Превращаем вибрацию в тепло - повышаем безопасность и снижаем затраты

Демпфирование обеспечивает рассеивание энергии и приводит к затуханию колебательного процесса механической системы. Существует большое количество различных демпфирующих материалов, среди них –ряд сплавов и сталей, применяемые в условиях повышенных температур или там, где необходимо обеспечить высокую несущую способность конструкции демпфирующего элемента.

Наиболее известными сплавами с высокой демпфирующей способностью являются сплавы никеля и титана, магния и циркония, сплавы на основе хрома, сплавы на основе меди. Их общим недостатком является высокая стоимость из-за применения дорогостоящих легирующих элементов, что препятствует широкому использованию этих материалов в промышленности.

В ПАО «Северсталь» разработана демпфирующая сталь 01Ю5Т на основе металлической системы железа и алюминия. Использование алюминия (~5,5%Al) в качестве основного легирующего элемента, обеспечивает относительно низкую себестоимость производства. В тоже время, высокий процент железа позволяет сохранить конкурентные преимущества стали, а именно, высокие прочностные свойства и модуль упругости. На предприятии наложено производство 01Ю5Т в промышленных объемах с использованием технологии непрерывной разливки стали. Сейчас 01Ю5Т представляет собой горячекатаный плоский прокат, производимый в толщинах от 2 до 25 мм и ширинах от 900 до 1400 мм. Это принципиально новый запатентованный продукт ПАО «Северсталь».

В 01Ю5Т реализуется магнито-механический механизм поглощения энергии упругих колебаний. В этом ферромагнитном материале магнитная ориентация доменов является нестабильной и может меняться под действием энергии упругой волны. Таким образом, упругая волна, проходя по материалу, временно изменяет магнитную ориентацию доменов с расходом энергии. После прохождения упругой волны магнитная ориентация доменов возвращается в исходное положение с выделением тепла.

Нами ведется активная работа по исследованию демпфирующих способностей 01Ю5Т как в лабораторных условиях, так и в составе готовых изделий. Так для количественной оценки уровня демпфирования, была создана лабораторная установка, работающая по схеме обратного изгибного маятника, ее конструкция представлена на рисунке 1.

Рис. 1 — Схема установки для определения уровня демпфирования стали

Рис. 2 — Удельная демпфирующая способность сталей 01Ю5Т и Ст3

01Ю5Т демонстрирует наибольшее демпфирование в области малых амплитуд колебаний. Максимальное значение 0,37 означает рассеивание 37% подведенной упругой энергии за 1 цикл колебаний. С ростом амплитуды колебаний происходит некоторое снижение демпфирующей способности до 0,1 — 0,15, но и эти значения в несколько раз превышают удельную демпфирующую способность стали 3. В ходе экспериментов не выявлено существенной зависимости демпфирующих характеристик от частоты колебаний (от 5 до 80 Гц) и температуры (от -100 до 300 градусов Цельсия). Стоит отметить, что пластические деформации ухудшают демпфирующие характеристики 01Ю5Т, но даже при их высокой интенсивности уровень демпфирования существенно выше, чем у традиционных сталей. После проведения термической обработки демпфирующая способность полностью восстанавливается.

Прокат стали 01Ю5Т по прочностным характеристикам эквивалентен или превосходит стали типа Ст3, 08ПС, 08Ю, 09Г2С-265, его применение не потребует конструктивных изменений для обеспечения запаса прочности конструкций, выполненных из традиционных сталей. Помимо этого, сталь 01Ю5Т не подвержена ярко выраженному охрупчиванию до температуры Т=−40℃ и может быть использована для работы при низких температурах.

Рис. 3 — Сравнительные диаграммы деформирования 01Ю5Т и Ст3ПС

Важным моментом для практического применения является возможность оценки демпфирующей способности конструкций, выполненных из различных материалов, с использованием метода конечных элементов. В представленной на рисунке 4 демонстрационной задаче определяются свободные колебания балки при изготовлении из стали 3 с демпфирующей способностью 0,01 и из стали 01Ю5Т с демпфирующей способностью 0,3.

Результаты расчетов показали, что колебания в балке из стали 01Ю5Т резко затухают на начальных циклах, что обеспечивается высокой демпфирующей способностью материала:

• Расчетный логарифмический декремент затухания колебаний в балке из Ст3 — δ = 0.065;

• Расчетный логарифмический декремент затухания колебаний в балке из 01Ю5Т — δ = 1.87.

Рис. 4 - Колебания в балке из Стали 3 и из стали 01Ю5Т

В настоящее время Северсталь совместно с внешними партнерами проводит ряд работ по опытному использованию демпфирующей стали 01Ю5Т в конструкциях различных назначений. Изготовлены и испытываются опоры динамического имитатора для лаборатории Московского Авиационного Института. Совместно с ОКБ им. А.Люльки проводятся испытания креплений трубопроводов в авиационном двигателе.

Рис. 5 - Опоры динамического имитатора из 01Ю5Т

Изготовлены и проходят испытания накладки вагонных замедлителей для сортировочных горок.

Рис. 6 - Вагонный замедлитель из 01Ю5Т

Наиболее перспективными направлениями применения высокодемпфирующей стали 01Ю5Т мы считаем:

• Элементы зданий в сейсмически активных зонах

• Опоры различных трубопроводов в зонах сейсмической активности

• Элементы высотных зданий на металлокаркасе для снижения раскачивания от ветровой нагрузки

• Элементы пролетов вантовых и подвесных мостов для снижения раскачивания от ветровой нагрузки

• Элементы верхнего строения пути высокоскоростных магистралей и метро

• Опоры приводов и рабочих частей промышленных установок для снижения затрат на фундаменты

Мы готовы детально проработать эффективность применения демпфирующих сталей в производимой Вами продукции. Для организации сотрудничества обращайтесь, пожалуйста, к Кройтор Евгении Николаевне:

• моб. тел. +7 (921) 540-83-71

• e-mail en.kroitor@severstal.com