Разработка методик расчета и конструктивных схем тросовых виброизоляторов с пространственным восприятием нагрузки

Уровень развития современного машиностроения показывает, что проблема защиты технических объектов от вредного воздействия вибрации по-прежнему остро стоит перед проектировщиками. Одним из наиболее распространенных на сегодняшний день способов вибрационной защиты является применение пассивных систем на основе виброизоляторов: Из обширной группы виброизоляторов можно особо выделить демпфирующие устройства на основе многослойных цельнометаллических канатов (тросов). Такие системы обладают высокой степенью эффективности, хотя и имеют свои недостатки, и чрезвычайно часто используются в машиностроительной технике. Наибольшую результативность пассивные системы на базе тросов, равно как и остальные того же типа, проявляют при реализации вибрационной защиты объекта на конкретном режиме его работы. Если же объект виброзащиты испытывает воздействия широкополосной вибрации, то использование пассивных систем в этом случае считается недостаточно эффективной мерой. Удовлетворительные результаты здесь показывают, так называемые, активные и полуактивные системы, подразумевающие введение в конструкцию узлов управления и дополнительных источников энергии, а значит, усложнения виброзащитного устройства и снижение его надежности. Указанную проблему в некоторой степени можно решить, применяя и пассивную систему виброзащиты, построенную в виде параметрического ряда. Такое решение позволит подобрать виброизолятор определенного типа под конкретные параметры объекта виброзащиты, например, геометрически подобных объектов, отличающихся по массе. Тросовые виброизоляторы обладают колоссальным потенциалом для создания на их базе параметрических рядов. Особенно интересна в этом плане форма упругой линии тросового элемента виброизолятора — главной части демпфирующего устройства данного типа. Кроме очевидной геометрической параметризации упругой линии, можно также исследовать возможность выделения и систематизации его свойств, таких как жесткость и демпфирующие характеристики упругого элемента.

Среди применяемых сегодня тросовых виброизоляторов, можно условно выделить три основные группы, детерминированные по форме упруго-демпфирующего элемента:

— с прямолинейной формой;

— с кольцевой формой;

— с пространственной формой.

Несмотря на то, что в научно-технической литературе встречаются исследования, где рассматриваются отдельные вопросы, касающиеся параметризации тех или иных конструкций виброизоляторов на базе тросов с указанными формами упругой линии, все же они не носят систематического характера и могут, по мнению автора, являться предметом более глубокого изучения. Кроме того, до сих пор не существует единых методик, сочетающих в себе точность, эффективность, универсальность и простоту, которые позволили бы получить стройные математические модели таких систем, которые затем могли бы быть положены в основы создания параметрических рядов виброизоляторов указанных типов. Решение данных задач позволило бы создать научные базы для проектирования более совершенных устройств, обладающих повышенными эксплуатационными характеристиками, меньшей материало-и энергоемкостью, способных обеспечивать более эффективную и надежную вибрационную защиту в любой области современного машиностроения.

Итак, в данной диссертационной работе в качестве объекта исследования выбраны закономерности изменения характеристик пассивных систем виброзащиты на базе виброизоляторов с упругодемпфирующими элементами (УДЭ) в виде многослойных цельнометаллических канатов (тросов) разнообразной формы. Ожидается, что на базе указанных устройств конструкционного демпфирования возможно создание ограниченного количеством форм упругой линии параметрических рядов, в достаточной степени описывающих каждый виброизолятор и в полной мере отражающий его основные свойства и характеристики, позволяя избежать индивидуального проектирования каждого такого устройства, что в конечном итоге приведет к снижению материалои энергозатрат, повышению эффективности этих устройств при выполнении задач вибрационной защиты машиностроительной техники.

Исходя из вышеизложенного, проведение такого исследования необходимо и актуально.

Целью исследования является расширение качественных и количественных возможностей виброзащитных систем за счёт создания новых конструктивных схем1 и уточнённых методик расчета упругодемпфирующих характеристик параметрических рядов виброизоляторов с варьируемой формой гибких тросовых элементов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— создать новые технологически простые в производстве и надежные в эксплуатации конструктивные схемы виброизоляторов на базе металлических канатов (тросов) с пространственным восприятием нагрузки;

— создать методики расчёта нагрузочных, жесткостных и демпфирующих характеристик тросовых виброизоляторов с различными формами упругодемпфирующих элементов (УДЭ) и выявить функциональные связи между их определяющими и определяемыми критериальными параметрами;

— разработать принципы проектирования параметрических рядов тросовых виброизоляторов с различными формами УДЭсоздать ряды типоразмеров виброизоляторов тросового типа, обладающие признаками подобия по упругодемпфирующим свойствам, обеспечивающие идентичность статических и динамических свойств механических систем, существенно удешевляющих и упрощающих технологии проектирования средств виброзащиты;

— выявить новые качества систем вибрационной защиты, определяемые новыми конструктивными решениями и усовершенствованными математическими моделями деформирования их УДЭ.

Научная новизна полученных результатов заключается в создании усовершенствованных математических моделей и методик расчёта тросовых виброизоляторов с пространственным восприятием нагрузки, учитывающих геометрическую нелинейность элементов с прямолинейной, радиусной и пространственной формами осевых линий, позволяющих формировать параметрические ряды виброизоляторов данных типов с заданными видами нагрузочных характеристикразработке ряда новых конструктивных решений тросовых виброизоляторов с многоярусной компоновкой плоских и пространственных УДЭ, защищенных патентами РФ, и обладающих широкими возможностями по качественному влиянию формы элементов на вид нагрузочных характеристиквыявлении на основе созданных математических моделей новых свойств систем вибрационной защиты, заключающихся в наличии областей квазинулевой жесткости, определяемых новыми конструктивными решениями, существенно улучшающими эффективность виброизоляции машин, приборов и аппаратуры. Теоретически доказано, что при определенном выборе критериев подобия, составленных из геометрических размеров упругого элемента в виде комбинации прямолинейных и радиусных участков, возможна реализация линейных нагрузочных характеристик в трех взаимно-перпендикулярных направлениях при воздействии на виброизолятор парой сходящихся или расходящихся сил.

Методика исследования основана на использовании методов математического моделирования, теории аппроксимации, системного анализа, сопротивления материалов, теоретической механики, теории подобиямеханики деформирования твердого тела, а также классической теории упругости и теории деформируемых стержней в изложении Е. П. Попова. Для получения данных теоретических исследований, построения математических моделей, обработки и анализа экспериментальных результатов, автором широко применялись вычислительные программные комплексы ANS YS, MS С. ADAMS, MathCAD, STATISTICA и др. Экспериментальные исследования проводились на основе современных подходов теории планирования эксперимента и математической статистики.

Достоверность полученных результатов подтверждается:

— применением широко известных и неоднократно подтвержденных методов математического моделирования и аналитики поведения упругих систем в процессе их деформирования;

— использованием аргументированного набора базовых ограничений и допущений;

— обоснованием результатов теоретических расчетов, проведением разносторонних и глубоких экспериментальных исследований в этой области;

— получением теоретических результатов, согласующихся с экспериментальными сведениями в пределах допустимых погрешностей;

— положительной оценкой внедрения итогов исследований на практике.

На защиту выносятся:

1. Созданные усовершенствованные математические модели и методики расчёта тросовых виброизоляторов с пространственным восприятием нагрузки, учитывающих геометрическую нелинейность элементов с прямолинейной, радиусной и пространственной формами осевых линий, позволяющих формировать параметрические ряды виброизоляторов данных типов с заданными видами нагрузочных характеристик;

2. Ряд новых конструктивных решений тросовых виброизоляторов с многоярусной компоновкой плоских и пространственных УДЭ, обладающих широкими возможностями по качественному влиянию формы элементов на вид нагрузочных характеристик.

Практическая ценность. На основе предложенной методики построения математических моделей тросовых виброизоляторов с упругой линией различных форм разработаны параметрические ряды виброзащитных систем на базе виброизоляторов с упругой линией в виде многослойных цельнометаллических канатов (тросов) разнообразных форм, значительно сокращающие сроки проектирования систем вибрационной защиты.

На базе созданных автором алгоритмов расчета отработан ряд наиболее эффективных конструктивных решений тросовых виброизоляторов с упругой линией различной формы, предназначенных для вибрационной защиты объектов общего машиностроения с целью достижения высоких эксплуатационных и экономических показателей.

Реализация результатов работы. Разработанные алгоритмы расчета и программы использованы при проектировании защитных систем оборудования и аппаратуры ООО «Астрон» (г. Самара), НПЦ ИНФОТРАНС (г. Самара), НИЦ «Путеец» (г. Новосибирск), а также широко применяются в учебном процессе СГАУ на кафедре «Конструкция и проектирование двигателей летательных аппаратов» в дисциплинах «Основы проектирования и конструирования», «Динамика машин» и «Надежность авиационных ДВС».

Апробация работы. Основные теоретические и экспериментальные результаты настоящей работы обсуждались и получили высокую оценку на многих международных, всероссийских и региональных научно-технических конференциях: Всероссийская научно-техническая Интернет-конференция «Компьютерные технологии в машиностроении» (г. Тольятти, 2007 г.), Международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы динамики и прочности материалов и конструкций: модели, методы, решения» (г. Орел, 2007 г.), Международная молодежная научная конференция-«34 Гага-ринские чтения» (г. Москва, 2008 г.), Восьмая международная научно-техническая интернет-конференция «Новые материалы и технологии в машиностроении» (г. Брянск, 2008 г.), Международная заочная конференция молодых ученых, студентов и специалистов «Инновационные технологии в проектировании» (г. Пенза, 2008 г.), 4-я международная научно-практическая конференция «Новые материалы и технологии в строительном и дорожном комплексах» (г. Брянск, 2008 г.), Всероссийская научно-техническая конференция «Новые материалы и технологии» (г. Москва, 2008 г.), 15-я международная научно-техническая конференция по транспортной, строительно-дорожной и подъемно-транспортной техники и технологии «Trans & Motauto» (г. София, 2008 г.), Всероссийская молодежная научная конференция с международным участием «X Королевские чтения» (г. Самара, 2009 г.),.

Всероссийская научно-практическая (заочная) конференция «Актуальные вопросы развития науки, техники и технологии» (г. Москва, 2009 г.), II Всероссийская молодежная научно-техническая конференция «Молодежь, техника, космос» (г. Санкт-Петербург, 2010 г.), III Всероссийская научно-практическая конференция «Наука и образование транспорту» (г. Пенза, 2010 г.) и других.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 24 печатных работ, включая 7 статей, из них 2 статьи в научных изданиях, рекомендованных ВАК для публикации результатов кандидатских диссертаций, 14 трудов международных и всероссийских конференциях, 8 патентов на полезные модели. В основном, все научные результаты получены автором. Вклад автора диссертации в работы, выполненные в соавторстве и содержащиеся в них результаты, состоит в разработке теоретических положений, а также в непосредственном участии во всех этапах прикладных исследований.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из оглавления, введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Материал изложен на 252 страницах, содержит 195 рисунков и 24 таблицы.

Список использованных источников

включает 118 позиций.

Работа была выполнена на кафедре «Конструкции и проектирования двигателей летательных аппаратов» Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С. П. Королева. Автор выражает благодарность всем сотрудникам кафедры, а также работникам учебно-научного производственного центра «Вибрационная прочность и надежность аэрокосмических изделий» и ЗАО «Управляющая компания «Брянский машиностроительный завод» за неоценимый вклад в подготовку материалов для выполнения данной работы.

Основные результаты и выводы.

Выполнен научно обоснованный комплекс теоретико-экспериментальных исследований, направленных на расширение качественных и количественных возможностей виброзащитных систем за счёт создания новых конструктивных схем и уточнённых методик расчета упругодемпфирующих характеристик параметрических рядов виброизоляторов с варьируемой формой гибких тросовых элементов. При этом получены следующие результаты:

1. На базе теорий подобия и изгиба гибких стержней Е. П. Попова, методов конечных элементов, Мора и конструкционного демпфирования разработаны методики расчёта нагрузочных, жесткостных и демпфирующих характеристик тросовых виброизоляторов1 пространственного нагружения, с прямолинейными, радиусными и пространственно ориентированными участками, учитывающие соизмеримые с геометрией элементов перемещения точек приложения деформирующих сил. Теоретически установлена' и экспериментально доказана целесообразность их применения в расчётах, что позволило обеспечить минимальный коэффициент динамичности механической системы при переходе через резонанс (2,0.2,5) и высокую степень эффективности виброизоляции (85.99)%.

2. С использованием результатов математического исследования созданы ряды типоразмеров виброизоляторов, подобные по упругодемпфирую-щим свойствам и обеспечивающие идентичность динамических свойств механических систем, существенно удешевляя и упрощая технологии их проектирования.

3. При исследовании УДЭ из нескольких связанных колец выявлено новое свойство конструктивной схемы такого типа: наличие области квазинулевой жесткости на нагрузочной характеристике. Обоснована целесообразность создания несущих высокоэффективных тросовых виброизоляторов с квазинулевой жесткостью, что позволяет обеспечить почти стопроцентную эффективность виброизоляции. Разработан параметрический ряд тросовых виброизоляторов с квазинулевой жесткостью на номинальные массовые нагрузки от 0,1 до 100 кг, использование которого существенно снижает сроки проектирования систем виброзащиты.

4. На базе метода минимума потенциальной энергии создана уточненная методика расчёта упругодемпфирующих характеристик тросового виброизолятора (патент РФ № 2 199 683) с пространственной формой элементов. Новая методика учитывает изменение формы УДЭ в зависимости от размеров крепежных обойм, а также эллипсность поперечных сечений проволок троса. Это дало возможность внедрить технологию сборки и методику расчёта характеристик виброизолятора в серийное производство НПЦ «ИНФОТРАНС» (г. Самара).

5. Результаты диссертации использованы при разработке систем виброизоляции приборов и оборудования в ООО «Астрон» (г. Самара), НПЦ «ИНФОТРАНС» (г. Самара), НИЦ «Путеец» (г. Новосибирск), а также в СГАУ: при доводке ВЗС разрабатываемой беговой дорожки космонавтов и в учебном процессе. На большинство рассмотренных в работе и внедренных средств виброзащиты получены патенты Российской Федерации: патенты №№ 78 540, 83 113, 84 486, 85 594, 96 921, 99 563, положительные решения Роспатента о выдачи патентов на полезную модель по заявкам №№ 2 010 120 075/11,2 010 120 146/11.