СОДЕРЖАНИЕ
Основные сокращения и обозначения...................................4
Введение............................................................8
1. Краткий обзор состояния вопросов применения в системах
виброзащиты АиС ТС виброизоляторов из волокнового проволочного материала..........................................14
1.1. Основные особенности изготовления изделий из проволочных волокновых материалов...........................................15
1.2. Анализ конструкций виброизоляторов из волокнового проволочного материала и оценка эффективности их применения 24
1.3. Методы расчета упругофрикционных характеристик виброизоляторов.......................................................31
1.4. Методы исследования динамических характеристик виброизоляторов ........................................................41
1.5. Постановка задач исследования..............................47
2. Совершенствование конструкций виброизоляторов типа
«двойной колокольчик»...........................................50
2.1. Основные принципы конструирования вновь разрабатывыае-мых низкочастотных виброизоляторов двойной колокольчик с повышенными несущими свойствами.................................50
2.2. Основные принципы конструирования вновь разрабатываемых виброизоляторов двойной колокольчик с повышенными противоударными свойствами.........................................58
2.3. Конструктивные варианты новых виброизоляторов и анализ
их упругих и демпфирующих свойств...........................62
2.4. Испытательное оборудование и методика экспериментальных исследований упругих и демпфирующих характеристик виброизоляторов....................................................67
2.5. Выводы по разделу..........................................72
3. Математическая модель деформирования новых
виброизоляторов двойной колокольчик...............................74
3.1. Методика построения промежуточных приближений для процессов деформирования ИС разгрузочного устройства.................75
3.2. Аппроксимация петель гистерезиса разгрузочного устройства 80
3.3. Аппроксимация множеств петель гистерезиса разгрузочных устройств.........................................................83
3.4. Построение математической модели деформирования новых виброизоляторов двойной колокольчик.......................85
3.5. Особенности определения виброизолирующих характеристик новых виброизоляторов.............................................90
3.6. Выводы по разделу............................................94
4. Основы проектирования вновь разрабатываемых виброизоляторов двойной колокольчик для агрегатов и систем транспортных средств ..................................................96
4.1. Определение потребных УФХ новых виброизоляторов по виброперегрузкам..................................................97
4.2. Методика расчета конструктивных параметров новых виброизоляторов с разгрузочными устройствами из цилиндрических пружин...........................................................107
4.3. Основные принципы рационального выбора технологических параметров прототипов............................................117
4.4. Расчет потребных упругих характеристик противоударных устройств........................................................126
4.5. Некоторые аспекты использования результатов работы на промышленных предприятиях РФ.....................................128
4.6. Выводы по разделу...........................................132
Заключение..........................................................134
Библиографический список............................................137
ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ
Сокращения
АСУиА ТС- агрегаты , системы управления и автоматика транспортных средств;
ЛиРКТ- авиационная и ракетно-космическая техника;
АВМ - аналоговые вычислительные машины;
АЧХ - амплитудно-частотная характеристика;
АЭ - армирующий элемент в виброизоляторе;
ДКУ - виброизолятор типа «двойной колокольчик усиленный»;
ИС - исходная совокупность процессов деформирования;
КС - колебательная система с одной степенью свободы;
ЛПН - линия первичного нагружения виброизолятора;
МР - волокновый проволочный материал;
ТЗ - техническое задание;
ТС - транспортные средства;
ТТ - технические требования;
АиС ТС-агрегаты и системы транспортных средств;
УДЭ - упруго-демпфирущий элемент;
УФХ - упруго-фрикционные характеристики;
ЭУ - энергетические установки (ракетные, турбовинтовые, турбореактивные, дизельные двигатели, электрореактивиые космические двигательные установки, электрические машины)
Обозначения
V - квантор общности: «для всех»;
...\/xe[AKt -Лк] - ... для всех д*, принадлежащих множеству значений от Ак до sign х - знак скорости х деформирования виброизолятора
Буквы латинского алфавита
А - амплитуда деформации виброизолятора;
Ао... Ак... Ав - множество амплитуд деформаций семейств петель гистерезиса ИС;
Ай'П - базовая амплитуда деформации для определения коэффициентов подобных преобразований;
, 2 А'-А'-Л, Г1 „
Л ------------^ . амплитуда на единичном отрезке [1;-1_|;
а„ - коэффициент подобного преобразования по деформации; ас - амплитуда возбуждающего виброперемещения;
Ар - амплитуда деформации виброизолятора на резонансе; х* - деформация виброизолятора при статической нагрузке равной нулю; х - деформация виброизолятора относительно положения статического равновесия;
_ X
х относительная деформация на единичном отрезке [1,-1];
А
х*0,х[...х1 - абсциссы точек смены знака скорости деформации; хсп*хс$ " Допустимые деформации виброизолятора; х,х - скорость, ускорение;
Г)к - диаметр УДЭ виброизолятора;
У = СУ
- переменная для аппроксимации петли гистерезиса;
г\...гр...гп - конструктивно-технологические параметры виброизолятора;
ру+С?„ - соответственно вес КС, усилие поджатия пружин, усилие на прототип;
Тп - коэффициент подобных преобразований по нагрузке
Буквы греческого алфавита
ап - сдвиг по фазе между колебаниями КС и возбуждающей нагрузкой; Р> Ро, Рс - безразмерные амплитуды возбуждающих нагрузок;
6
5И, 80 - диаметры проволок в заготовке УДЭ и жгуте; еА = — - относительная амплитуда деформации;
А
г|* = —, т| = безразмерные нагрузки;
Л п
г)*, - наибольшая безразмерная реакция виброизолятора при ударном нагружении КС;
0 - текущее безразмерное время движения КС;
0^, - безразмерная длительность удара;
со - круговая частота гармонического возбуждения вынужденных колебаний, частота основного тона квазигармонических колебаний;
соЛ = I— --базовая частота собственных колебаний КС;
6 ЛаМ
п
- коэффициенты передачи в относительной и абсолютной системе координат;
\хр, - коэффициенты передачи на резонансе для колебаний КС и заданный
в ТТ;
и.у, - коэффициенты передачи удара для колебаний КС и заданный в ТТ;
V, ур - безразмерные текущая и резонансная частоты;
*
х * X
£ = —;£*=— - безразмерные деформация виброизолятора, перемещение,
а» ап
КС;
= — - безразмерная амплитуда виброперемещения;
А
Ъ>А =— - безразмерная амплитуда деформаций виброзолятора; амплитуда колебаний КС;
%т - наибольшая деформация виброизолятора при ударе;
- безразмерные перемещение, скорость, ускорение КС;
Р> Рз.1, Рз,2> Рз,з " осредненныс по объему шара диаметром Ок плотности УДЭ,
заготовки УДЭ, АЭ, сеточной обмотки;
р3 - осредненная суммарная плотность всех заготовок в УДЭ;
Рз,м - осредненная суммарная плотность элементов УДЭ, состоящих из спиралей;
ати, аго, атс - пределы текучести проволок в заготовках УДЭ, жгуте, сшивке;
ВВЕДЕНИЕ
Совершенствование машин и механизмов транспортного машиностроения идет по пути увеличения удельной мощности агрегатов и систем (ЛиС) 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.
9
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 иео1раниченным сроком хранения;
- высокой электро- и 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 упруго-
10
демпфирующих 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 уст-
11
ройством 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 внброизоляторов, 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:
12
- 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 математ1гческую 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.
13
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 исследований; заведующему кафедрой «Инженерная графика» Мулюкину
О.Г1. 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.
- Київ+380960830922