Маятниковый демпфер

Маятниковый демпфер — это устройство для гашения механических колебаний (вибраций), работающее на принципе динамического гашения: к колеблющейся системе присоединяется дополнительная масса (маятник), собственная частота колебаний которой подстраивается под частоту возмущающей силы, что позволяет существенно снизить амплитуду колебаний основной системы. Маятниковые демпферы относятся к классу пассивных динамических гасителей колебаний и широко применяются в машиностроении, транспортном и энергетическом машиностроении, а также в строительстве для защиты конструкций от вибраций.

История

Идея использования маятника для гашения колебаний восходит к работам английского инженера и изобретателя Фредерика Ланчестера, который в 1906 году запатентовал устройство для снижения вибраций коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания. Ланчестер предложил закреплять на коленчатом валу маятниковые грузы, которые при изменении частоты вращения вала автоматически меняли свою собственную частоту, обеспечивая эффективное гашение крутильных колебаний в широком диапазоне оборотов.

В 1930-х годах немецкий инженер Эрнст Саломон (фирма «Майбах») развил эту идею, создав центробежный маятниковый демпфер (Centrifugal Pendulum Vibration Absorber, CPVA), который стал применяться в авиационных и автомобильных двигателях. В СССР и России значительный вклад в теорию и практику маятниковых демпферов внесли учёные и инженеры, работавшие в области динамики машин: И. И. Артоболевский, В. Л. Бидерман, Ю. И. Иориш и другие. В 1950–1960-х годах маятниковые демпферы начали устанавливать на коленчатые валы мощных дизелей тепловозов и судовых двигателей.

В конце XX — начале XXI века с развитием компьютерного моделирования и новых материалов (композиты, высокопрочные стали) маятниковые демпферы получили второе дыхание. Они стали применяться в современных автомобильных двигателях с малым рабочим объёмом и высокой степенью форсирования, а также в ветроэнергетических установках и авиационных двигателях.

Принцип действия

Маятниковый демпфер представляет собой груз (маятник), который может свободно колебаться относительно некоторой оси, жёстко связанной с основной колеблющейся системой. Груз может быть подвешен на шарнире, качаться по криволинейной направляющей или вращаться вокруг эксцентричной оси. Ключевой особенностью является то, что собственная частота колебаний маятника зависит от его длины и от ускорения, действующего на него.

В случае крутильных колебаний (например, коленчатого вала) маятник крепится к валу и при вращении испытывает центробежное ускорение. Собственная частота маятника в этом случае пропорциональна частоте вращения вала. Это свойство называется автоматической настройкой (или самонастройкой): демпфер эффективно гасит колебания на частоте, кратной частоте вращения, независимо от её изменения. Например, если маятник настроен на гашение второй гармоники крутильных колебаний (частота вдвое больше частоты вращения), то при изменении оборотов двигателя частота настройки демпфера меняется пропорционально.

Для линейных колебаний (например, колебаний здания или платформы) маятник может быть подвешен на шарнире и иметь фиксированную собственную частоту, определяемую длиной подвеса. В этом случае демпфер эффективен только в узком диапазоне частот, близких к его собственной частоте. Для расширения диапазона применяют многочастотные маятниковые демпферы с несколькими маятниками разной длины.

Классификация

Маятниковые демпферы классифицируются по нескольким признакам.

По типу колебаний

• Крутильные — предназначены для гашения угловых колебаний вращающихся валов и роторов. Наиболее распространённый тип.
• Линейные — гасят поступательные колебания конструкций (здания, мосты, платформы).

По конструкции маятника

• Центробежные маятниковые демпферы (ЦМД) — маятник крепится к вращающейся детали и использует центробежную силу для создания возвращающего момента. Наиболее распространены в двигателях внутреннего сгорания.
• Шарнирные маятники — груз подвешен на шарнире, колеблется под действием силы тяжести. Применяются в строительстве (например, в башнях и небоскрёбах).
• Роликовые маятники — груз в виде ролика движется по криволинейной направляющей (например, по дуге окружности).
• Пружинные маятники — груз соединён с основной системой через пружину, что позволяет менять его собственную частоту.

По количеству маятников

• Одномаятниковые — один груз.
• Многомаятниковые — несколько маятников, настроенных на разные частоты или работающих синхронно.

Устройство и характеристики

Основными элементами маятникового демпфера являются:

• Груз (маятник) — массивное тело, обычно из стали или чугуна. Масса груза составляет от 1% до 10% от массы основной системы.
• Ось или направляющая — обеспечивает движение маятника. В центробежных демпферах — это шарнир или криволинейный паз.
• Демпфирующий элемент (опционально) — может быть встроен в шарнир или выполнен в виде гидравлического или фрикционного гасителя для снижения амплитуды колебаний маятника на резонансе.

Важнейшие характеристики:

• Собственная частота маятника — определяется его длиной (для гравитационного маятника) или радиусом кривизны направляющей (для центробежного).
• Коэффициент демпфирования — характеризует способность рассеивать энергию колебаний.
• Диапазон настройки — для центробежных демпферов — это отношение частоты настройки к частоте вращения (обычно 1,5; 2; 2,5; 3 и т.д.).

Применение

Двигатели внутреннего сгорания

Самое массовое применение маятниковых демпферов — в автомобильных и судовых двигателях. Они устанавливаются на коленчатый вал или маховик для гашения крутильных колебаний, возникающих от неравномерности крутящего момента. Это позволяет снизить шум, вибрацию и повысить долговечность двигателя. В современных двигателях с малым рабочим объёмом (например, 3-цилиндровых) маятниковые демпферы часто встраиваются в маховик или шкив коленчатого вала.

Авиационные двигатели

В поршневых и турбовинтовых авиадвигателях маятниковые демпферы используются для гашения крутильных колебаний воздушных винтов и редукторов.

Ветроэнергетические установки

В лопастях ветрогенераторов устанавливаются маятниковые демпферы для гашения изгибных и крутильных колебаний, вызванных переменной ветровой нагрузкой.

Строительство

В высотных зданиях и башнях применяются маятниковые демпферы (часто называемые «маятниковыми гасителями колебаний») для снижения амплитуды раскачивания от ветра или землетрясений. Например, в небоскрёбе «Тайбэй 101» (Тайвань) установлен маятниковый демпфер массой 660 тонн, который представляет собой стальной шар, подвешенный на тросах. В России аналогичные системы применяются в высотных зданиях Москвы, например, в башне «Федерация» (Москва-Сити).

Железнодорожный транспорт

На тепловозах и электровозах маятниковые демпферы устанавливаются на коленчатые валы дизелей для гашения крутильных колебаний, что особенно важно для мощных дизелей с большим числом цилиндров.

Достоинства и недостатки

Достоинства

• Автоматическая настройка — эффективность в широком диапазоне частот вращения (для центробежных демпферов).
• Простота конструкции — отсутствие сложных электронных систем управления.
• Высокая надёжность — при правильном расчёте маятниковые демпферы работают десятки тысяч часов без обслуживания.
• Компактность — возможность встраивания в маховик или шкив.

Недостатки

• Ограниченный диапазон гашения — для линейных маятников эффективность резко падает при отклонении частоты возбуждения от собственной частоты.
• Чувствительность к перегрузкам — при резких изменениях режима работы возможны удары маятника об ограничители.
• Дополнительная масса — увеличивает общую массу системы.
• Сложность расчёта — требует точного знания динамических характеристик основной системы.

Интересные факты

• Первый маятниковый демпфер Ланчестера был установлен на двигатель автомобиля «Lanchester 38 hp» в 1907 году.
• В современных автомобилях с двигателями малого рабочего объёма (например, Ford EcoBoost 1.0) маятниковые демпферы встроены в маховик и позволяют отказаться от балансирных валов.
• Маятниковый демпфер небоскрёба «Тайбэй 101» является одним из крупнейших в мире: его масса 660 тонн, а диаметр стального шара — 5,5 метров. Он способен снизить амплитуду раскачивания здания при тайфуне на 40%.
• В России маятниковые демпферы применяются на тепловозах серии ТЭП70 и ТЭМ18, а также на судовых дизелях типа Д49 (Коломенский завод).

Источники

1. Бидерман В. Л. Теория механических колебаний. — М.: Высшая школа, 1980.
2. Иориш Ю. И. Виброметрия. — М.: Машиностроение, 1963.
3. Артоболевский И. И. Теория механизмов и машин. — М.: Наука, 1988.
4. Ден Гартог Дж. П. Механические колебания. — М.: Физматгиз, 1960.
5. Патент Великобритании № 1906/15927, F. W. Lanchester, 1906.
6. Справочник по динамике машин / Под ред. В. Л. Вейца. — М.: Машиностроение, 1984.
7. Техническая документация ОАО «Коломенский завод» по дизелям Д49.