Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Системный анализ, моделирование и оценка динамических свойств постановка задач исследования 14
1.1. Задачи транспортной динамики 14
1.1.1. Задачи динамики подвижного состава 16
1.1.2. Особенности задач динамики 29
1.2. Общая характеристика вибрационных технологических процессов 31
1.3. Особенности функционирования вибрационных машин и устройств 35
1.4. Подходы к анализу и синтезу вибрационных полей 38
1.5. Оценка вибрационного состояния. Виброзащита, виброизоляция. Современные проблемы 54
1.6. Задачи и требования к виброзащитным системам 64
1.6.1. Структурные интерпретации задач виброзащиты и виброизоляции 67
1.6.2. Об особенностях использования управления движением 71
1.7. Постановка задач исследования 76
ГЛАВА 2. Основные подходы к выбору управляющих воздействий при формировании вибрационных полей 78
2.1. Исследование структуры вибрационного поля двухмерной модели 78
2.1.1. Силовое возбуждение вибрационного поля 78
2.1.2. Кинематическое возбуждение вибрационного поля 88
2.1.3. Силовое возбуждение вибрационного поля при наличии трения 91
2.1.4. Кинематическое возбуждение вибрационного поля при наличии трения 92
2.2. Возможности изменения свойств динамических систем с помощью управляющего воздействия 93
2.2.1. Система без трения 93
2.2.2. Учет сил трения .98
2.2.3. Классификация структур вибрационного поля 102
2.2.4. Вибрационное поле при пространственном возбуждении твердого тела 105
2.2.5. Условия декомпозиции пространственного вибрационного поля 118
2.3. Фазовая коррекция структуры вибрационного поля 120
2.3.1. Условия существования однородного вибрационного поля 120
2.3.2. Алгоритмы фазовой коррекции структуры вибрационного поля 124
2.3.3. Чувствительность фазовой коррекции 130
2.4. Выводы по главе 138
ГЛАВА 3. Дополнительные связи как средство управления динамическими свойствами виброзащитных систем 139
3.1. Динамические взаимодействия элементов гасителя колебаний 139
3.2. Механические фильтры вибраций на основе дополнительных инерционных элементов 147
3.3. Динамические характеристики гасителя при ударных воздействиях 150
3.4. Особенности динамики механических систем 153
3.4.1. Учет силовых факторов в устройстве с преобразованием движения 155
3.5. Центробежные силы в динамических гасителях 162
3.6. Гироскопические силы в динамических гасителях 166
3.6.1. Дифференциальные уравнения движения 168
3.6.2. Конструктивные особенности гасителя 169
3.7. Учет нелинейности упругих элементов 171
3.8. Сухое трение в паре скольжения 178
3.9. Виброзащитная система с упругими упорами 182
3.10. Уточненное частотное описание нелинейных систем виброзащиты 186
3.11. Виброзащитные свойства системы при случайных воздействиях 194
3.12. Выводы по главе 198
ГЛАВА 4. Учет конструктивных особенностей динамических гасистелей и систем с нетрадиционными дополнительными связями 199
4.1. Управляемые динамические гасители колебаний 199
4.2. Частотная настройка и поднастройка 206
4.3. Особенности управления гасителем крутильных колебаний 210
4.4. Управление свойствами динамического гасителя с преобразованием движения 221
4.5. Возможности подхода в анализе и синтезе виброзащитных систем на основе метода импедансов 223
4.6. Выводы по главе 229
ГЛАВА 5. Дополнительные связи в колебательных системах с несколькими степенями свободы и управление динамическим состоянием 231
5.1. Общие положения о введении дополнительных связей 231
5.1.1. Некоторые упрощения 233
5.1.2. Введение дополнительных связей 234
5.2. Оценка влияния дополнительных связей на динамические свойства виброзащитной системы при силовом возмущении 239
5.3. Введение дополнительных связей в двухмерных системах 242
5.3.1. Система координат х, (р 242
5.3.2. Силовое возмущение (координаты х, ф) 244
5.3.3. Дополнительные связи в системе координатх и ф 245
5.3.4. Обобщенные координаты^, х2 248
5.3.5. Введение дополнительных связей по ускорению 249
5.3.6. Силовое возмущение (координаты х, ф) 251
5.4. Подходы к рациональному конструированию опорно-осевой подвески 253
5.4.1. Режим динамического гашения колебаний 255
5.4.2. Оценка динамических свойств системы подвески в координатах х, ф 261
5.5. Выводы по главе 265
ГЛАВА 6. Пространственные системы. влияние дополнительных связей 266
6.1. Пространственная виброзащитная система с тремя степенями свободы 266
6.2. Многоопорная виброзащитная платформа 272
6.2.1. Математическая модель платформы 272
6.2.2. Угловые колебания платформ на жестком основании 276
6.2.3. Вертикальные колебания многоопорной платформы на упругих элементах 286
6.2.4. Пространственные колебания платформы на упругом основании 289
6.2.5. Изменение структуры вибрационного поля с помощи инерционных элементов 292
6.2.6. Условия инвариантности в системе с дополнительными инерционными элементами 294
6.3. Выводы по главе 297
ГЛАВА 7. Программное обеспечение в задачах разработки виброзащитных систем. измерение параметров вибрационного поля 298
7.1. Назаначение и состав пакета. Решаемые задачи 298
7.2. Системная и функциональная части 300
7.3. Описание серийных виброплощадок и технологии формования бетонных смесей 311
7.4. Описание аппаратуры, используемой при измерениях 316
7.5. Методика проведения экспериментов 322
Выводы 325
Список литературы 327
Приложение 338
- Оценка вибрационного состояния. Виброзащита, виброизоляция. Современные проблемы
- Вибрационное поле при пространственном возбуждении твердого тела
- Учет силовых факторов в устройстве с преобразованием движения
- Возможности подхода в анализе и синтезе виброзащитных систем на основе метода импедансов
Введение к работе
Современная техника предоставляет много примеров работы различных технических средств в условиях интенсивного динамического нагружения: повышается мощность двигательных установок, растут скорости движения рабочих органов. Вместе с тем, повышаются и требования к надежности функционирования машин, агрегатов, приборов и обеспечению безопасности деятельности человека-оператора. Наиболее наглядными в этом плане являются проблемы, связанные с эксплуатацией транспортных систем различного назначения, в частности, железнодорожного транспорта.
Большую роль в этом плане играют вибрационные процессы. С одной стороны, вибрации и удары, сопровождающие эксплуатацию оборудования и транспортных средств, заставляют вести разработку проблем виброзащиты, виброизоляции, нормирования и ограничения динамических воздействий применительно к человеку-оператору, оборудованию и приборам, железнодорожному пути [4, 146, 163]. С другой стороны, вибрационные процессы используются непосредственно в различных технологических процессах в промышленности и на транспорте, что стимулирует разработку подходов, позволяющих управлять вибрационным состоянием различных объектов, искать и разрабатывать разнообразные варианты конструктивно-технологических решений по обеспечению необходимого спектра динамических свойств.
Теории и практике транспортной динамики, защиты машин, оборудования, приборов и человека от действий вибрации и ударов посвящено достаточно большое количество трудов отечественных и зарубежных авторов. В разное время рассматривались различные аспекты этой проблемы, связанные с уточнением математических моделей, введением новых связей, в том числе на основе использования внешних источников энергии, применением элементов автоматики и подходов, опирающихся на методы теории автоматического управления, включая прямое управление с помощью средств вычислительной техники. Полученные результаты достаточно интересны и используются в инженерной практике.
Известно, что типовые средства виброзащиты имеют простые конструкции и надежны в работе, однако их возможности ограничены и часто не отвечают высоким требованиям по защите человека и машин от вибрации. В связи с этим, является естественным и вполне закономерным интерес исследователей к управляемым системам, имеющим в своем составе дополнительные связи, реализованные различными механизмами, с целью сохранения достоинств традиционных пассивных систем виброзащиты и существенного расширения их предельных возможностей.
Транспортные технические устройства в плане решения проблем защиты от вибраций и ударов являются сложными объектами. Прежде всего транспортные устройства, в силу их энергетической насыщенности сами выступают как генераторы возмущения широкого частотного диапазона. Кроме этого они находятся в динамическом взаимодействии с окружающей средой, способной проводить и рассеивать вибрации. Как показывает инженерная практика, ограничение большого числа параметров динамического взаимодействия не всегда является эффективным подходом. Более рациональным представляется подход, основанный на методах структурной декомпозиции объекта, выборе исходных моделей, отражающих основные энергетические и динамические свойства, моделирование поведения технических объектов при динамических воздействиях, что позволяет в дальнейшем детализировать задачу и искать ответ в классе реализуемых инженерно-технических решений.
Использование дополнительных связей и энергии специальных источников для изменения параметров системы защиты или формирование активного динамического противодействия приводит к дальнейшему развитию тех разделов динамики машин и теории автоматического управления, которые позволяют формировать воздействия в режиме реального времени.
Такой подход, в частности, развит автором на основе оригинальных предложений по фазовой коррекции структуры вибрационных полей объектов.
Современные теоретические и экспериментальные исследования позволяют существенно расширить наше представление о возможностях систем, спектре их физических свойств и границ упрощения моделей, обеспечивающих учет основных определяющих факторов влияния. Существенным моментом в области выбора и построения основной расчетной модели является разумное упрощение исходной схемы, если это не входит в противоречие с очевидными физическими представлениями.
Особенности рассматриваемых систем, а к ним относятся транспортные устройства, машины, агрегаты, оборудование, часто заключаются в том, что приходится принимать во внимание распределенный характер массо-инерционных и упругих параметров, что предполагает рассмотрение новых эффектов и физических процессов, соотносимых в дальнейшем с данными, полученными в экспериментах.
Решение обозначенных научно-технических проблем опирается и использует результаты разработок в области динамики машин, системного анализа, теории управления, динамического синтеза. Исследования последних лет показывают особое значение научно-методических подходов, основанных на построении расчетных моделей процессов, отражающих основные динамические свойства в сочетании с разумными упрощениями, позволяющими в целом обеспечить использование аналитических методов, дающих обобщенное представление о динамике объекта.
В целом, представленная работа может рассматриваться как методология развития процесса усложнения исходных моделей от одномерных к многомерным с редукцией до задач пространственной виброзащиты и виброизоляции, как определенный концептуальный подход, позволяющий на каждом этапе строить вполне обозримые модели в классе управляемых систем.
Последовательное изучение возможностей активных элементов и их систем в задачах управления колебаниями позволяет создать научно-методическую основу для применения современных методов теории систем автоматического управления и реализовать в расчетах методы динамического синтеза.
Комплексный характер решения задач виброзащиты и виброизоляции требует, как правило, при выборе вариантов конструкторско-технического исполнения разумных компромиссов, обеспечивающих увязку и учет основных физических свойств объекта.
Научная проблематика направления, связанного с транспортной динамикой, прочностью машин в последние годы претерпевает заметное развитие не только за счет привлечения новых технических идей, но и, благодаря интенсивному внедрению в инженерную практику информационных технологий, средств вычислительной техники. От рассмотрения отдельных динамических явлений и процессов наметилась вполне определенная тенденция к изучению вибрационных состояний объектов, формированию и исследованию вибрационных полей и способов управления сложными динамическими состояниями, что предполагает дальнейшее развитие системных методологических и научно-методических позиций.
В приложении к транспортным динамическим объектам общее представление о комплексном характере проблемы дают три уровня задач анализа и синтеза вибрационного состояния:
- силовое взаимодействие объектов защиты и пути;
- взаимодействие работающего оборудования в составе многосвязного объекта;
- поиск способов и средств снижения воздействий от вибрационных возмущений при защите оборудования, приборов и человека-оператора.
В связи с этим научную актуальность и значение приобретают вопросы, связанные с развитием методов структурной декомпозиции, разработкой системной идеологии подходов, основанных на использовании идей управлением движением объектов, оценкой и анализом их состояния. Развитие системных позиций в оценке вибрационного состояния объектов, изучение возможного спектра изменений путем введения дополнительных связей и средств управления, развитие методов динамического синтеза в обеспечении конструктивно-технологических решений в области пассивной и активной виброзащиты и виброизоляции является актуальным и современным направлением исследований.
Цель представленной диссертации заключается в разработке системной концепции и методов изменения динамических свойств механических колебательных систем, как моделей различных динамически нагруженных технических объектов, на основе управления их вибрацонным состоянием через введение и использование дополнительных связей активной и пассивной природы, а также формирование вибрационных полей определенного вида и структуры.
В качестве основных рассматриваются следующие задачи:
1. Уточнить и развить понятие вибрационных состояний и полей, формируемых вибрационными движениями объектов, исследовать типовые характеристики динамического состояния в классе базовых динамических моделей;
2. Предложить и разработать способы изменения структуры вибрационного поля, оперативного определения его параметров и формирования необходимых условий реализации на основе фазовой коррекции;
3. Предложить и разработать математический аппарат описания использования способов и средств изменения спектра динамических свойств колебательных систем введением дополнительных связей на основе устройств с преобразованием движения;
4. Развить методы динамического синтеза систем эффективного функционирования, предложить конструктивные решения, исследовать специфические свойства колебательных систем в режимах динамического гашения и действия центробежных сил;
5. Разработать математическое обеспечение для управления колебательными движениями в системах, содержащих технические устройства, реализующие активные управляемые воздействия в задачах виброзащиты и виброизоляции;
6. Разработать принципы построения комплекса математического, алгоритмического и программного обеспечения для задач проектирования, синтеза и расчета систем виброзащиты и виброизоляции в приложении к динамически нагруженным техническим объектам.
Научная новизна работы.
1. Предложены понятия вибрационных состояний и полей, формируемых вибрационными движениями объектов. Показаны и исследованы типовые характеристики математических моделей динамического состояния в классе базовых моделей.
2. Разработаны оригинальные способы и средства изменения широкого спектра динамических свойств колебательных систем путем фазовой коррекции и введения дополнительных связей, реализуемых техническими средствами пассивной и активной природы. Развиты методы динамического синтеза систем эффективного функционирования, предложены оригинальные конструктивные решения и исследованы специфические свойства колебательных систем в режимах динамического гашения и действия центробежных сил для систем вращательного типа с дополнительными связями.
3. Разработана концепция реализации системного подхода к анализу и оценке вибрационного состояния технических средств, в том числе, транспортных устройств, как сложных объектов виброзащиты и виброизоляции, на основе развития идей введения в структуру систем дополнительных связей пассивной и активной природы.
4. Развито математическое обеспечение для управления колебательными движениями в системах, содержащих технические устройства, реализующие активных управляющие воздействия в задачах виброзащиты и виброизоляции на основе технологий структурной декомпозиции, введения дополнительных связей, фазовой коррекции и управления по параметрам вибрационного состояния. Разработано комплексное математическое, алгоритмическое и программное обеспечение для задач проектирования, синтеза и расчета систем виброзащиты и виброизоляции в приложении к динамически нагруженным техническим объектам.
Практическая значимость работы.
Разработана концепция и соответствующие средства для системного подхода в задачах проектирования, анализа и синтеза виброзащитных систем для сложных технических объектов, на основе введения и использования дополнительных связей пассивной и активной природы. Создано научно-методическое обеспечение для широкого класса инженерно-технических решений прикладного характера по защите объектов от вибрации и ударов.
Результаты разработок проведенных в рамках научно-исследовательских программ АН СССР, Министерства образования и отраслевых министерств РФ, вошли в пакет прикладных программ ВИЗА (Гос ФАЛ, ВНИТИ). Отдельные результаты внедрены и были использованы в инженерной практике на предприятиях: ЦКБ «Фотон» (г. Казань), ЦНИИ им. С. Крылова (Санкт-Петербург), Казанский оптико-механический завод, СУ «Востоксибстрой», НИАТ МАП и др. Совместные научно-исследовательские разработки проводились также с Сибирским отделением ВНИИЖТ (г. Иркутск), результаты внедрены и используются в технических службах Восточно-Сибирской железной дороги. Внедрение результатов исследований связано также с решением ряда конкретных инженерно-технических проблем защиты оборудования от вибраций и ударов на предприятиях Сибири.
Работа выполнялась согласно;
- плана совместных работ МАП СССР и СО АН СССР в области вычислительной техники на 1979-1985 гг.;
- плана НИР АН СССР по фундаментальным проблемам машиностроения (постановление Президиума АН СССР № 642 от 21.05.86) по разделам «Разработать методы автоматизированного проектирования виброзащитных систем» и «Разработать пакеты прикладных программ по оценке динамических свойств механических колебательных систем»;
- проблемно-тематического плана многостороннего научного сотрудничества Академий наук социалистических стран на 1986-1990 гг. по проблеме «Научные основы механики машин, конструкций и технологических процессов» (тема IV);
- координационной программе на 1985-1990 гг. «Инерционно-импульсные системы»;
- планам НИР ИрГУПС (1992-2006 гг.).
Апробация работы. Основные результаты работы доложены, обсуждены и получили положительную оценку на международных и научно-технических конференциях в России и за рубежом (более 30), в том числе на:
IV Всесоюзной научно-технической конференции «Механические управляемые системы» (Иркутск, 1982);
IV Всесоюзной конференции «Оптимальное управление в механических системах» (Москва, 1982);
I и II Всесоюзной научно-технической конференции «Ударные процессы в технике» (Николаев, 1983, 1984);
II Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике (Ташкент, 1986);
семинаре ГКНТ по проблеме «Виброзащита машин и вибрационная техника для Урала, Сибири и Дальнего Востока» (Томск, 1987);
VIII Международной конференции «Применение ЭВМ в технике и управление производством» (Москва, 1987);
I и II Всесоюзных конференциях по конструкторско-технологической информатике (Москва, 1987, 1989);
IV Всесоюзном координационном совещании по САПР (Минск, 1988);
V Международной конференции по автоматизации конструирования САПР- 88 (Пловдив, 1988);
VIII Сибирской школе по пакетам прикладных программ (Иркутск, 1989); зональных научно-методических совещаниях-семинарах по ТММ вузов республик Прибалтики, Белоруссии и Калининградской области (Рига, 1990-1991); на семинаре в Рижском политехническом институте (Рига, 1986);
межвузовской научно-технической конференции, посвященной 160-летию отечественных железных дорог и 100-летию железнодорожного образования в Сибири (Омск, 1998);
Международной научно-технической конференции «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири» (Иркутск, 1998);
региональной научно-практической конференции «Транссиб-99» (Новосибирск, 1999);
IV региональной научно-практической конференции «Интеллектуальные и материальные ресурсы Сибири» (Иркутск, ИГЭА, 2001);
IV научной конференции «Нелинейные колебания механических систем» (Нижний Новгород, НГУ, 2002);
Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы высшей школы» (Петропавловск, ПТУ, 2002);
Международной конференции «Математика, ее приложения и математическое образование» (Улан-Удэ, ИМАШ-РАН-ВСГТУ, 2002);
V Международной научно-практической конференции «Проблемы транспорта Дальнего Востока» (Владивосток, ДВО Российской академии транспорта, 2002);
IV Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития железнодорожного транспорта» (Самара, СамГАПС, 2003);
Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы надежности технологических, энергетических и транспортных машин» (Самара, СГТУ, 2003);
II Международной конференции «Проблемы механики современных машин» (Улан-Удэ, ИМАШ-РАН-ВСГТУ, 2003);
II Международном симпозиуме «Eltrans-2003» (С-Пб, СПГУПС, 2003);
VIII Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 2003);
научно-технических конференциях и семинарах ОАТФ ИФ СО РАН, ИрГ-ТУ, ИрГУПС, АГТА и других организаций (1985-2004).
В заключение автор хотел бы выразить благодарность научному консультанту профессору Хоменко А.П. и профессору Елисееву СВ. за поддержку и постоянный интерес к исследованиям.
Оценка вибрационного состояния. Виброзащита, виброизоляция. Современные проблемы
Решение задач по обеспечению железнодорожных перевозок требует значительного увеличения скоростей движения и веса поездов, повышения интенсивности использования подвижного состава (ПС) и создания новых, более совершенных конструкций вагонов и локомотивов. Поскольку интенсивность вибрации и ударов ПС, опасность схода его с рельсов и воздействия на путь возрастают с увеличением скорости движения, дальнейшее развитие транспортных средств связано с повышением требований к динамическим свойствам ходовых частей. Создание амортизационных средств, обладающих ограниченными размерами и весом, а также обеспечивающих безопасность движения, является достаточно сложной технической задачей и требует развития системных подходов к оценке ситуации, если иметь в виду рассмотрение вопроса с более широких позиций, привнося в рассмотрение идеи, основанные на представлениях о формировании вибрационных состояний и изменения последних путем введения различных связей.
Существенно нелинейные упругие и диссипативные элементы в ходовой части, специфические процессы в зоне контакта колеса с рельсом, сопровождающие качение колеса, нелинейный профиль зоны качения колеса - все это приводит к тому, что колебания ПС описываются системой нелинейных дифференциальных уравнений высокого порядка. Сложность многомерных нелинейных стохастических динамических систем, каковыми являются локомотивы и вагоны, разнообразие условий их функционирования определяют необходимость системного подхода к решению задач анализа и синтеза с широким применением средств информационных технологий и моделирования, построенных на использовании упрощенных базовых расчетных моделей, отражающих основные свойства объектов.
К настоящему времени в области механики железнодорожного транспорта изучены многие вопросы колебаний упругоподвижных частей экипажей, разработаны способы предварительной оценки динамических качеств ПС на стадии проектирования [14, 126]. При создании ходовых частей ПС железных дорог используются как общие вопросы теории виброзащиты человека-оператора при случайных воздействиях, так и основные аспекты виброзащиты транспортных машин (автомобилей и тракторов) при реальных возмущениях, изложенные в работах А.А. Силаева, Р.И. Фурунжиева [166], Н.Н. Яценко [180] и многих других.
Подвижной состав железных дорог представляет собой своеобразный динамический объект. Возбуждение колебаний этой динамической системы обусловлено не только чисто кинематическими возмущениями, возникающими при качении колес по рельсам, но и инерционными возмущениями, обусловленными работой агрегатов, что в целом формирует достаточно сложную картину вибрационного состояния объекта.
Системная методология в изучении сложного спектра задач динамики подвижного состава, развития обобщенных представлений о техническом состоянии объектов железнодорожной техники и технических систем вообще нашли отражение в работах российских ученых В.А. Лазаряна, Б.В. Меделя, Т.А. Тибилова, А.А. Хохлова, Н.П. Пахомова, О.В. Грачевой, А.В. Камаева, М.Ф. Вериго, И.И. Галиева, Е.Е. Коссова, В.Д. Хусидова, А.П. Хоменко, СИ. Куценко, И.И. Челнокова и др.
Системные подходы дали толчок развитию структурных методов исследования, в которых управление объектом стало определяться на основе технологии обработки информации [35, 79, 110]. Технические системы (ТС) и железнодорожная техника, в частности, развиваются по пути учета комплексного, многостороннего взаимодействия разных факторов, нестационарности параметрических и внешних воздействий, выделения и детализации форм обратных связей (ОС), перевода управления в среду программных и информационных разработок.
Методы теории автоматического регулирования и управления связями имеют серьезное влияние не только на проблематику в области динамики подвижного состава и на широкий класс задач виброзащиты и виброизоляции технических объектов (ТО), но и на разработку общеметодических подходов, в которых использование обратных связей обеспечило существенное продвижение по улучшению динамического качества технических объектов транспортных систем.
Указанные выше обстоятельства предопределяют развитие системных концепций, особенностью которых является анализ вибрационного состояния сложного технического объекта (локомотива или вагона), находящегося во взаимодействии с путевой средой и работающим оборудованием [102, 126]. В связи с этим большое значение приобретают вопросы, связанные с возможностями управления вибрационным состоянием объекта, выбором средств и методов виброзащиты и виброизоляции.
Исследования проблемы снижения уровня динамического состояния элементов системы подвижной состав - рельсовый путь показывают, что эффект достигается, в первую очередь, за счет снижения величины сил, действующих от колес подвижного состава на железнодорожный путь, и уменьшения динамической составляющей осевой нагрузки. Улучшение динамических качеств достигается в основном разработкой и применением новых технических решений экипажной части подвижного состава.
В экипаже можно выделить несколько составных элементов, изменение которых существенно отражается на динамических качествах подвижного состава: рессорное подвешивание, связи буксы с рамой тележки и рамы тележки с главной рамой, подвешивание тяговых двигателей. Изучение процессов взаимодействия пути и подвижного состава является важнейшим условием развития железнодорожной техники в целом. В силу сложности состояния объекта, и это подтверждается практикой, получили развитие различные подходы, основанные на упрощениях, применении физических моделей в виде колебательных систем, совершающих более простые движения. Так, общепринято рассматривать независимо друг от друга колебания надрессорного строения в продольной вертикальной плоскости, необрессоренных масс в вертикальной плоскости и т.д., хотя, безусловно, связность колебаний имеет место. В настоящее время существуют разные подходы и различные математические модели колебаний ПС в продольной вертикальной плоскости. Весьма показательны в этом плане работы В.А. Камаева [102]. Характерные особенности расчетных схем, которые используются при исследовании колебаний надрессорного строения, представлены в Табл. 1.1. При этом расчетные схемы можно условно разбить на семь уровней (I—VII) и из них формировать необходимые математические модели, соответствующие изучаемому объекту. Уровень I связан с задачами виброзащиты людей и оборудования. Для этой цели широко применяют амортизацию кабин и силового оборудования локомотивов и специальных вагонов; виброизолирующие сидения. Схему 1.1 используют при расчете колебаний локомотивов, особенно для выявления спектра сил в местах установки виброамортизаторов; тоб//ик«1, где то6 - масса оборудования (двигатель, агрегаты, кабина); тк — масса кузова. Схему 1.2 часто используют в автомобилестроении, поскольку она позволяет учитывать частотные характеристики тела человека (здесь т{ — масса головы). Схема 1.3 применяется при необходимости учета упругости стенок кабины для оценки спектра звуковых частот.
Вибрационное поле при пространственном возбуждении твердого тела
По схеме VI. 1 представляют колесную пару как безынерционное тело, катящееся без проскальзывания по рельсам, что бывает полезно при анализе динамики надрессорного строения ПС, который заведомо устойчив в малом. По схеме VI.2 представляют колесную пару как инерционное тело, имеющее силовой контакт с рельсом. Такая схема наиболее распространена в современных расчетах горизонтальных колебаний ПС. По схеме V1.3 колесную пару представляют как совокупность абсолютно жестких тел с квазиупругими связями. При изучении динамики ПС с опорно-осевой подвеской тяговых двигателей разделение масс колесной пары и навешенных на нее деталей позволяет более точно учесть детали процессов. При расчетах по схеме VI.4 инерционные параметры тележки приводят к параметрам эквивалентной колесной пары, что позволяет использовать гипотезу о синфазности колебаний всех колесных пар. Уровень VII. По схеме VII. 1 предполагают линейную зависимость горизонтальных сил Р в контакте колеса и рельса от скольжения колесной пары относительно рельса. Установлено, что значительное влияние на устойчивость системы (в малом) оказывает величина коэффициента кпс псевдоскольжения, определяющего угол наклона кривой Р =f(s) к оси абсцисс. В случае линеаризации нелинейного значения Де) величина коэффициента должна уменьшаться с увеличением амплитуд колебаний колесных пар. Важно и соотношение значений коэффициентов кпс в продольном и поперечном направлениях. По схеме VII.2 предполагается нелинейная зависимость силы в контакте колеса и рельса от скорости и направления скольжения, что используется при моделировании движения в переходных кривых участках пути. По схеме VTI.3 в отличие от предыдущей предполагают зависимость силы в контакте колеса с рельсом от нагрузки на колесо, что позволяет учитывать взаимосвязь вертикальных и горизонтальных колебаний. В схеме V1I.4 учитывается уменьшение силы в контакте колеса и рельса после начала «чистого» скольжения.
Уровень VIII. Геометрическая форма поверхности контакта колесной пары и рельса имеет важное значение. В схеме VIII. 1 предполагается, что конич-ность колеса по кругу катания постоянна. Такая идеализация приводит к так называемой двухточечной схеме касания колеса и рельса. При этом подразумевается, что вторая точка касания появляется при набегании гребня на рельс. В принятой схеме силы и моменты, возникающие от веса ПС, не входят в общие уравнения динамики. На практике равенство коничности в контакте левого и правого колес при движении постоянно нарушается, что является дополнительным возмущающим фактором.
По схеме VIII.2 предполагают криволинейное очертание поверхности контакта колеса и рельса. Такая идеализация приводит к одноточечной схеме контакта. При этом в общих уравнениях динамики колесной пары значение имеют члены, учитывающие вес, приходящийся на колесную пару, что создает стабилизирующую силу и дестабилизирующий момент.
Уровень IX. По схеме IX. 1 представляют рельс как абсолютно жесткое тело. При этом в момент касания гребня колеса рельс превращается в безынерционный, абсолютно упругий ограничитель. Схема IX.2 отличается тем, что упругость рельса моделируется как при движении в пределах зазора 2Ь, так и при набегании гребня на рельс. В результате учета податливости рельсов повышается степень устойчивости движения ПС. По схеме IX.3 рельс принимают как одиночную массу, соединенную при помощи упруговязких пружин с жесткими опорами. Набегание гребня на рельс моделируется нелинейностью типа зоны нечувствительности. Такой подход позволяет более точно описать динамику ходовой части ПС.
По схеме IX.4 путь рассматривается как континуум, что позволяет учитывать колебания соседних колесных пар. При этом важной является оценка влияния набегающего колеса на поворот головки рельса под соседними колесами, так как изменение наклона рельса может резко менять положение пятна контакта.
Основным выводом по представленным материалам является то обстоятельство, что изучение динамических процессов в сложных технических системах, так или иначе, основано на работе с математическими моделями, имеющими приемлемую размерность (плоские движения, движения твердого тела в пространстве). В связи с этим особое внимание должно быть уделено расширению наших представлений о спектре возможностей применения динамических свойств объекта в заданных условиях, в тех интерпретациях расчетных схем, которые отражают всевозможные связи в процессах, и показывают влияние тех или иных средств на изменение общей картины колебаний.
Очевидно, что вибрационное состояние ПС формируется комплексным динамическим взаимодействием пути, экипажа и составных частей последнего. Возникающие динамические нагрузки снижают безопасность движения, надежность работы оборудования и часто создают неприемлемые условия для функционирования аппаратуры и деятельности машиниста локомотива. В связи с этим вопросы, связанные с разработкой и исследованием эффективных средств и методов виброизоляции, управлением вибрационным состоянием технических объектов по-прежнему относятся к актуальным направлениям исследования. Таким образом, в зависимости от цели анализа ПС как колебательной системы или оптимизации тех или иных конструктивных параметров его расчетные схемы (математические модели процесса) можно видоизменять в широких пределах. Отметим, что неоправданное усложнение расчетной схемы увеличивает не только трудности анализа ее и синтеза, но и вероятность возникновения повышенных погрешностей при численных методах анализа.
Использовав уравнения Лагранжа 2-го рода, можно получить дифференциальные уравнения малых колебаний ПС относительно положения статического равновесия. Расчетная схема восьмиосного ПС приведена на Рис. 1.1. Преимущество этой схемы состоит в том, что при минимальных упрощающих предпосылках ее можно трансформировать в схемы для расчета современного четырех-осного и шестиосного ПС с индивидуальным подвешиванием [102].
При составлении дифференциальных уравнений колебаний принимаются следующие основные допущения: малые колебания относительно положения статического равновесия; ПС представляет собой систему из 15 инерционных твердых тел, соединенных между собой безинерционными упругодиссипа-тивными связями (кузов, две промежуточные балки, четыре рамы двухосной тележки, восемь осей с приведенной массой пути); возмущающие воздействия от обеих рельсовых нитей считаются одинаковыми, в связи с этим не рассматриваются колебания колесных пар относительно координатной оси х (см. Рис. 1.1).
Учет силовых факторов в устройстве с преобразованием движения
Описанный метод дает возможность определять колебания экипажа, если возмущающее воздействие представлено не только отдельными гармоническими функциями, но и рядом Фурье, где выражение (1.6) называется передаточной функцией (ПФ) системы и имеет в соответствии с аналитической записью исходного уравнения структурную интеграцию в виде эквивалентной в динамическом отношении системы автоматического управления. Этот подход будет использован в дальнейших исследованиях.
Таким образом, если известна ПФ системы W(p) и F(p) - преобразование Лапласа для возмущающей функцииДґ), то функцию x(f), описывающую колебания системы на ее выходе, легко получить обратным преобразованием Лапласа: Отсюда следует возможность получения функций, описывающих течение во времени различных видов колебаний колесных пар, тяговых двигателей, рам тележек и кузова экипажа, если известны его передаточные функции и функции, описывающие возмущающие воздействия на экипаж.
До сих пор нами рассматривалась линейная устойчивая динамическая система, на которую возмущающие воздействия проходили через один «вход» и у которой был один выход. Реальный железнодорожный экипаж представляет собой многомассовую динамическую систему со многими входами и выходами. Число входов в динамическую систему равно числу источников возмущающих воздействий, а число выходов зависит от того, сколько функций колебаний элементов экипажа необходимо получить в результате решения. Проясним положение примерами.
Если, например, в изучении поведения экипажа при его движении по неровностям пути учитывать раздельно неровности в продольном направлении правого и левого рельса и считать, что под все колеса тележек по одному рельсу попадает одна и та же неровность (с учетом времени запаздывания), то динамическая система имеет два входа. При этом возможно в результате решения получать колебания подпрыгивания z(t), галопирования %(/) и боковой качки q (f), т.е. иметь три выхода. Если же, помимо описанных выше неровностей рельсов в вертикальной плоскости учитывать неровности в горизонтальной плоскости, считая их различными, то система будет иметь четыре входа. Число входов значительно возрастает, если учитывать, что под каждое колесо экипажа попадают отличающиеся и по значению, и по форме возмущающие воздействия неровностей пути. Из этого следует, что ПФ и ЧХ линейной устойчивой системы существенно зависят от числа ее входов и выходов [13, 77].
Если отметить развитие идей в их последовательном изложении, то в работе [105] впервые в исследовании динамики транспортных средств для получения АЧХ, ФХ, ПФ к системам дифференциальных уравнений движения экипажа применено преобразование Лапласа и исследовано влияние различных параметров на эти характеристики. В работе [119] использован аналогичный метод для исследования динамики вагонов, движущихся по железнодорожному пути, при этом получены выражения ПФ для симметричной обрес-соренной системы вагона для колебаний подпрыгивания, галопирования, боковой качки.
Расчетные схемы локомотивов имеют тот же порядок сложности, что и расчетные схемы вагонов. Отличие заключается в том, что большое влияние на динамику ПС в целом оказывает наличие тяговых двигателей, которые являются активными элементами сложной системы. Хотя существуют и развиты методы оценки динамического состояния при использовании сложных моделей, многие разработки построены на упрощении исходных моделей, приведении их к системе с одной, двумя или тремя степенями свободы с отработкой предлагаемых нововведений в более простых ситуациях. Важным является использование принципиальных возможностей математического аппарата. В этом отношении очень полезны понятия передаточной функции и частотных характеристик.
Тяговый двигатель локомотива, как показывает практика, может рассматриваться в первом приближении как колебательная система с двумя степенями свободы и в такой постановке является основой для изучения возможностей в применении новых подходов и поиске новых конструктивно-технических решений.
Рассмотрение тягового двигателя как элемента механической системы ПС приводится в ряде работ [14, 126, 139] и предполагает комплексный характер его динамического взаимодействия. Двигатель испытывает возмущение со стороны рельсового пути, передает эти воздействия на экипаж, с другой стороны, сам является виброактивным элементом, генерируя вибрации, вызванную работой зубчатых передач. Все эти факторы в совокупности определяют специфику задач транспортной динамики.
Отметим в развитие выше сказанного, что теоретические и экспериментальные исследования в области динамики ПС проводились в последние годы достаточно интенсивно, их результаты представлены в трудах И.В. Бирюкова, Е.П. Блохина, Ю.П. Бороненко, Н.Г. Васильева, М.Ф. Вериго, СВ. Вертинского, Р.Ф. Ганиева, Л.О.Грачевой, А.А. Камаева, В.А. Лазаряна, М.П. Пахомова, Я.М. Певзнера, М.М. Соколова, Г.А. Тибилова, А.А. Хохлова, И.И. Челнокова и других.
Сравнительный обзор показывает, что намеченная проблема носит общий характер, свойственный не только для ПС железных дорог, но и для других транспортных средств. Особенностью таких объектов является то, что их вибрационное состояние формируется при взаимодействии с внешней средой, с работающим оборудованием.
Разработка концепции системного подхода, опирающейся на комплексную оценку динамики вибрационного состояния, предполагает применение средств активного управления и учет возможностей его технической реализации.
Спецификой железнодорожного транспорта является также и то, что вибрационные процессы как технологические процессы используются на практике в очень широких масштабах, что формирует интерес к более общим постановкам задач исследования. Анализ показывает, что расчетные схемы многих технологических процессов в железнодорожной и других промышленных отраслях имеют много общего и, по существу, построены на тех же моделях, которые приведены в Табл. 1.1 и 1.2.
Возможности подхода в анализе и синтезе виброзащитных систем на основе метода импедансов
В эксцентриковых вибровозбудителях [70, 143, 158] вращательное движение вала преобразуется в колебательное с помощью шатуна, связанного с рабочим органом вибромашины. Такие приводы используют в низкочастотных резонансных вибромашинах, работающих с частотой до 25 Гц. При большом числе колебаний эти приводы не применяются, поскольку существенно возрастает нагрузка на подшипники.
Инерционные вибровозбудители [1, 12, 23, 31, 45, 128, 136, 137, 147, 148, 151] - наиболее распространенный тип привода вибромашин. В них вынуждающая сила создается вследствие вращения одной или нескольких неуравновешенных масс-дебалансов. Они подразделяются на вибровозбудители со встроенным электродвигателем (электромеханические вибраторы) и с выносным электродвигателем. Последние в свою очередь могут быть одновальными (де-балансными) и двухвальными (самобалансными) вибровозбудителями.
Существенным преимуществом инерционных вибровозбудителей является возможность получения значительных вынуждающих сил при небольших габаритах и массе привода. Их применение в низкочастотных вибромашинах нецелесообразно, так как в этом случае значительно увеличивается масса дебаланса, а при частотах свыше 25 Гц существенно возрастают нагрузки на подшипники (вынуждающее усилие пропорционально квадрату частоты).
Для высокочастотных вибромашин, работающих при небольших амплитудах колебаний, наиболее приемлемы электромагнитные вибровозбудители [24,29, 71, 72,167]. По своему принципиальному устройству электромагнитные вибровозбудители представляют наиболее простой вид привода. Если в большинстве типов приводов происходит преобразование вращательного движения вала электродвигателя в возвратно-поступательное движение рабочего органа машины, то в электромагнитных вибровозбудителях необходимое возвратно-поступательное движение достигается без применения каких-либо промежуточных механизмов. Электромагнитные вибровозбудители не имеют узлов, в которых есть трение скольжения или качения, нет подшипников, подверженных высоким динамическим нагрузкам. Они легко обеспечивают плавное регулирование вынуждающей силы. Однако несмотря на отмеченные преимущества область их применения ограничена и, в первую очередь, из-за режима вибрации, который обеспечивают эти приводы: большая частота - малая амплитуда. Кроме того, электромагнитные вибровозбудители обладают большой массой, сложны в регулировании и требуют повышенной точности монтажных работ.
Пневматические вибровозбудители [31, 44] как и электромагнитные, целесообразно применять для высокочастотных вибрационных машин, например, если требуется их взрывобезопасность. Они просты по конструкции, однако их работа сопровождается значительным шумом.
Гидравлические вибровозбудители [11, 22, 25, 31, 70, 158] позволяют создавать вынуждающие усилия при больших амплитудах и при этом имеют весьма компактную конструкцию, допускают сравнительно простое регулирование режима работы. Их недостатками следует считать более сложную конструкцию, нагрев и утечки рабочей жидкости. Среди вибрационных машин наиболее широкое применение в народном хозяйстве получили виброконвейеры и питатели. Основными преимуществами виброконвейеров являются возможность транспортирования грузов в условиях полной изоляции от окружающей среды, вследствие чего исключается ее загрязнение транспортируемыми материалами, обеспечивается изоляция грузов от движущихся частей конвейера, малый износ рабочего органа, сравнительная простота конструкции и высокая надежность. Важная особенность виброконвейеров - возможность совмещения процесса транспортирования с технологической обработкой перемещаемого груза, например, сушкой, классификацией, гранулированием, обеспыливанием. Основные факторы, определяющие целесообразность применения того или иного типа виброконвейера следующие [158]: 1) обеспечение безопасности труда; 2) физико-механические и химические свойства транспортируемых грузов; 3) простота осуществления автоматизации работы; 4) совмещение технологических процессов с одновременным перемещением груза. На ряде предприятий атомной, горной, химической, металлургической, цементной и других отраслей промышленности, где производится перемещение радиоактивных, пылящих, ядовитых и газирующих материалов, виброконвейеры в герметичном исполнении оказываются во многих случаях наиболее рациональным видом транспорта, обеспечивающим безопасные условия труда для обслуживающего персонала. Вибротранспорт оказывается целесообразным при перемещении высокоабразивных, горячих и других агрессивных материалов, так как принцип его работы и конструктивное выполнение, с одной стороны, обусловливают низкую интенсивность изнашивания рабочего органа и, с другой, позволяют принимать в особых случаях специальные меры, такие как установка охлаждающих рубашек, применение защитных покрытий и пр. Вибрационными конвейерами можно перемещать как насыпные, так и штучные грузы. Насыпные грузы по гранулометрическому составу весьма различны, начиная от мелкодисперсных (с размером зерна в пределах 10 мкм) и кончая весьма крупнокусковыми (превышающими в поперечнике 1 м).
Основным элементом автоматизации вибрационных транспортирующих устройств является автоматическое регулирование их производительности или режима перемещения транспортируемого материала. В транспортно-техноло-гических вибрационных машинах — виброохладителях или вибросушилках — может автоматически регулироваться режим транспортирования (скорость перемещения, интенсивность подбрасывания материала и т.д.) в соответствии с ходом процесса сушки или охлаждения.
Вибрационный транспорт представляет большие перспективы в отношении создания комбинированных транспортно-технологических установок. В таких установках в процессе перемещения груза осуществляются его сушка, охлаждение, рассев, обезвоживание и т.п.
Производство многих строительных работ в настоящее время немыслимо без использования вибрационных машин. Номенклатура работ в строительстве, которые выполняют с применением вибрационных машин и устройств, весьма обширна и многообразна. Очень широко используются вибрационные уплотнительные машины, поверхностные и глубинные вибрационные устройства. Большинство основных технологических и вспомогательных процессов связано с воздействием вибрации на насыпные грузы, бетон, грунты.
Наибольшее число экспериментальных и теоретических исследований выполнено в области теории вибротранспортирования. К настоящему времени трудами многочисленных исследователей создана теория вибрационного перемещения. Имеется несколько монографий [17, 24, 69, 71, 73, 118, 158], в которых описаны вибрационные явления и машины и содержится физико-математический анализ процессов вибрационного перемещения. Наиболее полной является книга И.И. Блехмана и Г.Ю. Джанилидзе [17], в которой изложена теория движения частицы по шероховатой поверхности, совершающей прямолинейные гармонические колебания; рассмотрены точные и приближенные методы решения задач.
В настоящее время большинство железобетонных конструкций изготовляется вибрационным уплотнением бетонных смесей. Наиболее характерным оборудованием для уплотнения бетона являются виброплощадки, на которых, по подсчетам ВНИИСстройдормаша, формируется более 80 % всей номенклатуры сборных железобетонных изделий. Самые скромные успехи в этом направлении могут привести к получению существенной экономии цемента, повышению качества и снижению стоимости продукции, улучшению условий труда рабочих.
