2
Оглавление
Введение...............................................................5
1. Обзор мирового опыта создании и исследования
характеристик тросовых виброизоляторов................................12
1.1 Сведения о тросовых виброизоляторах...............................13
1.2 Обзор основных конструктивных разработок
тросовых виброизоляторов..............................................21*
1.3 Модели расчета жесткостных свойств
гибких упругих элементов тросовых виброизоляторов.....................33
1.4 Модели расчета демпфирующих свойств
гибких упругих элементов тросовых виброизоляторов.....................41
1.5 Основные принципы проектирования параметрических
рядов тросовых виброизоялторов........................................43
1.6 Постановка задачи исследования....................................46
2. Разработка моделей деформирования тросовых виброизоляторов с пространственным восприятием нагрузки
2.1 Методика расчета нагрузочных характеристик виброизоляторов с прямолинейными и кольцевыми рабочими участками
в нелинейной постановке...............................................48
2.2 Разработка параметрического ряда тросовых виброизоляторов с прямолинейными участками для работы в области
геометрической-нелинейности..........................................60
2.2.1 Исследование характеристик виброизолятора в области геометрической нелинейности..........................................................69
2.2.2 Построение параметрического ряда тросовых виброизоляторов
по патенту РФ № 83113.................................................75
2.3 Методика расчета кольцевых и эллипсных виброизоляторов
2.3.1 Метод расчета характеристик двухкольцевого виброизолятора
по патенту РФ № 96921.................................................78
2.3.2 Метод расчета характеристик многокольцевых виброизоляторов 100
2.3.3 Метод расчета характеристик эллипсных виброизоляторов...........112
2.3.4 Исследование характеристик двухкольцевых виброизоляторов.
в области геометрической нелинейности.................................135
2.3.5 Исследование характеристик эллипсных виброизоляторов
в области геометрической нелинейности.................................139
2.4 Анализ демпфирования и поведения двухкольцевых виброизоляторов при колебаниях.......................................................146
2.5 Разработка параметрического ряда двухкольцевых виброизоляторов
по патенту РФ № 96921.................................................151
2.6 Методика расчета характеристик тросовых виброизоляторов
3
с пространственной формой УДЭ..........................................154
2.6.1 Учет эллипсности сечения проволок УДЭ............................156
2.6.2 Определение формы осевой линии УДЭ...............................157
2.6.3 Метод построения расчетной формы пространственного УДЭ 161
2.6.4 Разработка параметрического ряда виброизоляторов
по патенту РФ № 2199683................................................163
3. Экспериментальное определение характеристик $ тросовых виброизоляторов с пространственным восприятием нагрузки
3.1 Экспериментальное исследование тросовых виброизоляторов
с радиусноой формой упругой линии УДЭ I 3.1.1 Создание экспериментального образца..............................167
3.1.2 Описание установки..............................................169
3.1.3 Методика проведения эксперимента................................170
» 3.1.4 Обработка результатов эксперимента...............................171
3.1.5 Сравнение экспериментальных и расчетных данных..................176
3.2 Экспериментальное исследование виброизолятора с пространственной формой упругой линии
3.2.1 Создание экспериментального образца.............................178
3.2.2 Описание установки..............................................180
3.2.3 Методика проведения эксперимента................................182
3.2.4 Обработка результатов эксперимента..............................187
3.2.5 О применимости статических характеристик
тросовых виброизоляторов для расчетов в динамике......................203
3.2.6 Обработка результатов динамических испытаний....................212
3.2.7 Сравнение результатов с данными, полученными на основе
; математической модели..................................................217
*
4. Практическое применение результатов и дальнейшие направления
исследования
4.1 Практическое применение результатов исследования
4.1.1 Разработка конструкций виброизоляторов
с прямолинейной формой УДЭ..........................................222
4.1.2 Разработка конструкций виброизоляторов
с радиусной формой у пру го демпфирующего элемента..................229
4.1.3 Разработка конструкций виброизоляторов с пространственной формой
упругодемпфирующего элемента........................................234
4.2 Перспективы дальнейших исследований.............................238
Основные результаты и выводы........................................242
Список использованных источников....................................244
Приложения
т
»
Список сокращений
АЧХ - амплитудно-частотная характеристика;
ВЗС - виброзащитная система;
КЭ - конечный элемент;
КЭ-модель - конечно-элементная модель;
КЭ-расчет - конечно-элементный расчет;
МКЭ - метод конечных элементов;
МР - металлическая резина (металлический аналог резины);
СКД- система конструкционного демпфирования;
СНС - статически неопределимая система;
УДЭ - упругодемпфирующий элемент;
CAD - Computer-aided design - аппаратно-программные комплексы автоматизации проектирования;
CAE - Computer-aided engineering - программные пакеты, предназначенные для инженерных расчетов, анализа и симуляции физических процессов
5
Введение
Уровень развития современного машиностроения показывает, что проблема защиты технических объектов от вредного воздействия вибрации по-прежнему остро стоит перед проектировщиками. Одним из наиболее распространенных на сегодняшний день способов вибрационной защиты является применение пассивных систем на основе виброизоляторов; Из обширной группы виброизоляторов можно особо выделить демпфирующие устройства на основе многослойных цельнометаллических канатов (тросов). Такие системы обладают высокой степенью эффективности, хотя и имеют свои недостатки, и чрезвычайно часто используются в машиностроительной технике. Наибольшую результативность пассивные системы на базе тросов, равно как и остальные того же типа, проявляют при реализации вибрационной защиты объекта на конкретном режиме его работы. Если же объект виброзащиты испытывает воздействия широкополосной вибрации, то использование пассивных систем в этом случае считается недостаточно эффективной мерой. Удовлетворительные результаты здесь показывают, так называемые, активные и полуактивные системы, подразумевающие введение в конструкцию узлов управления и дополнительных источников энергии, а значит, усложнения виброзащигного устройства и снижение его надежности. Указанную проблему в некоторой степени можно решить, применяя и пассивную систему виб-розащиты, построенную в виде параметрического ряда. Такое решение позволит подобрать виброизолятор определенного типа под конкретные параметры объекта виброзащиты, например, геометрически подобных объектов, отличающихся по массе. Тросовые виброизоляторы обладают колоссальным потенциалом для создания на их базе параметрических рядов. Особенно интересна в этом плане форма упругой линии тросового элемента виброизолятора - главной части демпфирующего устройства данного типа. Кроме очевидной геометрической параметризации упругой линии, можно также исследовать возможность выделения и систематизации его свойств, таких как жесткость и демпфирующие характеристики упругого элемента.
6
Среди применяемых сегодня тросовых виброизоляторов, можно условно выделить три основные группы, детерминированные по форме упруго-демпфирующего элемента:
- с прямолинейной формой;
- с кольцевой формой;
- с пространственной формой.
Несмотря на то, что в научно-технической литературе встречаются исследования, где рассматриваются отдельные вопросы, касающиеся параметризации тех или иных конструкций виброизоляторов на базе тросов с указанными формами упругой линии, все же они не носят систематического характера и могут, по мнению автора, являться предметом более глубокого изучения. Кроме того, до сих пор не существует единых методик, сочетающих в себе точность, эффективность, универсальность и простоту, которые позволили бы получить стройные математические модели таких систем, которые затем могли бы быть положены в основы создания параметрических рядов виброизоляторов указанных типов. Решение данных задач позволило бы создать научные базы для проектирования более совершенных устройств, обладающих повышенными эксплуатационными характеристиками, меньшей материало-и энергоемкостью, способных обеспечивать более эффективную и надежную вибрационную защиту в любой области современного машиностроения.
Итак, в данной диссертационной работе в качестве объекта исследования выбраны закономерности изменения характеристик пассивных систем виброзащиты на базе виброизоляторов с упругодемпфирующими элементами (УДЭ) в виде многослойных цельнометаллических канатов (тросов) разнообразной формы. Ожидается, что на базе указанных устройств конструкционного демпфирования возможно создание ограниченного количеством форм упругой линии параметрических рядов, в достаточной степени описывающих каждый виброизолятор и в полной мере отражающий его основные свойства и характеристики, позволяя избежать индивидуального проектирования каждого такого устройства, что в конечном итоге приведет к снижению материа-
7
ло- и энергозатрат, повышению эффективности этих устройств при выполнении задач вибрационной защиты машиностроительной техники.
Исходя из вышеизложенного, проведение такого исследования необходимо и актуально.
Целыо исследования является расширение качественных и количественных возможностей виброзащитных систем за счёт создания новых конструктивных схем и уточнённых методик расчета упругодемпфирующих характеристик параметрических рядов виброизоляторов с варьируемой формой гибких тросовых элементов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- создать новые технологически простые в производстве и надежные в эксплуатации конструктивные схемы виброизоляторов на базе металлических канатов (тросов) с пространственным восприятием нагрузки;
- создать методики расчёта нагрузочных, жесткостных и демпфирующих характеристик тросовых виброизоляторов с различными формами упругодемпфирующих элементов (УДЭ) и выявить функциональные связи между их определяющими и определяемыми критериальными параметрами;
- разработать принципы проектирования параметрических рядов тросовых виброизоляторов с различными формами УДЭ;
создать ряды типоразмеров виброизоляторов тросового типа, обладающие признаками подобия по упругодемпфирующим свойствам, обеспечивающие идентичность статических и динамических свойств механических систем, существенно удешевляющих и упрощающих технологии проектирования средств виброзащиты;
- выявить новые качества систем вибрационной защиты, определяемые новыми конструктивными решениями и усовершенствованными математическими моделями деформирования их УДЭ.
Научная новизна полученных результатов заключается в создании усовершенствованных математических моделей и методик расчёта тросовых
8
виброизоляторов с пространственным восприятием нагрузки, учитывающих геометрическую нелинейность элементов с прямолинейной, радиусной и пространственной формами осевых линий, позволяющих формировать параметрические ряды виброизоляторов данных типов с заданными видами нагрузочных характеристик; разработке ряда новых конструктивных решений тросовых виброизоляторов с многоярусной компоновкой плоских и пространственных УДЭ, защищенных патентами РФ, и обладающих широкими возможностями по качественному влиянию формы элементов на вид нагрузочных характеристик; выявлении на основе созданных математических моделей новых свойств систем вибрационной защиты, заключающихся в наличии областей квазинулевой жесткости, определяемых новыми конструктивными решениями, существенно улучшающими эффективность виброизоляции машин, приборов и аппаратуры. Теоретически доказано, что при определенном выборе критериев подобия, составленных из геометрических размеров упругого элемента в виде комбинации прямолинейных и радиусных участков, возможна реализация линейных нагрузочных характеристик в трех взаимно-перпендикулярных направлениях при воздействии на виброизолятор парой сходящихся или расходящихся сил.
Методика исследования основана на использовании методов математического моделирования, теории аппроксимации, системного анализа, сопротивления материалов, теоретической механики, теории подобия; механики деформирования твердого тела, а также классической теории упругости и теории деформируемых стержней в изложении Е.П. Попова. Для получения данных теоретических исследований, построения математических моделей, обработки и анализа экспериментальных результатов, автором широко применялись вычислительные программные комплексы АНЗУЭ, МБС.АЛАМЗ, МаФСАЛ, 8ТАТ18Т1СА и др. Экспериментальные исследования проводились на основе современных подходов теории планирования эксперимента и математической статистики.
9
Достоверность полученных результатов подтверждается:
- применением широко известных и неоднократно подтвержденных методов математического моделирования и аналитики поведения упругих систем в процессе их деформирования;
- использованием аргументированного набора базовых ограничений и допущений;
- обоснованием результатов теоретических расчетов, проведением разносторонних и глубоких экспериментальных исследований в этой области;
- получением теоретических результатов, согласующихся с экспериментальными сведениями в пределах допустимых погрешностей;
- положительной оценкой внедрения итогов исследований на практике.
На защит}' выноси ген:
1. Созданные усовершенствованные математические модели и методики расчёта тросовых виброизоляторов с пространственным восприятием нагрузки, учитывающих геометрическую нелинейность элементов с прямолинейной, радиусной и пространственной формами осевых линий, позволяющих формировать параметрические ряды виброизоляторов данных типов с заданными видами нагрузочных характеристик;
2. Ряд новых конструктивных решений тросовых виброизоляторов с многоярусной компоновкой плоских и пространственных УДЭ, обладающих широкими возможностями по качественному влиянию формы элементов на вид нагрузочных характеристик.
Практическая ценность. На основе предложенной методики построения математических моделей тросовых виброизоляторов с упругой линией различных форм разработаны параметрические ряды виброзащитных систем на базе виброизоляторов с упругой линией в виде многослойных цельнометаллических канатов (тросов) разнообразных форм, значительно сокращающие сроки проектирования систем вибрационной защиты.
На базе созданных автором алгоритмов расчета отработан ряд наиболее эффективных конструктивных решений тросовых виброизоляторов с упругой
10
линией различной формы, предназначенных для вибрационной защиты объектов общего машиностроения с целыо достижения высоких эксплуатационных и экономических показателей.
Реализация результатов работы. Разработанные алгоритмы расчета и программы использованы при проектировании защитных систем оборудования и аппаратуры ООО «Астрон» (г. Самара), НПЦ ИНФОТРАНС (г. Самара), НИЦ «Путеец» (г. Новосибирск), а также широко применяются в учебном процессе СГАУ на кафедре «Конструкция и проектирование двигателей летательных аппаратов» в дисциплинах «Основы проектирования и конструирования», «Динамика машин» и «Надежность авиационных ДВС».
Апробация работы. Основные теоретические и экспериментальные результаты настоящей работы обсуждались и получили высокую оценку на многих международных, всероссийских и региональных научно-технических конференциях: Всероссийская научно-техническая Интернет-конференция «Компьютерные технологии в машиностроении» (г. Тольятти, 2007 г.), Международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы динамики и прочности материалов и конструкций: модели, методы, решения» (г. Орел, 2007 г.), Международная молодежная научная конференция «34 Гагаринские чтения» (г. Москва, 2008 г.), Восьмая международная научно-техническая интернет-конференция «Новые материалы и технологии в машиностроении» (г. Брянск, 2008 г.), Международная заочная конференция молодых ученых, студентов и специалистов «Инновационные технологии в проектировании» (г. Пенза, 2008 г.), 4-я международная научно-практическая конференция «Новые материалы и технологии в строительном и дорожном комплексах» (г. Брянск, 2008 г.), Всероссийская научно-техническая конференция «Новые материалы и технологии» (г. Москва, 2008 г.), 15-я международная научно-техническая конференция по транспортной, строительнодорожной и подъемно-транспортной техники и технологии «Trans & Motauto» (г. София, 2008 г.), Всероссийская молодежная научная конференция с международным участием «X Королевские чтения» (г. Самара, 2009 г.),
11
Всероссийская научно-практическая (заочная) конференция «Актуальные вопросы развития науки, техники и технологии» (г. Москва, 2009 г.), II Всероссийская молодежная научно-техническая конференция «Молодежь, техника, космос» (г. Санкт-Петербург, 2010 г.), III Всероссийская научно-практическая конференция «Наука и образование транспорту'» (г. Пенза, 2010 г.) и других.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 24 печатных работ, включая 7 статей, из них 2 статьи в научных изданиях, рекомендованных ВАК для публикации результатов кандидатских диссертаций, 14 трудов международных и всероссийских конференциях, 8 патентов на полезные модели. В основном, все научные результаты получены автором. Вклад автора диссертации в работы, выполненные в соавторстве и содержащиеся в них результаты, состоит в разработке теоретических положений, а также в непосредственном участии во всех этапах прикладных исследований.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из оглавления, введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Материал изложен на 252 страницах, содержит 195 рисунков и 24 таблицы. Список использованных источников включает 118 позиций.
Работа была выполнена на кафедре «Конструкции и проектирования двигателей летательных аппаратов» Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.Г1. Королева. Автор выражает благодарность всем сотрудникам кафедры, а также работникам учебно-научного производственного центра «Вибрационная прочность и надежность аэрокосмических изделий» и ЗАО «Управляющая компания «Брянский машиностроительный завод» за неоценимый вклад в подготовку материалов для выполнения данной работы.
12
1. Обзор мирового опыта создания и исследования характеристик тросовых виброизоляторов
Уровень развития современного машиностроения показывает, что проблема защиты технических объектов от вредного воздействия вибрации по-прежнему остро стоит перед проектировщиками. Несмотря на постоянное совершенствование как самих объектов техники, технологии их производст-; ва, конструкционных материалов и т.п., так и средств и способов вибрацион-
ной защиты, до сих пор еще не удается полностью исключить влияние вибрации на параметры объектов в процессе их эксплуатации, что, в свою очередь, обуславливает необходимость модернизации существующих и создания новых средств виброзащиты и их расчета.
Неоценимый вклад в становление и развитие современной теории вибрационной защиты внесли многие отечественные и зарубежные ученые, ин-* женеры и исследователи.
Так, в области создания конструктивных схем устройств виброзащиты можно выделить В.А. Безводина, В.Ф. Горбунова, В. С. Ильинского, В.И. Калакутского, Ю.К. Пономарева, Д.Е. Чегодаева, И.Д. Эскина, К. Камосси и
др.
Фундаментальным теоретическим исследованиям вопросов вибрационной защиты посвящены работы П.М. Алабужева, В.Л. Бидермана, В.А. Безводина, В. С. Ильинского, В.И. Калакутского, Я.Г. Пановко, Е.Г1. Попова,
%
Ю.К. Пономарева, В.А. Светлицкого, Е.С. Сорокина, Г.И. Страхова, К.В. Фролова, В.П. Филекина, С.П. Тимошенко, Л. Гудмана и др.
К исследователям, занимавшихся и занимающимися проблемами технологии гаготовления виброзащитных устройств, можно отнести В.А. Безводина, В.И. Калакутского, Ю.К. Пономарева, К.В. Фролова, A.B. Малова, К. Камосси и др.
Как известно, вибрационная защита - это совокупность средств и методов снижения вибраций, воспринимаемых объектом виброзащиты. Методы
13
виброзащиты включают как расчетно-теоретические, так и конструктивно-экспериментальные решения, которые обычно взаимосвязаны.
К основным методам виброзащиты относятся:
а) Снижение интенсивности самих источников вибрации.
б) Изменение частоты периодического движения системы, в том числе и вывод ее за предел диапазона частот нормируемой вибрации, совокупностью конструктивных мер, изменяющих свойства системы.
в) Использование эффекта динамического гашения вибраций.
г) Применение виброизоляции.
Несмотря на разнообразие схем, подавляющее большинство виброизоляторов, относится к, так называемым, пассивным системам виброзащиты. Это означает, что их жескостные и (или) демпфирующие характеристики остаются неизменными в процессе эксплуатации на объекте виброзащиты. В пределах каждого вида виброизоляторы имеют линейку (ряд) типоразмеров, рассчитанных на восприятие разного уровня статической нагрузки.
К сожалению, в опубликованном материале отсутствуют сведения о научном обосновании выбора принципов формирования параметрических рядов виброизоляторов любого типа, что может представлять интерес для исследования.
1.1. Сведения о тросовых виброизоляторах
При изоляции многочастотной вибрации наиболее сильно передается объекту виброзащпты самая низкочастотная составляющая и полнее отфильтровывается высокочастотная. Виброизоляторы - главный элемент системы виброзащиты - в сущности, представляют собой фильтры низких частот, упорядочивающие энергию колебаний. Основной частью виброизолятора является упруго-демпфирующий элемент (УДЭ). УДЭ, в свою очередь, определяется жескостными и демпфирующими свойствами. В тросовом виброизоляторе УДЭ выполняет металлический многослойный канат (трос) различной конфигурации. Благодаря большому количеству контактных прово-
14
лочек в гросе, в УДЭ могут быть реализованы практически любые жсскост-ньте свойства и значительное демпфирование. Кроме этого, УДЭ на основе троса обладает высокими прочностными характеристиками и долговечностью в условиях знакопеременных нагрузок. Требуемые жескостные и демпфирующие свойства системы можно обеспечить различной компоновкой тросов, числом проволочек в сечении, их расположением друг относительно друга, радиусом кривизны элементов в ансамбле, их числом и взаиморасположением.
Указанные преимущества тросов позволяют использовать их для изготовления средств виброзащиты практически в любой области машиностроительной техники.
К российским предприятиям, занимающимся проектированием и изготовлением виброизоляторов данного типа, можно отнести «ОНГ1Л-1 СГАУ» (г. Самара), НПЦ «Инфотранс» (г. Самара), ЗАО «Инмор» (г. Санкт-Петербург).
Среди иностранных предприятий, серийно выпускающих сейчас тросовые виброизоляторы можно отметить «ЕтсНпе» (США), «31ор-СЬок» (Герма-ния), «\ЧЬга1ес АкиБЙкргоби^ег» (Норвегия) и «ЭеЬегЬ) (Голландия).
Хорошо известно, что, как в России, так и за рубежом, существует немалое количество всевозможных видов систем конструкционного демпфирования, а, следовательно, и огромное число их классификаций. Каждая из них обладает теми или иными преимуществами и способна в достаточной степени описать все многообразие систем виброзащиты.
На основании анализа патентов систем вибрационной защиты, зарегистрированных в различных странах1, автором было установлено, что современные цельнометаллические тросовые виброизоляторы можно разделить по назначению на три большие группы:
1 Обзор проводился преимущественно по патентным базам России. Германии и США, а также Швейцарии, Японии, Франции, Испании и Италии.
A) Применяемые для изоляции одного объекта от другого (чаще всего аппаратуры от основания)2.
B) Применяемые для выборочной передачи нагрузок в соединениях (чаще всего крутящего момента в соединениях валов)3.
C) Применяемые для поглощения энергии кратковременных ударов4.
В рамках данных групп, тросовые виброизоляторы по конструктивным признакам также можно разделить на несколько подгрупп:
I. Самая широко распространённая конструкция предполагает наличие двух или более разъёмных пластин, между которыми укладывается в виде змеевика и зажимается цельный отрезок троса (см. рис. 1.1). В основном, виброизоляторы подобной конструкции относятся к группе А.
Одна пластина крепится на объекте виброзащиты, другая на основании. Для устойчивости в конструкции используются несколько, симметрично расположенных Рис. 1.1 Вариант конструкции типа I
виброизоляторов. Дальнейшее совершенствование таких конструкций направлено: 1) на повышение ресурса, например, за счёт установки троса в резиновые втулки или профилирования тросодержащих элементов. В частности, вместо пластин могут быть использованы наборы стянутых в пакет гофрированных металлических лент и так далее; 2) на оптимизацию несущих свойств за счёт изменения формы пластин5, количества или комбинации нескольких виброизоляторов в одной конструкции, обеспечивающей объёмное (по трем координатным осям) демпфирование.
II. Второй тип конструкции также предполагает две разъёмные пластины, однако в данном случае трос навивается в виде спирали (см. рис. 1.2).
Например, патенты СН405832 (Швейцария), 11112082038, КШ199683 (Россия), и$3037728,1153039725 (США), ОЕ19947794 (Германия) и лругие.
3 Например, патенты ОВ328021 (Великобритания), 115732079.1)51602912,1151657844,1151672398 (США) и другие.
4 Например, патенты 1353086600, ив5897093, 1^5690322 (США) и другие.
5 Например, шготовление пластины в виде сектора цилиндрической оболочки, как в патентах 1153037728 и 1152972459 (США), позволяет изменить форму упругой линии троса.
Здесь возможно большое число вариаций [12]. Например, витки спирали могут иметь разный наклон, диаметр или же количество спиралей может быть несколько. Данная конструкция чаще всего относится к группе А.
Рис. 1.2. Вариант конструкции типа II
III. Третья конструкция встречается как в
го типа. Широко используются две конструкции (см. рис. 1.3а и б). В обеих есть верхняя и нижняя обоймы, находящиеся на одной оси. В первом случае, они соединены симметрично расположенными по окружности отрезками троса, так что точки входа и выхода троса лежат в одной плоскости. А во втором обоймы повёрнуты на некоторый угол, чаще всего 90 градусов.
IV. Среди прочих конструкций группы В следует выделить два типа: 1) прямого соединения; 2) с центральным звеном.
Простейшей конструкцией с прямым соединением являются утолщения на концах валов, на которых по окружности размещаются болты, а затем последовательно навивается трос. Более сложные конструкции предполагают отсутствие контакта валов, поскольку на концы валов одеваются специальные переходники, которые соединены между собой целыми пакетами деталей,
6 Патенты 11112199683,1Ш2082038 (Россия), ЭЕ20204928 (Германия), в этом случае верхняя обойма крепится к грузу, а нижняя к основанию.
7 Патент 1151602912 (США), здесь одна обойма крепится к одному валу, другая - к другому. По принципу работы система напоминает универсальный шарнир или шарнир Гука, но с демпфированием [83].
группе А6, так и в В '. Это, так называемые, виброизоляторы колокольниково-
17
включающими трос или отрезки троса в качестве упругого элемента. В частности, в состав пакетов могут входить и элементы типа I8.
Конструкции с центральным звеном отличаются ещё большей сложностью, поскольку между насадками размещается промежуточный элемент, удерживаемый лишь тросом. Его назначение - формирование нужной формы упругой линии и дополнительное натяжение троса. Причём форма упругой линии может задаваться весьма сложной, например спиральной9.
Общий анализ конструкций групп А и В показывает, что наибольшее распространение получили самые простые виды виброизоляторов типа I, II и III, поскольку усложнение конструкции в данном случае редко вызывает сопоставимое повышение эффективности виброзащиты при резком снижении надёжности работы. В то время как добиться требуемого уровня виброзащиты можно, комбинируя в одной системе несколько виброизоляторов простой конструкции.
Также достаточно эффективны гибридные виброизоляторы, использующие в качестве упруго-демпфирующего элемента сочетания троса с упругими лентами, проволокой, металлическим аналогом резины (МР). Однако они не принадлежат к собственно тросовым виброизоляторам и в данной работе рассматриваться не будут.
V. Элементы группы С отличаются тем, что в них демпфирование собственно троса отходит па второй план, а на первый выдвигается способность выдерживать колоссальные нагрузки, возникающие при ударе. При этом линии троса работают не только на изгиб, но и на растяжение.
Несмотря на то, что представленная выше классификация охватывает практически всю область виброзащитных систем, представляющих интерес в рамках данного ис-Рис. 1.4. Вариант конструкции типа V следования, автору, тем не менее, пред-
5 Например, патент 1,$3039725 (США).
9 Например, патент и53074681 (США).
18
ставляется, что рассмотренные в настоящей работе системы конструкционного демпфирования наиболее полно могут быть отражены в классификации, предложенной в монографии [108]. Согласно данной классификации, системы виброзащиты с упругими элементами на базе металлических тросов можно разделить по следующим признакам:
1. По фопме упругой линии элементов тросовые системы конструкционного демпфирования делятся на устройства с прямолинейными и криволинейными элементами. Последние, в свою очередь, подразделяются на виброизоляторы с бесперегибной и перегибной формой начальной упругой линии.
2. По форме совокупности тросовых элементов виброизоляторы подразделяются на устройства линейного, цилиндрического, арочного, сферече-ского, тороидального, уголкового, петлевого и комбинированного типов. Конструирование виброзащитных систем линейного, уголкового, а также некоторых видов цилиндрического и петлевого типов, осуществляется путем параллельного размещения множества указанных элементов вдоль некоторой оси. Совокупность элементов в виброизоляторах арочного типа представляет собой поверхность полусферы, в виброизоляторах сферического типа - сферу, тороидального - тороид вращения, соответственно. Конструктивной особенностью трех последних типов виброизоляторов является то, что они получены путем параллельных поворотов плоскости базового элемента на некоторый угол <р = 2я!т, относительно вертикальной оси, где т - количество тросовых элементов в виброизоляторе.
3. По виду работы упругодиссипативных элементов тросовые виброизоляторы делятся на устройства с элементами, работающими на растяжение-сжатие, изгиб, кручение и комбинированные виды деформации. Однако на практике применяются, в основном, элементы четвертой группы, так как виброизоляторы проектируются с учетом пространственного восприятия нагрузок, вследствие чего их элементы работают в условиях комбинированной деформации (изгиб с растяжением-сжатием, изгиб с кручением и другие).
19
4. По способу заделки концов упругогмстерезисных элементов И ИХ ВИДУ в целом тросовые виброизоляторы конструируют из множества отдельных отрезков троса, когда концы каждого отрезка троса тщательно заделываются в крепежных обоймах посредством сварки, запайки, приклеивания или обжатия, либо из квазинепрерывного троса, когда упругодемпфирующий элемент получают путем заневоливания троса в специальных приспособлениях механическим путем или с помощью термофиксации. В последнем случае упругий элемент получается из цельного отрезка троса с петлевыми участками, зажимаемыми в обоймах виброизолятора. Установлено, что прочность и долговечность термофиксированного упруго демпфирующего элемента значительно выше по сравнению с обычным.
5. По форме поперечного сечения проволоки в прядях троса виброизоляторы можно разделить на системы с традиционно круглой и некруглой формой (треугольной, шестигранной, квадратной). Наличие систем с некруглой формой поперечного сечения проволоки обусловлено желанием проектировщика увеличить стабильность упругодиссипативных свойств виброизолятора путем создания распределенного контакта во фрикционных парах. При традиционной форме поперечного сечения проволоки в тросе имеет место два типа пар трения - линейный и точечный контакты. Очевидно, что износ в тросах с точечно-линейным контактом фрикционных пар значительнее, чем в тросах с распределенным контактом. Поэтому для создания систем виброзащиты с большей стабильностью и ресурсом предпочтительнее выбирать троса с некруглой формой поперечного сечения проволоки.
6. По конструктивным особенностям используемого троса связанными с принципиальной возможностью управления силами трения во фрикционных парах, виброзащитные системы подразделяются на виброизоляторы с упруго демпфирующими элементами, обмотанными проволокой или лентой, с элементами, стянутыми упругими хомутами или чехлом, с элементами, имеющими внутреннюю герметичную упругую оболочку с наддувом для управления силами трения.
20
7. По конструктивным особенностям крепежных обойм устройства виброзащиты делятся на системы с разъемными и неразъемными обоймами, системы с ограничителями упругой деформации элементов, системы с дискретным подключением или отключением части упругих элементов в зависимости от величины деформации или программы ее изменения.
8. По способу включения упругих элементов в силовую схему вибро-зашитной системы они подразделяются на устройства с параллельным, последовательным и сметанным размещением элементов и их совокупностей между обоймами виброизолятора.
9. По степени изотропности упругодиссипативных свойств по различным направлениям действия нагрузок виброизоляторы делятся на устройства с изотропными и анизотропными:свойствами.
10. По включению дополнительных видов рассеяния энергии (за исключением основного вида - межвиткового трения, основанного на принципах конструкционного демпфирования) тросовые виброизоляторы можно разделить на следующие категории:
а) системы с чисто конструкционным демпфированием;
б) системы с элементами динамических гасителей колебаний;
в) системы с дополнительным граничным трением троса или конструктивных элементов виброизолятора о корпусные детали;
г) системы с дополнительной диссипацией, основанной на магнитных или электромагнитных принципах.
11. По возможности активного управления упругими и диссипативными характеристиками в процессе эксплуатации тросовые виброизоляторы делятся на пассивные, параметрически управляемые и регулируемые (подстраиваемые).
12. По виду упругой характеристики тросовые системы виброзащиты подразделяются на устройства с линейной, жесткой, мягкой и смешанной (жестко-мягкой, линейно-жесткой или линейно-мягкой) нагрузочными характеристиками. Установлено, что линейной характеристикой обладают тро-
21
совые виброизоляторы в узком диапазоне амплитуд деформирования вблизи ненагруженного положения. Однако при рассмотрении всего возможного диапазона деформирования можно говорить о том, что практически все типы виброизоляторов имеют нелинейные характеристики - симметрично жесткую или жестко-мягкую. При этом растяжение виброизолятора дает жесткую, а сжатие — мягкую характеристики.
Очевидно, что приведенная выше классификация со временем может быть дополнена по мере разработки новых классов и видов систем конструкционного демпфирования на основе троса, однако, по мнению автора, на сегодняшний день она охватывает весь известный диапазон таких устройств, как в России, так и за рубежом [108].
1.2. Обзор основных конструктивных разработок тросовых виброизоляторов
Проведенное автором патентное исследование показывает, что в настоящее время существует большое число разработок виброизоляторов на базе УДЭ в виде тросов [4-10, 70-86]. Также можно утверждать, что на практике создателями виброзащитных устройств такого типа, в основном, используется всего три формы упругой линии УДЭ, а также различные их сочетания. Ниже приведены конкретные примеры тросовых виброизоляторов, разделеных по форме УДЭ на три группы:
- Виброизоляторы с прямолинейной формой УДЭ;
- Виброизоляторы с кольцевой формой УДЭ;
- Виброизоляторы с пространственной формой УДЭ,
которые, по мнению автора, наиболее полно отражают современное состояние систем виброзащиты на базе тросовых УДЭ.
Виброизоляторы с прямолинейной формой УДЭ являются одними из самых распространенных видов элементов систем виброзащиты. Основные преимущества таких устройств заключаются в простоте конструкции и высокой технологичности.
22
Одной из базовых конструктивных схем тросовых виброизоляторов с прямолинейной формой УДЭ является устройство, разработанное Б.В. Большаковым и Д.П. Николиным [4], представляющее собой тросовый виброизолятор, состоящий из нескольких отрезков троса, концы которых заделаны в стаканы, жестко закрепленных в промежуточных элементах (каркасах), связанных с объектом виброзащиты и источником вибрации. Каркасы выполнены в виде двух кронштейнов, имеющих по два отверстия каждый для установки в них стаканов. В одном кронштейне стаканы с тросом установлены с жестким креплением, а в другом - неподвижно. Причем, смонтированы кронштейны так, что каждый трос имеет с каждым кронштейном одно крепление. При этом один из кронштейнов выполнен в виде двух независимых частей, снабженных зажимом.
Рис. 1.5. Тросовый виброизолятор конструкции Б.В. Большакова и Д.П. Николина
На рис. 1.5 показан общий вид данного виброизолятора. Кронштейны 1 и 2 выполнены с двумя отверстиями 3 (отверстие 3 на кронштейне 2 на рисунке не показано). В отверстие 3 кронштейна 1 подвижно установлен стакан 4, а в отверстие 3 кронштейна 2 жестко заделан стакан 5. В стаканах 4 и 5 жестко закреплены концы тросов 6. Кронштейн 2 выполнен в виде двух независимых частей 7 и 8, снабженных зажимами 9, 10.
Такое выполнение данного виброизолятора упрощает его изготовление, уменьшает габариты и обеспечивает плавную регулировку жесткости.
Уместно отметить, что данная конструкция тросового виброизолятора в дальнейшем послужила автору прототипом для создания одной из матема-
23
тических моделей в его исследовании, была модернизирована и запатентована в виде полезной модели [87].
Еще одной интересной конструкцией с точке зрения способа обеспечения виброзащиты, является тросовый виброизолятор, предложенный Дж.-И. Хеем [66]. Данное устройство, изображенное на рис. 1.6, представляет собой прямолинейный отрезок троса 1, концы которого заделаны в футорки 2, выполняющие роль соединительных элементов с источником вибрации 3 и объектом виброзащиты 4. При этом одна из футорок 2 может проворачиваться в гнезде крепления.
Принцип обеспечения демпфирования такого устройства полностью основан на использовании эффекта диссипации энергии в результате трения между отдельными проволочками троса при возникновении внешней нагрузки на виброизолятор. Примечателен тот факт, что, в отличие от предыдущей конструкции, которая гораздо более распространена в современной технике, данный виброизолятор меньше приспособлен для работы на изгиб. Поэтому, несмотря на несомненные преимущества в виде высокой эффективности демпфирования, технологичности и экономичности, виброизолятор Дж.-И. Хея обладает сравнительно низкими надежностью и сроками эксплуатации на объекте выброзащиты.
Другой типовой конструкцией виброизоляторов с прямолинейной формой упругой линии является устройство, разработанное коллективом авторов
24
ВидА
[52] представленное на рис. 1.7. Здесь необходимо отметить, что под «прямолинейной формой УДЭ» автор понимает также и УДЭ более сложной формы, которую, однако, можно условно разбить на совокупность прямолинейных участков. Также подразумевается, что прямолинейные УДЭ могут включать в себя и радиусные участки, не меняющие, тем не менее, геометрию упругой линии элемента в целом. Так, в представленной на рис. 1.7 конструкции, упругую линию каждого УДЭ в ансамбле виброизолятора можно рассматривать, как совокупность двух прямых, сопряженных между собой в области поперечной оси симметрии виброизолятора.
Данное устройство состоит из двух подобных, но не одинаковых, обойм 7, каждая из которых включает болт 11 с развитой грибковой головкой с постелями для крепления УДЭ, выполняющий также функцию крепления виброизолятора к объекту виброзащиты и источнику вибрации, фигурной
. _ „ „ _ гсо1 крышки 6, 8, имеющей ответные внут-
Рис. 1.7. Тросовый виброизолятор [52] г •*
реяние элементы, для надежного крепления УДЭ, гайки 12.
Предварительно сформированный на специальной оправке способом, подробно рассмотренным в [56], тросовый УДЭ закрепляется в постелях верхней и нижней обойм, образованных ответными элементами болтов 11 и крышек 6, 8 и стянутых затем гайками 12.
Рассмотренная конструкция обладает широкими возможностями параметризации, что позволило автору создать на ее базе собственное устройство, положившее начало разработке соответствующего параметрического ряда.
Проведенный анализ конструкций тросовых виброизоляторов с прямолинейной формой УДЭ показал, что рассмотренные выше устройства могут, по мнению автора, служить типовыми конструкциями, которые наиболее
25
полно отражают компоновочные варианты виброизоляторов с рассмотренной формой УДЭ.
К сожалению, существующие методики расчета подобных систем направлены, в основном, на решения частных задач и носят, обычно поверочный, ориентировочный характер, что не позволяет добиться построения параметрического ряда таких систем, имеющих практическую значимость для современного машиностроения. Это обстоятельство явилось предпосылкой к разработке одного из направлений научных исследований автора данной работы.
Теперь рассмотрим типовые варианты конструкций тросовых виброизоляторов с кольцевой формой упругой линии.
Классическим исполнением такого виброизолятора является демпфирующее устройство, разработанное коллективом авторов: [53], представленное на рис. 1.8. Виброизолятор состоит из УДЭ в форме кольца 1, закрепленного в двух диаметрально противоположных местах в двух обоймах 2 и 3. Каждая обойма состоит из стержня в виде тела вращения 4 с полусферическими, конусными и цилиндрическими резьбовыми участками. На конусные участки стержней 4 посажены конусные втулки 5 с ответными по отношению к стержням 4 конусами на их внутренних поверхностях. Участки стержней 4 выполнены с разрезами вдоль их общих осей. Перпендикулярно осям каждого стержня в плоскости стыковки их полусферического и конусного участков выполнены отверстия диаметром, равным диаметру троса, из которого состоит УДЭ. В эти отверстия на стержнях обойм установлен кольцевой УДЭ 1. Для его установки предварительно разводят в стороны разрезанные участки стержней 4. Для защемления УДЭ в обоймах на резьбовые части стержней навернуты гайки 6, которые в совокупности с конусными втулками 5, обжимающие при наворачивании гаек разрезные конусные участки стержней, плотно зажимают УДЭ 1 в двух его противоположных местах. Для предотвращения развинчивания гаек, обоймы снабжены шайбами 7.
26
Данный виброизолятор работает следующим образом. Под действием внешней вибрационной нагрузки происходит изгибная или (и) крутильная деформация витков троса УДЭ. Деформируясь, отдельные проволочки троса проскальзывают друг относительно друга с трением в местах их контакта. Это обстоятельство приводит к тому, что нагрузочные характеристики тросового кольцевого УДЭ по трем координатным осям- имеют вид гистерезис-ных петель, площадь которых численно равна величине рассеянной за цикл колебаний энергии. Благодаря рассеянию энергии происходит демпфирование колебаний объекта виброзащиты и снижение нагрузки на него.
ся анизотропия свойств УДЭ в разных направлениях. Впрочем, это общая проблема виброизоляторов рассматриваемого типа, которая на практике решается применением комплекта одинаковых виброизоляторов, выполняющих компенсационную функцию по отношению друг к другу.
Таким образом, хотя рассмотренная конструкция тросового виброизолятора весьма широко применяется на практике, на сегодняшний день все еще не существует достаточно простой и, в то же время, точной методики расчета статических характеристик этих систем, что представляет особый интерес, в том числе и для дальнейшего создания параметрического ряда данного виброизолятора.
Следующей типовой конструкцией тросового виброизолятора с упругой линией УДЭ в форме кольца можно считать устройство конструкциишо-
Несмотря на свои многочисленные преимущества, данная конструкция виброизолятора, все же не лишена недостатков. Так, предложенная компоновка УДЭ позволяет применять виброизолятор более эффективно в системах виирозащиты, в которых внешняя нагрузка действует лишь в вертикальном направлении и менее эффективно, в системах с нагрузкой, формирующий сдвиг - сказывает-
Рис 1.8. Тросовый виброизолятор [53]
- Київ+380960830922