Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ мирового опыта создания и исследования средств виброзащиты машин с упругодемпфирующими элементами регулярной структуры 11
1.1. Анализ мирового опыта конструирования средств виброзащиты машин с упругодемпфирующими элементами регулярной структуры (с тросовыми элементами, с пакетами стержней и лент) 13
1.2. Классификация цельнометаллических виброизоляторов с регулярной структурой упругодемпфирующих элементов 34
1.3. Анализ опубликованных материалов по теоретическому и экспериментальному исследованию многослойных виброизоляторов с регулярной структурой упругодемпфирующих элементов 38
1.4. Выводы по результатам анализа опубликованных материалов и постановка задачи исследований 47
2 Разработка новых конструктивных схем и технологий производства виброизоляторов с регулярной структурой упругодемпфирующих элементов 49
2.1. Разработка новых конструктивных схем тросовых виброизоляторов 49
2.2. Разработка новых конструктивных схем цельнометаллических виброизоляторов с многослойными пакетами пластин и стержней 60
2.3. Разработка виброизоляторов конструкционного демпфирования с управляемыми упругодемпфирующими характеристиками 78
2.4. Разработка новых конструктивных схем опор роторов с упругодемпфирующими элементами на базе металлических тросов и многослойных пакетов... 90
3 Теоретическое исследование упругодемпфирующих элементов виброизоляторов с регулярной структурой и создание математических моделей их нагружения 97
3.1. Теоретическое исследование обобщенных параметров трения в элементах виброизоляторов с распределенным демпфированием 97
3.2. Теоретический анализ правомерности использования общеизвестных гипотез конструкционного демпфирования в задачах о деформировании элементов виброизоляторов с регулярной структурой 105
3.3. Расчетное исследование связи обобщенной силы трения и жесткости криволинейных элементов виброизоляторов 114
3.4. Теоретическое исследование жесткостных характеристик типовых форм упругих элементов виброизоляторов с применением конечно-элементных моделей 118
3.5. Разработка общей схемы создания математических моделей виброизоляторов с регулярной структурой упругодемпфирующих элементов с примерами ее реализации 128
3.6. Теоретическое исследование особенностей гистерезиса многослойных виброизоляторов при сложных законах их деформирования в виде замкнутых траекторий 134
3.7. Выводы 144
4 Экспериментальное исследование обобщенных характеристик многослойных виброизоляторов и их элементов различной структуры 146
4.1. Экспериментальное исследование обобщенных параметров трения в прямолинейных тросовых элементах 146
4.2. Экспериментальное исследование обобщенных параметров трения в криволинейных элементах тросового и ленточного типов 154
4.3. Анализ результатов сравнения расчетно-теоретических и экспериментальных нагрузочных характеристик виброизоляторов различного типа 158
5. Использование результатов исследования и разработанных средств виброзащиты в народном хозяйстве 159
5.1. Описание разработок, использующихся в ракетно-космической технике 159
5.2. Внедрение результатов исследований и созданных средств виброзащиты в транспортном машиностроении 163
5.3. Использование созданных автором программ и методик расчета характеристик виброизоляторов с регулярной структурой в учебном процессе вуза 165
5.4. Перспективы дальнейших исследований 166
Основные результаты и выводы 168
Список использованной литературы 170
- Классификация цельнометаллических виброизоляторов с регулярной структурой упругодемпфирующих элементов
- Разработка виброизоляторов конструкционного демпфирования с управляемыми упругодемпфирующими характеристиками
- Расчетное исследование связи обобщенной силы трения и жесткости криволинейных элементов виброизоляторов
- Анализ результатов сравнения расчетно-теоретических и экспериментальных нагрузочных характеристик виброизоляторов различного типа
Введение к работе
В 50 - 60 годах прошлого века при разработке авиационной и космической техники были заложены основы науки, использующей явление рассеяния энергии вследствие действия сил трения в условно неподвижных соединениях типа прессовых, заклепочных, резьбовых, шлицевых и др. В данных соединениях зависимость нагрузка - перемещение оказывается неоднозначной. Она была названа конструкционным гистерезисом, а явление рассеяния энергии вследствие действия сил трения в соединениях, как и сама наука, занимающаяся изучением этого явления, - конструкционным демпфированием.
Заметный интерес к проблеме конструкционного демпфирования внесли работы В.Л. Бидермана [1], Д.Н. Решетова и З.М. Левиной [2], A.M. Сойфера [3-5], A.M. Сойфера и В.П. Филекина [6], Yamada Yoshikazu [7], Yu [8], в которых содержались интересные опытные данные, убедительно подтверждающие первостепенное значение этой проблемы в повышении надежности и долговечности машин, работающих в условиях интенсивных вибраций.
Мощным толчком к развитию науки о конструкционном демпфировании явились теоретические работы, безусловно, явившиеся результатом потребности практики в управлении вибрационным состоянием машин. В первую очередь это относится к работам Пиана и Халловелла [9 - 11], Гудмана и Клампа [12], Я.Г. Пановко и Г.И.Страхова [13 - 18], Н.Ф. Карпачева [19], Н.Г.Калинина и Ю.А.Лебедева [20] и многих других ученых.
Опубликованным в работах [9 - 20] решениям задач конструкционного демпфирования свойственны следующие два основных допущения: материал элементов соединений предполагается совершенно упругим, а для фрикционных свойств контактных поверхностей принимается закон сухого трения в постановке Леонардо да Винчи [21]. Кроме того, описание напряженного и деформированного состояний элементов соединения существенно упрощается кинематическими и статическими гипотезами, обычными для решения задач методами сопротивления материалов и прикладной теории упругости:
гипотезой о малости перемещений точек, например, при изгибе, по сравнению с длиной стержня (балки, арки) и радиусом его начальной кривизны;
гипотезой о независимости опорных реакций (сил и моментов) от значений искомых перемещений;
гипотезой о независимости внутренних силовых факторов (изгибающих моментов, перерезывающих и продольных сил) от степени деформирования упругих элементов.
В некоторых научных статьях указывается, что в основу теоретического расчета того или иного объекта конструкционного демпфирования заложена еще одна гипотеза - о независимости скорости циклического деформирования на величину рассеиваемой энергии. На наш взгляд, эта гипотеза, хотя и правильна, но ее применение не совсем корректно: ни в упругой характеристике материала соединения, ни во фрикционной характеристике параметр времени никак не участвует. С такой же степенью корректности можно считать, что в задачах конструкционного демпфирования используется гипотеза о независимости всех выходных параметров (среднециклической жесткости, коэффициента поглощения, рассеянной энергии): от солнечной радиации, гравитации и т.д.
Следует отметить, что наука о конструкционном демпфировании возникла практически в «докомпьютерную» эпоху. Так что перечисленные гипотезы были вполне оправданы: они позволили сравнительно просто сделать математические модели простейших объектов конструкционного демпфирования, найти некоторые параметры, влияющие на оптимизацию демпфирующих характеристик, оценить, хотя и грубо, ряд свойств. Все перечисленные авторы и их работы сделали свое главное дело: показали высокую эффективность объектов конструкционного демпфирования, возможность управления их демпфирующей способностью, экспериментально показали независимость демпфирующих свойств от скорости циклического нагружения.
Кроме того, теоретически показано, что при поперечном изгибе двухслойных балок с равномерно распределенной сдавливающей нагрузкой [12, 16] в рамках принятых гипотез реализуется процесс мгновенного проскальзывания слоев друг относительно друга при достижении погонными касательными усилиями значения погонных сил трения на кон-
тактных поверхностях слоев, а петля гистерезиса двухслойной балки имеет билинейный характер.
Экспериментальные исследования ряда авторов (Филекина В.П., Эскина И.Д., Пономарева Ю.К., Чегодаева Д.Е., Антипова В.А., Мальтеева М.А., Лазуткина Г.В., Тройни-кова А.А., Панина Е.А., Иващенко В.И. и многих других исследователей) показывают, что билинейный (или полилинейный - для многослойных балок) характер петель гистерезиса в природе не существует: процессы нагружения сопровождаются плавными законами изменения нагрузки от деформации или перемещения. Это наводит на мысль, что гипотезы, заложенные в основу расчетов гистерезиса, несовершенны. Требуется осуществить их анализ и заложить в основу расчетов скорректированные гипотезы.
Многие объекты конструкционного демпфирования - демпферы и виброизоляторы многослойного типа с упругими элементами регулярной структуры не имеют до сих пор методик расчета характеристик. Это существенно сдерживает их широкое применение.
До настоящего времени в основу расчетов упругих характеристик таких виброизоляторов, как тросовые, многослойные ленточные, применялись исключительно линейные математические модели в рамках допущений сопротивления материалов. В действительности диапазон нагружения их упругих элементов очень большой. Это требует применения в расчетах новых математических моделей деформирования упругих элементов при больших упругих перемещениях с использованием разработанных в последнее время более сложных моделей трения.
Все это является предметом исследований настоящей диссертационной работы. Пересмотр ряда гипотез конструкционного демпфирования особенно актуален в связи с тем, что в последнее время существенно вырос уровень работ по расчету больших перемещений упругих систем методом конечных элементов [22], методом упругих и эллиптических параметров [23]. Многие из этих методов доведены до серийно выпускаемых пакетов программ расчета типа «ANSYS», «NASTRAN». Адаптирование этих систем для расчетов упругодемпфирующих характеристик виброизоляторов и демпферов с конструкционным демпфированием - насущная потребность сегодняшнего дня.
Целью настоящей работы является разработка новых конструктивных схем виброизоляторов и демпферов с конструкционным демпфированием с упругими элементами регулярной структуры на основе создания новых перспективных методов расчета их упругодемпфирующих характеристик, разработки новых принципов проектирования и технологии производства.
Научная новизна работы состоит в следующем. Выполнен методически обоснованный комплекс научно-исследовательских работ, в результате которого созданы и внедрены в практику эффективные методы и средства виброизащиты различных объектов авиационной и ракетно-космической техники, подверженные действию интенсивной вибрации и ударов. Созданы новые математические модели упругодемпфирующих устройств на базе теории больших перемещений упругих элементов и уточненных гипотез трения на контактных поверхностях. Это позволило выявить ряд новых, неизвестных ранее свойств систем конструкционного демпфирования, упростить расчеты с трением и обеспечить точность расчетов во всем диапазоне нагружения созданных средств виброзащиты. Ряд созданных конструкций виброизоляторов защищен патентами РФ, что также указывает на научную и техническую новизну.
В диссертации автор защищает:
принципы конструирования виброизоляторов с конструкционным демпфированием с упругими элементами регулярной структуры;
методики расчета упругодемпфирующих характеристик созданных средств виброзащиты, созданных на базе теории больших перемещений и новой модели трения на контактных поверхностях;
ряд новых свойств систем конструкционного демпфирования, полученных благодаря введению в расчет новых более совершенных гипотез;
новую методику расчета пространственного гистерезиса виброизоляторов с упругими элементами регулярной структуры;
новую методику исследования характеристик виброизоляторов с пространственным нагружением;
- ряд технологий производства новых средств виброзащиты.
Научная значимость работы заключается в углублении, развитии и выявлении новых закономерностей в описании деформирования систем с конструкционным демпфированием. На основе выявленных закономерностей и обобщения результатов исследовательских работ созданы основы проектирования высокоэффективных средств виброударо-защиты машин и объектов народного хозяйства.
Практическая ценность. Разработанный автором комплекс средств виброзащиты деталей и узлов машин позволяет существенно увеличить их надежность и долговечность.
Разработанные на базе современных гипотез новые методики расчета более точно описывают процессы, происходящие при деформировании упругих элементов с конструкционным демпфированием, что позволяет точно прогнозировать вибрационное состояние машин, приборов и оборудования в различных отраслях техники.
Комплексные и взаимоувязанные теоретические и экспериментальные исследования различных упругодемпфирующих элементов представляют собой новую ступень познания в теории конструкционного демпфирования.
Созданные в ходе работы методики исследования пространственных упругодемпфирующих систем позволяют с большей точностью и наименьшими затратами определять необходимые для динамических расчетов характеристики виброизоляторов и демпферов.
Реализация результатов работы. Семейство разработанных виброизоляторов и демпферов с конструкционным демпфированием (тросовых, ленточных) пространственного нагружения совместно с методиками исследования их характеристик используются при создании и доводке различных изделий в машиностроении, аэрокосмической технике, на транспорте (предприятие СГНПП «Авиадвигатели НК» (г. Самара), ЗАО «НПЦ ИН-ФОТРАНС» (г. Самара), ЗАО «Циркон-Сервис» (г. Москва), РКЦ «ЦСКБ-ПРОГРЕСС» (г. Самара), унитарное предприятие «Калужский завод строительно-дорожных машин», научно-инженерный центр «Путеец» Сибирского государственного университета путей сообщения (г. Новосибирск).
Материалы диссертации используются студентами и аспирантами СГАУ, обучающимися по направлениям «Динамика машин», «Ааиа- и ракетостроение», «Авиационные и ракетные двигатели».
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались, обсуждались и опубликованы в трудах ряда всероссийских и международных конференций и семинаров:
2000 г.: XXX Уральский семинар «Неоднородные конструкции в современной технике», Уральское отделение РАН, Миасс, 2000;
2001 г.: Международная научно-техническая конференция, посвященная памяти генерального конструктора аэрокосмической техники академика Н.Д. Кузнецова, г. Самара, СГАУ, 2001;
2001 г.: Международная научно-техническая конференция «Состояние и перспективы развития дорожного комплекса», г. Брянск: БГИТА, 2001;
2002 г.: Международная научно-практическая конференция «Компьютерные технологии в науке и образовании», г. Самара, СГТУ, 2002.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано: 1 монография, 8 научных статей, 6 тезисов докладов на всероссийских и международных конференциях; конструктивные разработки защищены 5-ю патентами России. Кроме того, в Комитет по делам изобретений подано и находится в рассмотрении еще 9 заявок на получение патентов. Образцы конструктивных разработок автора в составе экспозиции НПЦ ИНФОТРАНС были представлены в 2001 г. на ВВЦ и получили золотую медаль ВВЦ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 189 стр. машинописного текста, содержит 160 рисунков и 7 таблиц. Список использованных источников включает 188 наименований.
Диссертация выполнена на кафедре «Конструкция и проектирование двигателей летательных аппаратов» Самарского государственного аэрокосмического университета.
Классификация цельнометаллических виброизоляторов с регулярной структурой упругодемпфирующих элементов
По форме упругой линии тросовых элементов тросовые виброизоляторы подразделяются на устройства с прямолинейными и криволинейными элементами. По количеству тросовых элементов в виброизоляторе они подразделяются на устройства с одним (отрезок .троса, кольцо, виток) или несколькими элементами, образующими ансамбль, некоторым образом расположенный в пространстве и соединяющий две или несколько обойм. По форме ансамбля тросовых элементов виброизоляторы можно подразделить на устройства линейного, цилиндрического, Г-образного (уголкового), арочного, сферического, тороидального, петлевого и комбинированного типов. Устройства линейного, Г-образного (уголкового), некоторые виды цилиндрического и петлевого типов конструируются путем параллельного размещения (рекурсии) множества указанных элементов вдоль некоторой оси (линии). Ансамбль элементов в виброизоляторах арочного типа образует поверхность полусферы, а в виброизоляторах сферического и тороидального -соответственно сферу и тороид вращения. С конструктивной точки зрения виброизоляторы арочного, сферического и тороидального типов получены путем рекурсивных поворотов плоскости базового элемента на некоторый угол количество тросовых элементов в ансамбле. По виду работы упругодиссипативных элементов тросовые виброизоляторы делятся на устройства, у которых элементы работают на растяжение-сжатие, изгиб, кручение и комбинированные виды деформаций. Как правило, виброизоляторы создают для пространственного восприятия нагрузок, вследствие чего их элементы работают в условиях комбинированных видов деформаций (изгиб с кручением, изгиб с растяжением-сжатием и др.). По способу заделки концов упругогистерезисных элементов и их виду в целом виброизоляторы конструируют с элементами из множества отдельных отрезков троса и с элементом из непрерывного троса. В первом случае требуется тщательная заделка концов каждого отрезка троса в крепежных обоймах (запайка, сварка, заливка смолами, приклеивание, обжатие). Во втором случае упругий элемент получают путем заневолива-ния троса в специальных приспособлениях механическим путем или с помощью термофиксации. В этом случае ансамбль элементов получается из цельного отрезка троса с петлевыми участками, зажимаемыми в обоймах виброизолятора. Прочность и долговечность второго типа виброизоляторов значительно выше по сравнению с первым. По форме поперечного сечения проволоки в прядях троса виброизоляторы можно разделить на конструкции с традиционно круглой и некруглой формами проволоки (треугольной, шестигранной, квадратной). Выбор экзотической формы проволоки в тросе продиктован желанием создать распределенный контакт во фрикционных парах и увеличить стабильность упруго диссипативных свойств виброизоляторов. При традиционной форме поперечного сечения проволоки в тросе имеет место два типа фрикционных пар -линейный и точечный. Вполне понятно, что износ в тросах с точечно-линейным контактом фрикционных пар значительнее, чем в тросах с распределенным контактом.
Поэтому для создания виброизоляторов с большой стабильностью и ресурсом предпочтительнее выбирать троса с некруглой формой поперечного сечения проволоки. По конструктивным особенностям применяемого троса, связанным с принципиальной возможностью управления силами трения в фрикционных парах, виброизоляторы делятся на устройства с элементами, обмотанными проволокой или лентой, с элементами, стянутыми упругими хомутами или чехлом, с элементами, имеющими внутреннюю герметичную упругую оболочку с наддувом для управления силами трения. По конструктивным особенностям крепежных обойм виброизоляторы делятся на устройства с разъемными и неразъемными обоймами, устройства с ограничителями упругой деформации элементов, устройства с дискретным подключением или отключением части упругих элементов в зависимости от величины деформации или программы ее изменения. Класс виброизоляторов с криволинейной формой упругих элементов можно разбить на виброизоляторы с бесперегибной и перегибной формой начальной упругой линии элементов. Необходимость введения такого класса продиктована разным подходом и сложностью создания их расчетных моделей. По способу включения упругих элементов в силовую схему виброизолятора они подразделяются на устройства с параллельным, последовательным и смешанным размещением элементов и их ансамблей между обоймами. По степени изотропности упругодиссипативных свойств по различным направлениям действия нагрузок конструкции виброизоляторов подразделяются на устройства с изотропными и анизотропными свойствами. По включению дополнительных видов диссипации энергии (кроме основного вида - межвиткового трения, основанного на принципах конструкционного демпфирования) тросовые виброизоляторы можно подразделить на: - виброизоляторы с чисто конструкционным демпфированием; - виброизоляторы с элементами динамических гасителей колебаний; - виброизоляторы с дополнительным граничным трением троса или конструктивных элементов о корпусные детали или заполняющую виброизолятор среду; - виброизоляторы с дополнительной диссипацией, основанной на магнитном или электромагнитном принципах. По возможности активного управления упругими и диссипативными характеристиками в процессе эксплуатации тросовые виброизоляторы делятся на пассивные, параметрически управляемые и регулируемые (подстраиваемые).
По типу упругой характеристики тросовые виброизоляторы можно подразделить на устройства с линейной, жесткой, мягкой и смешанной (жестко-мягкой, линейно-жесткой или линейно-мягкой) характеристиками (1.32). Как правило, линейной характеристикой обладают тросовые виброизоляторы в узком диапазоне амплитуд деформирования вблизи ненагруженного положения. Если же рассматривать весь возможный диапазон деформирования, то практически все типы виброизоляторов имеют нелинейные характеристики либо симметрично жесткую, либо жестко-мягкую. При этом растяжение виброизолятора дает жесткую, а сжатие - мягкую характеристики. Хотя данная классификация не претендует на полноту и в дальнейшем может дополняться по мере разработки новых классов, видов и типов тросовых виброизоляторов, она, тем не менее, охватывает весь известный нам диапазон конструкций российских и зарубежных авторов. Поскольку объем работы ограничен, в подтверждение достоверности классификации мы укажем на две групповые ссылки: [38] - российских (плюс бывших советских) и [39] - зарубежных разработок в этой области. Все изобретения, перечисленные в этих ссылках скрупулезно изучены, проанализированы, а некоторые из конструкций изготовлены и экспериментально апробированы на предмет технологичности производства, эффективности и возможности дальнейшего совершенствования конструкции или сравнения со своими разработками.
Разработка виброизоляторов конструкционного демпфирования с управляемыми упругодемпфирующими характеристиками
Виброизоляторы, созданные на принципах конструкционного демпфирования, имеют ограниченное количество параметров, с помощью которых молшо регулировать их характеристики. К ним относятся: число слоев многослойных пакетов, их количество в ансамбле виброизолятора, размеры поперечного сечения пакетов (диаметры троса и проволочек в его прядях, толщина и ширина лент), длина или радиус криволинейных участков упругодемпфирующих элементов, состояние контактных поверхностей - шероховатость, наличие смазки, поверхностные пленки. Имеется ряд работ, в которых предлагается управление демпфированием осуществлять за счет изменения сдавливающих нагрузок между слоями многослойных упругих элементов, например, при их обмотке проволокой или лентой с определенным натягом [179-181]. Однако эту операцию можно осуществить лишь один раз в процессе создания виброизолятора.
После установки его в машину управление свойствами, влияющими на уровень вибраций, исключено. Заманчиво было бы создать виброизолятор с конструкционным демпфированием с изменением сдавли вающих нагрузок между слоями его многослойных элементов в процессе колебаний без изменения конст Рис. 2.35. Внешний вид виброизолятора с управляемыми демпфирующими характеристиками в разрезе [120] руктивных параметров. В настоящей работе предпринята попытка создать такой виброизолятор на базе тросовых упругодемпфирующих элементов (рис.2.28). Рассмотрим его особенности. Виброизолятор (см. рис. 2.35 [120]) включает верхнюю 1 и нижнюю 2 обоймы, соединенные между собой упругим тросовым элементом 3. Верхняя обойма 1, в свою очередь, состоит из верхнего болта 4 с развитой шляпкой 5, фигурной шайбы 6, пружинной шайбы 7 и гайки 8. Внутри болта 4 просверлены отверстия, образующие канал 9 подвода высокого регулируемого давления «/?» в камеру 10, образованную между шляпкой болта 5 и фигурной шайбой 6. По боковым поверхностям шляпки 5 и фигурной шайбы 6 в радиальном направлении выполнены отверстия для закладки в них тросового элемента 3, выполненного из непрерывного троса, соединяющего последовательно то верхнюю 1, то нижнюю 2 обоймы (рис. 2.36). росовый элемент 3 состоит из полой центральной жилы 11 (рис. 2.37), выполненной из эластичного материала, способного к радиальному расширению под действием внутреннего давления среды, поступающей в полость 12.
С наружной поверхности центральной жилы 11 в несколько рядов уложены слои упругой проволоки 13. Это может быть осуществлено путем навивки на центральную жилу нескольких многожильных прядей троса. Если при навивке использован один ряд прядей троса, как показано на рис. 2.37, то для обеспечения управления силами трения в прядях необходимо участки тросового элемента между обоймами обмотать проволокой или узкой лентой 14 с натягом и с некоторым шагом, не препятствующим деформации упругих элементов. Концы 15 обмоточной проволоки или ленты 14 закрепляют в отверстиях на обоймах виброизолятора по типу закрепления контровочной проволоки. Если в качестве упругого элемента виброизолятора применяют трос с эластичной внутренней полой жилой 11, свитый из нескольких слоев проволоки с крестовой свивкой смежных слоев 13 (рис. 2.38), то можно не применять обмотку элемента проволокой. Важной в данной конструкции является возможность создания равномерной сдавливающей нагрузки по длинам криволинейных участков тросовых элементов, что теоретически [163 - 165] позволяет увеличить коэффициент демпфирования виброизолятора до предельно допустимых величин и существенно упрощает расчетную модель конструкции.
Расчетное исследование связи обобщенной силы трения и жесткости криволинейных элементов виброизоляторов
В разделе 3.1 на примере простейших схем упруго демпфирующих элементов было показано, что если удается рассчитать жесткость элемента без учета трения на контактных поверхностях, а затем теоретически или экспериментально (через посредство остаточной деформации ао) найти обобщенную силу трения Т, то параметры гистерезиса для элемента легко рассчитать по формуле (3.19). Недостатком этой формулы является постоянство жесткости и обобщенной силы трения во всем диапазоне деформирования упругого элемента. Разработанный в разделе 3.1 прием расчета гистерезиса применим при малых перемещениях точек осевой линии упругих элементов. Для больших перемещений точек оси стержня как жесткость, так и обобщенная сила трения могут существенно изменяться в зависимости от степени нагружения. Попытаемся найти связь между обобщенной силой трения Т и жесткостью криволинейных элементов, очерченных по дуге радиуса R. Отметим, что непосредственное определение такой связи через создание расчетной модели и последующее исследование является весьма трудоемким делом. Поэтому в настоящей работе привлечены результаты, полученные ранее такими учеными, как Е.П. Попов [23], который получил в безразмерном виде нагрузочную характеристику тонкого кольца с радиусом осевой линии R и изгибной жесткостью EJ, деформируемого двумя силами Р, действующими вдоль одной линии, проходящей через диаметр кольца. Расчеты выполнены Поповым Е.П. по созданной им очень сложной теории эллиптических параметров и представлены в [23] в виде таблицы, связывающей нагрузку Р и взаимное сближение или удаление противоположных точек диаметра z. По этим данным автором диссертационной работы с использованием математического пакета «Table Curve» был построен график (рис. 3.14), аппроксимированный зависимостью График этой жесткости представлен на рис. 3.15. Из графика видно, что при растяжении кольца его жесткость увеличивается (кривая г(,) идет вниз с увеличением тангенса угла наклона); при сжатии кольца - жесткость плавно падает. Из работы Д.Е. Чегодаева и Ю.К. Пономарева [24] известно, силы трения в тросовом кольцевом элементе изменяются в процессе его нагружения, причем характер изменения этих сил аналогичен изменению жесткости (см. рис. 3.41, 3.42 в книге [24]).
В указанной работе «базовая функция Fgz - фактически является зависимостью обобщенной силы трения от степени деформирования тросового витка или кольца (рис. 3.16). Проведем некоторые преобразования. Пересчитаем абсциссы графика базовой функции C,=z/az, превратив их в важные для практики выводы: 1. Законы изменения обобщенной силы трения и жесткости без учета действия распределенных сил трения для криволинейных тросовых элементов подобны друг другу. При этом в диапазоне растягивающих нагрузок и жесткость и силы трения увеличиваются с ростом внешних сил, а в диапазоне сжимающих нагрузок с ростом внешних сил - падают. 2. Масштабами подобия для подобных между собой зависимостей жесткости и обобщенной силы трения являются, соответственно, значения жесткости и обобщенной силы трения многослойного тросового кольца в положении ненагруженного состояния, т.е., при z = О, где эти параметры легко определяются либо из эксперимента, либо расчетом по известным формулам сопротивления материалов. 3. Найденные свойства открывают путь создания методик расчета упругогистерезисных характеристик виброизоляторов с многослойными упруго демпфирующими элементами регулярной структуры, описываемой в разделе 3.5. Однако перед тем как приступить к детальному описанию схемы создания методик расчета упругогистерезисных характеристик, необходимо разработать простой путь расчета жесткостных свойств криволинейных и прямолинейных элементов при больших перемещениях точек их осевых линий. Как уже указывалось в начале диссертационной работы, такие методы расчета известны [23, 161], но очень сложны. В соответствии с современными технологиями прочностных и жесткостных расчетов в настоящее время есть счастливая возможность применить для расчетов огромную сложность математического аппарата, скрытую от исследователя и воплощенную в довольно простых для пользователя программных продуктах, разработанных на конечно-элементной базе (ANSYS, NASTRAN).
Применению этих современных технологий расчетов и посвящен следующий раздел диссертационной работы. Анализ известных и созданных автором конструктивных схем виброизоляторов с регулярной структурой показал, что наиболее распространенными и одновременно легко реализуемыми являются упругие элементы, оси которых представляют в ненагруженном положении либо часть окружности протяженностью в Уг, 1А длины ее дуги, либо имеют Г-образную форму с двумя одинаковыми прямолинейными участками и небольшим криволинейным участком между ними. Как уже указывалось ранее, наиболее простым методом расчета нагрузочных характеристик элементов виброизоляторов с регулярной структурой является конечно-элементный комплекс ANSYS. Рассмотрим методику расчета характеристик элементов на примере изгиба криволинейного бруса с угловой протяженностью оси в 1Л длины дуги окружности (рис. 3.18).
Анализ результатов сравнения расчетно-теоретических и экспериментальных нагрузочных характеристик виброизоляторов различного типа
Проведенное в диссертационной работе теоретическое и экспериментальное исследование упругогистерезисных свойств различных виброизоляторов с регулярной структурой упругих элементов показало, что разработанные методики расчета удовлетворительно согласуются с результатами опытных данных как качественно, так и количественно. Разработанные методики впервые позволили теоретически получить глубоко нелинейные характеристики современных цельнометаллических виброизоляторов, в том числе и всех конструкций, созданных автором. Исследование показало, что демпфирующие свойства виброизоляторов тросового типа в рамках теоретических гипотез современной теории конструкционного демпфирования невозможно объяснить полностью. Для более детального и точного описания процессов, протекающих в многослойных конструкциях сложной пространственной формы, требуются дополнительные серьезные исследования, возможно с применением теории изгиба гибких стержней, разработанных В.А. Светлицким, дополненной новыми гипотезами конструкционного демпфирования, выдвинутыми в настоящей работе. В работе установлено, что для получения нагрузочных упругогистерезисных характеристик виброизоляторов тросового и ленточного типов с точностью до 10 % можно пользоваться теоретическими конечно-элементными моделями изгиба многослойных стержней, дополнив их найденными в работе моделями демпфирующих свойств. Отработанные в работе новые гипотезы постепенности проскальзывания слоев многослойных элементов можно успешно применять в расчетах нагрузочных характеристик гибких стержней при их «больших» деформациях и нелинейном анализе. Это дает более достоверные результаты, согласующиеся с опытными данными. ГНПРКЦ «ЦСКБ-ПРОГРЕСС» совместно с Самарским государственным аэрокосмическим университетом уже давно занимается разработкой перспективных виброизоляторов с регулярной структурой на основе тросов и пакетов лент. У истоков этих разработок был и автор настоящей диссертационной работы. Так, в 90-х годах в РКЦ «ЦСКБ-ПРОГРЕСС» под руководством д.т.н., профессора Крайнова В.И. был создан специализированный вагон-транспортер для доставки изделий космической техники по железной дороге до эксплуатирующих ее организаций.
Для подвески электронных блоков и бортовой автоматизированной системы контроля условий транспортирования (СКРУТ) в этом вагоне-транспортере были применены тросовые виброизоляторы, показанные на рис. 1.16. В те годы определение характеристик виброизоляторов осуществлялось экспериментальным путем. Тогда же была отмечена существенная нелинейность характеристик виброизоляторов и поставлена задача по созданию достоверных методик расчета этих характеристик, реализовавшаяся в настоящей диссертационной работе автора. Конструктив для крепления основных блоков системы «СКРУТ» имел вид, показанный на рис. 5.1, а. Фрагменты крепления виброизолированных оснований на нем показаны на рис. 5.1, б, в. Комплекс мероприятий по разработке системы «СКРУТ» позволил обеспечить безаварийную работу транспортера по доставке изделий на места их эксплуатации с сохранением на магнитных носителях БАС информации об условиях транспортирования. При создании и отработке КА «Фотон» были использованы разработки автора для поиска наилучших режимов эксплуатации отдельных блоков, работающих в условиях вибрации. С этой целью в настоящее время прорабатываются варианты крепления блоков с тросовыми виброизоляторами, созданными автором с применением новых технологий, описанных в разделе 2. На рис. 5.2 показана подвеска одного из блоков КА с помощью одновитковых тросовых виброизоляторов (патент РФ № 2179667). Особенности технологии изготовления квазинепрерывных упругих элементов показаны на рис. 2.3. 2.4. 161 На рис. 5.3 показана подвеска другого блока КА «Фотон» с помощью разработанного автором двухвиткового квазинепрерывного тросового виброизолятора, описанного в разделе 2.1 и показанного подробно на рис. 2.5, 2.6 (стр. 53). На рис. 5.4 показана подвеска агрегата на созданных автором миниатюрных виброизоляторах грузоподъемностью 125 г. В этой конструкции использован уникальный 49-жильный трос диаметром 0,7 мм, изготовленный в отраслевой научно-исследователь альной установке1. Автор благодарит инж. Безводина В.А. за помощь в изготовлении данного троса. Один из вариантов крепления блоков аппаратуры КА показан на рис. 5.5. Здесь в системе виброзащиты применен виброизолятор, созданный автором и подробно описанный на стр. 55, 56. В нем также использована технология квазинепрерывных замкнутых тросовых элементов. В настоящее время при участии автора диссертационной работы в ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс» ведется проработка технологии производства цельнометаллических многослойных виброизоляторов на основе пакетов лент, показанных на рис. 2.19, 2.20, 2.27, 2.32. Учитывая большую трудоемкость разработки и ограниченность объема диссертации, автор не счел возможным использовать незаконченные исследования в настоящей работе, ограничившись приведенными в 3 разделе конструктивными схемами и некоторыми соображениями по расчету сдавливающих нагрузок между слоями пакетов. С большой вероятностью можно сказать о перспективности этих разработок.
