle against the balloon filled with granules, and the valve is fixed in an opening made in the side wall of the casing between the movable baffles.

Tłumik według wynalazku umożliwia sterowanie charakterystyką odpowiedzi w zależności od warunków pracy, dzięki możliwości uzyskiwania zmiennej objętości roboczej wypełnionej materiałem granulowanym. Ważną zaletą tłumika jest możliwość szybkiej zmiany parametrów urządzenia wpływających na efektywne tłumienie drgań układu w trakcie eksploatacji za pomocą wykorzystania kolizji materiałów granulowanych. Dodatkowo, konstrukcja proponowanego rozwiązania zachowuje analogiczne wartości tłumiące jakie można zaobserwować w standardowych uderzeniowych tłumikach z materiałem granulowanym. W obydwu przypadkach można zauważyć znaczący wpływ masy granulatu, zastosowanego materiału, kształt oraz objętość komory z granulatem na wartości tłumienia.The silencer according to the invention enables the response characteristics to be controlled depending on the operating conditions, thanks to the possibility of obtaining a variable working volume filled with granular material. An important advantage of the damper is the ability to quickly change the device parameters affecting the effective damping of system vibrations during operation by using the collision of granulated materials. In addition, the design of the proposed solution maintains analogous damping values that can be observed in standard impact dampers with granulated material. In both cases, it is possible to notice a significant influence of the weight of the granulate, the material used, the shape and the volume of the chamber with the granulate on the damping values.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia tłumik w przekroju wzdłużnym, fig. 2 przedstawia przekrój wzdłużny tłumika w widoku aksonometrycznym, fig. 3 ilustruje przebiegi drgań belki zamurowanej z tłumikiem wykorzystującym granulat stalowy dla kilku wariantów wypełnienia objętości balonu, fig. 4 ilustruje przebiegi drgań belki zamurowanej z tłumkiem wykorzystującym granulat plastikowy, dla kilku wariantów wypełnienia objętości balonu, fig. 5 ilustruje przebiegi drgań belki zamurowanej z tłumkiem wykorzystującym granulat mieszany (plastik i stal) dla kilku wariantów wypełnienia objętości balonu, a fig. 6 ilustruje przebiegi drgań belki zamurowanej z tłumkiem wykorzystującym granulat plastikowy i zmianą objętości balonu w trakcie pracy całego układu.The subject of the invention is shown in the embodiment in the drawing, in which Fig. 1 shows the damper in a longitudinal section, Fig. 2 shows a longitudinal section of the damper in an axonometric view, Fig. 3 shows the vibration courses of a walled beam with a damper using steel granulate for several variants of filling the volume Fig. 4 illustrates the vibration waveforms of a walled beam with a damper using plastic granules, for several variants of filling the balloon volume, Fig. 5 illustrates vibration waveforms of a walled beam with a damper using mixed granules (plastic and steel) for several variants of filling the balloon volume, and 6 illustrates the vibration waveforms of a walled beam with a damper using plastic granules and the change in the balloon volume during the operation of the entire system.

Jak przedstawiono na fig. 1, 2, tłumik składa się z obudowy 1, zaworu 2, dwóch ruchomych przegród 3, 4, dwóch sprężyn 5, 6, balonu 7 i granulatu 8. Przegrody 3, 4 dzielą wnętrze obudowy 1 na 3 komory 9, 10, 11, dwie boczne i środkową. W środkowej komorze 11 ograniczonej przegrodami 3, 4 znajduje się balon 7 wypełniony granulatem 8. Balon 7 ma zawór 2 z wylotem usytuowanym na zewnątrz obudowy 1. Poprzez zawór 2 można pompować i opróżniać balon 7 w celu zmiany objęAs shown in Figs. 1, 2, the silencer consists of a housing 1, a valve 2, two movable partitions 3, 4, two springs 5, 6, a balloon 7 and granules 8. Partitions 3, 4 divide the interior of the housing 1 into 3 chambers 9 , 10, 11, two side and middle. In the central chamber 11 delimited by partitions 3, 4 there is a balloon 7 filled with granules 8. The balloon 7 has a valve 2 with an outlet located outside the casing 1. Via the valve 2, the balloon 7 can be pumped and emptied to change the volume.

PL 238 247 B1 tości przestrzeni roboczej, w której zachodzą kolizje granulatu 8 podczas pracy tłumika. Elementami przenoszącymi obciążenie są ruchome przegrody 3, 4 umieszczone przesuwnie w sztywnej i szczelnej obudowie 1 w kształcie prostopadłościanu. Pomiędzy każdą przegrodą 3, 4 a podstawą obudowy 1 jest osadzona sprężyna dociskowa 5, 6 dociskająca odpowiednią przegrodę 3, 4 do balonu 7. Takie rozwiązanie pozwala na równomierną rozszerzalność gumowej powłoki balonu 7 pod wpływem ciśnienia powietrza pompowanego przez zawór 2, a także na jej łatwe sprowadzenie do położenia początkowego podczas redukcji ciśnienia w przestrzeni roboczej. Zastosowany zawór 2 jest uniwersalny i kompatybilny z ogólnodostępnymi sprężarkami. Możliwość dynamicznego powiększania objętości przestrzeni roboczej, w której zachodzą kolizje granulatu 8 podczas pracy tłumika pozwala na adaptacyjno-pasywne tłumienie jego drgań. Proponowane urządzenie w swej budowie jest proste, co powoduje łatwą adaptację kształtu do tłumionego obiektu. Efekt taki uzyskano poprzez zastosowanie wypełnionego granulatem 8 balonu 7 z powłoką z gumy, który w szybki sposób dopasowuje się do kształtu środkowej komory 11 tłumika. Pozycjonowanie balonu 7 w komorze środkowej zapewnia zawór 2 zamocowany w otworze wykonanym w ściance bocznej obudowy 1 pomiędzy ruchomymi przegrodami 3, 4. Zawór 2 może być wykonany z gumy lub elastycznego tworzywa. Szersza część zaworu 2 umieszczona w balonie 7 dociska jego brzegi do wewnętrznej powierzchni obudowy 1 a końcówka zaworu 2 przechodzi przez otwór w obudowie 1 na zewnętrz.The size of the working space in which the granules 8 collide during the operation of the damper. The load-transmitting elements are movable partitions 3, 4 slidably placed in a rigid and tight casing 1 in the shape of a cuboid. Between each partition 3, 4 and the base of the housing 1 there is a pressure spring 5, 6 pressing the respective partition 3, 4 against the balloon 7. This solution allows for uniform expansion of the rubber coating of the balloon 7 under the influence of the air pressure pumped through the valve 2, as well as against it. easy to return to the starting position when reducing pressure in the working space. The applied valve 2 is universal and compatible with generally available compressors. The possibility of dynamically increasing the volume of the working space in which the granules 8 collide during the damper operation allows for adaptive-passive damping of its vibrations. The proposed device is simple in its structure, which makes it easy to adapt the shape to the suppressed object. This effect was obtained by using a balloon 7 filled with granules 8 with a rubber coating, which quickly adapts to the shape of the central chamber 11 of the silencer. The positioning of the balloon 7 in the central chamber is ensured by a valve 2 fixed in an opening made in the side wall of the housing 1 between movable partitions 3, 4. The valve 2 can be made of rubber or elastic material. The wider part of the valve 2 placed in the balloon 7 presses its edges against the inner surface of the casing 1 and the tip of the valve 2 passes through the opening in the casing 1 to the outside.

Wykresy na fig. 3, 4, 5 ilustrują wpływy granulatu, kolejno stalowego, plastikowego oraz mieszanego (plastik i stal) na charakterystykę tłumienia. Przedstawione charakterystyki uwidaczniają zależność przebiegów przemieszczeń belki tłumionej od wybranych parametrów: różnego rodzaju materiału granulatu, różnej objętości przestrzeni roboczej ograniczającej materiał granulowany oraz zmiany objętości balonu realizowanej przez zmianę ciśnienia doprowadzanego powietrza w trakcie pracy układu.The graphs in Figures 3, 4, 5 illustrate the effects of steel, plastic and mixed (plastic and steel) granules on the damping characteristics. The presented characteristics show the dependence of the course of displacement of the damped beam on selected parameters: different types of granulate material, different volumes of the working space limiting the granulated material and changes in the balloon volume realized by changing the pressure of the supplied air during the system operation.

Jak przedstawiono na fig. 3 zastosowanie stalowego granulatu powoduje obniżenie drgań przy niewielkim stosunku wypełnienia balonu co stanowi dużą zaletę. Jednak taka charakterystyka nie pozwala na dokładne dostrojenie tłumika w celu uzyskania oczekiwanej odpowiedzi układu w szerokim zakresie pracy w zależności od stopnia wypełnienia balonu granulatem.As shown in Fig. 3, the use of steel granules reduces vibrations with a small balloon filling ratio, which is a great advantage. However, such characteristics do not allow for fine tuning of the damper in order to obtain the expected system response over a wide operating range depending on the degree of filling the balloon with pellets.

Jak przedstawiono na fig. 4 zastosowanie granulatu plastikowego obniża amplitudy drgań belki, jednak wymagane jest znaczące wypełnienie balonu powietrzem. Powoduje to, że dla małego stosunku wypełnienia zauważalne są niewielkie różnice drgań. Zaletą zastosowania takiego granulatu jest lepsze dostrojenie tłumika do charakteru pracy w całym jego zakresie.As shown in Fig. 4, the use of plastic granules lowers the vibration amplitudes of the beam, but requires a significant inflation of the balloon with air. As a result, for a low filling ratio, slight vibration differences are noticeable. The advantage of using such granulate is better adjustment of the silencer to the nature of the work in its entire range.

Jak przedstawiono na fig. 5 zastosowanie granulatu mieszanego (plastik i stal) pozwala na zauważalne obniżenie amplitud drgań belki dla małego wypełnienia balonu oraz na osiągnięcie znaczącej różnicy tłumienia w szerokim zakresie pracy. Wykres ilustruje przykładowe charakterystyki przemieszczeń zamurowanej belki o masie m1=0,3 dag dla tłumika o masie m2=0,1 dag wypełnionego granulatem stalowym i plastikowym oraz dla różnych współczynników wypełnienia objętości kolizyjnej: V1=100%, V2=55%, V3=35%, V4=15%.As shown in Fig. 5, the use of mixed granules (plastic and steel) allows for a noticeable reduction in the vibration amplitudes of the beam for a small balloon filling and for achieving a significant difference in damping over a wide operating range. The diagram illustrates exemplary displacement characteristics of a bricked beam with a mass m1 = 0.3 dag for a damper with a mass of m2 = 0.1 dag filled with steel and plastic granules and for various coefficients of the collision volume filling: V1 = 100%, V2 = 55%, V3 = 35%, V4 = 15%.

Fig. 6 obrazuje przebieg drgań w trakcie pracy belki w zakresie rezonansowym przy różnym stopniu wypełnienia balonu w wyniku cyklicznych zmian ciśnienia. Przykładowe charakterystyki przemieszczeń zamurowanej belki o masie m1=0,3 dag dla tłumika o masie m2=0,2 dag wypełnionego granulatem stalowym i plastikowym oraz dla różnych współczynników wypełnienia objętości kolizyjnej: V1=100%, V2=55%, V3=35%, V4=15%. Wykres przedstawia drgania rezonansowe belki zamurowanej z tłumikiem wyłączonym poprzez zrównanie ciśnienia wewnątrz balonu z ciśnieniem otoczenia, oraz z tłumikiem załączonym (balon napompowany) z uwzględnieniem etapu przejściowego, tj. zwiększania objętości podczas pompowania. Wykres ten przedstawia ideę i możliwość zastosowania proponowanego wynalazku w tłumieniu drgań obiektu w trakcie jego pracy w niebezpiecznym zakresie.Fig. 6 shows the course of vibrations during the operation of the beam in the resonant range at different degrees of filling the balloon as a result of cyclic pressure changes. Examples of displacement characteristics of a bricked beam with a mass of m1 = 0.3 dag for a damper with a mass of m2 = 0.2 dag filled with steel and plastic granules and for various coefficients of the collision volume filling: V1 = 100%, V2 = 55%, V3 = 35% , V4 = 15%. The graph shows the resonant vibrations of a walled beam with the damper turned off by equalizing the pressure inside the balloon with the ambient pressure, and with the damper turned on (inflated balloon), taking into account the transitional stage, i.e. increasing the volume during pumping. This diagram shows the idea and the possibility of applying the proposed invention to damping the vibrations of the object during its operation in a dangerous range.

Claims

1. Adaptive-passive vibration damper using loose granular material placed inside a balloon with a variable volume of the working space realized by changing the air pressure supplied by the valve, which balloon is placed between the load-bearing elements, characterized in that the load-bearing elements are movable partitions (3 , 4) slidably placed in a rigid and sealed casing (1) in the shape of a cuboid, and between each partition (3, 4) and the base

PL 238 247 Β1 of the housing (1) there is a pressure spring (5, 6) pressing the partition (3, 4) against the balloon (7) filled with granules (8), and the valve (2) is fixed in the hole made in the side wall of the housing ( 1) between movable partitions (3, 4).