Vyladěný hromadný tlumič - Tuned mass damper

K písni od hudebního umělce El-P viz Fantastické poškození.
Vyladěný masový tlumič na vrcholu Tchaj-pej 101

A vyladěný tlumič hmotnosti (TMD), také známý jako a harmonický absorbér nebo seismický tlumič, je zařízení namontované ve strukturách ke snížení amplitudy mechanické vibrace, který se skládá z hmoty, která je namontována na jednom nebo více tlumený pružiny. Frekvence oscilace hmoty je naladěna na podobnou frekvenci rezonanční frekvence objektu, ke kterému jsou připojeny. Vyladěné tlumiče hmotnosti se používají ke snížení maximální amplitudy předmětu při jeho vážení mnohem menší než ona.

Jejich aplikace může zabránit nepohodlí, poškození nebo přímo strukturální porucha. Často se používají v přenosu energie, v automobilech a budovách.

Zásada

Schéma jednoduchého systému pružina-hmotnost-tlumič, který se používá k předvedení vyladěného systému tlumiče hmotnosti

Vyladěné tlumiče hmotnosti se stabilizují proti prudkému pohybu způsobenému harmonické vibrace. Vyladěný tlumič snižuje vibrace systému s poměrně lehkou součástí, takže vibrace v nejhorším případě jsou méně intenzivní. Zhruba řečeno, praktické systémy jsou vyladěny tak, aby buď posunuly hlavní režim od znepokojující budicí frekvence, nebo aby přidaly tlumení k rezonanci, kterou je obtížné nebo nákladné přímo tlumit. Příkladem posledně jmenovaného je torzní tlumič klikového hřídele. Hromadné tlumiče jsou často implementovány s třecí nebo hydraulickou součástí, která přeměňuje mechanickou kinetickou energii na teplo, jako je tomu v automobilovém průmyslu tlumič.

Vzhledem k motoru s hmotností m1 připojený prostřednictvím držáků motoru k zemi, motor při provozu vibruje a měkké držáky motoru fungují jako paralelní pružina a tlumič, k1 a C1. Síla na úchyty motoru je F0. Aby se snížila maximální síla na úchyty motoru, protože motor pracuje v rozsahu rychlostí, menší hmotnost, m2, je připojen k m1 pružinou a tlumičem, k2 a C2. F1 je efektivní síla působící na motor v důsledku jeho provozu.

Odezva systému vzrušená jednou jednotkou síly, s (Červené) a bez (modrý) 10% vyladěná hmotnost. Maximální odezva je snížena z 9 jednotek na 5,5 jednotek. I když je maximální síla odezvy snížena, existuje několik provozních frekvencí, pro které se síla odezvy zvyšuje.

Graf ukazuje účinek vyladěného tlumiče hmotnosti na jednoduchý systém pružina-hmota-tlumič, vzrušený vibracemi s amplitudou jedné jednotky síly působící na hlavní hmotu, m1. Důležitým měřítkem výkonu je poměr síly na držácích motoru k síle vibrující motorem, F0/F1. To předpokládá, že systém je lineární, takže pokud by se síla na motor zdvojnásobila, pak by se také síla na motor upevnila. Modrá čára představuje základní systém s maximální odezvou 9 jednotek síly na přibližně 9 jednotkách frekvence. Červená čára ukazuje účinek přidání vyladěné hmotnosti 10% základní hmotnosti. Má maximální odezvu 5,5 při frekvenci 7. Jako vedlejší účinek má také druhý normální režim a bude vibrovat o něco více než základní systém při frekvencích pod přibližně 6 a nad přibližně 10.

Výšky obou vrcholů lze upravit změnou tuhosti pružiny v naladěném tlumiči. Změna tlumení také komplexně mění výšku vrcholů. Rozdělení mezi dvěma vrcholy lze změnit změnou hmotnosti tlumiče (m2).

A Bode spiknutí posunů v systému s (Červené) a bez (modrý) 10% vyladěná hmotnost.

The Bode spiknutí je složitější a ukazuje fázi a velikost pohybu každé hmoty ve dvou případech vzhledem k F1.

Na grafech vpravo ukazuje černá čára základní odezvu (m2 = 0). Nyní zvažuji m2 = m1/10, modrá čára ukazuje pohyb tlumicí hmoty a červená čára ukazuje pohyb primární hmoty. Amplitudový graf ukazuje, že při nízkých frekvencích rezonuje tlumicí hmota mnohem více než primární hmota. Fázový diagram ukazuje, že při nízkých frekvencích jsou obě hmoty ve fázi. Jak se frekvence zvyšuje m2 se pohybuje mimo fázi s m1 dokud není kolem 9,5 Hz 180 ° mimo fázi s m1, maximalizuje tlumicí účinek maximalizací amplitudy X2 − X1, tím se maximalizuje energie rozptýlená C2 a současně táhne primární hmotu ve stejném směru jako držáky motoru.

Hromadné tlumiče v automobilech

Motorsport

Vyladěný hromadný tlumič byl představen jako součást systému odpružení Renaultem na jeho voze F1 z roku 2005 (dále jen "BMW") Renault R25 ), na Grand Prix Brazílie 2005. Systém vynalezl Dr. Robin Tuluie a údajně snížil časy na kolo o 0,3 sekundy: fenomenální zisk pro relativně jednoduché zařízení.[1] Bylo to považováno za nezákonné, protože hmota nebyla pevně připevněna k podvozku a kvůli vlivu, který měla na sklon vozidla, což významně ovlivnilo mezeru pod autem, a tím i pozemní efekty automobilu, být pohyblivým aerodynamickým zařízením, a tudíž nelegálně ovlivňovat výkon vozidla aerodynamika.

Správci setkání to považovali za legální, ale FIA ​​se proti tomuto rozhodnutí odvolala. O dva týdny později považoval Mezinárodní odvolací soud FIA masovou tlumičku za nezákonnou.[2][3]

Sériové vozy

Vyladěné tlumiče hmotnosti jsou široce používány ve výrobních automobilech, obvykle na klikový hřídel řemenice k ovládání torzní vibrace a vzácněji režimy ohýbání klikového hřídele. Používají se také na hnacím ústrojí pro převodové ústrojí a jinde pro jiné zvuky nebo vibrace na výfuk, tělo, odpružení nebo kdekoli jinde. Téměř všechny moderní vozy budou mít jeden hromadný tlumič a některé mohou mít deset nebo více.

Obvyklá konstrukce tlumiče na klikovém hřídeli sestává z tenkého gumového pásu mezi nábojem řemenice a vnějším ráfkem. Toto zařízení, často nazývané a harmonický tlumič, je umístěn na druhém konci klikového hřídele naproti tomu, kde setrvačník a přenos je. Alternativním designem je odstředivý absorbér kyvadla který se používá ke snížení vnitřní spalovací motory torzní vibrace na několika moderních automobilech.

Všechna čtyři kola Citroën 2CV zabudovaný vyladěný hromadný tlumič (v původní francouzštině označovaný jako „Batteur“) velmi podobného designu, jaký se používá u automobilu Renault F1, od zahájení výroby v roce 1949 na všechna čtyři kola, než byl odstraněn zezadu a nakonec přední kola v polovině 70. let.

Hromadné tlumiče v kosmické lodi

Jeden návrh na snížení vibrací na NASA Ares posilovač tuhého paliva měl použít 16 vyladěných tlumičů hmotnosti jako součást konstrukční strategie ke snížení špičkového zatížení z 6G až 0,25G, přičemž TMD jsou odpovědné za snížení z 1G až 0,25G, zbytek provádí konvenční izolátory vibrací mezi horními stupni a posilovačem.[4][5]

Spin stabilizované satelity mají nutace vývoj na konkrétních frekvencích. Vířivý proud tlumiče nutice letěly na satelitech stabilizovaných odstřeďováním, aby snížily a stabilizovaly nutaci.

Tlumiče v přenosových vedeních

Malé černé předměty připojené ke kabelům jsou Tlumiče Stockbridge na tomto 400 kV elektrickém vedení blízko Castle Combe, Anglie

Vedení vysokého napětí často mají malé činka -tvarovaná Tlumiče Stockbridge visící z dráty ke snížení vysokofrekvenční oscilace s nízkou amplitudou třepetání.[6][7]

Tlumiče ve větrných turbínách

Standardní vyladěný tlumič hmotnosti pro větrné turbíny se skládá z pomocné hmoty, která je připevněna k hlavní konstrukci pomocí pružin a prvků palubní desky. Přirozená frekvence naladěného tlumiče hmotnosti je v zásadě definována jeho pružinovou konstantou a poměrem tlumení určeným palubní deskou. Vyladěný parametr vyladěné tlumiče hmotnosti umožňuje, aby pomocná hmota kmitala s fázovým posunem vzhledem k pohybu struktury. V typické konfiguraci visela pomocná hmota pod gondolou větrné turbíny nesenou tlumiči nebo třecími deskami.

Tlumiče v budovách a souvisejících konstrukcích

Umístění největší vyladěné masové klapky Taipei 101

Typicky tlumiče jsou obrovské betonové bloky nebo ocelová tělesa namontovaná dovnitř mrakodrapy nebo jiných struktur a pohyboval se v opozici vůči rezonanční frekvence oscilace konstrukce pomocí pružiny, tekutina nebo kyvadla.

Zdroje vibrací a rezonance

Nežádoucí vibrace mohou být způsobeny silami prostředí působícími na konstrukci, jako je vítr nebo zemětřesení, nebo zdánlivě neškodným zdrojem vibrací způsobujícím rezonanci, která může být destruktivní, nepříjemná nebo jednoduše nepohodlná.

Zemětřesení

The seismické vlny způsobeno zemětřesení bude houpat budovy a oscilovat různými způsoby v závislosti na frekvenci a směru pohybu země a výšce a konstrukci budovy. Seismická aktivita může způsobit nadměrné oscilace budovy, které mohou vést k strukturální porucha. Vylepšit budovy seismický výkon, je proveden správný návrh budovy zapojující různé seismické ovládání vibrací technologie. Jak již bylo zmíněno výše, tlumicí zařízení byla v leteckém a automobilovém průmyslu používána dlouho předtím, než byla standardem při zmírňování seismického poškození budov. První specializovaná tlumicí zařízení pro zemětřesení byla vyvinuta až koncem roku 1950.[8]

Mechanické lidské zdroje

Tlumiče na Most tisíciletí v Londýně. Bílý disk není součástí tlumiče.

Masy lidí, kteří jdou nahoru a dolů po schodech najednou, nebo velké množství lidí, kteří dupou najednou, mohou způsobit vážné problémy ve velkých strukturách, jako jsou stadiony, pokud tyto struktury nemají tlumicí opatření.

Vítr

Síla větru na vysoké budovy může způsobit, že se vrchol mrakodrapů bude pohybovat více než metr. Tento pohyb může mít formu kývání nebo kroucení a může způsobit pohyb horních pater těchto budov. Určité úhly větru a aerodynamický vlastnosti budovy mohou zvýraznit pohyb a způsobit kinetóza u lidí. TMD je obvykle naladěno na určitou frekvenci budovy, aby fungovalo efektivně. Během své životnosti však výškové a štíhlé budovy mohou mimo jiné zaznamenat přirozené změny frekvence při rychlosti větru, okolních teplotách a změnách relativní vlhkosti, což vyžaduje robustní design TMD.[9]

Příklady budov a konstrukcí s vyladěnými tlumiči hmotnosti

Kanada

  • Jeden střed zdi v Vancouver - využívá vyladěné tlumiče kapalinového sloupce, což je v době jejich instalace jedinečná forma vyladěného tlumiče hmotnosti.
  • CN Tower (Kanadská národní věž) v Toronto.

Čína

Německo

Indie

Írán

Irsko

  • Dublinská věž v Dublin, Irsko - navrženo s vyladěným tlumičem hmotnosti, aby byla zajištěna aerodynamická stabilita během větrné bouře.

Japonsko

Rusko

Tchaj-wan

  • Tchaj-pej 101 mrakodrap - Obsahuje největší a nejtěžší vyladěné hmotnostní tlumiče na světě, s 660 metrickými tunami (730 čistých tun).[13]

Spojené arabské emiráty

Spojené království

Spojené státy americké

Viz také

Reference

  1. ^ „Jak Renault vyhrál světový šampionát vytvořením vyladěného masového tlumiče“. Moregoodink.com. Citováno 2019-02-08.
  2. ^ Bishop, Matt (2006). „The Long Interview: Flavio Briatore“. F1 Racing (Říjen): 66–76.
  3. ^ „FIA zakazuje kontroverzní tlumicí systém“. Pitpass.com. Citováno 2010-02-07.
  4. ^ „Schůze oscilace Ares I Thrust jsou zakončeny podporou dat, změnami“. NASASpaceFlight.com. 2008-12-09. Citováno 2010-02-07.
  5. ^ „Sada tlumičů nárazů pro novou raketu NASA“. SPACE.com. 2008-08-19. Citováno 2010-02-07.
  6. ^ „K hysterezi drátů v tlumičích Stockbridge“. Cat.inist.fr. Citováno 2010-02-07.
  7. ^ „Držáky kabelů - 27. října 2007“. Nový vědec. Archivovány od originál dne 5. května 2008. Citováno 2010-02-07.
  8. ^ Reitherman, Robert (2012). Zemětřesení a inženýři: Mezinárodní historie. Reston, VA: ASCE Press. ISBN  9780784410714. Archivovány od originál dne 26. 7. 2012.
  9. ^ Aly, Aly Mousaad (2012). „Navržený robustní vyladěný tlumič hmotnosti pro zmírnění odezvy v budovách vystavených vícesměrnému větru“. Konstrukční řešení vysokých a zvláštních budov. 23 (9): 664–691. doi:10.1002 / tal.1068.
  10. ^ STUHA STUHY na Vimeu
  11. ^ Nakamura, Hiroshi (4. února 2015). „Ribbon Chapel / Hiroshi Nakamura & NAP Architects“. ArchDaily. Citováno 2017-02-15.
  12. ^ Septimu-George Luca; Cristan Pastia; Florentina Chira (2007). „Nedávné aplikace některých aktivních řídicích systémů na inženýrské stavby“ (PDF). Bulletin Polytechnického institutu Jassy: 25. ISSN  2537-2726.
  13. ^ taipei-101.com.tw
  14. ^ Stewart, Aarone. „Podrobně> 432 Park Avenue“. Architektovy noviny. Citováno 31. ledna 2016.
  15. ^ Petroski, Henry (1996). Invention by Design: How Engineers Get from Thought to Thing. Harvard University Press. str.205–208.
  16. ^ „Comcast Center“ (PDF). Archivovány od originál (PDF) dne 17. února 2012. Citováno 2010-02-07.
  17. ^ Bob Fernandez (10. prosince 2014). „Inženýři na vzestupu: Čtyři mladí profesionálové řeší projekt tvorby kariéry“. philly.com. Philadelphia Media Network (Digital), LLC. Archivováno od originálu 22. listopadu 2017. Citováno 3. prosince 2017.
  18. ^ Zaměstnanci (srpen 2011) „One Madison Park, New York City“ Rada pro vysoké budovy a městská stanoviště webová stránka. Archivováno 28. ledna 2018 v Wayback Machine.

externí odkazy