CC BY
48
удк 62-567.5 р. с. АВЕРЬЯНОВ
В. Н. БЕЛЬКОВ
A. Б. КОРЧАГИН
B. С. БАЛАШОВ
Омский государственный
технический университет
ПНЕВМАТИЧЕСКОЕ ВИБРОЗАЩИТНОЕ УСТРОЙСТВО С АКТИВНЫМ МАГНИТОЖИДКОСТНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ УПРУГОДЕМПФИРУЮЩИХ ХАРАКТЕРИСТИК_____________________________________
Предложено пневматическое виброзащитное устройство с комбинированной воздушно-гидравлической системой демпфирования, обеспечивающей снижение проводимости вибрации к корпусу амортизируемого объекта, разгрузку торсионной подвески в статическом положении объекта. С целью повышения эффективности демпфирования колебаний амортизируемого объекта введено активное управление упругодемпфирующими характеристиками гидравлической части устройства при изменении состояния магнитореологической жидкости. Приведены уравнения, описывающие соотношения сил, действующих при различных условиях работы амортизируемого объекта.
Ключевые слова: воздушно-гидравлическая система демпфирования, магнитореологическая жидкость, статическое положение, свободные колебания.
В настоящее время на базовых отечественных машинах, как колесных, так и гусеничных, применяются как правило пассивные системы подрессори-вания, состоящие из упругих элементов и амортизаторов (гидравлических демпферов), характеристики которых не регулируются. Анализ таких подвесок показывает, что их потенциальных виброзащитных свойств недостаточно для уменьшения динамического воздействия на персонал, приборы и агрегаты [1].
Торсионная подвеска с гидравлическим демпфером гусеничных машин и гидропневматическая подвеска колесных машин, являющиеся традиционными, не решают проблему регулирования упруго-демпфирующих характеристик во всем диапазоне частот и амплитуд внешнего воздействия.
В настоящее время для гашения колебаний в системах подрессоривания транспортных и гусеничных машин используются, как правило, гидравлические демпферы. Они обладают, как известно, хорошей демпфирующей способностью, однако при ударных и сопутствующих им нестационарных вибрациях наблюдается повышенная проводимость вибрации к корпусу машины (вибропроводимость).
Таким образом, проблема повышения виброзащитных свойств пассивных систем подрессоривания с целью снижения вибраций и ударов и увеличения средних скоростей движения является актуальной.
Попытки решения данной проблемы путем оптимизации параметров пассивных систем подрессоривания известных структуры не обеспечивают достижения указанной цели. Поэтому для решения исследуемой проблемы необходима разработка теоретиче-
ских предпосылок повышения виброзащитных свойств подвесок, позволяющих создавать системы подрессоривания с новыми структурными элементами и характеристиками для данного класса машин.
Одним из перспективных направлений является разработка пневматических систем подрессоривания с комбинированной воздушно-гидравлической демпфирующей системой. Сочетание двух параллельно работающих упругодемпфирующих элементов (пневматического и гидравлического) позволяет реализовать требуемые цели и демпфирующие свойства в подвеске. Это объясняется известными преимуществами данных элементов в отдельности.
Использование пневматических амортизаторов (ПА) с резинокордными оболочками (РКО) в системах подрессоривания колесных машин, а также в системах амортизации (СА) фортификационных сооружений стимулировало создание новых способов демпфирования колебаний амортизируемых объектов (АО), в частности, как путем управления характеристикой восстанавливающей силы ПА [2], так и путем активного магнитожидкостного управления упругодемпфирующими характеристиками [3].
Так, например, установка через рычажные системы в торсионной подвеске ПА с РКО позволяет: а) значительно снизить вибропроводимость к корпусу машины, б) полностью разгрузить торсионную подвеску в статическом положении гусеничной машины, в) автоматически регулировать высоту корпуса машины в зависимости от профиля дороги, г) управлять характеристикой восстанавливающей силы в процессе движения машины. Все эти составляющие приведут к увеличению скорости передвижения машины.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011
120
Введение активного магнитожидкостного управления упругодемпфирующими характеристиками как способа повышения эффективности демпфирования колебаний колесных и гусеничных машин на ПА является одной из основных задач настоящего исследования.
В данной работе предложена виброзащитная система, в которой демпфирование колебаний объекта осуществляется за счет перетекания магнитореологической жидкости (МРЖ) через проходные сечения калиброванных отверстий, размещенных по периметру поршня гидроцилиндра.
На рис. 1 представлена одна из конструкций пневматического виброзащитного устройства с активным магнитожидкостным управлением упругодемп-фирующих характеристик. На рис. 2 показана схема установки ПА с МЖД на балансире АО.
Пневматическое виброзащитное устройство (ПВУ) включает пневматический упругий элемент с РКО 1, дополнительный объем 2, который является гидроцилиндром. Внутри дополнительного объема 2 соосно упругому элементу установлены поршень 3 со штоком 4. Шток соединен с крышкой упругого элемента 1. В корпусе 2 установлена обмотка возбуждения 5, к которой поступают сигналы от системы управления 6. Обмотка возбуждения размещена на поверхности гидроцилиндра и закрыта кожухом. ПВУ разделено на три полости: газовую переменную полость упругого элемента (А); поршневую полость (В); штоковую полость (С). Газовая полость А отделена от полости В перегородкой 7. Полости В и С заполнены МРЖ. Шток перемещается через направляющую в перегородке 7. Цилиндр 2 и поршень 3 выполнены из магнитного материала.
Демпфирование вертикальных колебаний объекта с помощью предложенного устройства осуществляется следующим образом. Изменяя ток в обмотке электромагнита, а следовательно, и напряженность магнитного поля в зазоре между поршнем и цилиндром, можно в широких пределах изменять эффективную вязкость МРЖ.
В статическом положении ПВУ сила тяжести амортизируемого объекта уравновешивается только за счет избыточного давления в полости «А», торсион разгружен
Рис. 1. Пневмоамортизатор с магнитожидкостным демпфированием
МЪ = (Р - Ра)БЭ! - Мд - ИЕНдпЪ)
(1)
Текущее значение давления Р в переменном объеме ПА и объем Р0 в статическом положении АО связаны между собой известным соотношением
Р = Ро
Уо + 5 э Ъ
(2)
где Уо — начальный объем ПА в статическом положении.
Подставив соотношение (2) в уравнение (1), получают
МЪ + Р о 5;
Уо
Уо + 5э Ъ
Мд + ИБІдпіЬ = о (3)
В результате дифференцирования по времени соотношения (2) с учетом уравнения (1) получают
к
к
1
М9 = РоБэ ,
где Мд — сила тяжести амортизированного объекта; Ро — абсолютное давление в полости «А» в статическом положении ПВУ; Бэ — эффективная площадь упругого элемента.
Управляемые ПВУ, как показали предварительные исследования [2], могут наиболее полно удовлетворять требованиям СА, так как они обеспечивают регулирование упругодемпфирующих характеристик, хорошую виброзащиту, благодаря чему нет необходимости в выполнении отдельных демпфирующих устройств.
Если рассматриваемая одностепенная система выведена из положения равновесия, то она совершает свободные колебания. В случае свободных колебаний без демпфирования на систему действуют силы:
— инерции мЪ ,
— тяжести Мд ,
— упругости ПВУ, РоБэ,
— трения в РКО и между РКО и стаканом ПВУ.
В общем виде дифференциальное уравнение движения АО для свободных колебаний без демпфирования записывается в виде
[ ^ = кРБ э Ъ ;
\ ^ Уо + 5 э Ъ ; (4)
[ МЪ + (Р - Ра )Б э - Мд + ИБІдп Ъ = о.
При демпфировании колебаний амортизируемого объекта закон убывания амплитуды зависит от характера сил трения. Наиболее простым и вместе с тем наиболее распространенным является случай, когда сила сопротивления пропорционально скорости колебаний, то есть Б = кЪ , где к — коэффициент относительного сопротивления, который зависит не только от скорости, но и от вязкости МРС. Сила сопротивления всегда направлена против движения системы, поэтому ее можно ввести в уравнение (1) с тем же знаком.
МЪ + (Р - Ра £э - Мд + 2ИЪ + И81дпЪ = о (5)
В системах подрессоривания колесных и гусеничных машин иногда используется случай, когда сила сопротивления пропорциональна квадрату скорости
Б = кЪ2,
МЪ + (Р - Ра )Бэ - Мд + 2ИЪ2 ± Изідп Ъ = о. (6)
Рис. 2. Схема установки ПА с МЖД на балансире МГМ
С учетом упругой составляющей торсиона уравнение (6) примет вид
МЪ + (Р - Ра )5Э - Мд + СЪ + 2ЬЪ2 ± ИБІдп Ъ = о, (7)
ния отсутствуют, и масса объекта, получив начальное отклонение, возвращается в положение равновесия. Из приведенного выше следует, что предложенная пневматическая система подрессоривания с комбинированной воздушно-гидравлической демпфирующей системой с введенным активным магнитожидкостным управлением упругодемпфирующими характеристиками при введенных упрощениях описывается известными уравнениями. Пневматический упругий элемент при активном магнитожидкостном управлении упругодемпфирующими характеристиками позволяет достичь нового эффекта в виде указанных преимуществ, а именно: значительного снижения вибропроводимости к корпусу машины, полного снятия нагрузки с торсионной подвески в статическом положении гусеничной машины, автоматического регулирования высоты корпуса машины в зависимости от профиля дороги, управления характеристикой восстанавливающей силы [4] в процессе движения машины. По крайней мере, некоторые из этих преимуществ могут быть полезны для применения, в частности, в подвижном составе метрополитена.
где Ь = 2т — коэффициент относительного сопротивления.
В статическом положении гусеничной машины торсионная подвеска полностью разгружена упругой составляющей пневматического упругого элемента, то есть, С = о.
При квадратичном сопротивлении амплитуда колебания уменьшается за один период на определенную величину независимо от жесткости упругого элемента и собственной частоты колебательной системы. Это свойство «частотной универсальности» квадратичного сопротивления используется на практике. Другое свойство квадратичного сопротивления, отличающего от линейного, состоит в том, что уменьшение амплитуды за период тем значительнее, чем больше ее начальная величина.
Система дифференциальных уравнений имеет вид:
ёР = - кР5 Э Ъ ;
V о + 5 э Ъ
МЪ + (Р - Ра )5Э - Мд + СЪ + 2ИЪ2 + Иєідп Ъ = о
(8)
Чтобы яснее представить характер движения в случае действия линейных сил сопротивления, необходимо отметить, что при Л = іпу переменный период затухания колебаний [3] отражается в соотношении
Т =
4
(9)
1 - у
Библиографический список
1. Колмаков, В. И. Основы теории, расчета и проектирования транспортных машин / В. И. Колмаков. — Волгоград : ВПИ, 1972. - 127 с.
2. Аверьянов, Г. С. Исследование процессов и путей повышения эффективности воздушного демпфирования в пневматических амортизаторах виброзащитных систем / Г. С. Аверьянов. — Омск : Омский гос. тех. ун-т, 1999. — 115 с. — Деп. В ВИНИТИ 17.об.99, № 1957 — В 99.
3. Дербаремдикер, А. Д. Гидравлические амортизаторы автомобилей / А. Д. Дербаремдикер. — М. : Машиностроение, 1969. — 237 С.
4. Методика оценки допустимой скорости движения подвижного агрегата с учетом режимов разгона, замедления и торможения / С. В. Рулев [и др.] // Актуальные проблемы российской космонавтики : труды XXXII Академических чтений по космонавтике. — М. : Комиссия РАН. 2оо9. — С. 3о8 — 3о9.
АВЕРЬЯНОВ Геннадий Сергеевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Авиаракетостроение».
БЕЛЬКОВ Валентин Николаевич, кандидат технических наук, профессор (Россия), декан факультета транспорта, нефти и газа.
КОРЧАГИН Анатолий Борисович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Безопасность жизнедеятельности».
БАЛАШОВ Владимир Станиславович, старший преподаватель кафедры «Безопасность жизнедеятельности».
относительный коэффициент затухания. Адрес для переписки: е-таіі: отапког@таі1.ги
Величина у называется также коэффициентом апериодичности в связи с тем, что при у=1 выполняется условие Л = о. В этом случае свободные колеба-
Статья поступила в редакцию 11.07.2011 г.
© Г. С. Аверьянов, В. Н. Бельков, А. Б. Корчагин, В. С. Балашов
2
со
о
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
