Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Состояние вопроса и постановка задач исследования
1.1. Биологические аспекты воздействия вибрации на обслуживающий персонал самоходных машин и мобильных систем в энергетике 12
1.2. Особенности виброударозащиты рабочих мест операторов мобильных объектов 17
1.3. Основы систематизации виброизоляторов 21
1.4. Обзор существующих средств защиты от вибраций и ударов 28
Выводы по главе 1 46
Глава II. Обоснование и выбор схемы общей защиты рабочих мест от вибраций и ударов
2.1. Особенности проектирования виброизоляции на транспортных машинах 48
2.2. Виды внешних динамических воздействий, возникающих при эксплуатации мобильных систем 50
2.3. Анализ вибрационных и ударных воздействий 55
2.4. Особенности ударозащиты объектов 63
2.5. Основные конструктивные формы и свойства стальных канатов (тросов) 67
2.6. Основные физико-механические свойства канатов 70
2.7. Кинематические схемы защиты от низкочастотных колебаний и ударов высоких энергий 76
Выводы по главе II 80
Глава III. Выбор кинематической схемы. Теория и расчет характеристик упругодемпфирующих элементов систем виброударозащиты
3.1. Обоснование выбора расчетной модели систем защиты от динамических воздействий 81
3.2. Теоретическое обоснование выбора кинематической модели подвески на тросах для создания защитных платформ 84
3.3. Теория и расчет тросовых элементов систем виброудароизоляции объектов 94
3.4. Исследования характеристик упругодемпфирующих тросово-торсионных элементов последовательного типа 96
3.5. Исследование демпфирующих свойств тросовых конструкций 104
3.6. Влияние технологических факторов на характеристики упругих элементов защиты 109
Выводы по главе III 111
Глава IV. Конструкторско-технические решения и описание кинематических схем виброударозащитных платформ
4.1. Особенности конструктивных решений по защите рабочих мест операторов от внешних динамических воздействий 112
4.2. Описание кинематических схем и конструкции виброударозащитных платформ 120
Выводы по главе IV 130
Заключение 131
Список литературы 133
- Особенности виброударозащиты рабочих мест операторов мобильных объектов
- Основные конструктивные формы и свойства стальных канатов (тросов)
- Теоретическое обоснование выбора кинематической модели подвески на тросах для создания защитных платформ
- Описание кинематических схем и конструкции виброударозащитных платформ
Введение к работе
Значительное расширение открытых разработок угольных месторождений с использованием мощных экскаваторов (одноковшовых и роторных) приводит к тому, что на ТЭЦ поступает топливо с кусками до 1200 мм и более при норме стандартных размеров до 300 мм. Кроме того, топливо сильно смерзается. Для измельчения угля наиболее эффективными оказались самоходные агрегаты и фрезерно-дробильные машины [1].
Характерно, что рабочий процесс с точки зрения механики разрушения и погрузки горных пород не отличается от рабочих процессов других горных машин, таких как выемочные и очистные комплексы, буровые машины и другие механизмы, используемые в горнорудной и угледобывающей промышленности. К этой категории относятся и машины четвертой группы: экскаваторы, погрузочно-доставочные машины, дробилки, бурильные установки, проходческие комплексы. Большинство этих машин используется при строительстве гидроэнергетических сооружений [2].
Эксплуатация таких комплексов связана с рядом вредных для здоровья человека факторов, главными из которых являются вибрации, удары и шум.
Рост числа заболеваний, связанных с динамическими воздействиями — вибрацией и шумом, свидетельствует о том, что борьба с этими вредными факторами становится острой социальной проблемой. Неблагоприятное и поражающее действие этих факторов, возникающих при эксплуатации машин на здоровье людей, взаимодействующих с этими машинами, характеризуется тревожными цифрами. Так, например, в настоящее время на предприятиях Кузбасса на первом месте стоит виброболезнь, на втором - глухота (тугоухость). Этими заболеваниями страдает 41% всех трудящихся отрасли
[3].
Превышение допустимых гигиенических норм общего уровня транспортно-технологической вибрации составляет 8-13 Дб, т.е. в 2,5-4 раза. Уровень вибраций при работе погрузочных и доставочных машин достигает
5 111 Дб, а шума 95-110 Дб. Установлено, что спектры возмущений большинства
машин и механизмов, используемой в энергетике, лежат главным образом в
низкочастотной области, т.е. в наиболее опасном диапазоне для организма
человека [4,5].
Влияние низкочастотных вибраций приводит к развитию нервных заболеваний, нарушению функций сердечно-сосудистой системы и функций опорно-двигательного аппарата, а также к поражению мышечных тканей и сосудов [6, 7, 8, 9].
Известно, что наиболее тяжелые динамические режимы наблюдаются при работе экскаваторов, установок для дробления скальных пород, погрузочно-доставочных машин и бурильных механизмов [10]. Внешние динамические воздействия, возникающие при их эксплуатации, носят случайный характер, обусловленный сопротивлением скальных пород разрушению, перемещению, погрузке и т.д. Работа подобных машин характеризуется высокими уровнями вибрационных и ударных возмущений, а эксплуатируются они очень часто в среде с высоким уровнем шума, пыли и загазованности. Обслуживающий персонал этих машин подвергается опасному воздействию широкого спектра мощных низкочастотных и ударных воздействий высоких уровней, носящих пространственный и непредсказуемый характер. По этой причине защита персонала от внешних динамических воздействий является весьма актуальной и до конца не решенной задачей.
Применение систем виброзащиты на базе резинометаллических, гидравлических, пневматических, резинокордовых и других устройств не получило широкого распространения га-за ряда существенных недостатков, а сами средства виброизоляции человека-оператора сводятся в основном к созданию подрессоренных сидений (кресел), подножек и площадок [11].
Получила признание концепция того, что наиболее экономически целесообразным способом защиты операторов мобильных систем является применение виброзащиты кабин, которые защищены также от шума и пыли. При этом во многих случаях амортизация пола (площадки), на которой
расположены органы управления контроля и кресло оператора, может быть осуществлена гораздо проще, чем виброизоляция всей кабины [12].
До настоящего времени проблемным является создание систем защиты от вибрации и ударов одновременно. Антивибрационные и противоударные изоляторы предназначены для выполнения различных, порой противоречивых функций. По этой причине проблемы защиты решаются в зависимости от преобладающих нагрузок в каждом случае отдельно.
Известно, что для гашения мощных ударных воздействий необходима крутая «жесткая» характеристика, а для обеспечения качественной защиты от низкочастотных вибраций пологая «мягкая» характеристика. Для снижения резонансных пиков необходима мощная диссипация и, в тоже время, не должна ухудшаться виброизоляция в зарезонансной зоне, где диссипация вообще не желательна. При этом спектр внешнего динамического воздействия носит объемный характер, т.е. направленность вектора воздействия может быть в любой плоскости.
На основе теоремы об упруго-вязких пластических движениях пространственных систем сделан вывод о возможности создания особого класса объемных защитных систем, которые могут обеспечить эффективную пространствен!г/ю защиту объектов одновременно от вибраций и ударов [40]. Для этого было предложено использовать главные достоинства тросовых систем: мощное необратимое межпроволочное трение и минимальные остаточные деформации при снятии нагрузок. Таким образом, появилась возможность получения высоких эксплуатационных характеристик тросовых систем за счет нового типа трения — технологического и трения эйлерова типа. При этом происходит повышенное демпфирование в области низких частот и эффективное гашение ударных импульсов.
Цель работы
Целью работы является исследование и создание систем эффективной групповой пространственной защиты от вибраций и ударов обслуживающего
7 персонала мобильных машин и механизмов, используемых при сооружении
объектов энергетики и первичном измельчении смерзшегося негабаритного
топлива на тепловых электростанциях.
При решении этой задачи были использованы современные тенденции
по созданию объемных виброударозащитных систем. Для достижения этой
цели в работе решались следующие основные задачи:
Определены и сформулированы требования по созданию кинематических схем групповой (общей) системы пространственной защиты объектов от ударов и вибраций, носящих случайный характер.
Теоретически обоснованы и экспериментально исследованы упругодемпфирующие тросово-торсионные элементы, встраиваемые в объемные упругодемпфирующие подвесы (ОУДП), ставшие основой ряда кинематических схем виброударозащитных платформ для защиты рабочих мест персонала и операторов машин.
Разработана основная схема физической модели виброудароизоляции объектов в виде пассивной нелинейной пространственной системы в вывешенном варианте со встраиваемыми упругодемпфирующими элементами с использованием технологического и эйлерова трения на базе торсионно-тросовых систем петлевого и последовательного типа. Проведены испытания методом ударного воздействия на платформы, которые подтвердили правильность теоретических предпосылок и высокую эффективность защиты.
Методы исследования
Анализ современных тенденций по созданию кинематических схем и выбора перспективных материалов позволил четко сформулировать круг решаемых задач и требуемых исследований.
При выполнении работ применялись расчетные и экспериментальные методы исследований с использованием необходимого объема макетирования.
8 Достоверность научных положений и предпосылок, а также полученных
результатов испытаний подтверждена сходимостью теоретических и
экспериментальных данных.
Научная новизна работы
Научно обоснована возможность использования основных теоретических положений особого класса объемных упругодемпфирующих подвесов (ОУДП) для создания групповых пространственных систем защиты от вибраций и ударов рабочих мест операторов, с использованием технологического трения.
Исследованы упругодемпфирующие элементы кольцевого и последовательного типа на базе тросово-торсионных систем, встраиваемых в конструкции виброударозащитных платформ и площадок для защиты рабочих мест персонала от мощных пространственных низкочастотных колебаний и нестационарных ударов больших энергий, передаваемых через основание при эксплуатации механизмов.
Разработан ряд кинематических схем платформ с использованием тросово-торсионных элементов кольцевого и последовательного типов. На разработанные кинематические схемы групповой защиты объектов от всенаправленных виброударных воздействий, передаваемых через основание, получено семь патентов на шобретения.
Практическая ценность и результат работы
На базе результатов проведенных исследований разработаны конструкции трех виброударозащитных платформ. В одной из них реализована схема кольцевого тросово-торсионного элемента, в других -использованы тросово-торсионные элементы последовательного типа. Первая конструкция предназначена для защиты кабины оператора целиком. Другие
9 представляют собой виброударозащитігую площадку для поста управления и
размещаются внутри самой кабины.
Изготовленные макеты рассчитаны на грузоподъемность до 500 кг. Испытания макетов платформ проводились методом ударного возбуждения на специальном стенде.
Результаты испытаний подтвердили правильность выбранного направления, теоретических предпосылок и конструктивных решений, показав высокую эффективность всех разработанных платформ. Схемы и конструктивные решения виброударозащитных платформ могут быть использованы для защиты магистральных газопроводов, прокладываемых в сейсмоопасных районах, транспортировке прецизионных грузов, защите аппаратуры и оборудования, работающих на подвижных системах, мобильных энергетических установок, центров управления и т.п.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы 140 страниц машинописного текста, в том числе 25 рисунков и графиков, 4 таблицы, список литературы из 87 наименований.
Введение содержит обоснование актуальности выбранного направления исследования и пути решения поставленной задачи.
В первой главе изложены состояние вопроса и постановка задачи исследования. Рассмотрено поражающее действие внешних факторов при эксплуатации машин четвертой группы (экскаваторы, погрузочно-разгрузочные машины, бурильные агрегаты, установки дробления горных и скальных пород) на здоровье людей, взаимодействующих с этими машинами.
Показаны основные виды заболеваний, связанные с вибровоздействиями на операторов при эксплуатации машин. Особо отмечается совпадение спектров низкочастотных вибраций, возникающих при эксплуатации
большинства машин четвертой группы, с наиболее опасным для здоровья человека частотным диапазоном колебаний.
Установлено, что эксплуатационные характеристики внешних динамических воздействий носят хаотический случайный характер и содержат нестационарные ударные импульсы высоких энергий; при этом максимум интенсивности этого воздействия приходится на низкочастотную область.
Представлены основы систематизации виброизоляторов и рассмотрены существующие конструкции амортизаторов и систем защиты с точки зрения возможности их использования для решения поставленной задачи.
Анализ опубликованных материалов показал, что создание эффективных систем групповой защиты рабочих мест и кабин операторов является до конца не решенной и весьма актуальной задачей.
Во второй главе отмечено, что создание систем защиты в одинаковой степени защищающих от вибраций и ударов до настоящего времени является проблемным. Задача усложняется еще и тем, что внешние динамические воздействия, возникающие при эксплуатации машин четвертой группы, носят нестационарный характер, в спектре которого кроме вибраций имеются ударные импульсы больших энергий и различной длительности, носящие пространственный (объемный) характер. По этой причине в главе уделено внимание некоторым аспектам ударозащиты, т.к. эти вопросы недостаточно освещены в литературе.
Подробно рассмотрены основные физико-механические свойства каната, на базе которого разработаны упругодемпфирующие элементы, встроенные в разработанные виброударозащитные системы.
В третьей главе представлено обоснование и выбор расчетной модели виброударозащиты с учетом основных положений теории объемных упруго/демпфирующих подвесов с использованием конструкционного и эйлерова трения.
При выборе и составлении кинематической схемы учитывались высокие физико-механические свойства тросов и способы соединения упругих и
демпфирующих элементов. Приведены результаты исследования тросово-торсионных элементов, на базе которых были разработаны кинематические схемы и конструкции виброударозащитных платформ.
В четвертой главе представлены основные требования по реализации разработанных кинематических схем применительно к конкретным задачам защиты выбранных объектов. Представлены описания и конструктивные решения по созданию платформы для виброударозащиты кабины обслуживающего персонала и площадки для установки на ней постов и систем управления, размещаемой внутри имеющейся кабины.
Даны рекомендации по применению конструкторских решений и выбору компонентов платформ при проектировании и изготовлении систем общей защиты различного рода объектов.
В заключительной части представлены основные выводы по работе и список литературы.
*
*
Особенности виброударозащиты рабочих мест операторов мобильных объектов
Известно, что возникающие при работе буровых установок, погрузочных машин, экскаваторов и других систем возмущения носят сложный, хаотический характер, имеющий вид случайного импульсного и мощного низкочастотного воздействия высоких уровней энергий. Эксплуатация машин четвертой группы и мобильных систем обусловлена уровнем воздействий, определяемых сопротивлением горных пород разрушению, погрузке, перемещению, создающих на рабочих местах операторов широкий спектр возмущений высокой интенсивности, что в свою очередь создает проблемы с виброударозащитой и применением средств изоляции. Нестационарное положение машин в пространстве также предъявляет особые требования к устойчивости применяемых виброударозащитных систем. Следует отметить, что большинство горных машин работает в агрессивной среде при высоком уровне шума и загазованности [12,13]. Возмущения, возникающие при работе машин кроме сложного, случайного характера часто имеют пространственную ориентацию, т.е. могут иметь направления в любой плоскости. Вибрационная составляющая этих возмущений носит вид случайных детерминированных, полигармонических колебаний, а ударные воздействия могут иметь вид импульсов различной амплитуды, длительности и формы, с непредсказуемой частотой повторения. Наибольшую опасность при этом имеют знакопеременные ударные импульсы большой амплитуды и длительности, носящие пространственный характер и различную форму ударного воздействия. Характерно, что ударное воздействие привносит дополнительный и важный параметр, это время воздействия. Так, при малом времени воздействия задача ударной защиты может быть сравнительно легко решена. Например, с помощью использования стандартных виброизоляторов для защиты объектов от ударов с амплитудой ускорения основания ao=100-b200g при т=(1-3)10 3 сек. В то же время воздействие ударов с амплитудой 17-20g и длительностью 0,03-0,05 сек. может иметь катастрофические последствия, если не принять специальных мер защиты. Такого рода знакопеременные ударные воздействия пространственного характера относят к категории сейсмоударных воздействий (СУВ) [21]. Таким образом, из спектра внешних динамических воздействий, передаваемых через основание, наибольшую опасность представляют ударные импульсы высоких энергий, имеющие большую длительность импульса и мощные низкочастотные колебания в диапазоне 1-ьЗО Гц. Известно, что защиту от ударных воздействий необходимо осуществлять с помощью систем амортизации, принципиально отличающихся как от виброзащитных систем, так и от систем подпрессоривания транспортных машин. Амортизаторов для систем ударозащиты промышленность не выпускает, и такие системы проектируются для конкретных случаев. В известной технической литературе недостаточно освещены вопросы расчета и проектирования ударозащитных систем, выбора оптимальных характеристик и конструктивные решения их реализации. Для систем ударозащиты характерны следующие особенности, отличающие их от виброзащитных систем: При кинематическом возбуждении по произвольному закону цель защиты заключается в уменьшении амплитуды абсолютного ускорения (перегрузки) объекта до значений, допустимых для данного объекта при минимуме перемещения объекта относительно основания. При этом амплитуды высокочастотных вибраций, сопутствующих удару, обычно невелики и в санитарных нормах защита от них не предусматривается. Значительные относительные перемещения (ход) при ударном воздействии приводят к необходимости введения в схему конструктивных кинематических развязок, обеспечивающих минимальную допустимую взаимосвязь по различным обобщенным координатам. Характеристики упругих и демпфирующих элементов амортизации существенно нелинейны, т.к. использование оптимальных нелинейных характеристик дает выигрыш в относительных перемещениях объекта и уменьшает габаритные размеры конструкции. Итак, серийно выпускаемые амортизаторы предназначены для защиты от вибраций и кратковременных ударов. Для защиты от интенсивных ударов и нестационарных кинематических возмущений они не могут быть применены из-за малых перемещений, не оптимальности жестких силовых ударных характеристик и относительно низкого неупругого сопротивления. Таким образом, при создании эффективных систем виброударозащиты рабочих мест операторов мобильных систем, особое внимание следует уделить изоляции от интенсивных ударов и нестационарных кинематических возмущений, представляющих наибольшую опасность при работе машин [22].
Решение задач оптимизации защиты осуществляется выбором параметров демпфирования. Устройства с упругими элементами для вывешивания объекта групповой защиты, обеспечивающие возврат в исходное положение (по вертикали и горизонтали) и должны иметь силовые характеристики близкие к нелинейным [23]. Упругие элементы широко используются в пассивных системах, а их применение объясняется конструктивной целесообразностью при защите от комплексного воздействия удара и вибрации. С помощью последовательного включения составляющих упругих элементов системы в некоторых случаях возможно получение требуемой жесткости, необходимой для обеспечения снижения собственной частоты и вывода ее из зоны резонанса.
Среди пассивных систем виброзащиты наиболее эффективны системы со встроенными динамическими гасителями колебаний. Их реализация противодействует колебаниям объекта защиты и поглощает часть энергии возмущений. Хотя уменьшение жесткости систем повышает эффективность амортизации, следует учесть, что при этом требуются меры по ограничению статической деформации крепления и появления резонансов. Иногда устранения этих явлений объекты устанавливают так, чтобы центр тяжести крепления совпадал с центром тяжести объекта. Этого можно достичь путем установки объекта на амортизаторах с наклонным расположением опор или упругих элементов. При такой схеме крепления амортизаторы частично работают на сдвиг, а собственная частота колебаний снижается, т.к. жесткость на сдвиге меньше чем жесткость на сжатие.
Основные конструктивные формы и свойства стальных канатов (тросов)
Расширился ассортимент материалов применяемых в качестве упругодемпфирующих материалов. Стали применяться жидкости, газы, устройства, реализирующие бесконтактное магнитное силовое воздействие. Получили распространение сетчатой структуры, металлический порошок и другие материалы, обладающие повышенным демпфированием.
Информация о разрабатываемых конструкциях средств защиты от ударных воздействий показывает, что существует устойчивая тенденция широкого применения торсионных систем и канатных виброудароизоляторов в качестве амортизаторов, отличающихся высокой эффективностью гашения энергии низкочастотных ударных импульсов [36].
К достоинствам пружин - торсиоиов относится и то, что стержень круглого сечения, из которого состоит торсион, благодаря относительно равномерному распределению усилий способен воспринимать большее количество энергии за единицу массы пружинящего материала, чем пружина любой другой конструкции. Изменение длины или угла рычага торсиона может обеспечить гибкость при конструировании, что сложно достичь в других системах.
Торсионным амортизаторам легко придать любую форму, удобную для размещения в конструкции. Коэффициент гашения энергии в торсионном стержне больше, чем в других упругих элементах, а расход материала меньше [28,54].
Выбор стальных канатов в качестве упругодемпфирующих элементов виброударозащитных систем обусловлен хорошими физико-механическими свойствами каната, широкой возможностью варьирования упругих и демпфирующих свойств в зависимости от его конструктивного оформления. Структурные основные признаки канатов заключаются в их винтовой свивке, посредством которой обеспечивается наибольшее заполнение контура поперечного сечения металлом и достигается определённый контакт между проволоками. По принципу построения стальные канаты сводятся к нескольким основным конструктивным формам, различающихся числом новивов: одинарной свивки - спиральные, двойной свивки - тросы, тройной кабели; направлением проволок в прядях и прядей в канатах - крестовая и односторонняя свивка. Отличаются они и количеством слоев (однослойные, многослойные), характером контакта проволок по слоям (точечный, линейный, точечно-линейный). Это относится и к форме поперечного сечения прядей (круглопрядные, трехграннопрядные овальнопрядные, плоскопрядные). Различные канаты по поперечному сечению проволок: из круглых проволок - обычные канаты, из фасонных проволок - закрытой и полузакрытой конструкции. К квалификации тросов относятся также механические свойства канатов (крутящиеся, некрутящиеся, уравновешенные, предварительно обтянутые, обжатые), тип сердечника (органический, металлический). В канатах с точечным касанием (ТК) слой проволок в пряди свивают под одинаковым углом. Но шаг свивки для каждого слоя выбирают различным. Такое расположение проволок увеличивает жёсткость прядей, однако повышает износ проволок и снижает усталостную прочность. В канатах с линейным контактом (ЛК) проволоки прядей свивают под разными углами, но при одинаковых шагах для всех слоев. В качестве элементов виброустройств канаты типа ЛК предпочтительнее ТК: они лучше противостоят истиранию, имеют больпгую гибкость и более высокий срок службы при знакопеременных нагрузках. Канатную проволоку изготавливают из углеродистой, качественной конструкционной стали, что немаловажно для упругих элементов средств виброизоляции. По механическим свойствам установлена высшая (В) первая (I) и вторая (II) марка проволок. Разнообразие конструкций, типоразмеров канатов, строение фасоїпіьіх прядей, геометрические параметры, создают широкие возможности выбора требуемого образца для целей виброзшциты. Следует отметить, что реальные деформации в канате тесно связаны не только с его конструктивными исполнениями, но и с условиями его эксплуатации. Ещё одним отличительным свойством каната является транстропность (упругие одинаковые характеристики в поперечном сечении), что позволяет использовать его для конструирования пространственных средств виброизоляции. Наряду с жесткостными и демпфирирующими характеристиками каната, которые определяются экспериментально или приближенным расчётом, критерием при выборе каната являются его прочностные характеристики и коррозионная стойкость. В зависимости от условий эксплуатации канаты изготавливают из светлой проволоки без покрытия, из оцинкованной для лёгких условий (ЛС), для средних условий (СС), жёстких (ЖС) и особо жёстких (ОЖ). Код -27, 0-Г-В-ЛС-Л-О-Р-1764(180) ГОСТ 3081-80 расшифровывается следующим образом: диаметр каната 27,0 мм, грузового назначения, и проволоки марки В, оцинкованной по группе Л С, левой односторонней свивки раскручивающейся, с маркировкой по временному сопротивлению разрыву 1764 МПА (180 кг/мм2). Конструкцию канатов (по числу прядей и проволок) обозначают: ЛК-0 6x7 (1+6) + 1 О.С. ГОСТ 3069-80, что соответствует линейному касанию проволок в канате, где 6 - число прядей и 7 - число проволок в пряди, с одним органическим сердечником. Смазка, применяемая в канатах (39У , БОЗ - 1, КФ - 1 и др.) защищает проволоки от коррозии, однако она, обладая высокой вязкостью, увеличивает демпфирование при изгибных деформациях. Повышает демпфирование канатного элемента и его органический сердечник. Стальные канаты широко применяются в строительстве, на транспорте и других отраслях народного хозяйства и являются доступными материалами. Таким образом, канаты, выполняя свои прямые назначения, оказались находкой в конструкциях виброзащитных систем.
Теоретическое обоснование выбора кинематической модели подвески на тросах для создания защитных платформ
При аналитическом исследовании задач динамики, возникающих при внешнем воздействии, следует по возможности упростить физическую и математическую модель процесса, т.е. составить для реальной механической системы некоторую рационально выбранную приближенную схему, пригодную для решения поставленных вопросов с заданной степенью точности. Основные допущения и приближения, которые вводятся при построении расчетной модели реальной механической системы, касающихся следующих вопросов: распределение инерционных и упругих характеристик системы и число ее степеней свободы; зависимость упругих восстанавливающих сил от деформаций; характер сил неупругого сопротивления. Как правило, используются расчетные модели механических систем с сосредоточенными массами и сосредоточенными связями (упругими и демпфирующими) [56]. При расчете систем амортизации, объект принимают за абсолютно твердое тело, а массой амортизаторов по сравнению с массой объекта пренебрегают. Такие допущения позволяют считать объект системой, имеющей не более шести степеней свободы, которые определяются линейными перемещениями по осям X, Y,Z. Аналитически динамическое поведение конструкции описывается в виде дифференциальных уравнений, связывающих элементарные массы и жёсткости. Его так же можно описать при помощи собственных частот, главных мод и т.п., которые получаются экспериментально. Для теоретического рассмотрения поведения механической системы с вязким и гистерезисным (структурным) демпфированием используется система с одной степенью свободы [57]. Для иллюстрации понятий собственных значений и собственных векторов, свойств ортогональности, обобщённой массы и жёсткости, форм мод и главных координат, используются простые системы с двумя степенями свободы. Поскольку матричные методы позволяют перейти к анализу систем со многими степенями свободы, они широко используются при расчётах с помощью вычислительной техники [58]. Характеристики вынужденных механических колебаний с демпфированием рассматриваются как для систем, имеющих пропорциональное демпфирование, так и для систем с непропорциональным демпфированием. Большие конструкции неизменно относятся ко второй категории и их характеристики получаются с использованием теории характеристического отставания по фазе. Большинство физических систем по своему характеру являются непрерывными системами с распределёнными параметрами, которые могут быть заменены на сосредоточенные путём соответствующего разбития непрерывной системы. При этом, система с параметрами описывается обыкновенными уравнениями, которые решаются намного легче, чем уравнения в частных производных, описывающих непрерывные системы. На основании этого можно установить число степеней свободы, определяющих число независимых координат, необходимых для описания системы. В зависимости от поведения, колебательные системы делятся на две группы: линейные и нелинейные. Для линейных систем применяется принцип суперпозиции, а зависимые переменные в дифференциальных уравнениях, описывающих систему, представлены только в первой степени и не имеют взаимных произведений. Однако с ростом амплитуды колебаний все системы стремятся стать нелинейными. Выбранное число степеней свободы определяет количество дифференциальных уравнений, необходимых для описания системы. Поскольку эти уравнения обычно связаны друг с другом, то прежде чем их решать, их следует разделить. Для этого используются свойства ортогональности главных мод, позволяющие переписать исходные дифференциальные уравнения в системе главных координат. Физические системы характеризуются двумя классами колебаний - свободными и вынужденными. Свободные колебания происходят под действием внутренних сил, и когда внешние силы отсутствуют. Эти колебания описываются решением дифференциальных уравнений с правой частью равной нулю. Под действием начального возмущения система будет колебаться на одной или нескольких своих собственных частотах, которые зависят от свойств системы и определяются распределением масс и жесткостей. Таким образом, математическое исследование свободных колебаний даёт информацию о динамических свойствах системы, используемых для вычисления характеристик системы при вынужденных колебаниях. Вынужденные колебания происходят в системе под действием внешних сил. При совпадении частоты возбуждения с частотой собственных колебаний возникает резонанс — явление, при котором амплитуда колебаний возрастает до высоких уровней и ограничивается лишь степенью демпфирования системы. Поскольку из-за трения или других сопротивлений энергия в системе рассеивается, то все физические системы подчинены тому или иному виду демпфирования. Свойства механизмов демпфирования отличаются друг от друга, и не все они в одинаковой степени поддаются математическому описанию. Однако небольшие системы демпфирования незначительно влияют на собственные частоты, которые поэтому вычисляются в предположении отсутствия демпфирования. Для облегчения аналитического описания динамического поведения, сложную конструкцию можно рассматривать как систему масс, соединенных с помощью пружин и демпфирующих элементов [59].
Поскольку силы демпфирования для реальной конструкции нельзя оценить с той же точностью как упругие силы и силы инерции, то строгое математическое моделирование явлений демпфирования невозможно.
Для объяснения диссипативных сил конструкции можно сделать предположение о виде демпфирования, что позволяет оценить демпфирующие силы на практике. Кроме того, вид демпфирования должен способствовать простым математическим операциям, специально применяемым к линейным уравнениям движения - это означает, что при гармоническом возбуждении силы демпфирования так же изменяются по гармоническому закону. Двумя такими подходящими формами демпфирования являются вязкое и «сухое» демпфирование. Среди пассивных систем виброударозащиты наиболее эффективны системы со встроенными динамическими гасителями колебаний. Как правило, используется системы демпфирования с «сухим» трением. Однако, такого рода демпфирующие системы требуют экспериментального исследования, т.к. теоретическое описание их характеристик крайне затруднено [60].
Описание кинематических схем и конструкции виброударозащитных платформ
Создание общей системы виброударозшцитьт представляет сложную многофакторную задачу ввиду следующих причин: Необходимости обеспечения эффективной работы операторов в широком диапазоне случайных колебаний, содержащих мощные низкочастотные составляющие и амплитудные выбросы высоких энергий, имеющих непредсказуемый характер уровней ускорения и частоты повторения; Внешние воздействия, передаваемые через основания, могут носить пространственный характер, т.е. могут иметь направление в любой плоскости-горизонтальной или вертикальной; Центры тяжести и цеіпр масс защищаемых объектов, рабочих мест, кабин, площадок могут не совпадать с центрами масс платформ, а также могут иметь смещение относительно центров симметрии и центров приложения сил; Существенным фактором является возможность наклонов самих машин относительно горизонтальной плоскости и необходимость учета этого при обеспечении виброударозащиты рабочих мест. Примененные закрепляющие устройства должны обеспечивать задантгую динамическую реакцию при многократном знакопеременном ударном нагружеігии. Одновременно следует учесть жесткие массогабаритные ограничения, и при этом не допусппъ ухудшения геометрических и весовых характеристик используемых систем [3,20]. Наряду с этими требованиями необходимо обеспечить высокий уровень технологичности конструкции, и использования офаниченнои номенклатуры материалов, приемлемой цены для достижения требуемых технико-экономических показателей. Требования обеспечения надежности систем виброударозащиты ставят задачу значительного повышения уровня механической прочности самой конструкции платформы с функциональными внутренними элементами. Как уже отмечалось, необходимость значительного перемещения («хода») системы амортизации вызывает дополнительные офаничения по устойчивости системы (объект - платформа). Остаточные колебания должны был» сведены к минимуму, обеспечивая в тоже время возврат системы в исходное положение без каких — либо необратимых явлений и пластических деформаций устройств виброзащиты.
Из всех возможных систем демпфирования, применяемых в виброударозшцитных платформах, наибольшее распространение получили фрикционные устройства типа «сухое» трение. При этом объект удерживается за счет сил сухого трения, которые можно регулировать изменением усилий прижима во фрикционных узлах. Следовательно, такие системы должны быть снабжены регулировочными элементами. Важнейшим фактором при создании эффективных систем фупповой зашиты рабочих мест является подавление резонансных явлений, возникающих при колебательных процессах и реакции системы защиты. Выбор упругодемпфирующих систем для встраивания их в виброзащитные платформы, во многом обусловлен тем, что тросовые системы амортизации не имеют резонансных зон, а уровень коэффициента передачи лучше чем у образцов амортизаторов, изготовленных из материаіа MP (металлическая резина) [24,32].
Кроме того, тросовые системы обладают рядом неоспоримых преимуществ, которые подробно были рассмотрены ранее. С конструктивной точки зрения трос является одним из лучших материалов, используемых в вибршащитньїх системах. Трос обладает высокими штгикоррозийньъми свойствами, т.к. отдельные проволочки изготавливаются из высоко легированных нержавеющих сталей, сочетая высокую механическую прочность с демпфированием за счет межпроволочного трения и обратимости свойств при различных нагрузках. Трос устойчив к температурным перепадам, влажности, радиации и агрессивным средам. Пружины, в качестве упругих элементов, нашли широкое применение в пассивных системах в связи с необходимостью фиксации положения объекта защиты и возврата его в исходное положение. Применение упругих элементов также объясняется целесообразностью применения их при заїците от комплексного воздействия удара и вибрации. Устройства с упругими элементами для вывешивания защищаемого объекта и возвращения его после действия в исходное положение по вертикали (а при остаточных после действия наклонах - и по горизонтали), должны иметь силовые характеристики близкие к нелинейным. Использование торсионов (а цилиндрические пружины тоже являются торсионами, свернутыми в спираль) в качестве упругих элементов, диктуется конструктивной целесообразностью при создании платформ. Рычажные торсионы имеют ряд преимуществ, которые могут был» использованы в конструкциях платформ с ограниченными размерами. Эти торсионы имеют форму, позволяющую легко размещать в углах и по сторонам платформы, оставляя минимальное «мертвое» пространство. Для нагрузки торсионного стержня, необходимо использовать какой - либо рычаг или кривошип. Изменение длины или угла этого рычага может обеспечить гибкость при конструировании, чего нелегко достигнуть в других системах. Торсионный стержень круглого сечения благодаря относительно равномерному распределению усилий, способен воспринимать большее количество энергии на единицу веса пружинящего материала, чем пружина любой другой конструкции. Спиральная пружина, представляющая собой свернутый торсионный стержень, проигрывает при сравнении из-за требуемого «мертвого» пространства Для определения эффективности ударозащиты одним из основных динамических параметров, определяющих степень совершенства, проектируемой системы служит максимальный относительный ход защищаемого объекта
Одним из основных требований к системе виброударозащиты объектом должно быть то, что собственные частоты системы на упругом основании должны быть ниже наименьшей частоты, составляющей спектровозбуждающей силы. При этом особое внимание следует обратить на то обстоятельство, что собственные частоты подрессоренных и виброзащитных объектов находится в низкочастотной области наиболее опасной для здоровья операторов с точки зрения гигиенических норм и уровней воздействий на организм человека
Устройства для групповой защиты объектов от вибрации и ударов содержат ттругодемпфирующие элементы, реализующие различные виды «сухого» трения - конструкщюнные, внутренние, технологическое трение эйлерова типа
В первом случае демпфирующие свойства тросовых систем обусловлены проскальзывшшем проволочек и стренг, составляющих конструкцию самого троса Во втором случае демпфирующие свойства определяются потерями в материале проволок тросового элемента
