Повышение эффективности виброизоляции виброактивного оборудования за счет прерывистого демпфирования

С увеличением вязкого сопротивления значения коэффициента динамичности в области низких частот уменьшаются, приближаясь к единице, а в области высоких частот увеличиваются, оставаясь при этом меньше соответствующих значений коэффициента динамичности для пассивной системы.

Прерывистый субоптимальный процесс демпфирования наиболее эффективен в области резонансных частот. Здесь отношения значений коэффициентов динамичности равны 1,6 (когда ) и 3 (когда ).

В результате моделирования переходных режимов установлено, что по сравнению с пассивным аналогом «пиковые» значения динамических реакций уменьшаются в среднем в 1,7 раз и в 1,1 раза, соответственно, в диапазоне частот и .

Что касается длительности переходных процессов, то вне зависимости от частоты, временной интервал в среднем уменьшается в 1,87 раз.

Аналогичные динамические свойства были установлены также и для типового виброактивного объекта «балка на управляемых виброизоляторах».

В четвертой главе приводится описание конструктивных схем виброизоляторов прерывистого действия; приведены результаты экспериментальных исследований по определению интенсивности параметров вибрации воспринимаемых основанием лабораторной виброактивной установки при постоянном и прерывистом демпфировании.

На рисунке 2 представлен общий вид управляемого виброизолятора.

Рисунок 2 Общий вид виброизолятора (патент на изобретение №382254)

Основными элементами конструкции виброизолятора являются: несущий упругий элемент 3, демпфер 4, корректор жесткости 5, электромагнит 6, блок управления 7 и датчик перемещения 8.

Демпфер 4 выполнен в виде гофрированного цилиндра 9, в торце которого установлен дроссель 10 и встроен второй электроклапан 11.

Корректор жесткости 5 состоит из гидравлического цилиндра 12 с поршнем 13 и штоком 14, двух пружин 15, 16 и П – образной рамы 17.

Снижение динамических реакций достигается за счет упругодемпфирующих сил, формируемых пружинами 15, 16 корректора жесткости 5 и демпфером 4, которые включаются в работу только тогда, когда значение силового воздействия достигает порогового значения.

На рисунке 3 изображен общий вид виброизолятора, в котором использовались конструктивные элементы, реализующие силовое позиционирование и геометрическую ориентацию диссипативной силы, как активного компенсационного воздействия субоптимального типа.

Основными элементами конструкции виброизолятора являются: несущий упругий элемент 3, гидравлический демпфер 4, цилиндр 7 и шток 9 которого шарнирно закреплены на упорах 6 и 5. В торцевой части цилиндра 7 установлены клапан 10, дросселирующий элемент 11 и выполнена дополнительная полость 12. Клапан 10 предназначен для пропускания жидкости из дополнительной полости 12 в подпоршневую полость цилиндра 7, а дросселирующий элемент 11 – для пропускания жидкости из подпоршневой полости цилиндра 7 в дополнительную полость 12. Надпоршневая полость цилиндра 7 и дополнительная полость 12 соединены гидравлическим каналом 13. В полости 19 установлены диск 22, пружина 23 и два упора 24. Нижний конец пружины 23 закреплен между упорами 24, а верхний – в середине диска 22.

Была произведена экспериментальная проверка теоретического положения, согласно которому прерывистое демпфирование, как необходимое условие оптимальности системы виброизоляции, обеспечивает снижение динамических реакций по сравнению с нулевым и блокирующим демпфированием. Эксперименты проводились на лабораторной установке, общий вид которой приведен на рисунке 4.

Производились замеры параметров вибрации основания, интенсивность которых пропорциональна, воспринимаемых основанием динамических реакций. В качестве измерителей вибрации использовался прибор ВШВ-003 в комплекте с датчиком DH-4-M1, а также информационно-измерительная система, в состав которой входит акселерометр MMA 1250D, соединенный с помощью внешнего модуля с ноутбуком.

В состав лабораторной установки входит фрикционный демпфер, посредством которого можно имитировать воспроизведение субоптимального компенсационного воздействия прерывистого типа. Для этого необходимо в определенной последовательности создавать боковое усилие, от величины которого зависит сила трения.

Рисунок 4 – Фотография общего вида лабораторной установки

с измерительными приборами

Чтобы оценить влияние прерывистого демпфирования на снижение интенсивности вибрации основания, было проведено три эксперимента: 1) при отключенном демпфере, 2) при его блокировке, 3) при прерывистой работе демпфера (см. табл. 3).

Таблица 3– Значения виброскорости и виброускорения

Расчетный параметр	Номер эксперимента
	1	2	3
Виброскорость,
Виброускорение,

В третьем эксперименте имитировался случайный процесс «включения-выключения» демпфера, который настраивался по осциллограмме ускорений, просматриваемой на мониторе ноутбука. Было установлено, что прерывистый вариант демпфирования гарантирует снижение динамических реакций по сравнению с нулевым и блокирующим демпфированием на 10-30%. При этом частота прерывистого процесса демпфирования должна быть коррелированна с частотой кинематического возмущения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе диссертационного исследования была решена актуальная научно-практическая задача по снижению интенсивности динамических реакций, воспринимаемых несущими элементами конструкций при работе виброактивного оборудования посредством управления процессом демпфирования в системе виброизоляции, имеющей существенное значение в области динамики систем управляемой виброизоляции. При этом были получены и сформулированы следующие основные результаты и выводы.

1. В результате проведенного информационного поиска по патентным документам, отечественным и зарубежным статьям и литературным изданиям в области управляемых виброзащитных систем, выявлено, что управляемые виброизоляторы более эффективны по сравнению с пассивными аналогами, которые не всегда обеспечивают снижение динамических реакций в рабочем диапазоне частот силового возмущения. Для систем виброизоляции не установлены оптимальные и близкие к ним (субоптимальные) алгоритмы управления процессом демпфирования, при которых диссипативные силы формируются по принципу активной компенсации. Как следствие, отсутствуют специализированные методики и программы расчета параметров управляемой системы виброизоляции и коэффициентов динамичности.
2. Получен оптимальный алгоритм управления процессом демпфирования в виде синтезирующей функции прерывистого типа, которая определяет условия включения в работу и выключения из работы демпфера вязкого сопротивления.
   Данная синтезирующая функция управления зависит от смещения и скорости виброактивного объекта и, кроме того, от присоединенной переменной, которая принимает постоянное значение при установившемся режиме колебаний. Доказано, что оптимальное управление процессом демпфирования обеспечивает существенное снижение динамических реакций упругодемпфирующих опор по сравнению с пассивным аналогом. В рабочем диапазоне частот коэффициенты динамичности меньше единицы и монотонно уменьшаются с увеличением частоты силового возмущения. Как следствие, управляемая система виброизоляции обладает уникальными антирезонансными свойствами. Так, если и , то динамические реакции уменьшаются в 3 раза по сравнению с пассивной системой.
3. Алгоритм оптимального (прерывистого) управления сложен в реализации и требует использования специализированных мехатронных устройств (датчиков, вычислительных блоков, исполнительных органов). Анализ результатов численных экспериментов показал, что вместо сложного оптимального алгоритма управления процессом демпфирования можно применять альтернативный – субоптимальный алгоритм, который обеспечивает переключение демпфирования посредством использования актуализированных свойств самой конструкции демпфера, т.е. без использования мехатронных средств управления. Это становится возможным, поскольку демпфер включается в работу и выключается из работы, когда меняется знак скорости и смещения виброактивного объекта. При этом демпфер реализует компенсационное воздействие, которое прямо пропорционально зависит от смещения виброактивного объекта.
4. Разработаны методика и программы для расчета параметров управляемой системы виброизоляции и коэффициентов динамичности при субоптимальном управлении. Показано, что применение субоптимального управления обеспечивает существенное снижение динамических реакций по сравнению с пассивным аналогом. Так, если , а , то по сравнению с пассивной системой виброизоляции динамические реакции уменьшаются в 1,8 раз. Кроме того, при субоптимальном управлении резонансных явлений не проявляется – коэффициенты динамичности меньше единицы, если фоновое сопротивление среды .
5. В результате анализа влияния субоптимального управления на переходные процессы колебаний виброизолятора установлено, что длительность переходных процессов на порядок меньше (в среднем в 1,87 раз) по сравнению с пассивным виброизолятором. Переходные процессы локализуются в пределах 1–1,5 периода вынужденных колебаний виброактивного объекта, в то время как для пассивного виброизолятора данный показатель составляет как минимум 3 периода, если . Кроме того, пиковые значения динамических реакций на переходных процессах (с нулевыми начальными условиями) приблизительно в 1,5 раза меньше, чем у пассивной системы.
6. Разработаны виброизоляторы прерывистого действия, которые относятся к устройствам виброзащитной техники и предназначены для защиты объектов от силового воздействия. В данных виброизоляторах использовались конструктивные элементы, посредством которых осуществлялось силовое позиционирование и геометрическая ориентация диссипативной силы, как активного компенсационного воздействия субоптимального типа.
7. При проведении модельного эксперимента на модернизированной лабораторной установке выявлено, что использование виброизолятора с фрикционным демпфером прерывистого действия (реализующего субоптимальное компенсационное воздействие) позволяет снизить интенсивность динамических реакций, воспринимаемых основанием лабораторной установки, на 10 – 30%.

ОСНОВНОЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в рецензируемых изданиях, рекомендованных

Высшей аттестационной комиссией Российской Федерации

1. Белозёрова, Е.Б. К определению динамических реакций балки на упругих опорах [Текст] / Е.Б. Белозёрова, В.И. Чернышев // Известия Орловского государственного технического университета. Серия «Строительство и транспорт», – №1/21(553). Орел: ОрелГТУ, 2009. с. 37.
2. Белозёрова, Е.Б. Управляемая виброизоляция объекта с двумя степенями свободы [Текст] / О.В. Фоминова, Е.Б. Белозёрова, В.И. Чернышев // Мир транспорта и технологических машин. – №1(36), 2012. С. 7987.
3. Белозёрова, Е.Б. Моделирование работы виброизолятора с демпфером прерывистого действия [Текст] / О.В. Фоминова, Е.Б. Белозёрова, В.И. Чернышев // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. – №2/(292), 2012. С. 3036.

Публикации в других изданиях

4. Белозёрова, Е.Б. Оценка влияния изгибной жёсткости на динамические реакции в упругих опорах балки [Текст] / Е.Б. Белозёрова // Ударно-вибрационные системы, машины и технологии: материалы IV международного научного симпозиума. – Орёл, 2010. – с. 203–207.
5. Белозёрова, Е.Б. Анализ динамических реакций балки с нелинейными упругодемпфирующими опорами при воздействии на балку периодической силы [Текст] / Е.Б. Белозёрова // Ударно-вибрационные системы, машины и технологии: материалы IV международного научного симпозиума. – Орел, 2010. – с. 207–210.
6. Белозёрова, Е.Б. Воздействие периодической силы на балку с упругодемпфирующими опорами [Текст] / Е.Б. Белозёрова // Управляемые вибрационные технологии и машины: сборник научных статей в 2-х томах. Том 1. Курск: КурскГТУ, 2010. с. 5256.
7. Белозёрова, Е.Б. Постановка задачи оптимальной виброизоляции [Текст] / О.В. Фоминова, Е.Б. Белозёрова // Материалы II Международной дистанционной научно-технической конференции «Актуальные проблемы динамики и прочности материалов и конструкций: модели, методы, решения». – Орел: Госуниверситет–УНПК, 2011. – с. 147–148.
8. Пат. 2382254 Российская Федерация, МПК F 16 F 9/06, F 16 F 15/027, F 16 F 9/50. Виброизолятор [Текст] / Белозёрова Е.Б., Фоминова О.В., Чернышев В.И.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Орловский государственный технический университет. – №2008148786/11; заявл. 10.12.08; опубл. 20.02.10. Бюл. №5. – 6 с.: ил.

Белозёрова Елизавета Борисовна

Повышение эффективности виброизоляции

виброактивного оборудования

за счет прерывистого демпфирования

Автореферат

Подписано к печати «20» апреля 2012 г.

Формат 60х84/16. Объем 1 усл. печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № 1333

Отпечатано с готового оригинал- макета на полиграфической базе

ФГБОУ ВПО «Госуниверситет–УНПК»

302020, г. Орел, Наугорское шоссе, 29