Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор результатов научных исследований по расчету и проектированию виброизоляторов с УГЭ из материала MP 14
1.1 Анализ существующих конструкций виброизоляторов с УГЭ из материала MP, оценка их свойств и области применения 15
1.1.1 Анализ типовой технологии производства изделий втулочного типа с УГЭ из MP и выявление ее наиболее характерных параметров 15
1.1.2 Свойства и наиболее распространенные конструкции виброизоляторов 19
1.2 Краткий обзор методов расчета УГХ виброизоляторов из материала MP 24
1.2.1 Физическое моделирование 24
1.2.2 Феноменологические расчетные модели 26
1.3 Анализ экспериментального метода изучения обобщенных УГХ 27
1.4 Анализ математических моделей деформирования виброизоляторов из материала MP 31
1.5 Оценка существующих методов расчета нелинейных колебаний объектов с виброзащитными системами 34
1.5.1 Вывод дифференциального уравнения движения объектов ВС 34
1.5.2 Вынужденные установившиеся колебания объектов с ВС при гармоническом возбуждении 35
1.6 Постановка задачи исследования 39
2 Конструирование многоэлементных цельнометаллических виброизоляторов с УГЭ из материала MP втулочного и комбинированного типов 40
2.1 Разработка классификации многоэлементных цельнометаллических виброизоляторов с УГЭ из материала MP 41
2.2 Создание низко - и среднечастотных втулочных виброизоляторов с повышенной несущей способностью 44
2.2.1 Втулочный виброизолятор с разгрузочными пружинами на периферии внутри упругогистерезисных элементов 46
2.2.2 Втулочные виброизоляторы с осевыми разгрузочными пружинами 49
2.3 Разработка перспективных конструкций многоэлементных многофункциональных виброизоляторов на основе прототипов ДКУ и втулочного типа 51
2.4 Применение передовых технологий производства материала MP в
конструкциях многоэлементных виброизоляторов 54
2.4.1 Армирование упругодемпфирующих элементов специальными пружинами 55
2.4.2 Способы повышения постоянства виброзащитных свойств и ресурса виброизоляторов с УДЭ из материала MP 60
2.5 Выводы по разделу 63
3 Совершенствование обобщенной полиномиальной модели деформирования многоэлементных виброизоляторов втулочного типа с УГЭ из материала MP для систем виброзащиты агрегатов и узлов транспортных машин 66
3.1 Обобщение результатов исследования и совершенствование расчета упругих возможностей УГЭ втулочного типа 66
3.2 Выбор подхода к исследованию обобщенных деформационных характеристик изделий из материала MP втулочного типа 71
3.3 Описание контуров петель гистерезиса виброизолятора-прототипа с помощью полиномов 73
3.4 Разработка метода математического описания исходных совокупностей (ИС) процессов деформирования втулочных.виброизоляторов-прототипов 79
3.5 Совершенствование математической модели деформирования многоэлементных виброизоляторов из MP втулочного типа 82
3.6 Основные результаты и выводы по разделу 87
4 Основы проектирования многоэлементных цельнометаллических виброизоляторов втулочного типа с УГЭ из материала MP для систем виброзащиты агрегатов и узлов транспортных машин 89
4.1 Методика расчета потребных упругогистерезисных характеристик виброизоляторов из материала MP 91
4.2 Методика расчета конструктивно-технологических параметров УГЭ и пружин 94
4.3 Методика определения технологических параметров материала MP втулочных УГЭ 99
4.4 Методика проектирования низкочастотных многоэлементных виброизоляторов втулочного типа 108
4.5 Некоторые результаты расчетных исследований динамической прочности разработанных конструкций при длительном нагружении 116
4.6 Основные результаты и выводы по разделу 118
Заключение 120
Список сокращений и условных обозначений 124
Библиографический список
- Анализ типовой технологии производства изделий втулочного типа с УГЭ из MP и выявление ее наиболее характерных параметров
- Создание низко - и среднечастотных втулочных виброизоляторов с повышенной несущей способностью
- Выбор подхода к исследованию обобщенных деформационных характеристик изделий из материала MP втулочного типа
- Методика определения технологических параметров материала MP втулочных УГЭ
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Рост скоростей и объёмов перевозок, интенсификация рабочих процессов энергетических установок (ЭУ), ужесточение требований по работоспособности, охране труда и технике безопасности предопределяют важность и актуальность разработки средств снижения вибрации на железнодорожном транспорте. Отличительными особенностями вибрационной нагрузки современным транспортных средств являются:
- широкий (от 1 до 1000 Гц) спектр возбуждающей нагрузки;
- разное по направлениям и интенсивности воздействие вибрации и т.п.
В настоящее время виброизоляторы из упругопористого проволочного мате
риала, получившего название металлорезина (МР), широко применяются в авиаци
онной технике, судостроении, железнодорожном транспорте и др. для снижения
вибронагруженности систем виброзащиты агрегатов и узлов ЭУ. Особое место сре
ди виброизоляторов с упругогистерезисными элементами (УГЭ) из материала МР
занимают втулочные виброизоляторы. Они имеют малые габариты, вес, высокую
статическую прочность, широкий диапазон резонансных частот и массовых нагру
зок. Упругие и диссипативные свойства втулочных виброизоляторов можно изме
нять в широком диапазоне, изменяя как параметры материала МР (соотношение
геометрических характеристик спирали, упругие свойства проволоки, плотность за
готовки и др.), так и конструктивное исполнение виброизоляторов. Втулочные виб
роизоляторы отличаются существенной дешевизной, простотой и технологично
стью, что чрезвычайно важно при массовом производстве. В то же время при ис
пользовании втулочных виброизоляторов на современном транспорте необходимо
увеличить их грузоподъёмность, работоспособность, снизить резонансную частоту и
т.д. Указанные задачи можно решить путём создания многоэлементных втулочных
виброизоляторов, сочетающих в себе УГЭ из материала МР и пружинные разгру
зочные устройства, а также с помощью разработки методики проектирования виб
роизоляторов. Все это предопределяет важность и актуальность темы исследования.
Степень разработанности темы исследования. Работы по созданию конструкций подобного типа ведутся в настоящее время как в России (СГАУ), так и в Китае, Германии, Франции и некоторых других странах. Однако до сих пор исследователям не удалось разработать низкочастотные втулочные виброизоляторы из материала МР с высокими демпфирующими свойствами для большегрузных объектов (от 500 Н и выше), обладающих высокой работоспособностью и воспринимающих вибрационные нагрузки широкого спектра. Кроме того, существующие методики проектирования несовершенны, так как не учитывают в полной мере связь динамических и упругогистерезисных характеристик с потребными конструктивно-технологическими параметрами многоэлементных виброизоляторов. Данная работа посвящена комплексному решению указанных проблем.
Целью работы является создание на базе материала МР низкочастотных многоэлементных втулочных виброизоляторов с повышенной несущей способностью и методики их проектирования.
Задачи исследований:
1 На базе анализа конструкций и технологии производства виброизоляторов с УГЭ из материала МР разработать классификацию виброизоляторов, ориентирован-3
ную на объекты железнодорожного транспорта и на ее основе создать новые перспективные конструкции.
2 Проанализировать и обобщить результаты исследования объёмного упругого
последействия прессовок втулочного типа и получить основные зависимости влия
ния конструктивно-технологических параметров.
3 Усовершенствовать математическую модель деформирования много
элементных виброизоляторов с учетом совместной работы втулочных УГЭ и пру
жинных разгрузочных устройств, а также получить аналитическое решение уравне
ния движения для определения параметров вынужденных установившихся
колебаний виброзащитных систем (ВС).
4 Создать методику проектирования многоэлементных виброизоляторов из МР
втулочного типа с пружинными разгрузочными устройствами для нужд современно
го транспорта.
Научная новизна.
1 Усовершенствована обобщенная математическая модель деформирования втулочных виброизоляторов из материала МР, представленная в безразмерном виде и построенная с помощью коэффициентов подобных преобразований в форме сочетания степенных и показательных функций, путем преобразования трансцендентных функций в полиномы Чебышева и учета реакций пружинных разгрузочных устройств. Линеаризация упругогистерезисных характеристик многоэлементных виброизоляторов позволила получить аналитическое решение уравнения движения вибразащитной системы и связать коэффициенты подобных преобразований с параметрами резонансных режимов ее колебаний.
-
Обобщены результаты исследования объемного упругого последействия прессовок втулочного типа, позволившие получить основные зависимости для определения рациональных конструктивно-технологических параметров упругогистере-зисных элементов и использовать полученные результаты для построения методики проектирования виброизоляторов.
-
Разработана методика проектирования многоэлементных виброизоляторов втулочного типа, объединяющая методики и алгоритмы расчёта потребных упруго-гистерезисных характеристик с рациональными конструктивно-технологическими параметрами с элементами из материала МР и пружинными разгрузочными устройствами.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Теоретическая значимость работы заключается в усовершенствовании обобщённой математической модели деформирования многоэлементных втулочных виброизоляторов из материала МР с последующим использованием полученных результатов при аналитическом решении динамических задач, обобщении наиболее важных результатов объёмного упругого последействия прессовок из материала МР и теоретической связки в аналитически замкнутом виде конструктивно-технологических параметров виброизоляторов с техническим заданием.
Практическая значимость работы состоит в создании и програмной реализации методики проектирования многоэлементных металлорезиновых втулочных виброизоляторов под заданные технические требования к системам виброзащиты современного транспорта.
Разработанные многоэлементные втулочные виброизоляторы и новые технологии их производства использованы в ремонтных депо Куйбышевской железной дороги – филиал ОАО «РЖД». Усовершенствованная на базе математической модели методика проектирования, включающая методики расчёта потребных упруго-гистерезисных и конструктивно-технологических параметров виброизоляторов для систем виброзащиты, использованы в учебном процессе СамГУПС.
Методы исследования. Математическая модель виброизолятора разработана на базе использования полиномов Чебышева, теории подобия и размерностей с реализацией промежуточного приближения петель гистерезиса методами гармонической линеаризации. Метод расчёта потребных упругогистерезисных характеристик в соответствии с заданными техническими требованиями основан на решении задачи о колебаниях ВС при гармоническом кинематическом возбуждении и последующей связки в аналитически замкнутой форме требуемых резонансных характеристик ВС с конструктивно-технологическими параметрами виброизоляторов.
Положения, выносимые на защиту.
1 Усовершенствованная путём преобразования степенных и показательных функций в полиномы Чебышева обобщённая математическая модель деформирования виброизоляторов втулочного типа из материала МР, построенная с учётом совместной работы упругогистерезисных элементов и пружинных разгрузочных устройств и полученное с её помощью аналитическое решение уравнения движения ВС, связывающее технические требования по параметрам резонансных режимов с коэффициентами подобных преобразований многоэлементных виброизоляторов.
2 Выявленные путем обобщения экспериментальных данных зависимости по
влиянию конструктивно-технологических параметров на объёмное упругое после
действие прессовок втулочного типа из материала МР.
3 Методика проектирования многоэлементных виброизоляторов, включающая
методики расчетов их потребных упругогистерезисных характеристик, рациональ
ных конструктивно-технологических параметров упругогистерезисных элементов
из МР и пружин, по заданным техническим требованиям к резонансным характери
стикам и вибрационным нагрузкам гармонического типа.
Степень достоверности полученных результатов обеспечена использованием в работе научно-обоснованных гипотез и допущений, применением апробированных математических методов аппроксимации и решения дифференциальных уравнений, количественным и качественным согласованием полученных результатов с экспериментальными данными, полученными как самим автором, так и другими исследователями (СГАУ). Адекватность усовершенствованной автором математической модели деформирования виброизоляторов и полученных с ее помощью динамических решений для ВС обусловлена использованием в работе фундаментальных положений механики и систематическим сопоставлением полученных результатов с результатами, описанными в опубликованных работах других исследователей.
Апробация результатов. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях:
- на международных научно-технических конференциях: «Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика», Санкт-Петербург, 2008 г.; «Проблемы исследования и проектирования машин», г. Пенза, 2008 г; «Проблемы и пер-5
спективы развития двигателестроения, г. Самара, 2009 г.; «Управляемые вибрационные процессы, технологии и машины», г. Курск, 2010 г.;
- на региональной науч.- практ. конф. «ИНЖИНИРИНГ-2009», г. Орел, 2009 г.
- на международных научно-практических конференциях: «Актуальные про
блемы развития транспортного комплекса», г. Самара, 2008, 2009, 2010 г.; «Наука и
образование транспорту», г. Самара, 2010 г., 2011 г., 2012 г.; г. Оренбург, 2012 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 27 работ, в том числе 8 работ в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ, 4 патента на полезные модели.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 161 наименования, изложена на 158 страницах и содержит 46 рисунков, 1 таблицу и три приложения.
Анализ типовой технологии производства изделий втулочного типа с УГЭ из MP и выявление ее наиболее характерных параметров
Втулочные виброизоляторы отечественного и зарубежного производства (рисунок 1.6 а, б, в, д) и другие отличаются простотой и технологичностью. Они имеют хорошие массо-габаритные характеристики, статическую прочность (до 10 Па), их резонансные частоты изменяются в широком диапазоне (9-100 Гц), воспринимаемые массовые нагрузки варьируются в пределах 0,05-20 кг; коэффициент передачи на резонансе весьма незначителен цр = 5-10. Малый коэффициент Пуассона определяет широкие возможности конструктивного исполнения УГЭ втулочных виброизоляторов (рисунок 1.6) и возможности их рационального расположения в конструкции агрегатов и узлов ТС.
Упругофрикционные характеристики (УФХ) втулочных виброизоляторов можно изменять в широких пределах, в частности, путем изменения технологических и механических параметров материала MP (соотношениями геометрических параметров спирали, механическими свойствами проволоки, степенью опрессовки заготовки, величиной усилия прессования и др.), а также путем рационализации конструкции виброизолятора.
В конструкциях, работающих в режиме двустороннего упора (рисунок 1.6, а, б), УФХ виброизолятора зависят от величины предварительного натяга.
Двухэлементные виброизоляторы (типа АЦП, рисунок 1.6, г) воспринимают большие осевые массовые нагрузки ВС, являются низкочастотными (резонансная частота 8-11 Гц) и имеют малый коэффициент передачи 4-5. До сборки высота УГЭ больше высоты пружины, что обеспечивает в рабочем состоянии виброизолятора частичную разгрузку УГЭ от веса ВС.
Следует отметить, что все втулочные виброизоляторы имеют и общие недостатки. Это, прежде всего, изменение при наработке УФХ виброизолятора, сопровождающееся интенсивной усадкой и увеличением нелинейности. В большинстве случаев при числе циклов (1-1,5)106 демпфирующая способность падает на 20-40%, а жесткость возрастает на 50-80%. Это может привести к нежелательным эффектам и даже к катастрофическому разрушению виброизолятора. Поэтому при виброперемещениях точки подвеса виброизолятора более 0,5-0,7 мм на резонансных частотах колебаний виброизоляторы имеют малый ресурс.
Указанные обстоятельства ограничили область применения втулочных виброизоляторов кратковременными режимами эксплуатации, а также условиями эксплуатации ТС, когда вибрационные нагрузки кратковременны или носят случайный характер.
Одноэлементные виброизоляторы (рисунок 1.7, а, б) могут быть использованы при работе в условиях их пространственного нагружения, имеют резонансные частоты (20-50 Гц), применимы для виброзащиты ВС малой массы (менее 0,15 кг). УГЭ таких виброизоляторов имеют форму кольца, два отверстия для крепежных болтов (тип АМГ - рисунок 1.7, б) или уголковые скобы (тип АК -рисунок 1.2, а).
Виброизоляторы, воспринимающие массу (для АК - 0,05 кг, для АМГ - 0,15 кг), могут эксплуатироваться в любом из трех взаимно-перпендикулярных направлений. Одновременно они могут воспринимать воздействие ускорений до 120 мс" (кратковременно до 300 мс") и ударных нагрузок. При этом общее количество циклов нагружений не менее 10 . Резонансные частоты составляют: для виброизоляторов АМГ - 21 Гц, для АК - 50 Гц. К недостаткам виброизоляторов кольцевого типа можно отнести недостаточное демпфирование (jLip = 5-10), относительно большие массы (10-15% от массы ВС) и габариты. Резонансные частоты этих виброизоляторов зависят от схемы нагружения (опорной, консольной или подвесной) и могут изменяться в 1,3-1,6 раза.
Многоэлементные виброизоляторы типа ДК или ДКБ (рисунок 1.8, а, б), могут быть использованы для виброзащиты большегрузных объектов (0,6-40 кг) и имеют резонансные частоты в диапазоне (12 40 Гц). Виброизолятор представляет собой два УГЭ колоколообразной формы, сшитых по периметру основания проволокой (рисунок 1.8, а) [13].
Одноэлементные кольцевые виброизоляторы: а-АК;б-АМГ Соединение УГЭ может быть реализовано, например, и с помощью свинчивающегося бандажа (тип ДКБ - рисунок 1.8, б [50]). Форма УГЭ колокольчиков предопределяет одинаковые характеристики жесткости и демпфирования готового изделия в осевом и радиальном направлениях.
Многоэлементные виброизоляторы: а - шаровой из 3-х сегментов; б - АРМ; в - с разгрузочной пружиной (прототип ДКУ)
В зависимости от условий монтажа виброизоляторов на ВС вместо крепежных болтов могут быть использованы резьбовые втулки. Виброизоляторы типа ДК имеют хорошие характеристики и широко применяются в отечественной АиРКТ, в частности, их характеризуют низкие резонансные частоты (12-25 Гц), высокие диссипативные свойства, хорошие массо-габаритные характеристики (1-3 % от массы ВС), удобство монтажа, хорошие противоударные свойства и др.. Кроме того, изменение УФХ при наработке слабо влияет на их нелинейность, а приводит лишь к незначительному росту их резонансной частоты (до 25%). Поэтому наряду с совершенствованием форм УГЭ с целью создания более прочных виброизоляторов (рисунок 1.9, а, б) [13, 15, 50], разработаны новые конструкции многоэлементных виброизоляторов, в частности, путем введения в конструкцию виброизолятора-прототипа, пружинных разгрузочных устройств (ПРУ) (рисунок 1.9, в) [17, 67, 77,81,82].
Подобное направление представляется экономически более целесообразным, чем, например, разработка виброизоляторов с новой формой УГЭ. С помощью встраиваемых в виброизолятор пружинных разгрузочных и противоударных устройств, что видно из рисунка 1.9, в, можно изменять в широких пределах механические и физические свойства многоэлементных виброизоляторов:
Создание низко - и среднечастотных втулочных виброизоляторов с повышенной несущей способностью
Обобщению УГХ посвящена работа [145], в которой с целью сокращения объема экспериментальных исследований предложен метод исследования УГХ, основывающийся на дальнейшем развитии идей В.П. Филекина в изучении подобия СКД и обобщении ранее полученных данных решения задач о нагружении простейших систем [51, 97, 132,133 и др.].
Особенностью метода является рассмотрение неполного приближенного подобия по упругим и гистерезисным свойствам изучаемых СКД определенного класса или входящих в него более узкого круга конструкций (подклассов). В таком случае условием подобия по УГХ для всех типоразмеров класса или подкласса изучаемых конструкций является наличие единственного обобщенного поля петель гистерезиса в относительных координатах г- , где
Автором работы [62] теоретически обосновано, что в качестве коэффициентов подобных преобразований рационально использовать отрезки, отсекаемые от координатных осей соответствующими процессами нагрузки или разгрузки. Для соответственных петель относительные координаты их вершин
АР г и удовлетворяют условию: , 0= — = idem, или r\0= — = idem, где Ак, Рк «к Т. амплитуда прогибов или нагрузки для соответствующих петель гистерезиса; ак, Тк - отрезки, отсекаемые от оси перемещений и нагрузки соответственными процессами нагрузки или разгрузки -го типоразмера СКД.
С целью упрощения решения задачи о приближенном подобии по УГХ следует предварительно проанализировать существующие [96, 131, 132, 147 и др.] или легко получаемые решения для простейших расчетных моделей СКД, обладающих определяющими признаками реального устройства: - количеством и характером взаимодействия контактирующих элементов; - параметрами нагрузок, сдавливающих эти элементы; - порядком распространения взаимных проскальзываний контактирующих элементов; - схемой работы УГЭ в конструкции виброизолятора и др. Факт приближенного подобия по УГХ изучаемых конструкций определяют с помощью достаточных условий, например, с помощью характеристик коэффициента рассеяния Ч и относительной средней жесткостью - С Сср =— -. В.П. Филекиным установлено, что демпфирующая способность СКД _ с определяется относительной жесткостью С = —- и является критерием подобия по УГХ (рисунок 1.11).
В изучаемых конструкциях эта жесткость может изменяться в широких пределах, но с ее ростом (С—» оо) целый ряд безразмерных и размерных параметров не влияет на УГХ изучаемых конструкций. Следовательно, зависимости Ч ОІА) И Ч А), а также Ccp(rA) и Сср( А) могут быть описаны единственными кривыми с достаточной для практики точностью [144].
Выбор определяющих геометрических и физических параметров, а также их взаимосвязи в безразмерных комплексах и симплексах, необходимых для описания процессов деформирования СКД, определяется применением П-теоремы [39, 44, 113, 145, 146 и др.], что позволяет исключить многозначность и физическую неоправданность форм определяемых и определяющих критериев подобия, а также функциональных связей безразмерных и размерных параметров конструкции с коэффициентами подобных преобразований Ти а .
При выявлении обобщенного поля петель гистерезиса для различных амплитуд перемещений (прогибов) СКД определяемым критерием подобия является относительная нагрузка, а основными определяющими - относительные прогиб и его амплитуда. Из остальных комплексов и симплексов в определяющие критерии войдут те, при изменении которых нарушается вид обобщенных УГХ в критериальных координатах г\ - [144].
Рисунок 1.12 - Обобщенные УГХ втулочных виброизоляторов из MP
В зоне асимптотического поведения функции Ч (С) и слабого влияния на характер процессов деформирования целого ряда параметров для каждой из изучаемых конструкций виброизоляторов и демпферов в виде многослойных пластин, отрезков тросов и материала MP, в координатах г\ - получалось свое единственное обобщенное поле петель гистерезиса. Для примера на рисунке 1.12 представлены экспериментальные данные по определению УГХ в форме обобщенного поля петель гистерезиса для втулочного виброизолятора [144, 145]. Результаты исследования УГХ различных классов виброизоляторов и демпферов показали высокую эффективность применения рассмотренного метода для экспериментального получения обобщенных УГХ [26, 34, 63, 78, 79, 144, 145, 147, 150-152]. В том числе автором работы [34, 36] с помощью такого подхода и аппроксимации рекуррентных соотношений физической модели MP удалось представить в критериальной форме компактную математическую модель процессов циклического деформирования материала MP.
Выбор подхода к исследованию обобщенных деформационных характеристик изделий из материала MP втулочного типа
В работах [143, 146] приведены результаты сравнения численных решений, обладающих свойствами точных, с решениями, полученными методом Пановко-Страхова [97] для вынужденных колебаний ВС с различными типами СКД, характеризующихся широким диапазоном. При изменении форм петель гистерзиса установлено, что с увеличением амплитуды возбуждающей нагрузки и коэффициента рассеяния СКД, погрешности приближенного решения по амплитудам резонансных колебаний возрастают до 25 % и более, а по резонансным частотам - до 14,5 %. Причем для параллелограммов с вертикальными стенками точное решение (1.5) ни один из приближенных а 4 аналитических методов, известных автору, не позволяют получать при р —. Как известно, этот диапазон возбуждающих нагрузок соответствует рабочей зоне виброизоляторов с сухим трением. Подобное обстоятельство связано, вероятно, с существенной нелинейностью сил трения, которые нельзя считать величинами первого порядка малости какими их обычно принимают.
В некоторых случаях применение высокодемпфированных виброизоляторов из MP приводит к необходимости трудоемкого исследования колебания ВС с помощью численных решений или экспериментально на основе методов теории подобия и анализа размерностей [39, 44 и др.]. Примерами такого подхода являются работы [146, 148], посвященные получению обобщенных вибро- и удароизолирующих характеристик для различных виброизоляторов из MP на основе численного решения уравнения движения ВС. В работе [63] рассматривается экспериментальный метод получения обобщенных виброизолирующих характеристик виброизоляторов из MP типа ДК или втулочного типа. Получаемые таким образом результаты экспериментальных исследований по своей природе аналогичны численным, с той лишь разницей, что найденная связь значений переменных является продуктом измерений, а не вычислений [44].
Постановка задачи исследований В соответствии с вышеизложенным сформулированы задачи исследований. 1 На базе анализа конструкций, технологии производства и методов расчета виброизоляторов с УГЭ из материала MP выявить и усовершенствовать наиболее перспективные конструкции и применимые к ним методы расчета исходя из технических требований, предъявляемых к объектам железнодорожного транспорта. Создать классификацию виброизоляторов, ориентированную на объекты железнодорожного транспорта.
2 Проанализировать результаты исследования объемного упругого последействия прессовок втулочного типа и получить основные зависимости для определения рациональных конструктивно-технологических параметров упругогистерезисных элементов втулочного типа.
3 Усовершенствовать полиномиальную совокупную математическую модель деформирования многоэлементных втулочных виброизоляторов в критериальном виде с учетом совместной работы втулочных УГЭ, разгрузочных устройств и построить на этой базе аналитическое решение для определения параметров вынужденных установившихся колебаний виброзащитных систем.
4 Создать расчетные методики цельнометаллических многоэлементных виброизоляторов из MP втулочного типа с пружинными разгрузочными устройствами для нужд транспорта. 2 Конструирование многоэлементных цельнометаллических виброизоляторов с УГЭ из материала MP втулочного и комбинированного типов
Существенными недостатками втулочных виброизоляторов, работающих по схеме двухстороннего упора является их малая грузоподъемность и сравнительно высокие резонансные частоты: от 25 Гц до 35-80 Гц (глава 1) для разных типов конструктивных форм УГЭ и комплектующих деталей.
Создание виброизоляторов с резонансными частотами ниже 15 Гц без радикального изменения состава конструкции существующих типов приводит к необходимости значительного увеличения рабочего хода и, следовательно, габаритно-массовых характеристик виброизоляторов, являющихся основными причинами неконструктивности разрабатываемых низкочастотных виброизоляторов.
Указанные недостатки можно устранить путем дополнения конструкции виброизоляторов-прототипов разгрузочными пружинными устройствами [19, 21, 102, 104 и др.]. Их главное назначение: обеспечивать восприятие постоянно действующей нагрузки (веса виброзащитной системы) с помощью пружин в конструкциях разрабатываемых виброизоляторов. Выбор значений усилия поджатия пружин в первую очередь зависит от конструктивных особенностей прототипов и разгрузочных устройств.
Так, например, для виброизолятора, содержащего два одинаковых УГЭ, работающих по схеме двухстороннего упора, усилие поджатия пружин в разгрузочном устройстве должно соответствовать весу ВС.
В силу большого разнообразия геометрических форм УГЭ пружины разгрузочных устройств виброизоляторов согласно разработанной классификации (рисунок 2.1) применяют различных форм: конические, цилиндрические, бочкообразные, тарельчатые и др. При этом разгрузочное устройство может содержать одну или несколько пружин различных форм, но устанавливаемых в виброизоляторе концентрично. Их упругие свойства, характеризуемые, например, осредненной жесткостью в рабочем диапазоне амплитуд деформаций должны быть значительно ниже аналогичных жесткостей самого виброизолятора. В этом случае коэффициент рассеяния энергии уменьшается на величину, практически пропорциональную отношению вышеуказанных жесткостей, и, соответственно, коэффициент передачи на резонансе увеличивается на ту же величину.
Заметим, что при концентричной установке нескольких пружин могут быть решены две разные задачи: одна из них - уменьшение жесткости разгрузочного устройства при заданных значениях грузоподъемности, рабочего хода, максимальных напряжений и габаритов. Другая задача заключается в увеличении грузоподъемности разгрузочного устройства при заданной его жесткости. Решение первой задачи совместно с возможностью обеспечения дополнительного рассеяния энергии за счет контактирования поверхностей УГЭ и пружин позволяет в значительной мере устранить нежелательное увеличение коэффициента передачи на резонансных режимах работы виброизоляторов.
Методика определения технологических параметров материала MP втулочных УГЭ
1 Подход к структуре материала MP как к квазисплошной среде с учетом детерминистской модели уплотнения витков спиралей позволили получить основные зависимости для определения и оптимизации конструктивно технологических параметров УГХ втулочного типа. 2 Предложен и апробирован метод расчета потребных УГХ виброизоляторов втулочного типа, включающий алгоритм расчета коэффициентов подобных преобразований Тп и ап с конструктивно-технологическими параметрами втулочных виброизоляторов.
Сравнение АЧХ вновь разработанных конструкций виброизоляторов и виброизоляторов-прототипов показало, что при практически одинаковых коэффициентах усиления на резонансе несущая способность возросла от 50Н до 700 Н, а резонансная частота снижена в 3,5 раза. Расчетные исследования по методике, представленной в работе Уланова A.M. показали, что при нагрузке 700 Н виброизолятор-прототип работоспособен не более 104 циклов нагружения (коэффициент запаса для базового числа циклов нагружения 10 и более меньше единицы).
В то же время для вновь разработанного виброизолятора при базовом числе циклов 10 коэффициент запаса прочности равен 4,5.
Оценка вибропрочности вновь разработанного виброизолятора по ГОСТ 20.57.406-81 п. 2.4.9.4 показала, что снижение резонансной частоты по сравнению с прототипом в 3,5 раза привело к увеличению продолжительности воздействия вибрации (числа циклов нагружения при ускоренных испытаниях) в 144 раза.
3 Разработаны инженерные методы определения геометрических и физических параметров УГЭ и материала MP, а также пружинных разгрузочных устройств с учетом их совместной работы под заданные технические условия нагружения.
4 Результаты апробирования предложенных методов расчета для построения УГХ вновь разработанных многоэлементных цельнометаллических виброизоляторов втулочного типа и их сравнения с УГХ виброизоляторов-прототипов показали, что виброзащитные свойства новых виброизоляторов существенно улучшены при одновременном снижении резонансной частоты и увеличении несущей способности.
В результате проведенных исследований решена актуальная научно техническая задача, имеющая существенное значение для повышения вибрационной прочности и надежности объектов железнодорожного транспорта за счет совершенствования конструкции и технологий производства металлорезиновых многоэлементных виброизоляторов с пружинными разгрузочными устройствами, а также создания методики их проектирования, включающая методики расчета потребных упругогистерезисных характеристик, величин конструктивно-технологических параметров упругогистерезисных элементов и пружин.
Технико-экономический эффект разработки низкочастотных, усовершенствованных виброизоляторов заключается в увеличении надежности и повышении работоспособности, приведение в соответствие санитарно-техническим требованиям уровня вибрации и шума, снижение вероятности отказов и разрушении объектов железнодорожного транспорта, повышение сохранности перевозимых грузов и комфортабельности пассажирских перевозок, повышение технологичности изготовления, сборки и эксплуатации средств виброзащиты.
По итогам работы можно сделать следующие выводы и обобщения: На базе анализа современных средств виброзащиты агрегатов и узлов машин и механизмов транспортных систем выявлено, что для условий работы, реализуемых на железнодорожном транспорте и технических требований к разрабатываемым виброизоляторам одним из наиболее перспективных направлений является создание многоэлементных втулочных виброизоляторов с упругогистерезисными элементами из материала MP.
Сравнение амплитудно-частотных характеристик разработанной конструкции виброизолятора и виброизолятора-прототипа показало, что при практически одинаковых коэффициентах усиления на резонансе несущая способность возросла от 50 Н до 700 Н, а резонансная частота снижена в 3,5 раза.
Обобщены результаты исследования объёмного упругого последействия прессовок втулочного типа, позволившие получить основные зависимости для определения рациональных конструктивно-технологических параметров упругогистерезисных элементов. Это дало возможность оценивать объёмное упругое последействие прессовок для основных параметров материала MP во всех практических диапазонах их изменения, необходимых для построения методики проектирования виброизоляторов.
Анализ и обобщение результатов исследования упругого последействия прессовок втулочного типа в направлении силы прессования показало, что его относительная величина АЯ составляет от 5 до 15% в зависимости от плотности упругогистерезисных характеристик. Боковое последействие AD относительно АН составляет от 4 до 10 %. С увеличением упругой константы, равной отношению предела текучести на сжатие MP к модулю упругости материала проволоки, упругое последействие возрастает, что позволяет увеличивать работоспособность и расширять область допустимых значений деформации виброизоляторов. 3 Усовершенствована обобщенная математическая модель деформирования втулочных виброизоляторов из материала MP, представленная в безразмерном виде и построенная с помощью коэффициентов подобных преобразований в форме сочетания степенных и показательных функций, путем преобразования трансцендентных функций в полиномы Чебышева с учётом реакции пружинных разгрузочных устройств. Линеаризация упругогистерезисных характеристик на основе усовершенствованной полиномиальной модели деформирования 122 позволила получить аналитическое решение дифференциального уравнения движения систем виброзащиты с многоэлементными виброизоляторами и на базе этого решения связать коэффициенты подобных преобразований с параметрами резонансных режимов. При этом расхождение не превышает 6%. 4 Разработана методика проектирования многоэлементных виброизоляторов втулочного типа, позволяющая в аналитически замкнутом виде связать технические требования по резонансным режимам колебаний систем виброзащиты с потребными конструктивно-технологическими параметрами многоэлементных виброизоляторов втулочного типа. Созданы и апробированы алгоритм и программа расчёта для определения конструктивных и технологических параметров.
Таким образом, в соответствии с требованиями к диссертациям на соискание ученой степени кандидата технических наук, в работе представлены научно обоснованные технические и технологические разработки, обеспечивающие решение важных прикладных задач по обеспечению виброзащиты агрегатов и узлов транспортных машин, повышение их надежности и работоспособности.
В работе впервые решена задача математического моделирования технологического процесса, динамических и упругогистерезисных свойств многоэлементных цельнометаллических виброизоляторов втулочного типа с УГЭ из материала MP.
