Dostrojony tłumik masy - Tuned mass damper

Piosenka muzyka El-P, patrz Fantastic Damage .
Dostrojony tłumik masy na szczycie Taipei 101

Tuned masowe Przepustnica ( TMD ), znany również jako harmonicznej absorbera lub amortyzator sejsmicznych , jest zamontowany w konstrukcji urządzenia do redukcji mechanicznych drgań , składające się z masy zamontowany na jednym lub więcej tłumionych sprężyn. Jego częstotliwość oscylacji jest dostrojona tak, aby była podobna do częstotliwości rezonansowej obiektu, do którego jest zamontowany, i zmniejsza maksymalną amplitudę obiektu, jednocześnie ważąc znacznie mniej.

TMD mogą zapobiegać dyskomfortowi, uszkodzeniom lub całkowitej awarii konstrukcji . Są często stosowane w przenoszeniu mocy, samochodach i budynkach.

Zasada

Schemat prostego układu sprężyna-masa-tłumik użytego do zademonstrowania dostrojonego układu tłumienia masy

Tłumiki masowe dostrojone stabilizują się przed gwałtownymi ruchami spowodowanymi drganiami harmonicznymi . Wykorzystują stosunkowo lekki komponent, aby zredukować wibracje systemu, tak aby jego najgorsze wibracje były mniej intensywne. Z grubsza rzecz biorąc, praktyczne systemy są dostrojone, aby albo odsunąć główny tryb od niepokojącej częstotliwości wzbudzenia, albo dodać tłumienie do rezonansu, którego bezpośrednie tłumienie jest trudne lub drogie. Przykładem tego ostatniego jest tłumik drgań skrętnych wału korbowego. Amortyzatory masowe są często implementowane z elementem ciernym lub hydraulicznym, który zamienia mechaniczną energię kinetyczną w ciepło, jak amortyzator samochodowy .

Biorąc pod uwagę, silnik o masie m, 1 dołączony poprzez mocowań mechanicznych do podłoża, wibruje silnika, jak to działa i miękkie montuje silnik działają jako równoległe sprężyny i amortyzatora, k 1 i c 1 . Siła na mocowaniach silnika wynosi F 0 . W celu zmniejszenia siły maksymalnej w mocowaniach silnika, gdy silnik pracuje w pewnym zakresie prędkości, mniejszą masę, m 2 , jest połączona z m 1, za pomocą sprężyny i amortyzatora, k 2, i C 2 . F 1 to efektywna siła działająca na silnik z powodu jego działania.

Odpowiedź układu wzbudzona jedną jednostką siły, z ( czerwonym ) i bez ( niebieskim ) dostrojoną masą 10%. Szczytowa odpowiedź została zmniejszona z 9 jednostek do 5,5 jednostek. Chociaż maksymalna siła odpowiedzi jest zmniejszona, istnieją pewne częstotliwości robocze, dla których siła odpowiedzi jest zwiększona.

Wykres przedstawia wpływ strojonego tłumika masowego na prosty układ sprężyna-masa-tłumik wzbudzany drganiami o amplitudzie jednej jednostki siły przyłożonej do głównej masy, m 1 . Ważną miarą wydajności jest stosunek siły na mocowaniach silnika do siły wibrującej silnik,F 0/F 1. Zakłada się, że system jest liniowy, więc gdyby siła na silniku miała się podwoić, tak samo byłoby z mocowaniem silnika. Niebieska linia reprezentuje system podstawowy, z maksymalną reakcją 9 jednostek siły przy około 9 jednostkach częstotliwości. Czerwona linia pokazuje efekt dodania dostrojonej masy równej 10% masy podstawowej. Ma maksymalną odpowiedź 5,5 przy częstotliwości 7. Jako efekt uboczny ma również drugi tryb normalny i będzie wibrował nieco bardziej niż system podstawowy przy częstotliwościach poniżej około 6 i powyżej około 10.

Wysokość dwóch szczytów można regulować, zmieniając sztywność sprężyny w dostrojonym tłumiku masowym. Zmiana tłumienia zmienia również w złożony sposób wysokość szczytów. Podział między dwa szczyty można zmienić, zmieniając masę amortyzatora ( m 2 ).

Bode wykres przemieszczeń w układzie z ( czerwony ) i bez ( niebieski ) 10% dostrojony masy.

Wykres Bode jest bardziej skomplikowane, pokazujący fazę i wielkość ruchu każdej masy dla dwóch przypadków, w stosunku do F 1 .

Na wykresach na prawo, pokazuje, czarne linie podstawową odpowiedzią ( m 2  = 0). Rozważmy teraz m 2  = m 1/10, niebieska linia pokazuje ruch masy tłumiącej, a czerwona linia pokazuje ruch masy pierwotnej. Wykres amplitudy pokazuje, że przy niskich częstotliwościach masa tłumiąca rezonuje znacznie bardziej niż masa pierwotna. Wykres fazowy pokazuje, że przy niskich częstotliwościach obie masy są w fazie. Wraz ze wzrostem częstotliwości m 2 przesunie się w fazie z m 1, aż przy około 9,5 Hz jest przesunięte w fazie o 180° z m 1 , maksymalizując efekt tłumienia poprzez maksymalizację amplitudy x 2  -  x 1 , maksymalizuje to energię rozpraszaną w c 2 i jednocześnie naciąga masę pierwotną w tym samym kierunku, w którym mocuje się silnik.

Tłumiki masowe w samochodach

Sporty motorowe

Dostrojony amortyzator masowy został wprowadzony jako część układu zawieszenia przez Renault, w samochodzie F1 2005 ( Renault R25 ), podczas Grand Prix Brazylii w 2005 roku . System został wynaleziony przez dr Robina Tuluie i podobno skrócił czasy okrążeń o 0,3 sekundy: fenomenalny zysk jak na stosunkowo proste urządzenie. ZSS uznali to za legalne, ale FIA ​​odwołało się od tej decyzji.

Dwa tygodnie później Międzynarodowy Sąd Apelacyjny FIA uznał masowy amortyzator za nielegalny. Został on uznany za niezgodny z prawem, ponieważ masa nie była sztywno przymocowany do podwozia i, ze względu na wpływ, jaki wywarła na postawie skoku z samochodu, co z kolei znacząco wpływa lukę pod samochodem, a tym samym skutki naziemne Spośród samochód, aby był ruchomym urządzeniem aerodynamicznym, a tym samym nielegalnie wpływającym na właściwości aerodynamiczne .

Samochody produkcyjne

Tłumiki masowe są szeroko stosowane w samochodach produkcyjnych, zwykle na kole pasowym wału korbowego, aby kontrolować drgania skrętne i, rzadziej, tryby zginania wału korbowego. Są one również używane w układzie napędowym do wywoływania biegów, a także w innych miejscach do innych dźwięków lub wibracji układu wydechowego, nadwozia, zawieszenia lub gdziekolwiek indziej. Prawie wszystkie nowoczesne samochody będą miały jeden tłumik masy, a niektóre mogą mieć ich dziesięć lub więcej.

Zwykła konstrukcja amortyzatora na wale korbowym składa się z cienkiego paska gumy między piastą koła pasowego a zewnętrzną obręczą. To urządzenie, często nazywane tłumikiem harmonicznym , znajduje się na drugim końcu wału korbowego, naprzeciwko miejsca, w którym znajduje się koło zamachowe i przekładnia. Alternatywną konstrukcją jest odśrodkowy amortyzator wahadła, który służy do redukcji drgań skrętnych silnika spalinowego w kilku nowoczesnych samochodach.

Wszystkie cztery koła Citroëna 2CV miały dostrojony tłumik masowy (określany jako „Batteur” w oryginalnym języku francuskim) o bardzo podobnym wyglądzie do tego stosowanego w samochodzie Renault F1, od początku produkcji w 1949 roku na wszystkich czterech kołach. przed usunięciem z tyłu i ostatecznie z przednich kół w połowie lat 70. XX wieku.

Tłumiki masy w statkach kosmicznych

Jedną z propozycji redukcji wibracji we wzmacniaczu paliwa stałego Ares NASA było zastosowanie 16 strojonych tłumików masy w ramach strategii projektowej mającej na celu zmniejszenie obciążeń szczytowych z 6 g do 0,25 g , przy czym TMD są odpowiedzialne za redukcję z 1 g do 0,25 g . reszta jest wykonywana przez konwencjonalne wibroizolatory między górnymi stopniami a wzmacniaczem.

Satelity ze stabilizacją spinu mają rozwój nutacji na określonych częstotliwościach. Tłumiki nutacji prądów wirowych latały na satelitach ze stabilizacją spinu, aby zredukować i ustabilizować nutację.

Przepustnice w liniach elektroenergetycznych

Małe czarne przedmioty przymocowane do kabli to amortyzatory Stockbridge na tej linii energetycznej 400 kV w pobliżu Castle Combe w Anglii

Linie wysokiego napięcia często mają małe amortyzatory Stockbridge w kształcie sztangi zwisające z przewodów, aby zmniejszyć oscylacje o wysokiej częstotliwości i niskiej amplitudzie zwane flutter .

Przepustnice w turbinach wiatrowych

Standardowy tłumik masowy do turbin wiatrowych składa się z masy pomocniczej, która jest przymocowana do głównej konstrukcji za pomocą sprężyn i elementów deski rozdzielczej. Częstotliwość drgań własnych tłumika masowego jest zasadniczo definiowana przez jego stałą sprężyny i współczynnik tłumienia określony przez pulpit. Dostrojony parametr strojonego tłumika masy umożliwia oscylację masy pomocniczej z przesunięciem fazowym względem ruchu konstrukcji. W typowej konfiguracji pod gondolą turbiny wiatrowej wspartej na amortyzatorach lub płytach ciernych wisiała masa pomocnicza.

Amortyzatory w budynkach i konstrukcjach pokrewnych

Lokalizacja największego dostrojonego tłumika masowego Taipei 101

Zazwyczaj amortyzatory to ogromne bloki betonowe lub stalowe korpusy montowane w wieżowcach lub innych konstrukcjach, a poruszane wbrew oscylacji częstotliwości rezonansowej konstrukcji za pomocą sprężyn , płynu lub wahadła.

Źródła wibracji i rezonansu

Niepożądane drgania mogą być spowodowane przez siły środowiskowe działające na konstrukcję, takie jak wiatr lub trzęsienie ziemi, lub przez pozornie nieszkodliwe źródło drgań wywołujące rezonans, który może być destrukcyjny, nieprzyjemny lub po prostu niewygodny.

Trzęsienia ziemi

Te fale sejsmiczne wywołane przez trzęsienie ziemi uczyni budynków kołysać i oscylują w różny sposób w zależności od częstotliwości i kierunku ruchu ziemi, a wysokość i konstrukcji budynku. Aktywność sejsmiczna może powodować nadmierne drgania budynku, co może prowadzić do uszkodzenia konstrukcji . Aby poprawić parametry sejsmiczne budynku, wykonywany jest właściwy projekt budynku, wykorzystujący różne technologie kontroli drgań sejsmicznych . Jak wspomniano powyżej, urządzenia tłumiące były stosowane w przemyśle lotniczym i samochodowym na długo przed tym, zanim stały się standardem w łagodzeniu uszkodzeń sejsmicznych budynków. W rzeczywistości pierwsze specjalistyczne urządzenia tłumiące trzęsienia ziemi zostały opracowane dopiero pod koniec 1950 roku.

Mechaniczne źródła ludzkie

Amortyzatory na moście Millennium w Londynie. Biały dysk nie jest częścią amortyzatora.

Masy ludzi wchodzących i schodzących po schodach naraz lub wiele osób depczących jednocześnie, może powodować poważne problemy w dużych konstrukcjach, takich jak stadiony, jeśli te konstrukcje nie mają środków tłumiących.

Wiatr

Siła wiatru uderzająca w wysokie budynki może spowodować, że szczyty drapaczy chmur przesuną się o ponad metr. Ruch ten może mieć formę kołysania się lub skręcania i może powodować poruszanie się górnych pięter takich budynków. Niektóre kąty wiatru i właściwości aerodynamiczne budynku mogą uwydatniać ruch i powodować u ludzi chorobę lokomocyjną . TMD jest zwykle dostrojony do określonej częstotliwości budynku, aby działał wydajnie. Jednak w trakcie swojego życia wysokie i smukłe budynki mogą podlegać naturalnym zmianom częstotliwości między innymi pod wpływem prędkości wiatru, zmian temperatury otoczenia i wilgotności względnej, co wymaga solidnej konstrukcji TMD.

Przykłady budynków i konstrukcji ze strojonymi tłumikami masowymi

Kanada

  • One Wall Center w Vancouver — wykorzystuje dostrojone tłumiki w kolumnie cieczowej, unikalną formę dostrojonego tłumika masowego w momencie ich instalacji.
  • CN Tower (Kanadyjska Wieża Narodowa) w Toronto .

Chiny

Niemcy

Indie

Iran

Irlandia

Japonia

Rosja

Tajwan

  • Wieżowiec Taipei 101 — 660 ton metrycznych (730 ton amerykańskich), wcześniej najcięższy na świecie. Pokoje te mieszczą się na piętrach od 87. do 92.

Zjednoczone Emiraty Arabskie

Zjednoczone Królestwo

Stany Zjednoczone

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki