Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 8
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА И АББРЕВИАТУРА 25
1. МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ
ИНФРАЧАСТОТНОЙ ВИБРОЗАЩИТЫ 26
1.1. Методы проектирования и показатели качества традиционных
систем виброзащиты 26
Выбор типа упругих связей 28
Выбор типа диссипативных связей 34
Развитие концепции активной виброизоляции 40
Методы минимизации жесткости упругих связей 46
«Прямые» методы. Оценка предельных возможностей минимизации жесткости пневматической пружины 46
Методы проектирования систем, упругие связи которых имеют свойство «отрицательной» жесткости 50
Выводы по главе 1 57
2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ МЕХАНИЗМОВ
ДЛЯ СИСТЕМ ВИБРОЗАЩИТЫ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ
И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН 59
2.1. Структурные схемы механизмов преобразования движения 61
Обзор схем исходных механизмов 61
Атлас механизмов преобразования движения, содержащих кинематические цепи для присоединения избыточных упругих связей с «отрицательной» жесткостью 63
2.2. Источники снижения показателей качества структурных
элементов систем виброзащиты 68
2.2.1. Схемы распределения подвижных соединений звеньев и
упругих связей с приводом 69
Источники снижения качества на элементном уровне 71
Источники снижения качества на подсистемном уровне 72
Источники снижения качества на системном уровне 74
2.3. Введение избыточности разного уровня 76
Системная избыточность 76
Избыточная упругая связь с приводом 77
Избыточная кинематическая цепь 80
2.4. Оптимальные по качеству схемы механизмов с параллельной
структурой 83
Выводы по главе 2 87
3. АЛГОРИТМ ВЫБОРА ТИПА УПРУГОЙ СИСТЕМЫ
С «ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ» ЖЕСТКОСТЬЮ 89
3.1. Методы определения и измерения хаотического движения 90
3.1.1. Качественные методы 90
Амплитудные характеристики и фазовые траектории 90
Сечения (отображения) Пуанкаре 91
Бифуркационные диаграммы 94
3.1.2. Количественные методы 96
Фрактальная размерность 97
Наибольшая экспонента Ляпунова 98
3.2. Выбор типа системы с упругими связями «отрицательной»
жесткости 100
3.2.1. Системы «первого» типа и виброизолирующие механизмы
на их основе 103
3.2.2. Системы «второго» типа 107
3.3. Оценка влияния уровня демпфирования на устойчивость
«в большом» управляемого виброизолирующего пневмомеханизма
с избыточными упругими связями «отрицательной» жесткости ПО
Выводы по главе 3 118
4. РАЗРАБОТКА МЕТОДА ПОЗИЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ
ВИБРОИЗОЛИРУЮЩИМИ ПНЕВМОМЕХАНИЗМАМИ
С УПРУГИМИ СВЯЗЯМИ МИНИМАЛЬНОЙ ЖЕСТКОСТИ 120
4.1. Объект управления и диапазоны регулирования управляющих
параметров 121
Диапазон регулирования жесткости 122
Диапазон регулирования демпфирования 123
Уравнения движения 125
Результаты синтеза закона управления 129
Диапазон минимумов жесткости 130
Критерии управления пневмомеханизмом 134
4.4. Алгоритм управления 138
Работа алгоритма в режиме выбора исходной позиции 140
Работа алгоритма при регулировании высоты исходной позиции 141
Работа алгоритма в режиме адаптивного управления 142
Работа алгоритма в режиме стабилизации 143
4.5. Организация системы управления виброизолирующим
пневмомеханизмом 145
Выводы по главе 4 148
5. ГЕОМЕТРИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ МЕХАНИЗМОВ С УПРУГИМИ
СВЯЗЯМИ «ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ» ЖЕСТКОСТИ 150
Ограничения на компоновку системы виброзащиты в составе машины. Требования к жесткости упругих связей 151
Обобщенная модель элемента упругих связей с «отрицательной» жесткостью 154
Оценка возможностей регулирования «отрицательной» жесткости 154
Выбор кандидатов на роль элемента упругих связей
с «отрицательной» жесткостью «в большом» 158
Постановка задачи 158
Уравнения задачи 159
Решения задачи 160
5.3. Задача о деформировании упругих связей с «отрицательной»
жесткостью 168
5.3.1.0 методе решения задачи о геометрически нелинейном
деформировании элементов тонкостенных конструкций 168
Итерационная процедура решения задачи 172
О форме записи уравнений задачи 175
5.4. Методика проектного расчета механизма с упругими связями
«отрицательной» жесткости 181
Конечно-элементная модель элемента упругих связей 181
Расчет механизмов с упругими связями регулируемой «отрицательной» жесткости 187
Условия задачи 187
Безразмерные проектные параметры задачи 187
Решение задачи 188
Генеральная параметрическая зависимость для оптимизационного расчета 189
5.4.3. Методические примеры расчета 194
5.4.3.1. Расчет механизма для пневматической подвески
сиденья 194
Расчет механизма для пневматических опор кабины тяжелого грузового транспортного средства 196
Расчет механизма для пневматических опор виброизолирующего мини-стола для монтажа, например, измерительного прибора 199
5.4.4. Чувствительность функциональных характеристик механизма
к изменению геометрических параметров 200
Выводы по главе 5 204
6. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОЦЕНКИ И ПОВЫШЕНИЯ
ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА СТРУКТУРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
СИСТЕМ ИНФРАЧАСТОТНОЙ ВИБРОЗАЩИТЫ 207
6.1. Инфрачастотная виброзащита при слабом входном сигнале
в условиях сухого трения 207
Метод оценки влияния зазоров в подвижных соединениях на кинематику механизма преобразования движения 212
Оценка структурного трения в упругих связях
с «отрицательной» жесткостью 221
6.4. Антифрикционные свойства фторсодержащих композиций и
вопросы их применения в виброизолирующих механизмах 230
Выводы по главе 6 239
7. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМ
ИНФРАЧАСТОТНОЙ ВИБРОЗАЩИТЫ 240
7.1. Исследование статических характеристик 241
Цель и задачи экспериментов 241
Измеряемые параметры 242
Оборудование для статических испытаний исследуемого объекта. Обработка результатов измерений 243
Характеристики «сила-перемещение» упругих связей 246
Несущие упругие связи 246
Упругие связи с «отрицательной» жесткостью 250
Упругие связи минимальной жесткости 259
7.1.5. Оценка деформированного состояния модели системы
с «отрицательной» жесткостью 261
7.2. Исследование динамических характеристик 264
7.2.1. Комплекс для воспроизведения и измерения вибраций 265
Оборудование для воспроизведения виброударных нагрузок 265
Оборудование для измерения, регистрации и анализа вибраций 267
Программное обеспечение для автоматизированных исследований, проводимых на испытательном комплексе 270
Измеряемые параметры 273
Критерии качества виброзащиты 274
Результаты исследования динамики образцов виброизолирующих механизмов с упругими связями минимальной жесткости 276
Механизмы с пассивным управлением 276
Пневмомеханизмы с активным управлением 279
Выводы по главе 7 284
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 286
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 290
ПРИЛОЖЕНИЕ.. П.С1...П.С25
Введение к работе
Актуальность проблемы. Рост интенсивности вибрационных воздействий на человека и технику, увеличение разнообразия таких воздействий, в связи с созданием машин новых типов, вызвали большой интерес к исследованиям инфранизкочастотных и особенно инфрачастотных вибраций. Вместе с тем, развитие методов синтеза нелинейных упругих систем, появление новых геометрических и топологических представлений в нелинейной динамике, успехи в создании микропроцессорной техники и средств измерения дают шанс для решения такой трудноразрешимой проблемы, как инфрачастотная виброзащита.
Результаты исследований показывают, что вибрации в диапазоне частот / = 0.5ч-10 Гц являются наиболее вредными и опасными как для
жизнедеятельности человека [3,14, 31, 37, 38, 81, 95, 97, 98, 116, 119, 122, 139, 151, 153, 159, 160, 163, 164, 171, 175, 176, 183, 188, 201], так и нормального функционирования транспортных средств и самоходных технологических машин, других объектов машиностроения [6,9,14,23,36, 44,45,75,81,92,112,142,183,192,199].
Основными выводами исследований является следующее:
Наивысшая чувствительность операторов наземных транспортных средств и самоходных технологических машин, пилотов вертолетов, а также многих объектов машиностроения, например, электронного оборудования, транспортируемого в виброзащитных контейнерах, находится в полосе частот / = 0.5-:-5 Гц [14, 35, 45, 75, 81, 119, 122, 153, 159,171,175,176].
Дискомфорт и риск физического повреждения человека-оператора или пассажира, риск нарушений технологических процессов в машинах и оборудовании, вероятнее всего, не может быть снижен с помощью методов и средств, разрабатываемых в рамках традиционной концепции. Она
заключается в ослабления влияния возмущения на колебания объекта защиты и его элементов на резонансных частотах с помощью, как правило, жидкостных демпферов пассивного, полуактивного или активного управления. При этом качество защиты определяется балансом параметров упруго-диссипативных характеристик пассивных упругих связей, которые, как известно, недостаточно эффективны в диапазоне инфрачастот. Поэтому виброизолирующие механизмы, содержащие подобные упругие связи, не отвечают требованиям в указанном диапазоне частот. Более того, они усиливают входной сигнал на частотах порядка / = 1.25 ч-4.5 Гц [3,
14,31,38,78,139,153,160,171,175,176].
(3) Будущее транспортного машиностроения и ряда других отраслей зависит, в значительной степени, от того, появятся ли новые проекты машин, требующие для разработки разумных дополнительных затрат и обеспечивающих функциональный комфорт человека и нормальную работу технических объектов при вибрациях в диапазоне инфрачастот.
Вместе с тем, проблема, непреодолимая с помощью известных подходов, во всяком случае, в условиях гравитации, может быть решена путем создания методов минимизации жесткости упругих связей и стабилизации виброизолирующего механизма с упругими связями минимальной жесткости. Тогда можно обеспечить для объекта защиты: а) неподвижность при установившемся вибрационном движении, начиная с диапазона инфрачастот; б) безударное движение при импульсных нагрузках. Разработка систем с упругими связями регулируемой «отрицательной» жесткости и их введение в структуру виброизолирующего механизма дает неограниченные возможности минимизации жесткости и, соответственно, повышения качества систем инфрачастотной виброзащиты.
Однако известные подходы, следующие этой концепции, имеют, главным образом, интуитивный характер и применимы для решения
частных задач. Поэтому дальнейшее развитие и успешное применение концепции видится, прежде всего, в разработке методов:
а) структурного и геометрического синтеза виброизолирующих механиз
мов, упругие связи которых могут иметь «отрицательную» жесткость;
б) прогнозирования и диагностики колебаний систем с «отрицательной»
жесткостью на основе новых геометрических и топологических
представлений в нелинейной динамике;
в) позиционного управления виброизолирующими механизмами, структур
ные элементы которых предрасположены к хаотическим колебаниям;
г) оценки и повышения качества структурных элементов систем
виброзащиты на инфрачастотах.
Разработке методов проектирования систем для обеспечения функционального комфорта человека и нормальной работы машин при инфрачастотных вибрациях в процессе совершенствования современных и создания перспективных машин и посвящена предлагаемая работа.
В первой главе, на основе литературных источников и собственного опыта, дан краткий анализ основных концепций виброзащиты, методов проектирования виброизолирующих механизмов для защиты человека или машин от вибраций в диапазоне инфрачастот, а также результатов разработки и применения известных методов.
По-видимому, методы создания виброизолирующих механизмов для систем инфрачастотной виброзащиты можно классифицировать по трем группам, в соответствии с основными концепциями, которым следуют известные методы:
Методы создания виброизолирующих механизмов, структура которых содержит упруго-диссипативные связи, а качество заключается в выборе компромисса между жесткостью и демпфированием, в пределах возможностей известных упругих материалов и конструкций, и управлении демпфированием пассивными или полуактивными методами.
Наиболее высокий уровень качества достигается путем присоединения к структуре виброизолирующего механизма дополнительного механизма демпфирования. Он включает емкость с магнитореологической или электрореологической жидкостью, способной менять свои диссипативные свойства в зависимости от интенсивности и направленности соответствующего поля. Параметры поля варьируются в соответствии с величиной скорости относительного движения выходного звена и стойки механизма преобразования движения.
Методы синтеза активных систем виброизоляции, которые могут иметь практически неограниченные возможности повышения качества, включая диапазон инфрачастот. Это возможно при удовлетворении, по меньшей мере, двум условиям: (а) микрогравитация; (б) многократное повышение чувствительности датчиков ускорений в цепи обратной связи, при совместимости таких датчиков с размерами рабочего пространства системы инфрачастотной виброзащиты. В условиях гравитации методы синтеза активных систем виброизоляции предполагают присоединение дополнительных упругих связей, в частности, с пассивным управлением. В этих случаях, качество виброзащиты будет полностью зависеть от качества дополнительных упругих связей.
Методы проектирования виброизолирующих механизмов, в которых используется свойство «отрицательной» жесткости. В рамках данной концепции также существуют неограниченные возможности повышения качества виброзащиты. При этом эффективное функционирование таких механизмов возможно в условиях гравитации. Так, например, известные подходы позволяют минимизировать жесткость упругих связей виброизолирующего механизма до сколь-угодно малого значения и, соответственно, повысить качество защиты, начиная с диапазона инфрачастот. Вместе с тем, при ограничениях рабочего пространства, известные механизмы эффективны лишь при вибрационном возбуждении с
малым параметром. При этом развитие упругих систем с «отрицательной» жесткостью и виброизолирующих механизмов на их основе происходит эмпирически. Отсутствуют методы проектирования механизмов преобразования движения с рациональными и оптимальными структурными характеристиками, содержащих цепь присоединения упругого звена с «отрицательной» жесткостью, рационального выбора типа упругой системы со свойствами «отрицательной» жесткости. Неизвестны методы, обеспечивающие оптимальные соотношения между геометрическими и функциональными характеристиками механизмов с упругими связями «отрицательной» жесткости и позволяющие адаптировать механизмы в системе инфрачастотной виброзащиты с заданными размерами рабочего пространства. Отсутствуют репрезентативные критерии формирования механизмов, содержащих упругие связи с «отрицательной» жесткостью, в зависимости от особенностей системы. Известны лишь частные методики расчета геометрии подобных механизмов применительно к отдельным случаям состояния и функционирования систем некоторых типов при условии «мягких» ограничений на размеры рабочего пространства. Недостаточно разработаны методы позиционного управления виброизолирующими механизмами с упругими связями минимальной жесткости, особенно их стабилизации при импульсном воздействии.
Во второй главе рассмотрены общая теория и методы проектирования механизмов, определяющих структуру систем, в которых используется свойство «отрицательной» жесткости, для обеспечения гарантированного движения объекта защиты в направлении минимума жесткости и по заданной траектории. Основное внимание уделено проектированию структурных схем механизмов преобразования движения, включающих цепь присоединения упругих связей с «отрицательной» жесткостью. Предложен подход, позволяющий оценить возможность уменьшения
влияние упругой системы с «отрицательной» жесткостью на движение выходного звена. Подход показан применительно к разработке механизмов преобразования движения упругих подвесок сидений для операторов транспортных средств и самоходных технологических машин. На основе общей теории структуры, рассчитан атлас схем механизмов преобразования движения, содержащих кинематические цепи для присоединения упругих связей с «отрицательной» жесткостью. С помощью примеров из атласа показаны некоторые ошибки эвристического проектирования и их влияние на показатели качества виброизолирующих механизмов с упругими связями минимальной жесткости. Систематизированы основные причины снижения механической добротности упругих связей систем инфрачастотной виброзащиты. Предложен подход, позволяющий спрогнозировать возможность повышения механической добротности. Сущность подхода заключается во введении многоуровневой избыточности виброизолирующего механизма, в частности, избыточной кинематической пары, избыточной кинематической цепи, избыточной упругой связи с приводом.
В третьей главе рассмотрен подход, который может быть использован для выбора типа упругой системы с «отрицательной» жесткостью при создании систем инфрачастотной виброзащиты. Подход позволяет сказать, уже на ранних стадиях проектирования, какой тип упругой системы может быть использован, в качестве компоновочного блока, для дальнейшего -рационального и исчислимого - проектирования виброизолирующего механизма. Подход нагляден, не требует больших затрат вычислительных ресурсов, что важно, принимая во внимание значительное количество типов механизмов, в которых используется или может использоваться свойство «отрицательной» жесткости. Он основан на методах исследования систем, движение которых может иметь хаотическую структуру. Эту структуру невозможно выявить традиционными методами
динамики с помощью, например, зависимостей «кинематическая характеристика-время» или частотных характеристик. Однако это возможно с помощью качественных и количественных критериев прогнозирования и диагностики хаотических колебаний, в частности, сечений Пуанкаре фазовых траекторий, фрактальных размерностей, наибольшей экспоненты Ляпунова. Разработан численный алгоритм идентификации механизмов, позволяющий сделать их оптимальный выбор. Алгоритм протестирован применительно к известному осциллятору Дуффинга и включает в себя построение моделей осцилляторов с «отрицательной» жесткостью, критериальные эксперименты и сравнительный анализ движения моделей, расчет оценок динамической устойчивости «в большом» и проектных параметров устойчивого движения систем инфрачастотной виброзащиты. Основные оценки делаются путем расчета наибольшей экспоненты Ляпунова. Дополнительные оценки - с помощью построения и анализа отображений Пуанкаре и расчета фрактальных размерностей фазового пространства.
В четвертой главе рассмотрены вопросы разработки метода позиционного управления виброизолирующим механизмом при вибрациях и импульсных воздействиях в диапазоне инфрачастот. Он основан на минимизации жесткости упругих связей механизма и организации переменной структуры демпфирования. Сформулированы способы минимизации жесткости за счет: (а) применения управляемых безштоковых пневматических пружин; (б) принудительной работы подобных пружин на сдвиг (помимо осевого сжатия); (в) введения в структуру механизма упругих связей с регулируемой «отрицательной» жесткостью; (г) введения локальных степеней свободы. На основе анализа моделей движения системы инфрачастотной виброзащиты, получен набор критериев для определения возможности позиционного управления пневматическими виброизолирующими механизмами с упругими связями
минимальной жесткости при установившемся вибрационном движении и его стабилизации при импульсных нагрузках. Программное движение пневматического механизма реализовано с помощью алгоритмов, задающих (через микропроцессор) набор операций для многоканальной системы управления воздушным демпфированием.
В пятой главе рассмотрен подход, который позволяет построить схему геометрического синтеза механизмов с упругими связями «отрицательной» жесткости на элементном, подсистемном и системном уровнях. Основная идея - определение условий синтеза компактного механизма с упругими связями «отрицательной» жесткости при больших перемещениях с тем, чтобы минимизировать жесткость упругих связей виброизолирующего механизма независимо от структурных и конструктивных особенностей, размеров рабочего пространства системы виброзащиты. Подход устраняет противоречие между ограничениями на размеры и диапазон регулирования параметров функциональных характеристик механизмов с упругими связями «отрицательной» жесткости. В рамках предложенного подхода, дана оценка предельных возможностей минимизации жесткости упругих связей с помощью известных методов. Получила развитие модель элемента упругих связей с «отрицательной» жесткостью. На основе известных гипотез и положений фундаментальной теории оболочек, сформулирована задача о геометрически нелинейном деформировании элементов. Итерационная процедура позволяет свести нелинейную задачу к решению последовательности линейных краевых задач, построить достаточно простой алгоритм решения и получить его хорошую сходимость. Адекватность моделей проверена путем сравнения результатов расчетов с данными физических измерений, в частности, применительно к задачам проектирования механизмов с упругими связями «отрицательной» жесткости для подвесок сидений. В результате решения задачи сформулированы зависимости, составляющие основу проектного расчета
механизмов с упругими связями «отрицательной» жесткости методом конечных элементов, совместимых с системами виброзащиты человека и машин, независимо от их структурных и конструктивных особенностей.
В шестой главе, используя парадигму теории колебаний, даны оценки влияния трения на показатели качества систем инфрачастотной виброзащиты при слабом входном сигнале. Выполнена проверка репрезентативности идей, предсказанных во второй главе. В частности, показана возможность повышения качества путем введения избыточной упругой связи с «отрицательной» жесткостью, дополнительного источника «медленной» вибрации, например, на частотах, меньших спектра частот собственных колебаний системы. Показано, что зазоры в кинематических парах есть источник трения, они могут привести к неопределенности позиции и хаотическому движению выходного звена (группы звеньев) механизма преобразования движения, и, как следствие, к ошибкам позиционного управления виброизолирующим механизмом. Используя методы кинематического анализа рычажных механизмов с вращательными кинематическими парами, предложен подход для оценки области ошибок позиционирования и ориентации звеньев из-за зазоров. Он позволяет спрогнозировать пределы изменения области ошибок и уменьшить их влияние на качество виброзащиты. В основе подхода - модель «виртуального» звена, позволяющая понять влияния зазоров на отклонение позиции и ориентации звена. Зазор добавляет степень свободы, а неопределенность позиции определяется избыточным числом степеней свободы. Показано, что, для определения диапазона ошибок позиционирования и ориентации, рычажный механизм преобразования движения с любым числом звеньев может быть уменьшен до пятизвенника с тремя длинными (реальными) и двумя короткими («виртуальными») звеньями. Для оценки структурного трения и возможности его снижения, рассмотрена модель контактного взаимодействия элементов упругих
связей. С этой целью основная конечно-элементная модель (см. главу 5) дополнена gap-элементами типа «node-to-node» и «node-to-line» в виде «пружин сжатия», располагающимися между узлами соседних конечных элементов и деформирующимися в зависимости от изменения расстояния между узлами. Показана также возможность снижения трения с помощью пленкообразующих фторсодержащих соединений.
В седьмой главе освещены вопросы организации и проведения экспериментальных исследований систем инфрачастотной виброзащиты. Представлен компьютеризированный испытательный комплекс. Он включает как стандартные системы, так и оригинальные устройства для статических испытаний моделей систем, воспроизведения, измерения и анализа динамических процессов, другое оборудование. Стандартное программное обеспечение используется для управления стендами, синхронизации работы комплекса и испытываемых образцов, получения характеристик «сила-перемещение» упругих связей и их элементов, видоизменения входного вибросигнала, получения виброхарактеристик моделей и натурных образцов систем в режиме «реального» времени или в частотной области, обработки экспериментальных данных, расчета показателей качества, представления данных в табличной или графической форме, их печати, хранения и передачи по сети Internet. Оригинальные программы позволяют, в частности, выполнить расчет и визуализацию статических и динамических характеристик виброизолирующего механизма, анализ напряженно-деформированного состояния упругих элементов, выходных характеристик виброударного процесса в узкой полосе инфрачастот. Применение испытательного комплекса позволило решить ряд самостоятельных задач и осуществить проверку результатов, полученных теоретическими методами.
Исследования, выполненные с помощью испытательного комплекса, позволили также разработать подходы для испытаний моделей систем
инфрачастотной виброзащиты в условиях эксплуатации. В приложении представлены некоторые аспекты методик и результаты сравнительных полевых испытаний образцов новых и традиционных виброизолирующих механизмов для виброзащиты операторов. Испытания выполнены в составе наземных транспортных средств (грузовики, троллейбусы), самоходных технологических машин (зерноуборочные комбайны, строительные машины, в частности, колесные грузоподъемные краны и подборщики, гусеничные мини-экскаваторы), а также на вертолетах, что, по-видимому, является первым успешным опытом применения виброизолирующих механизмов данного класса на летательных аппаратах. Здесь представлены также документы, подтверждающие факты применения и внедрения механизмов, разработанных на основе методов, изложенных в диссертационной работе.
Основной целью работы является разработка научно обоснованных методов проектирования машин с системами инфрачастотной виброзащиты человека и технических объектов, в условиях гравитации, включая разработку общей структуры, выбор параметров геометрических и динамических характеристик управляемых виброизолирующих механизмов, содержащих упругие связи с «отрицательной» жесткостью.
Основные задачи работы:
проектирование структуры механизмов преобразования движения, содержащих кинематические цепи с рациональными структурными характеристиками для присоединения упругих связей с «отрицательной» жесткостью к исходным виброизолирующим механизмам;
выбор типа упругой системы с «отрицательной» жесткостью для проектирования виброизолирующих механизмов на основе методов прогнозирования и диагностики хаотических колебаний моделей системы и оценки условий их динамической устойчивости «в большом»;
разработка метода позиционного управления пневматическими виброизолирующими механизмами с избыточными упругими связями регулируемой «отрицательной» жесткости;
геометрический синтез механизмов, содержащих упругие связи с «отрицательной» жесткостью «в большом»;
разработка методов оценки и повышения качества структурных элементов виброизолирующих механизмов при создании систем инфрачастотной виброзащиты;
разработка комплекса технических средств для экспериментальных исследований и инструментальной оценки качества моделей систем инфрачастотной виброзащиты человека и машин.
Методология исследований. Использованы методы: структурного синтеза механизмов; анализа движения и оценки динамической устойчивости ««в большом»» систем, предрасположенных к хаотическим колебаниям; моделирования и анализа деформированного состояния упругих систем при больших перемещениях и конечно-элементной аппроксимации; имитационного моделирования и исследования процессов тепло- и массобмена в пневматических системах; экспериментального исследования динамики машин с системами виброзащиты.
Достоверность полученных результатов основывается на корректном применении исходных положений теории механизмов и машин, теории хаотических колебаний, геометрически нелинейной теории упругости, известных итерационных алгоритмов и процедур, на сравнении расчетов с известными решениями, а также экспериментальными данными, на практике использования новых решений.
Научная новизна. Основным научным результатом работы является развитие теории и разработка алгоритмов проектирования систем инфрачастотной виброзащиты в процессе создания новых транспортных
средств, самоходных технологических машин и других объектов машиностроения. Впервые решены следующие задачи:
Сформулирован метод проектирования структуры виброизолирующего механизма, заключающийся в минимизации жесткости его упругих связей путем синтеза избыточного механизма с упругими связями «отрицательной» жесткости и кинематическом замыкании обоих механизмов; предложен подход для синтеза механизмов преобразования движения с рациональными структурными характеристиками, содержащих кинематические цепи для присоединения избыточных упругих связей; разработан класс виброизолирующих механизмов для проектирования систем инфрачастотной виброзащиты человека и машин.
Предложен алгоритм выбора типа систем с «отрицательной» жесткостью для проектирования управляемых виброизолирующих механизмов, в том числе пневматических, заключающийся в прогнозировании и диагностике хаотического движения, сравнительном анализе и оценке условий динамической устойчивости «в большом» моделей систем инфрачастотной виброзащиты.
Предложен метод позиционного управления пневматическими виброизолирующими механизмами с избыточными упругими связями «отрицательной» жесткости, заключающийся в организации переменной структуры управления демпфированием и реализованный с помощью многоканальной пневматической системы.
4. Разработан алгоритм синтеза механизмов с упругими связями «отри
цательной» жесткости; сформулированы зависимости, устанавливающие
оптимум между геометрией механизмов и диапазоном регулирования же
сткости при заданных ограничениях на размеры рабочего пространства
систем инфрачастотной виброзащиты; определены критерии выбора пара
метров механизмов при создании систем инфрачастотной виброзащиты
человека и объектов машиностроения.
5. Разработаны теоретические и практические подходы для оценки и
повышения качества структурных элементов систем инфрачастотной
виброзащиты, заключающиеся, в частности, во введении многоуровневой
избыточности структуры виброизолирующих механизмов, в применении
антифрикционных материалов, включающих высокомолекулярные
фторсодержащие соединения.
6. Разработаны некоторые принципы построения измерительно-
испытательного комплекса и технические средства для экспериментальных
исследований моделей систем инфрачастотной виброзащиты человека-
оператора и оборудования транспортных средств, самоходных
технологических и других машин.
Практическая значимость и реализация результатов исследования. Разработанные методы представляются научной основой проектирования систем инфрачастотной виброзащиты, которые могут быть использованы, как технологические модули, при создании новых и совершенствовании известных объектов машиностроения.
Сформулированные теоретические положения и разработанные на их основе методы оптимального проектирования позволяют повысить качество защиты от вибраций, начиная с инфрачастот, наиболее вредных и опасных для жизнедеятельности человека и функционирования многих машин. Это подтверждено в процессе решения ряда частных задач, в том числе: при создании зерноуборочных комбайнов «Кедр-1200» (Красноярский комбайновый завод); строительных машин, например, колесных кранов «КС-4372» (Юргинский машиностроительный завод, Кемеровская обл.), гусеничных мини-экскаваторов серии ROBEX55 и колесных подборщиков серии HL700 (Hyundai Heavy Industries), грузовиков серии HD160 (Hyundai Motors); при усовершенствовании эргономики кабин водителей троллейбусов (Управление пассажирских перевозок мэрии Новосибирска); при исследовании возможностей
повышения безопасности полетов на вертолетах КБ им. Миля (Авиаремонтный завод, Новосибирск).
Ряд результатов использован в методиках расчета и исследования динамики машин с системами виброзащиты в рамках учебных курсов «Машиноведение», «Основы проектирования машин», "Advanced dynamics", "Nonlinear vibration systems" для студентов вузов, в частности, Новосибирского государственного технического университета (НГТУ).
Работа проводилась в рамках и в соответствии с программами Российского фонда фундаментальных исследований в области транспортных наук, региональной программой модернизации городского электротранспорта, межгосударственной российско-корейской программой научного обмена.
На защиту выносятся теоретические положения, алгоритмы и результаты расчета и исследования машин с системами инфрачастотной виброзащиты, в том числе:
метод проектирования структуры виброизолирующих механизмов, упругие связи которых могут иметь свойство «отрицательной» жесткости;
алгоритм выбора типа системы с «отрицательной» жесткостью для проектирования систем инфрачастотной виброзащиты человека или машины, содержащих, например, пневмомеханизмы с приводом;
разработка метода позиционного управления пневматическими виброизолирующими механизмами с избыточными упругими связями регулируемой «отрицательной» жесткости и переменной структурой воздушного демпфирования;
алгоритм геометрического синтеза и полученные на его основе параметрические зависимости для проектирования механизмов с упругими связями «отрицательной» жесткости при больших перемещениях для создания систем инфрачастотной виброзащиты человека и машин;
теоретические и экспериментальные подходы для оценки и повышения качества структурных элементов систем инфрачастотной виброзащиты;
принципы построения измерительно-испытательного комплекса и результаты экспериментальных исследований моделей систем инфрачастотной виброзащиты;
результаты разработки и практического применения методов проектирования систем инфрачастотной виброзащиты операторов наземных транспортных средств и самоходных технологических машин, пилотов вертолетов, а также техники.
Апробация работы. Результаты докладывались на национальных и международных научных форумах, в том числе на: 2 и 7-м конгрессах по теории механизмов и машин IFToMM (Москва, 1985; Милан, 1995); 3-й конференции «Вибрация и вибродиагностика. Стандартизация» (Нижний Новгород, 1991); 4-й конференции «Нелинейные колебания механических систем» (Нижний Новгород, 1996); 3-5 и 7-й конференциях «Вибрационные машины и технологии» (Курск, 1997,1999,2001,2005); 1-м конгрессе по прикладной и индустриальной математике "INPRIM" (Новосибирск, 1998); 1-й конференции «Химия для автомобильного транспорта» (Новосибирск, 2004); 1, 3-8-м российско-корейских симпозиумах "KORUS" (Новосибирск, Томск, Ульсан, 1997, 1999-2004); симпозиуме технических университетов Японии, Кореи и России "JSSUME" (Дэгу, 2002); семинарах механико-технологического факультета НГТУ (Новосибирск, 1996, 1999); семинаре отдела численных методов математического анализа Института математики СО РАН (Новосибирск, 1997), семинаре "Airspace Engineering" (Пекин, 2001).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 39 научных работ, в том числе статьи в журналах «Известия МАН ВШ», «Научный вестник НГТУ», «Вычислительные системы», "Journal of Sound and Vibration"; в
научных трудах Hi "ГУ и др. технических университетов; изобретения, защищенные патентами и авторскими свидетельствами; доклады в трудах национальных и международных научных конгрессов, симпозиумов и конференций. Результаты исследований отражены в отчетах о НИР, выполненных для российских машиностроительных КБ и НИИ, а также Korea Institute of Science and Technology Evaluation and Planning.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованной литературы (207 наименований) и приложения. Основная часть работы изложена на 308 страницах машинописного текста, включая 108 рисунков и 11 таблиц; приложение - на 25 страницах.
Автор глубоко признателен одному из основателей национальной школы в области синтеза вибрационных машин и систем виброзащиты, заслуженному работнику науки и техники России, профессору, доктору технических наук Георгию Сергеевичу Мигиренко за помощь в выборе исходных научных концепций, полезные советы и отеческую поддержку. Автор благодарит профессора доктора технических наук П.И. Остроменского, других специалистов Сибирского государственного университета путей сообщения, главного научного сотрудника Института органической химии СО РАН, доктора химических наук Г.Г. Фурина, научных работников кафедры прочности летательных аппаратов НГТУ, других ученых за полезные советы при обсуждении научных и практических задач диссертационной работы.
