Содержание к диссертации
Введение
Анализ состояния проблемы виброзащиты объектов транспортных систем .
1.1. Современные достижения науки о конструкционном демпфировании.
1.2. Многослойные пластинчатые демпферы. 23
1.3. Особенности технологического процесса производства нетканого проволочного материала металлорезина, его аналогов и анализ свойств изделий из него.
1.4. Анализ расчетных моделей материала металлорезина. 47
1.5. Основные результаты и выводы по разделу. Цели и задачи исследования
Методы расчета упругофрикционных, технологических и конструктивных параметров ?3 средств виброзащиты сухого трения .
2.1. Метод расчета влияния радиального биения наружного и внутреннего колец МКГД на его свойства.
2.2. Результаты расчетных исследований влияния радиального биения наружного и внутреннего колец демпфера на его свойства .
2.3. Метод расчета упругопористого материала меретранс-2 в режиме однонаправленного деформирования.
2.4. Метод расчета упругопористого материала меретранс-2 в режиме прецессионного нагружения. 97
2.5. Метод проектирования многослойных пакетов гофрированных пластин.
2.6. Основные результаты и выводы по разделу. 106
108
Экспериментальное исследование мкгд и изделий из материала меретранс-2 .
3.1. Обоснование необходимости разработки различных методов и средств экспериментальных исследований упругодемпфирующих устройств.
3.2. Методика и устройства для изготовления опытных образцов МКГД .
3.3. Методика и устройства для изготовления опытных образцов виброизоляторов из материала меретранс-2.
3.4. Устройство для статистических испытаний демпферов в режиме одноосного деформирования.
3.5. Устройство для имитации прецессионного движения вала в опоре.
3.6. Устройство для одноосного нагружения малоразмерных упругогистерезисных элементов сухого трения.
3.7. Экспериментальная проверка результатов расчетных исследований.
3.8. Экспериментальные данные, использованные для построения расчетных моделей.
3.9. Основные результаты и выводы по разделу. 141
4.2. Разработка новых технологий производства нетканого 155
CLASS Разработка и совершенствование новых средств виброзащиты сухого трения CLASS
4.1. Специальная виброизоляторная классификация. проволочного материала.
4.3. Новые многослойные пластинчатые упругодемпферные опоры.
4.4. Комбинированные упругодемпферные опоры. 178
4.5. Перспективные методы и средства виброзащиты, технологии изготовления их упругогистерезисных элементов, 182 защищенные патентами.
4.6. Основные результаты и выводы по разделу. 187
4.7. Основные результаты и выводы по работе. 190
Библиографический список.
- Особенности технологического процесса производства нетканого проволочного материала металлорезина, его аналогов и анализ свойств изделий из него.
- Результаты расчетных исследований влияния радиального биения наружного и внутреннего колец демпфера на его свойства
- Методика и устройства для изготовления опытных образцов МКГД
- Комбинированные упругодемпферные опоры.
Введение к работе
В соответствии с паспортом специальности 01.02.06. в работе исследованы с помощью методов механики и вычислительной математики поведение технического объекта (систем с сосредоточенным демпфированием сухого трения), закономерности механических явлений и процессов, касающихся жесткости и диссипативных свойств систем, поведение систем сухого трения в составе более сложных динамических систем или в условиях имитации динамического нагружения.
Исследования выполнены с целью совершенствования методов расчета и разработки инструментальных средств проектирования новых высокоэффективных систем демпфирования сухого трения, обладающих повышенными эксплуатационными свойствами, простых и технологичных.
Решена важная научная задача виброзащиты машин и механизмов транспортных систем с помощью средств сосредоточенного демпфирования сухого трения, имеющая важное хозяйственное значение для различных отраслей промышленности, в частности, для железнодорожного транспорта, авиации и космонавтики, оборонной промышленности, судостроения, подъемнотранспортного оборудования и т.п. Решение проблемы позволяет снизить уровень вибронапряженности деталей и узлов, машин и механизмов, энергетических установок и транспортных машин в целом и, тем самым, увеличить их ресурс и надежность, повысить безопасность и экологичность перевозок, интенсифицировать грузоперевозки.
В работе представлены научно обоснованные технические и технологические решения, внедрение которых может внести значительный вклад в развитие экономики страны и повышение ее обороноспособности.
Работа связана внутренним единством, заключающемся в едином системном подходе к решению задач конструкционного демпфирования и во всестороннем исследовании систем с сосредоточенным демпфированием сухого трения в различных условиях нагружения и эксплуатации, для различных технологий изготовления и сборки имеющем целью повышение эффективности новейших разработок, совершенствование конструкции и технологии изготовления, улучшение эксплуатационных характеристик.
Современные энергетические установки транспортных систем подвержены интенсивному воздействию вибрационных нагрузок с широким спектром частот и высокой интенсивностью воздействия и в то же время сами являются их источниками.
Совершенствование машин и механизмов транспортного машиностроения идет по пути увеличения удельной мощности за счет форсирования рабочих параметров (температура, давление, частота вращения) при одновременном снижении их металлоемкости и ужесточении требований по надежности.
Надежность и ресурс современных изделий высокой удельной мощности во многом определяются уровнем вибрации его узлов и деталей.
Около половины отказов и поломок энергетических установок транспортных систем и их элементов конструкций происходит из-за повышенной вибрации. К основным причинам вибрационных дефектов можно отнести наличие в рабочей зоне резонансов и малое демпфирование при прохождении резонансных частот.
Снизить уровень вибронагруженности деталей и узлов транспортных систем можно применив, ряд перечисленных ниже мероприятий.
При разработке новой конструкции ввести в нее элементы конструкционного демпфирования, например, многослойные стяжки, оболочки, ротора и т.д., предусмотрев возможности для обеспечения оптимального сжатия между слоями [22].
Этот метод не всегда применим из-за необходимости усложнения конструкции. При этом возрастает ее стоимость, усложняется технология изготовления и т.п.
Другим эффективным средством борьбы с вибрацией является разработка мероприятий по снижению возбуждающей нагрузки. Можно, например, так сбалансировать ротор энергетической установки, что возбуждающие нагрузки будут малы и проблема вибрации будет решена. Однако современные возможности балансировочной техники не могут в большинстве случаев решить эту проблему или так дорогостоящи, что их применение не оправдано экономически.
Решить проблему в большинстве случаев удается применив, так называемое, сосредоточенное демпфирование. При этом рассеивание энергии вибрации реализуется за счет работы сил сухого, вязкого трения или их комбинации. Такие конструктивные устройства с сосредоточенным демпфированием называют демпфирующими устройствами, демпферами или виброизоляторами.
К таким устройствам предъявляется ряд требований. Они должны иметь малые габариты и вес, обеспечивать удобство включения в силовую схему, обладать широким диапазоном изменения упругих и диссипативных свойств, собственной надежностью работы и достаточным ресурсом, высокой эффективностью гашения колебаний, наличием простой расчетной модели, обладать работоспособностью в широком диапазоне температур (от -270°С до + 400° ... 600°С), при воздействии агрессивных сред и т.д.
Этим требованиям в большинстве случаев удовлетворяют многослойные пластинчатые демпферы, гидродинамические демпферы, демпферы с упругодемпфирующими элементами из металлорезины или их комбинации.
В настоящее время эти демпфирующие устройства применяются в аэрокосмической технике, в судостроении, на железнодорожном транспорте и т.д. [22, 27, 64, 104, 145]. однако их более широкому использованию препятствует отсутствие достоверных методик расчета характеристик, недостаточная изученность свойств, технологическое и конструктивное несовершенство. Восполнению этих пробелов и посвящена настоящая работа.
Особенности технологического процесса производства нетканого проволочного материала металлорезина, его аналогов и анализ свойств изделий из него.
В 1977 году на основе результатов экспериментальных исследований многослойных гофрированных пакетов Ю.К. Пономаревым создана инженерная полуэмпирическая методика расчета упруго фрикционных характеристик многослойных гофрированных демпферов при одноосном нагружении [120]. Методика учитывает фактор многопролетности конструкции, рассеяние энергии внутри многослойного пакета и на вершинах гофров при их трении о поверхность корпуса опоры. Сравнение с экспериментом дало хорошие результаты [145]. Однако в указанной методике [120] демпфер рассматривался как циклически симметричный объект с одинаковыми пролетами по окружности, что не дает возможности проанализировать, например влияние разброса геометрии пакета в пределах допусков на свойства демпфера. Кроме того, за счет внесения геометрической анизотропии, как будет указано далее, можно организовать саморазгрузку опоры от веса ротора турбомашины. Это требует создания методики расчета характеристик опоры с переменными по окружности параметрами (шаг и высота гофров, их ширина и пр.).
В работе П.Д. Вильнера и А.И. Глейзера [78] приводятся данные по сравнительному исследованию пластинчатых демпферов с гладкими и чередующимися гофрированными лентами. Для этого авторами были проведены статические испытания пластинчатых демпферов при одновременном действии циклической и постоянной нагрузок. На примере одномассового ротора, установленного на двух одинаковых упругодемпферных опорах, показано, что увеличение постоянной нагрузки на пластинчатый демпфер с гладкими лентами уменьшает его эффективность вследствие возрастания жесткости и уменьшения коэффициента рассеивания. По мнению авторов этих недостатков в значительной мере лишен демпфер, набранный из чередующихся гофрированных и гладких лент. Сравнительные испытания обоих типов демпферов на двигателе показали, что демпфер второго типа обеспечил в 1,5 раза меньший уровень вибраций, чем первый. Следует отметить, что здесь объектом исследований была динамическая система, а не характеристики демпферов. Могло быть и так, что для данной системы принципиально лучший демпфер мог показать худшие результаты, если он был не настроен на соответствующие параметры.
Цикл работ В.И. Иващенко и И.Д. Эскина [84, 149] посвящен созданию методики расчета демпферов с разгрузочным и устройствами гофрированного типа. При этом авторы в методическом плане продолжают и развивают традиции Н.С. Кондрашова [93] аналитического решения дифференциального уравнения изгиба гофрированного элемента в форме гармонического закона. Трение учитывается только на вершинах гофра. При всей изящности методики, на наш взгляд, более предпочтительным для практики следует считать подход, предложенный в [21, 5, 6, 120]. Это видно даже по приведенному в [119] графику зависимости силы Р от деформации у, который по расчету является линейным, в то время как эксперимент это не подтверждает.
Значительное место в развитии методов исследования и расчета характеристик многослойных, гофрированных демпферов авиационных ГТД принадлежит Ю.К. Пономареву и В.А. Антипову [3-6, 8, 11, 17, 21-23, 43, 45, 118-124]. Этими авторами разработана методология испытании кольцевых демпферов сухого трения в статике [43, 45], позволившая впервые получить поля упругогистерезисных петель демпферов при прецессионном нагружении их вибратором (вращающейся нагрузкой). Ими установлено, что форма петель гистерезиса при прецессионном нагружении существенно отличается от случая одноосного нагружения и имеет эллипсообразную форму. В дальнейшем конструкция установки [43, 45] и методики проведения эксперимента на ней [3-5] уточнялись. Наиболее значительным событием в науке о конструкционном демпфировании явилась монография Д.Е. Чегодаева и Ю.К. Пономарева [145]. В ней авторы подвели итоги почти двадцатилетних исследований различных систем конструкционного демпфирования, выполненных как самостоятельно, так и в соавторстве с В.А. Антиповым, Ю.И. Ефремовым, Ю.Н. Лапшовым, А.Ю. Березкиным, П.Д. Вильнером, А.И. Белоусовым, Е.А. Паниным, М.А. Мальтеевым, Ю.Н. Проничевым, А.Е. Осоргиным, СВ. Даниленко, О.П. Мулюкиным, Ф.М. Шакировым и др. работниками СГАУ.
В [145] выполнен методологически обоснованный комплекс научно-исследовательских работ, в результате которого созданы и внедрены эффективные методы и средства виброзащиты конструкций АиРКТ. Создана единая методология исследований систем конструкционного демпфирования с линейными и нелинейными характеристиками, апробированная на большом числе моделей и изделий. Разработанная методология позволила выявить фундаментальные закономерности процессов, протекающих при деформировании систем конструкционного демпфирования. Созданная авторами методология базируется на сочетании фундаментальных теоретических и экспериментальных исследований в совокупности с принципами конструирования, технологией изготовления и обеспечения высоких эксплуатационных характеристик изделий в течение жизненного цикла. Для проведения экспериментальных исследований, создана уникальная экспериментальная база из натурных и модельных испытательных стендов и измерительных комплексов. Предложена новая модель гистерезиса единой математической формы, наиболее полно учитывающая особенности систем конструкционного демпфирования, в том числе и предысторию нагружения.
Результаты расчетных исследований влияния радиального биения наружного и внутреннего колец демпфера на его свойства
При другом способе получения пористого материала спираль навивают на нить с заранее выбранным шагом. Далее из спирали с нитью делается заготовка для прессования. После этого нить удаляется (удаление нити до получения заготовки приведет к спутыванию спиралей). Дальнейшие операции по получению материала MP идут аналогично описанным выше.
Данный способ получения пористого материала позволяет изготовить спираль из мягкой проволоки и спиралей диаметром менее 0,4 мм.
К недостаткам способа следует отнести: малую производительность оборудования для навивки спирали, сравнительно низкую точность определения веса проволоки при взвешивании спирали с нитью, сложность контроля за удалением нити.
Несмотря на указанные недостатки, этот способ получения пористого материала нашел применение при изготовлении фильтров тонкой очистки.
Сопоставляя описанные выше способы получения пористого металла MP с получением пористых металлов из порошков (металлокерамики), отметим отсутствие операции спекания. Это позволяет получать пористые материалы из металлов и сплавов, плохо поддающихся спеканию (например, из титановых сплавов). К тому же полученный таким способом материал MP является, пока единственным упругим пористым металлом.
Общие положения технологии изготовления материала MP включают общепризнанные приемы обеспечения качества металлорезиновых деталей: - с целью получения заготовок изделий заданной формы с улучшенными упругогистерезисными свойствами отрезки проволоки в виде спиралей целесообразно укладывать с взаимным перекрещиванием в пресс формы, соответствующие по форме и размерам готовому изделию, и спрессовывать их под давлением порядка 10 МПа с последующим повышением давления в зависимости от заданной упругости готового изделия и при необходимости вводить в прессуемую заготовку антикоррозионный наполнитель под давлением [34]; - с целью уменьшения давления прессования, увеличения внутреннего трения и повышения стабильности размеров получаемых из MP изделий уложенные с взаимным перекрещиванием в пресс-формы и спрессованные под давлением проволочные спиральные отрезки рекомендуется изготовлять из термически упрочненного материала с твердостью НВ 160...200, например, из бериллиевой бронзы БрВ2, а после спрессовывания изделия подвергать термообработке [29].
К настоящему времени запатентовано большое количество технологий производства нетканого проволочного материала и конструкций упругодемпферных опор из материала металлорезина. Ниже приведена краткая характеристика некоторых из них.
Способ изготовления упругогистерезисных элементов типа втулок из нетканого проволочного материала [38] разработан творческим коллективом СГАУ: Эскин И.Д., Антипов В. А, Поспелов Ю.В., Мальтеев М.А.
Отличительной способностью этого способа является то, что заготовка в виде плоской спирали, свитой из полоски или нескольких полос сетки, собранной из сцепленной витками параллельных рядов проволочной растянутой спирали, расположенных вдоль ширины полосы, и заполненной с обеих сторон заполнителем из спиралей, растянутых до шага, равного их диаметру, свертывают в рулон с центральным осевым отверстием и прессуют. Причем прессование заготовки осуществляют в радиальном направлении в замкнутом объеме, при этом в центральное отверстие рулона помещают стержень из пластинчатого материала, к торцам которого прикладывают осевое усилие, а высота рулона равна высоте готового изделия при угле свивки плоской спирали не менее 45.
При этом, с целью ликвидации корсетности либо бочкообразности готовых изделий, между заготовкой и пластинчатым материалом прокладывают тонкую спиральную ленту, свернутую спиралью, ширина которой равна высоте рулона.
Изготовленные таким образом упругогистерезисные элементы, выполненные в виде стержня или втулки имеют повышенную прочность на растяжение, а их нагрузочные характеристики единичного объема при воздействии растягивающей циклической силы качественно аналогичны нагрузочным характеристикам единичного объема элемента из материала «металлорезина» такой же плотности, изготовленного прессованием в направлении действия сжимающей эксплуатационной циклической нагрузки.
Методика и устройства для изготовления опытных образцов МКГД
При исследованиях условий серийного производства МКГД выявлено, что радиальное биение наружного и внутреннего колец демпфера существенно влияет на свойства демпфера.
На базе полуэпирических моделей МКГД, имитирующих одноосное и прецессионное нагружение, разработан метод расчета УФХ МКГД с учетом радиального биения его наружного и внутреннего колец.
При этом использован обращенный режим, то есть, задаваясь годографом перемещений, находили нагружу на демпфер, вызывающую эту реакцию опоры.
Выявлены определяющие параметры исследуемого явления: относительная овальность колец, угол разворота полуосей колец и предварительный натяг. Показано, что не учет радиального биения наружного и внутреннего колец демпфера приводит к разбросу свойств демпферов, измеряемому сотнями процентов. Целесообразно так упорядочить технологический процесс сборки демпфера, чтобы влияние этого фактора на свойства демпфера было сведено практически до нуля. Для этого необходимо: а) ввести операцию селективного подбора наружного и внутреннего колец из комплектов 10-20 штук с целью выбора пары колец с одинаковой или близкой овальностью; б) ориентировать при сборке демпфера наружное и внутреннее кольца таким образом, чтобы полуоси их эллипсности были совмещены.
Рекомендовано использовать конструктивное несовершенство МКГД, связанное с овальностью его колец для разгрузки опор ротора от статических сил.Предложен алгоритм реализации этого метода.
На базе универсальной методологии решения задач моделирования систем с сухим трением [22, 27] разработан метод расчета материала меретранс-2. Задача впервые решена с имитацией одноосного нагружения и прецессионного нагружения. Отличительной особенностью построенной модели является эллипсность контуров гистерезиса при круговых орбитах цапфы, что характерно для гидравлических УДО. Другой отличительной особенностью этой модели является зависимость жесткости от амплитуды перемещений: на малых амплитудах жесткость большая, а с увеличением амплитуды жесткость сначала падает, а затем снова увеличивается. Аналогичные результаты получены для осевых демпферов опор быстровращающихся роторов.
Выявлено, что методы профилирования упругогистерезисных элементов МКГД нуждаются в совершенствовании. Существующая расчетная модель профилирования гофров не дает плавного сопряжения в местах контактов смежных гофров.
В связи с этим задача профилирования гофрированной ленты была рассмотрена более глубоко с учетом стыковки производных линии гофра в местах сопряжения радиусов кривизны. Далее выполнен полный анализ функции rw = f(rH) с применением теории подобия и размерностей, что дало возможность создания точной рабочей методики определения геометрии гофров с помощью номограмм.
В результате исследований разработан метод определения конструктивных параметров разрабатываемых вновь МКГД.
Уточнена методика расчета на прочность лент многослойного гофрированного упругогистерезисного элемента.
Выбор устанавливаемого в данный узел транспортного средства демпфирующего устройства осуществляется, как правило, при доводке транспортного средства или его энергетической установки. При этом на ряде предприятий отечественной машиностроительной промышленности сложились два традиционных пути вибрационной доводки изделий. Первый путь заключается в том, что в стадии проектирования на штатном изделии предусматривается установка нескольких типов перспективных с точки зрения конструкторов упругодемпфирующих устройств. После изготовления опытных экземпляров изделий производятся сравнительные натурные испытания с этими устройствами. По результатам вибрационных испытаний делается вывод о целесообразности установки того или иного типа демпфирующих устройств.
Второй возможный путь решения задачи заключается во всестороннем использовании различных типов демпфирующих устройств в статике и динамике, сначала на модельных, а затем на натурных образцах на специально созданных стендах.
Комбинированные упругодемпферные опоры.
Созданию новых патентоспособных методов и средств подавления вибрации способствовала специальная виброзоляторная классификация (СВК).
В работах [22, 27, 64, 104, 145] значительное внимание уделено анализу существующих методов и средств виброизоляции агрегатов транспортных систем. Однако объем анализируемой информации в указанных источниках ограничен рамками объема работ в целом. Поэтому ряд важных для анализа методов и средств виброизоляции не были освещены при анализе. В этой связи возникает задача сконцентрировать информацию и при анализе использовать ее в сжатом виде.
В работах [145, 104, 64] приведены классификации методов и средств виброизоляции. Однако в этих работах дано графическое представление информации, что, во-первых, затрудняет решение поставленной задачи (анализ существующих методов и средств подавления вибрации), а, во-вторых, допускает пересечение дискретных формальных признаков, причем это пересечение отрицательно влияет на восприятие информации об отражении отношений между сложными категориями комплексов.
Прежде чем приступить к разработке новой классификации, сформулируем требования, которым должна удовлетворять разрабатываемая нами система а также рассмотрим некоторые аспекты теории классификации (см. [1, 117, 125]), которые помогут нам решить поставленные задачи.
Классификацией называется метод описания содержания документа (в частности, конструкторского документа), но не с помощью элементов, выбираемых из документов, а посредством анализа содержания документов в целом.
Классификация может быть специальной (для ограниченной области человеческих знаний) и универсальной - для всего объема человеческих знаний.
В данном случае имеет место термин «специальная». Для подавления вибрации в технике в настоящее время используют демпферы, амортизаторы, демпфирующие устройства, виброизоляторы, вибропоглотители и т.п. ЕСКД рекомендует использовать во всех случаях термин «виброизоляторы». С учетом выше изложенного сформулируем название и аббревиатуру разрабатываемой классификации «специальная вибролизоляторная классификация» (СВК). Основные требования, которым должна удовлетворять разрабатываемая система следующие: - информация должна быть сконцентрирована в малом объеме, в форме удобной для анализа; - при сжатии информации не должно искажаться содержание документа; - в каждом блоке (комплексе) может иметь место пересечение или квази-пересечение индивидуальных признаков, однако это пересечение не должно нарушать структуру подчинения сложных категорий; - комплекс должен быть построен по тезаурусному принципу, т.е. быть иерархическим; - необходимо заранее учесть и выделить все категории, которые могут составлять комплексы и свести их в классификационный ряд; - для отражения отношения между сложными категориями должны быть установлены специальные правила типа «а также», «и» и т.п. В значительной мере этим требованиям отвечает линейное представление информации в виде комплексов. При этом будем использовать следующие принципы. Формула классификации составляет комплекс, который должен отражать взаимосвязь понятий. При образовании комплексов нельзя допускать, чтобы изменение порядка расположения терминов искажало содержание документа (имеется разница между «слепым венецианцем и венецианским слепым»).
Существует взгляд, что классификация не обязательно должна быть иерархической, но тогда это будет уже не классификация, а простая индексация, хотя иерархия не всегда может быть строгой.
Несмотря на то, что среди требований к разрабатываемой системе отсутствует релевантность, при индексировании следует учесть и выделить все категории, обеспечивающие при необходимости релевантность поиска любой потребной для анализа информации.
В основу формулы комплекса должен быть заложен принцип: общее перед частным, обобщение в направлении от конца к началу.
Цель исследования состоит в том, чтобы определить, что мы можем игнорировать. Эта задача решается с помощью умозаключений. Следует учитывать, что категоризация это субъективный метод оценки объективных знаний. Поэтому, вся разработанная система, в какой-то мере, будет субъективной.
