Динамические свойства виброизоляторов с разгрузочными и противоударными устройствами пружинного и комбинированного типа

Совершенствование машин и механизмов транспортного машиностроения идет по пути увеличения удельной мощности агрегатов и систем (АиС) транспортных средств (ТС) за счет форсирования рабочих параметров, усложнения эксплуатационных условий и сопровождается повышением вибрационной напряженности. Около половины отказов и поломок современной техники происходит по причине вибрации, вызывающей усталостные поломки, износы и другие дефекты агрегатов и систем ТС.

В существующих условиях эксплуатации интенсивные вибрационные и ударные нагрузки являются основными причинами, ограничивающими надежность и, следовательно, экономическую эффективность АиС ТС. Поэтому проблема снижения вибрационной напряженности агрегатов, систем управления и автоматики ТС является актуальной и имеет большое народнохозяйственное значение. Методы борьбы с опасными вибрационными и ударными нагрузками чрезвычайно разнообразны и основаны на совершенствовании конструкции и технологии изготовления деталей, узлов систем виброзащиты ТС. В частности, обеспечение вибрационной надежности с помощью высо-кодемпфированных резиновых, резинометаллических и цельнометаллических виброизоляторов и демпферов в настоящее время является общепризнанным.

Однако резина чувствительна к высоким и низким температурам, вакууму, радиации, взаимодействует с агрессивными средами, имеет малую прочность. Вместе с тем непрерывное совершенствование образцов техники требует обеспечения устойчивой работы виброизолируемых агрегатов, систем управления и автоматики ТС при высоких и низких температурах, вакууме, воздействии агрессивных сред, интенсивных вибрационных, ударных и постоянно действующих нагрузках. В подобных условиях эксплуатации резиновые и резинометаллические виброизоляторы оказываются непригодными.

Поэтому в мировой практике наметилась общая тенденция перехода к цельнометаллическим виброизоляторам и демпферам.

В 60-е годы прошлого столетия, характеризующиеся бурным развитием авиационной и ракетно-космической техники, в СГАУ авторами А.М. Сой-фером, В. Н. Бузицким и В. А. Першиным был создан материал МР, являющийся металлическим аналогом резины [10,11]. Не преувеличивая, можно утверждать, что созданные в КуАИ (ныне СГАУ) под руководством видных ученых А. М. Сойфера, Н. Д. Кузнецова, А. И. Белоусова виброизолирующие и демпфирующие устройства на основе материала МР явились едва ли не единственным средством обеспечения вибрационной прочности и надежности ТД ТС, АиРКТ в экстремальных условиях их эксплуатации. При этом освоение серийного производства типовых средств виброзащиты на основе материала МР и их масштабное применение во многих отраслях промышленности с целью подавления опасных динамических нагрузок во многом обеспечило повышение качества изделий современной техники.

Материал МР, являясь механическим аналогом резины, обладает по сравнению с эластомерами более широким диапазоном полезных свойств:

— высокими диссипативными свойствами;

— высокой стойкостью к внешним воздействующим факторам (вакууму, радиации, агрессивным средам и т. д.), сопоставимой со стойкостью нержавеющих сплавов типа Х18Н10Т, ЭИ708, ЭП322 и др.;

— практически неограниченным сроком хранения;

— высокой электрои теплопроводностью.

Широкие возможности технологии изготовления материала МР позволяют получать большое разнообразие конструктивных форм виброизоляторов и демпферов. Однако, несмотря на богатый опыт применения виброизоляторов из МР в промышленности, их свойства остаются еще недостаточно изученными. Во многих случаях это исключает возможность теоретического анализа вибрационной напряженности и проектирования систем виброзащиты АиС ТС. Кроме того, существенная анизотропия прочностных и упругодемпфирующих свойств материала МР затрудняет обеспечение высокой надежности систем виброзащиты АиС ТС, особенно, при действии пространственных нагрузок. Этот недостаток в значительной мере можно устранить с помощью армирования материала МР специальным проволочным жгутом. По данным [29], армирование виброизоляторов типа ДК (двойной колокольчик) позволило увеличить их демпфирующую способность в 1,5 раза, а прочность — более чем в 10 раз.

Данная работа посвящена вопросам повышения качества систем виброзащиты путем разработки виброизоляторов из армированного материала МР с повышенной прочностью, демпфированием, несущей способностью (грузоподъемностью) и ударопоглощающими свойствами, а также создания методов их расчета.

В первой главе дан анализ состояния вопросов, связанных с применением в АиС ТС виброизоляторов из материала МР. Дана критическая оценка существующих типов виброизоляторов, методов их расчета и поставлены задачи работы.

Вторая глава посвящена разработке и экспериментальному исследованию упругих и демпфирующих характеристик вновь разработанных виброизоляторов типа двойной колокольчик, обладающих повышенными несущими, виброзащитными и противоударными свойствами. В ней рассмотрены принципы конструирования новых виброизоляторов, основывающиеся на введении в их конструкцию специальных разгрузочных устройств из предварительно поджатых пружин различной конфигурации. Рассмотрены вопросы технологического совершенствования упругих элементов из материала МР, армированного проволочным жгутом. Проанализированы различные варианты конструкции вновь разработанных виброизоляторов и результаты экспериментального исследования деформационных характеристик некоторых из них.

В третьей главе рассмотрены основные вопросы построения математической модели деформирования новых виброизоляторов с разгрузочным устройством из цилиндрических пружин. Показано, что получение деформационных характеристик таких виброизоляторов может основываться на суммировании аналогичных характеристик прототипов и разгрузочных устройств, исходя из условия совместности их деформаций. Установлена превалирующая роль прототипа в поведении деформационных характеристик вновь разработанных виброизоляторов, вследствие чего их процессы деформирования описаны с помощью заранее заданных и представленных аналитически полиномами Чебышева исходных процессов нагрузки и разгрузки, принадлежащих множеству семейств петель гистерезиса. На базе полученной модели деформирования рассмотрены особенности решения задач о колебаниях систем виброзащиты, выполненных на основе виброизоляторов двойной колокольчик.

Четвертая глава посвящена созданию основ проектирования вновь разрабатываемых виброизоляторов двойной колокольчик базирующихся на результатах исследования механических характеристик прототипов и разгрузочных устройств из цилиндрических пружин, позволяющих установить функциональные связи конструкторско-технологических параметров прототипов с параметрами разгрузочных устройств. Предложено параметры вновь разрабатываемых виброизоляторов определять с помощью двух этапов:

— первого предварительного этапа проектирования, основывающегося на гипотезе Е. С. Сорокина о поведении упругих и демпфирующих характеристик виброизоляторов;

— второго этапа, на котором при необходимости уточняются полученные значения параметров конструкции с помощью более корректного решения системы алгебраических уравнений, вытекающих из решения нелинейного дифференциального уравнения движения виброзащитных систем. Рассмотрены особенности расчета противоударных характеристик новых виброизоляторов с энергетической конструкцией противоударных устройств.

В заключении сделаны общие выводы по диссертационной работе.

Автор защищает следующие научные положения:

— разработанные принципы конструирования вновь разрабатываемых виброизоляторов двойной колокольчик агрегатов и систем транспортных средств с повышенными несущими, виброзащитными и противоударными свойствами и созданные на их основе различные конструктивные варианты;

— созданную обобщенную математическую модель деформирования новых виброизоляторов двойной колокольчик;

— выявленные закономерности влияния параметров разгрузочных устройств на упругие и демпфирующие свойства новых виброизоляторов;

— полученные результаты аналитического исследования нелинейных вынужденных колебаний при гармоническом возбуждении виброзащитных систем, А и С ТС;

— установленные закономерности влияния параметров разгрузочных устройств на поведение динамических характеристик виброизоляторов-прототипов (двойной колокольчик) при возбуждении виброзащитных систем вибрационными и ударными нагрузками;

— разработанные основы проектирования вновь разрабатываемых виброизоляторов двойной колокольчик с учетом особенности их эксплуатации в виброзащитных системах агрегатов и систем транспортных средств.

Объектом исследования являются диссипативные процессы большегрузных низкочастотных виброизоляторов двойной колокольчик с повышенными вибро-и ударозащитными свойствами, улучшение которых позволяет снизить уровень вибрационного и ударного воздействия и, тем самым, повысить вибрационную прочность и надежность агрегатов и систем транспортных средств.

Предметом исследования является влияние разгрузочных и противоударных устройств пружинного и комбинированного типа на диссипативные и упругие свойства виброизоляторов двойной колокольчик в статике и динамике.

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Инженерная графика» Самарского государственного университета путей сообщения, экспериментальные исследования выполнены в СГАУ и ОрелГТУ.

Автор выражает благодарность администрации университета за поддержку исследованийзаведующему кафедрой «Инженерная графика» Мулюкину О. П. и коллегам за полезные замечания и неоценимую помощь, оказанную при выполнении данной работы.

В соответствие с паспортом специальности 01.02.06. в работе представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований поведения исследуемых технических объектов на базе методов механики и вычислительной техники с выявлением новых закономерностей механических явлений (жесткостных, диссипативных и динамических свойств виброизо-лируемых объектов в целом и виброзащитных систем из волокнового проволочного материала в частности) и создание на базе этих результатов ряда новых патентоспособных перспективных конструкций виброизоляторов двойной колокольчик для виброзащиты агрегатов и систем транспортных средств.

4.6. Выводы по разделу.

1. Созданные основы проектирования вновь разрабатываемых виброизоляторов двойной колокольчик для АиС ТС на основе виброизоляторов ДКУ, обладающих повышенными несущими виброзащитными и противоударными свойст-ваим, базируются на результатах исследования прототипов с учетом влияния на них разгрузочных устройств из цилиндрических пружин и установлении функциональных связей конструкторско-технологических параметров прототипов с параметрами конструкции разгрузочных устройств. При этом введение математически обоснованных поправочных коэффициентов на требования ТЗ в части интенсивности возбуждающих нагрузок, резонансных частот и других параметров КС позволили с достаточной степенью точности экстраполировать результаты исследования динамических характеристик прототипов на их модификации с разгрузочными устройствами из цилиндрических пружин.

2. В общем случае конструкторские параметры новых виброизоляторов АиС ТС определяются в два этапа.

На первом этапе с помощью гипотезы Е. С. Сорокина, обоснованной для значительных деформаций новых виброизоляторов, а также линейной теории удара определяются их упругие и демпфирующие характеристики, основные конструктивные параметры прототипов и разгрузочных устройств.

На втором этапе проектирования определяется достоверность полученных значений параметров прототипа и разгрузочного устройства, а при необходимости, их уточнения на основе решения системы алгебраических уравнений, полученных из решения линейного дифференциального уравнения движения КС с помощью гармонической линеаризации УФХ новых виброизоляторов и указанных в п. 1 поправочных коэффициентов.

3. Рациональный выбор технологических параметров виброизоляторов-прототипов обеспечивается на базе обобщения апробированных результатов их теоретических и экспериментальных исследований упругих, демпфирующих и прочностных свойств виброизоляторов ДКУ.

4.

Введение

упругих проставок из материала МР и тарельчатых пружин в конструкцию новых виброизоляторов позволяет обеспечивать высокую энергоемкость их противоударных устройств, способствующих эффективному поглощению интенсивных ударных нагрузок, воздействующих на агрегаты и системы ТС.

Приближенное описание упругой характеристики такого виброизолятора можно представить в виде кусочно-линейных функций, один участок которой опысывает реакцию виброизолятора, а другой — сумму реакций прототипа и противоударной проставки. Полученное решение об ударном нагружении КС с нелинейностью виброизолятора такого типа позволило получить расчетные зависимости для определения упругой характеристики противоударного устройства по заданным требованиям и ограничениям ТЗ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Повышение надежности АиС ТС в современной технике требует разработки высокопрочных высокодемпфированных цельнометаллических виброизоляторов, обладающих большой грузоподъемностью и широким диапазоном резонансных частот и высокими противоударными свойствами, а также совершенствования методов их проектирования.

Разработанные из волокнового проволочного материала МР виброизоляторы двойной колокольчик с повышенными грузоподъемностью, упругодемпфирую-щими, прочностными и противоударными свойствами обеспечивают высокую эффективность их применения в системах виброзащиты агрегатов и систем ТС, предназначенных для эксплуатации в самых сложных условиях.

Проведенные эксперименты и теоретические исследования основных свойств виброизоляторов из МР и динамических характеристик систем виброзащиты АиУ ТС позволили создать основы проектирования новых виброизоляторов ДКУ с оптимальными габаритами и весовыми характеристиками. По итогам работы можно сделать следующие выводы и обобщения.

1. На основе разработанных принципов конструирования средств виброзащиты, учитывающих особенности эксплуатации современных АиС ТС созданы новые конструкции низкочастотных виброизоляторов типа ДКУ с высокой несущей способностью, обеспечиваемой пружинными разгрузочными устройствами, а также противоударные виброизоляторы, включающие в себя специальные противоударные устройства из пакетов тарельчатых пружин с высокой энергоемкостью поглощения ударных нагрузок.

Разработанные принципы, конструирования позволили обеспечить грузоподъемность новых виброизоляторов по сравнению с прототипами более, чем в три раза. При этом частоты резонансных колебаний виброзащитных систем ТС уменьшаются в несколько раз при сохранении коэффициента передачи на резонансе, в связи с чем качество виброизоляции существенно улучшается.

2. Разработана обобщенная математическая модель деформирования вновь разработанных виброизоляторов с разгрузочными устройствами из цилиндрических пружин. Построение модели основано на гипотезе о том, что деформационные характеристики таких виброизоляторов могут быть получены суммированием деформационных характеристик виброизоляторов, выбранных в качестве прототипов с деформационными характеристиками разгрузочных устройств с учетом условий совместности их деформаций. При этом аналитическая форма описания исходных процессов деформирования, выбранная в соответствии с описанием исходных процессов деформирования прототипа, позволила достаточно просто в замкнутом виде проанализировать влияние упругих и демпфирующих свойств разгрузочного устройства на демпфирующую способность новых виброизоляторов. Выработанный подход к описанию их УФХ оказался весьма эффективным средством при исследовании динамических характеристик новых виброизоляторов с помощью введения математически обоснованных поправочных коэффициентов на требования ТЗ в части интенсивности возбуждающих нагрузок, резонансных частот и т. п. Используя такие коэффициенты, можно с достаточной степенью точности экстраполировать результаты исследования динамических характеристик прототипов на их модификации с разгрузочными устройствами из цилиндрических пружин.

3. Обобщенные результаты исследования решений нелинейных дифференциальных уравнений движения КС вместе с разработанными принципами конструирования новых виброизоляторов позволили создать основы их рационального проектирования на базе методик определения потребных УФХ и выбора конструктивных и технологических параметров виброизоляторов.

4.

Введение

тарельчатых пружин в конструкцию модифицированных виброизоляторов позволило обеспечить высокую энергоемкость их противоударных устройств, способствующих эффективному поглощению интенсивных ударных нагрузок, воздействующих на агрегаты и системы ТС.

Приближенное описание упругой характеристики такого виброизолятора можно представить в виде кусочно-линейных функций, один участок которой опысывает реакцию виброизолятора, а другой — сумму реакций прототипа и противоударной проставки. Полученное решение об ударном нагружении КС с нелинейностью виброизолятора такого типа позволило получить расчетные зависимости для определения упругой характеристики противоударного устройства по заданным требованиям и ограничениям ТЗ.

5. Созданные методы проектирования виброизоляторов обеспечивают высокую достоверность исследования и анализа обобщенных динамических характеристик, позволяющих рассчитывать системы виброзащиты АиУ ТС с учетом условий их эксплуатации.

Вновь разработанные виброизоляторы двойной колокольчик нашли широкое применение в системах виброзащиты наземных транспортных средств современной техники. Внедрение новых виброизоляторов увеличило надежность различных агрегатов и систем ТС, облегчило доводку и сократило сроки освоения новой техники, что имеет важный социально-экономический эффект.