ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ..........................................................4
ГЛАВА 1. ДНІ ІАМИЧЕСКОЕ ГАШЕНИЕ КОЛЕБАНИЙ И ПУТИ ЕГО
СОВЕРШЕНСТВОВАІІИЯ.......................................9
1.1. Общие сведения...........................................9
1.2. Динамические гасители колебаний с дополнительными связями и
методы их разработки....................................22
1.3. Динамические гасители колебаний с трением..............28
1.4. Задачи, положенные в основу диссертации................34
ГЛАВА 2. СТРУКТУРА И МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ЭНЕРГОЕМКИХ
ДИНАМИЧЕСКИХ ГАСИТЕЛЕЙ С ДИССИПА ГИВ11ЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ..............................................36
2.1. Структурные множества колебательных систем с зубчатыми
механизмами, упругими и диссипативными элементами.......36
2.2. Математические модели движения приведенных масс колебательных
систем с диссипативными элементами......................40
2.3. Критерии оценки эффективности и алгоритм поиска рациональных вариантов г асителей колебаний с диссипативными
элементами..............................................54
2.4. Выводы по главе........................................55
ГЛАВА 3. АНАЛИЗ ТИПОВЫХ СТРУКТУРНЫХ ГРУПП Г АСИТЕЛЕЙ С
ТРЕНИЕМ.................................................58
3.1. Типовые структурные группы гасителей с диссипативными
элементами..............................................58
3.2. Динамический гаситель с корректором угловых колебаний..62
3.3. Динамический гаситель с инерционным нагружателем.......81
3.4. Динамический гаситель с дифференциальным механизмом
преобразования движения.................................94
3.5. Выводы по главе.......................................105
ГЛАВА 4. ДШ1АМИЧЕСКИЕ ГАСИТЕЛИ С ДВУМЯ
УРАВНОВЕШИВАЮЩИМИ КОПТУ РАМИ.......................108
4.1. Особенности настройки гасителей...................108
4.2. Параллельное расположение уравновешивающих контуров на объекте защиты..........................................115
4.3. Последовательное расположение уравновешивающих контуров по отношению к объекту защиты..............................124
4.4. Внешнее и комплексное моментное уравновешивание корпусов и вращающихся валов машины................................129
4.5. Учет диссипативных сил в динамических гасителях с двумя уравновешивающими контурами.............................138
4.6. Выводы но главе...................................149
ГЛАВА 5. К ВЫБОРУ ПАРАМЕТРОВ ДИНАМИЧЕСКИХ ГАСИТЕЛЕЙ
КОЛЕБАНИЙ.......................................... 152
5.1. Разбег машинного агрегата, снабженного динамическим гасителем......................................152
5.2. Ограничения по выбору параметров гасителей, связанные с переходным режимом работы машины.............. 160
5.3. Выводы по главе...................................165
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................167
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СГ1ИСОК..................................171
з
ВВЕДЕНИЕ
Характерная особенность современных машин - большие мощности, высокие скорости, значительные усилия, возникающие в процессе работы. Вместе с тем, быстроходные машины являются более производительными, легкими и экономичными. Все это создает тяжелые в динамическом отношении условия их эксплуатации. Соответственно при проектировании становится важным, а порой просто необходимым уменьшение динамической нагруженности кинематических цепей привода машины и вибрационной активности исполнительных и передаточных механизмов.
В этой связи актуальной является разработка новых эффективных средств уравновешивания и виброзащиты, отличающихся малыми габаритами, надежностью и высокими показателями, связанными с выполнением их целевой функции.
В развитие этой проблемы данная работа, в частности, посвящена исследованиям в области структурного синтеза и изучения свойств схемных вариантов динамических гасителей угловых колебаний с дополнительными связями и ориентирована на совершенствование чехиических идей и решений, заявленных, прежде всего в работах Терских В.П., Алексеева А.М., Генкина М.Д., Елисеева С.В., Коренева Б.Г., Швецова В.Т. и других исследователей.
В диссертации в качестве объекта исследования рассматриваются динамические гасители угловых колебаний, снабженные зубчатыми механизмами как устройствами, которые формируют дополнительные динамические связи, увеличивающие энергоёмкость и рабочий частотный диапазон этих гасителей. Значительное внимание отводится вопросам эффективного применения в гасителях данного типа диссипативных элементов, расширяющих их функциональные возможности.
Таким образом, целью данной работы является уточнение известных методов синтеза динамических гасителей с зубчатыми механизмами
4
преобразования движения, упругими и диссипативными элементами и изыскание путей повышения эффективности этих устройств.
Общая методика исследования основывается на научных положениях динамики машины, теории колебаний и уравновешивания, методах их структурного анализа и синтеза, включая элементы динамического программирования, математического моделирования с применением аналитических методов и средств вычислительной техники. Принимается во внимание и накопленный опыт эксплуатации динамических гасителей пассивного типа с различными механизмами преобразования движения. Научная новизна работы заключается:
- в совершенствовании методики структурного синтеза динамических гасителей с зубчатыми механизмами преобразования движения и диссипативными элементами;
- в развитии систематики данного типа динамических гасителей;
- в описании свойств схемных вариантов гасителей угловых колебаний с механизмами преобразования движения и вязким трением;
- в уточнении методик отыскания рациональных параметров динамических гасителей с зубчатыми механизмами преобразования движения. Практическая ценность работы определяется возможностями широкого
применения разработанных методов с соответствующим программным обеспечением к поиску и проектированию рациональных вариантов динамических гасителей данного типа.
Описания свойств энергоемких гасителей крутильных колебаний пополняют знания в области снижения динамической нагруженности машин, позволяют конструктору вести поиск системно, оценивая предельные возможности и области существования проектируемых устройств с малыми затратами времени.
В соответствии с этим первый раздел диссертации содержит анализ состояния и развития задачи уменьшения динамической нагруженности приводов машин, работающих на стационарных установившихся режимах.
5
Вследствие этого анализа уточняются известные и ставятся новые задачи, прежде всего внутреннего уравновешивания передаточных механизмов путем установки на главный вал машины динамического гасителя применительно к уменьшению крутильных колебаний этого вала и далее по кинематической цепи соответственно нагруженности передаточных механизмов. Анализируются также и методы разработки динамических гасителей с дополнительными связями; особое внимание уделяется динамическим гасителям с трением, анализу выбора оптимальных значений гасителей с вязким трением. В результате определены задачи, положенные в основу диссертации.
Во втором разделе диссертации рассмотрены особенности структуры динамических гасителей угловых колебаний с зубчатыми механизмами, упругими и диссипативными элементами. При этом структурный анализ динамических гасителей основывается на применении обобщенных структурных схем, ранее предложенных в работах [45), [46]. Здесь же уточнены и обобщенные математические модели динамических гасителей с учетом наличия в них диссипативных элементов. Составлен алгоритм поиска рациональных вариантов схем гасителей с данными механизмами преобразования движения и вязким трением; с этой целью систематизированы и уточнены критерии качества (оценки) вариантов динамических гасителей, составлено программное обеспечение.
Анализ типовых структурных групп гасителей с вязким трением выполнен в третьем разделе диссертации. Причем, описанию свойств подлежат схемные варианты динамических гасителей, отличающиеся наибольшей эффективностью по результатам исследований, приведенных в [47], где такой анализ проведен без учета сил вязкого трения. Эго, в частности, динамический гаситель с корректором угловых колебаний [4], инерционным нагружателем [29,30], с дифференциальным механизмом преобразования движения [5]; все эти системы с динамическим гасителями рассмотрены при числе степеней свободы Н=2. С указанной целью проведен расчет работы сил вязкого трения в
6
диссипативных элементах динамического гасителя и составлены зависимости, позволяющие определять максимальную величину этой работы при соответствующем подборе передаточного отношения механизма
преобразования движения гасителя. Составлены амплитудно-частотные характеристики гасителей при их настройке на уравновешивание реактивного момента, нагружающего корпус машины.
В четвертом разделе диссертации выполнен структурный анализ колебательных систем с зубчатыми механизмами преобразования движения и двумя упругими элементами при числе степеней свободы такой системы, равном трем. В результате выявлены виды связей в таких гасителях и структурные группы, объединяющие гасители по признакам размещения уравновешивающих контуров динамического гасителя по отношению к главному валу машины и видам связей между этим валом и контурами. Изучены особенности и возможности настройки гасителей данного типа, выявлены наиболее перспективные схемы динамических гасителей, намечены пути повышения их эффективности.
В пятом разделе продолжено рассмотрение вопросов проектирования
рациональных динамических гасителей с механизмом преобразования движения. В частности, обращается внимание на ограничения по выбору верхнего предела передаточного отношения механизма преобразования
движения гасителя, связанные с увеличением времени разбега машины и дополнительного нагружения её главного ваиа со стороны гасителя. При этом составлены методики расчета разбега машины с традиционным гасителем угловых колебаний и зависимости, описывающие скорость вращения главного вала и приведенных масс гасителя, величины моментов сил инерции, нагружающие этот вал при разбеге, при наличии механизма преобразования движения. Анализ этих зависимостей позволил разработать рекомендации по ог раничению времени разбега и величины максимального крутящего момента.
В заключении сформулированы основные научные результаты и
практическая значимость работы.
7
В целом диссертация состоит из введения, пяти основных разделов и заключения. Основной текст изложен па 145 страницах машинописного текста, содержит 87 рисунков, 9 таблиц, список технической литературы состоит из 57 наименований.
Глава 1
ДИНАМИЧЕСКОЕ ГАШЕНИЕ КОЛЕБАНИЙ И ПУТИ ЕГО
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ
1.1.Общие сведения
Как известно [11], принцип динамического гашения колебаний основан на присоединении к объекту виброзащиты дополнительных устройств с целью изменения его вибрационного состояния. Работа динамических гасителей основана на формировании силовых воздействий, передаваемых на объект. Этим динамическое гашение отличается от другого способа уменьшения вибрации, характеризуемого наложением на объект дополнительных кинематических связей, например, закреплением отдельных его точек.
Исследованию свойств и разработке конструкций динамических гасителей посвящено большое количество технической литературы. Развитию этой области знаний применительно к решению задачи динамического гашения посвятили свои работы многие отечественные и зарубежные ученые: А.И. Алексеев, И.В.Аианьев, В.И.Бабицкий, О.А.Баландин, М.Д.Генкин, С.В.Елисеев, В.В.Карамышкин, Б.Г.Коренев, Г.П.Нерубенко, Л.М.Резников,
А.К.Сборовский, В.П.Терских, В.Т.Швецов, В. В.Яблонский, J.E.Brock, P.M.Lewis, J.C.Snowden, G.V.Warburton и другие.
В целом динамические гасители делятся на два больших класса. Это инерционные динамические гасители и устройства диссипативного типа, обеспечивающие повышенное рассеяние энергии колебаний объекта.
Изменение вибрационного состояния объекта при присоединении динамического гасителя может осуществляться как путем перераспределения энергии колебаний от объекта к гасителю, так и в направлении увеличения рассеяния энергии колебаний. Первое реализуется изменением настройки
9
системы объект-гаситель по отношению к частотам действующих вибрационных возмущений путем коррекции упруго-инерционных свойств системы. В этом случае присоединяемые к объекту устройства называют инерционными динамическими гасителями. Инерционные гасители применяют для подавления моногармонических или узкополосных случайных колебаний.
При действии вибрационных нагрузок более широкого частотного диапазона предпочтительней оказывается второй способ, основанный на повышении диссипативных свойств системы путем присоединения к объекту дополнительных демпфирующих элементов. Динамические гасители диссипативного типа получили название поглотителей колебаний. Возможны и комбинированные способы динамического гашения, использующие одновременно коррекцию упруго-инерционных и диссипативных свойств системы. В этом случае говорят о динамических гасителях с трением.
При реализации динамических гасителей противодействие колебаниям объекта осуществляется за счет реакций, передаваемых на него со стороны присоединяемых тел.
Динамическое гашение применимо для всех видов колебаний: продольных, изгибных, крутильных и т.д. Динамические гасители могут быть конструктивно реализованы на основе пассивных элементов [ 1 ], [ 14], [16], [18] и активных [15], [17], [19], имеющих собственные источники энергии.
Так как приводимые в диссертации исследования ориентированы на разработку средств и методов виброзащиты и улучшения динамического состояния малогабаритных машин, к которым при их проектировании предъявляются жесткие ограничения по массогабаритным характеристикам, а при установке на подвижных системах - и по энергозатратам, то для этих машин предпочтительными являются пассивные динамические гасители, отличающиеся большей простотой конструкции, меньшими габаритами и отсутствием источников энергии по сравнению с активными виброзащитными системами.
ю
Известным недостатком пассивных динамических гасителей, конструкции которых включают массы, упругие элементы, демпферы, является так называемый эффект «острой» настройки, который приводит к тому, что значительные усилия при ограниченных амплитудах колебаний масс динамического гасителя достигаются лишь при относительно большой массе (моменте инерции) присоединенных тел, составляющей 5-20% приведенной массы объекта защиты.
При этом качественное гашение колебаний наблюдается в окрестностях 5-10% от номинального значения частоты возмущения, на которую настраивается динамический гаситель.
Возможности использования динамического гасителя могут быть расширены в широком диапазоне частот возбуждения применением в качестве гасителей неизохронных элементов, обладающих свойством подстраивать частоту своих движений к частоте возбуждения. Существенной неизохронностыо обладают, например, элементы, способные осуществлять обкатку замкнутых поверхностей: цилиндр в цилиндрической полости, шар в цилиндрической или сферической полости, кольцо, надетое на стержень, и т.п. [И], [15].
Прикрепление таких элементов к вибрирующему объекту приводит к синхронизации движения обкатки с внешним возбуждением. При этом периодическая реакция, создаваемая вращающимся элементом,
противодействует вибрационной нагрузке. .Диапазон эффективности таких гасителей - область зарезонансных частот.
Поддержание равенства парциальной частоты динамического гасителя с частотой возбуждения в широком диапазоне обеспечивается гасителями маятникового типа, расположенных в поле центробежных сил, образованном вращением. В работах [161, [40], [41] рассмотрены схемы подобных гасителей, предназначенных для подавления крутильных и продольных колебаний. Широкое применение в технике нашли так называемые гасители с бифилярным
1)
полвесом маятника, позволяющие уменьшить крутильные колебания валов, кратные средней частоте их вращения.
Введение трения в колебательную систему объект - динамический гаситель на оптимальной частоте настройки инерционного гасителя обычно понижает эффективность его работы, и в этом случае стремятся разрабатывать конструкцию гасителя с малыми потерями на трение. Однако при рациональном использовании диссипативных свойств инерционных гасителей возможно расширение частотного диапазона их эффективной работы. При этом, понижая качество виброзащиты на оптимальной частоте настройки, обеспечивают удовлетворительное гашение колебаний в окрестностях частоты настройки [1], [10], [42].
Расширение частотного диапазона работы гасителя возможно путем применения нелинейной подвески масс гасителя со специально подобранными с этой целью параметрами [1], [11], [33], [39]. Реакция нелинейного гасителя, как правило, полигармоническая; таким образом, нелинейный гаситель не может осуществлять полную компенсацию колебаний при мопогармоническом возмущении. Следует также иметь в виду, что нелинейный гаситель требует строгого выполнения условия запуска системы, и случайные возмущения или нарушения режима запуска могут привести к тому, что в системе установится режим, отличный от расчетного, т.с. проявится свойство неоднозначности поведения, присущее нелинейным системам.
Одним из представителей нелинейных гасителей является гаситель ударного типа. Исследования показывают, что гасители ударного типа (например, плавающие гасители [7]) обладают существенной неизохронностыо, что позволяет использовать этот гаситель в широком диапазоне частоты, однако, на оптимальной частоте настройки эффективность линейного гасителя выше [2]; кроме того, силовые импульсы, возникающие в моменты соударений элементов гасителей, возбуждают высокочастотные колебания, что делает неприемлемым применение этих гасителей, например, для виброзащиты ГКМ
12
[13]. Область применения ударных гасителей - подавление периодических продольных и крутильных резонансных колебаний.
Динамический гаситель в простейшем исполнении представляет собой массу на пружине, с помощью которой он крепится к объекту защиты в точке, колебания которой требуется погасить [14]. Существенное влияние на результирующие характеристики движения объекта с гасителем оказывают диссипативные потери в гасителе. Увеличение энергоемкости динамического гасителя, а, следовательно, и расширение частотного диапазона эффективной работы может быть осуществлено путем введения в структуру динамического гасителя механизмов преобразования движения, которые при ограниченных габаритах и массе динамического гасителя увеличивают инерционность элементов динамического гасителя и качество его работы.
Так, в 119] приводится описание и анализ работы динамического гасителя с механизмом преобразования движения типа «винт-гайка», с помощью которого возвратно-поступательное движение объекта преобразуется в возвратнопоступательное движение элементов амортизатора при гашении наводимых колебаний. Развитием этой идеи является конструкция [2], где гаситель содержит обгонные муфты и возвратно-1 юступатсльиое движение объекта или вибрирующего основания преобразуются во вращательное движение маховика, за счет чего повышается эффективность работы динамического гасителя. Конструкция находит применение для гашения низкочастотных наводимых колебаний.
Другой тип энергоемкого динамического гасителя [16] крутильных колебаний содержит механизм преобразования движения, выполненный в виде зубчатой передачи, создающей дополнительную кинематическую связь между защищаемым объектом и валом, неравномерное вращение которого служит источником колебаний объекта. Изменение параметров механизма преобразования движения позволяет существенно расширить частотный диапазон эффективной работы динамического гасителя.
13
Как и динамический гаситель с механизмом преобразования движения типа «винт-гайка» с увеличением частоты наводимых колебаний качество динамического гасителя с зубчатым механизмом преобразования движения понижается вплоть до полного запирания. Это накладывает определенные ограничения на область эффективной работы гасителя.
В [29], [30], [31] предложены конструкции энергоемких динамических гасителей с зубчатыми механизмами преобразования движения, позволяющих гасить угловые и крутильные колебания объекта виброзащиты при силовом возмущении.
Динамические гасители крутильных и продольных колебаний могут содержать и другие механизмы преобразования движения, например, типа «винт-гайка-шлицевое соединение» [18], [20] или рычажные [27], [37].
Заслуживает внимания динамический гаситель с зубчатым механизмом преобразования движения [15], построенный на основе динамического гасителя [16], в котором сочетаются принципы введения в конструкцию дополнительной кинематической связи и маятников. Такое устройство гасителя значительно изменяет его динамику и приводит к появлению ряда новых эффектов, представляющих результат взаимодействия поля центробежных сил с колебательной системой.
Эффект динамического гашения колебаний наблюдается и в случае, когда инерционная масса гасителя устанавливается непосредственно в
виброизолятор между упругими элементами [ 17], [25].
В этом случае также возможно расширение частотного диапазона эффективной работы динамического гасителя путем введения механизма преобразования движения типа «винт-гайка» [27], рычажных [28] или зубчатых. Свойства колебательной системы, снабженной таким гасителем, во многом сходны с динамикой системы с традиционным динамическим гасителем колебаний.
14
В [15] приведена классификация пассивных динамических гасителей колебаний, в основу которой положен признак, характеризуемый видом связи динамического гасителя с объектом виброгашения.
Все динамические гасители разбиваются на два класса по характеру контакта с объектом и на три ряда по признаку наличия упругих и вязкостных звеньев (рис. 1.1).
По виду связи контакты между динамическим гасителем и объектом могут быть непостоянны - виды динамических гасителей 1-4, виброударные; виды 5-12 (контакт постоянный) объединяются признаком: масса динамического гасителя совершает вращательное движение, причем масса динамического гасителя вида 5-7 вращается за счет геометрии корпуса (катковые динамические гасители), а 8-12 - за счет наличия кинематического звена, связывающего массу с объектом виброгашения. Виды 13-15 характеризуются поступательно движущейся массой динамического гасителя колебаний, постоянно связанной с объектом виброгашения.
Приведем ориентировочное описание динамических гасителей колебаний. Первый вид динамических гасителей колебаний обладает наибольшей простотой, однако с его помощью невозможно достичь идеального виброгашепия при воздействии моногармонической силы, даже если пренебречь потерями в системе. При воздействии некоторых типов полигармонических сил можно будет достичь удовлетворительного
виброгашения. Гасители этого вида безразличны к амплитуде и частоте. Динамические гасители колебаний первого вида обладает еще одним недостатком: места контакта подвергаются интенсивному износу, и возникает шум.
15
- Київ+380960830922