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

На правах рукописи

РЯБКОВ АЛЕКСАНДР ЛЕОНИДОВИЧ

ДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВИБРОИЗОЛЯТОРОВ

С РАЗГРУЗОЧНЫМИ И ПРОТИВОУДАРНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ ПРУЖИННОГО И КОМБИНИРОВАННОГО ТИПА

Специальность 01.02.06.- Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Курск 2010

Работа выполнена в ГОУ ВПО Орловский государственный технический университет, ГОУ ВПО Самарский государственный университет путей сообщения и ГОУ ВПО Самарский государственный аэрокосмический университет

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Антипов Владимир Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Савин Леонид Алексеевич

кандидат технических наук, доцент

Мищенко Владимир Яковлевич

Ведущая организация: НПЦ «ИНФОТРАНС»(г.Самара)

Защита состоится «1» апреля 2010 года в 10-00 часов на заседании диссертационного Совета Д 212.105.01 при Курском государственном техническом университете по адресу: 305040, г.Курск, ул. 50 лет Октября, 94.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Курского государственного технического университета.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета университета.

Автореферат разослан «18» февраля 2010года

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.105.01 Б.В.Лушников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие современной техники сопровождается увеличением мощности, быстроходности и энергонапряженности агрегатов и систем транспортных средств (АиС ТС), усложнением эксплуатационных условий и повышением вибрационной напряженности. Статистические данные для различных машин показывают, что до 70% аварий и катастроф происходят по причине повышенной вибрации, вызывающей усталостные поломки, износы и другие дефекты агрегатов и узлов ТС, либо вибрация является фактором, способствующим авариям и катастрофам. В современных условиях эксплуатации интенсивные вибрационные и ударные нагрузки являются основными причинами, ограничивающими вибрационную прочность, надежность и ресурс АиС ТС.

Методы борьбы с опасными вибрационными и ударными нагрузками достаточно разнообразны и реализуются по трем основным направлениям: снижение интенсивности источника возбуждающей нагрузки, виброизоляция объектов, диссипация энергии вибрации с помощью специальных демпфирующих устройств. В большинстве случаев снизить уровень возбуждающей нагрузки не удается, а объединение второго и третьего направлений привело к разработке виброизоляторов с высокой эффективностью диссипации энергии вибрации. К таким виброизоляторам относятся, в частности, виброизолирующие и демпфирующие устройства с упругогистерезисными элементами, выполненными из упругопористого проволочного материала. В 60-е годы прошлого столетия, характеризующиеся бурным развитием авиационной и ракетнокосмической техники (АиРКТ), в Самарском государственном аэрокосмическом университете (СГАУ) А.М.Сойфером, В.Н.Бузицким и В.А.Першиным был разработан такой материал, названный металлорезина (МР)- металлический аналог резины. Разработанные на базе этого материала виброизолирующие и демпфирующие устройства явились эффективным средством повышения вибрационной прочности и надежности агрегатов и узлов авиационной и ракетно-космической техники (АиРКТ) и ТС. Однако применение указанных виброизоляторов в виброзащитных системах железнодорожного транспорта оказалось весьма неэффективным из-за их недостаточной несущей способности, высоких резонансных частот и, как следствие, недостаточного ресурса, а также неисследовательности их свойств в эксплуатационных условиях ж/д транспорта.

Поэтому создание основ проектирования и разработки новых конструкций низкочастотных виброизоляторов с пружинными разгрузочными устройствами, повышенными несущими, виброзащитными и противоударными свойствами, помогающее решать проблему повышения качества систем виброзащиты агрегатов и узлов ТС важная и актуальная задача.

Целью работы является повышение эффективности виброзащиты агрегатов и систем транспортных средств путем совершенствования теоретических основ и принципов конструирования виброизоляторов «двойной колокольчик».

Для достижения этой цели в работе поставлены следующие задачи:

- построение обобщенной полиномиальной полуэмпирической математической модели деформирования новых виброизоляторов «двойной колокольчик» с описанием процессов нагружения и разгружения полей петель гистерезиса полиномами Чебышева;

- теоретическое исследование особенностей статических и динамических характеристик новых виброизоляторов «двойной колокольчик» для агрегатов и систем ТС приближенными аналитическими методами с применением построенной обобщенной математической модели деформирования этих виброизоляторов;

- разработка основ проектирования и принципов конструирования новых виброизоляторов «двойной колокольчик» с повышенными грузоподъемностью, виброзащитными и противоударными свойствами, обеспечивающих эффективное внедрение в системы виброзащиты АиС ТС разрабатываемых виброизоляторов.

Объектом исследования являются динамические, деформационные и 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 динамические, диссипативные и упругие свойства виброизоляторов «двойной колокольчик».

Работа выполнялась в рамках ведомственных научных программ «Развитие научного потенциала высшей школы» (коды проектов 4394, 10331), 2005г., ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008гг.)», (код проекта 3.2.2.4770), Международной Европейской программы «ТЕМПУС» по насыщению учебной программы «Мехатроника и робототехнические комплексы» (2005-2007 годы), а также в рамках договора № 1-06 «О научно-техническом и педагогическом сотрудничестве Орловского государственного технического университета (ОрелГТУ) и Самарского государственного университета (СамГУПС) на 2006-2010 гг.» по повышению динамического качества транспортной техники и энергетических установок.

Методы исследования. Исследования выполнены с применением единого методологического подхода к решению класса задач моделирования систем с сосредоточенным демпфированием сухого трения, базирующегося на всестороннем исследовании базового упругогистерезисного элемента с последующим обобщением полученных результатов с применением теории подобия и размерностей и построении механической системы из этих элементов с реализацией условий нагружения, соответствующих практическим ситуациям на транспорте. При решении задач использовались также теория колебаний, теория подобия и размерностей, теория дифференциального и интегрального исчисления и другие математические и инженерные методы.

Обоснованность и достоверность полученных научных результатов и выводов обеспечена применением современных методов исследования и классической постановкой задач с использованием современных представлений о физике процессов конструкционного демпфирования, всесторонним экспериментальным исследованием полученных результатов с использованием современной виброизмерительной аппаратуры и образцовых приборов с малой погрешностью измерений, количественным согласованием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, полученными как лично автором, так и другими исследователями, положительным опытом внедрения полученных результатов, а также всесторонней апробацией.

В соответствии 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 виброизолируемых объектов в целом и виброзащитных систем) и создание на базе этих результатов ряда новых патентоспособных перспективных конструкций виброизоляторов для виброзащиты агрегатов и систем транспортных средств.

Научная новизна и положения, выносимые на защиту:

– обобщенная математическая модель деформирования новых виброизоляторов «двойной колокольчик» виброзащитных систем АиС ТС;

– полученные результаты аналитического исследования нелинейных вынужденных колебаний при гармоническом возбуждении колебательных систем с новыми виброизоляторами агрегатов и систем транспортных средств;

– установленные закономерности влияния параметров разгрузочных устройств на поведение динамических характеристик виброизоляторов–прототипов и новых виброизоляторов при возбуждении виброзащитных систем АиС ТС вибрационными и ударными нагрузками;

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

– разработанные основы проектирования и принципы конструирования новых виброизоляторов «двойной колокольчик» с учетом особенности их эксплуатации в виброзащитных системах АиС ТС.

Практическая ценность работы определяется разработкой инженерной методики расчета упруго-фрикционных характеристик (УФХ) средств виброзащиты АиС ТС, принципов конструирования новых виброизоляторов с повышенными несущими, виброзащитными и противоударными свойствами и созданные на их основе различные конструктивные варианты; совершенствованием процессов конструирования заготовки и целенаправленного изменения свойств виброизоляторов для конкретных условий нагружения, реализуемых в эксплуатации; использованием результатов работы на Куйбышевской железной дороге, филиале ОАО РЖД, в учебном процессе СамГУПС и др.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 25 работ общим объемом 14,96 печатных листов, в том числе доля автора составила 4,66 п.л., включая 5 патентов, 16 статей в научных сборниках, 12 тезисов докладов, 1 монография.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 114 наименований и содержит 147 страниц основного текста, 45 рисунков, - таблиц.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на:

- ХХХ, ХХХI, ХХХII, ХХХIII, ХХХIV, ХХХV межвузовских научных конференциях студентов и аспирантов (г.Самара, 2003…2008г.г.);

-2-й международной научно- практической конференция «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта»,г.Самара: СамГАПС, 2006;

- IV международной научной конференции «Актуальные проблемы развития транспортного комплекса», г.Самара: СамГУПС, 2008;

- международной научно- практической конференции «Актуальные проблемы динамики и прочности материалов и конструкций: модели, методы, решения», г.Орел: ОрелГТУ, 2007;

- международной научной конференции «Современные проблемы математики, механики, информатики », г.Тула: ТулГУ, 2007;

- региональной научно-практической конференции «ИНЖИНИРИНГ-2009», г.Орел: ОрелГТУ, 2009.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, соответствие работы паспорту специальности, сформулированы основные этапы исследования и научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе изложены конструктивные и технологические особенности производства материала «металлорезина» (МР) и изделий из этого материала, даны пояснения о целях и способах армирования виброизоляторов специальными проволочными жгутами. Выполнен анализ существующих конструкций виброизоляторов из материала МР, показаны их достоинства и недостатки, области наиболее рационального использования, даны краткие характеристики их упругих и диссипативных свойств.

В результате анализа выявлено, что наиболее перспективными для широкого применения на железнодорожном транспорте являются виброизоляторы типа «двойной колокольчик». Они обладают многими полезными свойствами: низкими резонансными частотами (12-25Гц); высоким демпфированием (эффективностью подавления вибрации); малыми массогабаритными характеристиками (1-3% от массы защищаемого объекта); удобством монтажа и др. Вместе с тем, отмечено, что для АиС ТС требуются низкочастотные виброизоляторы с еще более высокой грузоподъемностью и эффективностью.

В разделе проанализированы также наиболее существенные научные результаты и методы расчета упругофрикционных характеристик виброизоляторов из проволочного материала МР, полученные предыдущими исследователями: А.М.Сойфером, В.Н.Бузицким, А.И.Белоусовым, Д.Ф.Пичугиным, В.А.Борисовым, Е.А.Паниным, Л.Г.Шаймордановым, Г.В.Лазуткиным, А.А.Тройниковым, Ю.К.Пономаревым, В.А.Антиповым и др. Приведены особенности построения наиболее известных моделей материала МР, показаны их достоинства и недостатки. В результате анализа сделан вывод о том, что наиболее целесообразно использовать для создания модели деформирования новых виброизоляторов обобщенную методику построения математических моделей, разработанных Г.В.Лазуткиным, В.А.Антиповым и Ю.К.Пономаревым.

Далее в разделе проанализированы различные методы исследования динамических характеристик виброизоляторов из материала МР. Выявлены основные трудности, возникающие при решении задач о колебаниях виброзащитных систем с сухим трением. Показано, что во многих практических случаях хорошие результаты дают методы гармонической линеаризации. Наиболее перспективными методами теоретического исследования нелинейных колебаний виброзащитных систем на основе виброизоляторов из МР выбраны приближенные аналитические методы нелинейной механики. Для эффективного применения таких методов необходима математическая модель деформирования новых виброизоляторов, достаточно просто и достоверно отражающая процессы построения петли гистерезиса виброизоляторов при любых видах нагружений. Все вышеизложенное позволило сформулировать цель и задачи исследования.

В главе 2 вскрыты основные недостатки существующих конструкций виброизоляторов типа «двойной колокольчик». На основании анализа обобщенных экспериментальных данных намечены пути их устранения.

Показано, что возможно существенное увеличение их грузоподъемности (до 10 раз) при одновременном снижении резонансной частоты и сохранении высоких демпфирующих свойств путем введения в отработанные конструкции разгрузочных пружинных устройств, упругой проставки и противоударных устройств различных конструкций (рис. 1,2). Предложен ряд мероприятий по совершенствованию технологического цикла виброизоляторов. Показано, что укладка армирующего жгута является определяющим фактором вибропрочности виброизоляторов типа двойной колокольчик и новых виброизоляторов. Предложены оптимальные схемы укладки армирующего жгута.

Рис. 1. Новый виброизолятор «двойной колокольчик» с разгрузочным устройством	Рис. 2. Противоударный виброизолятор «двойной колокольчик» с пакетами тарельчатых пружин