Тросовые виброизоляторы — одни из основных виброизоляторов, применяемых в технике для защиты разного рода оборудования, включая стойки с РЭА, рабочие места операторов, изоляцию различных агрегатов (насосы, компрессоры, ДВС электрогенераторов) и другие подобные задачи. Долгое время в их эволюции не было ничего нового, однако ситуация изменилась благодаря развитию материаловедения и усилиям ряда научных групп. Эта публикация посвящена новым разработкам тросовых виброизоляторов и созданию изделий принципиально нового класса.
Тросовые виброизоляторы с квазинулевой (псевдооколонулевой) жесткостью, если брать зарубежные разработки, то это модное направление их развития. Слово «модное» употреблено не случайно, поскольку практическая значимость такого эффекта на практике, в случае именно виброизоляторов для техники, а не, скажем, защиты фундаментов зданий, не так велика, чтобы конкурировать с другими решениями и инженерными подходами. Новизна — это слово тоже неплохо взять в кавычки. Вот, например, авторское свидетельство, выданное в СССР, а вот и современный патент РФ, где, кстати, объяснен общий принцип систем с квазинулевой жесткостью. И, наконец, фотографии только части серийных изделий, выпускаемых свыше 10 лет отечественной компанией.
Квазинулевая жёсткость виброизолятора — это свойство виброизолятора в определённом диапазоне перемещений обеспечивать жёсткость, почти равную нулю, то есть сопротивление смещению под ударной (вибрационной) нагрузкой минимально. Квазинулевая жёсткость обеспечивается за счёт комбинации двух типов упругих элементов: основного, часто просто вертикальной пружины, и корректора жёсткости, который создаёт «отрицательную» жёсткость. Корректор жёсткости может быть реализован с помощью наклонных пружин, специальных рычагов, пневмопружин или упругих элементов растяжения, которые специально подбираются по жёсткости и геометрии. В рабочем диапазоне жёсткость корректора почти полностью компенсирует жёсткость основной пружины, что, в итоге, делает систему (виброизолятор) очень мягкой, с жёсткостью, почти равной нулю. Всё это позволяет создать участок характеристики, где виброизолятор практически не сопротивляется смещению, но при этом выдерживает статическую нагрузку, а гашение виброударной нагрузки максимально.
Виброизоляторы, включая тросовые амортизаторы, реализующие принцип квазинулевой жесткости, действительно обладают рядом преимуществ. Виброизоляторы с квазинулевой жёсткостью могут быть компактными, иметь собственную частоту всего 0.4–0.8 Гц, а их эффективность свыше 80% и может достигать значений до 0.96 (коэффициент демпфирования более 0.8, до 0.96). Характеристики, которые могут дать системы с квазинулевой жёсткостью, и впрямь многообещающие, если бы не их недостатки, делающие амортизаторы, где применён этот принцип, либо нишевым решением, например, для защиты точной исследовательской аппаратуры (томографов, электронных микроскопов, спектрометров на угловом рассеянии и прочего высокоточного оборудования), либо изделиями, где принцип квазинулевой жёсткости не реализуется в полной мере и, несмотря на положительный эффект, не обеспечивает всех своих потенциальных возможностей, тем более не может быть основным, обеспечивающим эффективность массового серийного (а не уникального и единичного, созданного только для определённой узкой задачи) тросового виброизолятора.
Создание массовых серийных тросовых виброизоляторов, способных работать в относительно широком диапазоне отклонений от расчетной номинальной нагрузки и в широком диапазоне перемещений, до недавнего времени было нерешаемой задачей. Однако успехи в области материаловедения, и в первую очередь в области создания искусственных мышечных волокон (ИМВ), сделали невозможное возможным.
Принцип, который положен в основу новой линейки виброизоляторов, прост и заключается в том, что материал, из которого выполнен основной упругий элемент и/или корректор жёсткости, способен изменять свои упруго-демпфирующие свойства под воздействием внешнего воздействия – вибрации и ударов. Такой технический результат достигается за счёт использования композитного троса, состоящего из собственно стального троса и эластомерной оболочки, выполненной на базе специальных полиуретанов или силиконов (рабочий температурный диапазон от -65 °C до +150 °C более чем достаточен для большинства областей применения и может быть, в случае необходимости, расширен вплоть до +300 °C). Материал эластомерной оболочки наполнен микронными ИМВ, способными сокращаться под действием электрических импульсов, которые генерируют пьезоволокна, также являющиеся наполнителем эластомерного материала. Принцип работы элемента из композитного троса прост: при начале перемещения под действием энергии вибрации или механического удара происходит упругая деформация элемента, а значит, деформация микроскопических пьезоволокон, генерирующих электрические импульсы. Под действием электрических импульсов происходит сокращение ИМВ, которые изменяют упруго-демпфирующие свойства самого рабочего элемента виброизолятора, например, корректора жёсткости. Таким образом, система из пассивной защиты переходит в класс активной системы, сохраняя конструкционную простоту и надежность первой в сочетании с эффективностью второй. По сути, без какого-либо преувеличения, созданная компанией линейка виброизоляторов является новым классом.