CC BY
65
УДК 62-27
ПОЛИУРЕТАНОМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ АМОРТИЗАТОРЫ КАК СРЕДСТВО ВИБРОИЗОЛЯЦИИ ТЯЖЕЛОГО ОБОРУДОВАНИЯ
POLYURETHANE-METAL MOUNTINGS AS AN OPTION OF VIBRATION INSULATION OF HEAVY EQUIPMENT
С. А. Граков, В. В. Бохан
ФГУП «ФНПЦ «Прогресс», г. Омск, Россия
S. A. Grakov, V. V. Bokhan
FSUE «FRPC «Progress», Omsk, Russia
Аннотация. Рассмотрены преимущества полиуретана при использовании его в системах виброизоляции в качестве упругого элемента. Указаны перспективы расширения применения полиуретановых упругих элементов, как наиболее гибкого решения задач виброизоляции тяжелого оборудования. При строго заданных размерах полиуретанометаллического амортизатора (ПУМА) возможно получить широкую номенклатуру элементов различной жесткости. При проектировании систем виброизоляции тяжелого оборудования это позволит эффективно и точно подобрать амортизатор по его жесткостным свойствам, выбрав из имеющегося типоряда. В рамках развития модульности и взаимозаменяемости оборудования данная технология актуальна. Приведен типоряд полиуретанометаллических амортизаторов четырех геометрических размеров.
Ключевые слова: Виброизоляция, энергоемкие полиуретановые эластомеры, амортизатор.
DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-1-45-49
I. Введение
Систем виброизоляции на данный момент огромное количество. Существуют пассивные и активные системы с высокой эффективностью в заданном диапазоне частот. Однако наибольшее распространение получили пассивные системы амортизации, основанные на использовании резинометаллических элементов. Резиноме-таллические амортизаторы (РМА) широко применяются в промышленности, в том числе в наиболее инновационных отраслях: аэрокосмической, нефтегазовой, судостроительной. Среди всего спектра систем виброизоляции простота, надежность, эффективность и невысокая стоимость пассивных систем выгодно отличают их от конкурентов.
Однако у резины имеется ряд недостатков, накладывающих некоторые ограничения на их применение.
В качестве альтернативы резине в последние годы стали широко применяться литьевые полиуретаны, которые позволяют получить виброизоляторы с улучшенными характеристиками [1], [2].
Важным преимуществом полиуретана является его технологичность при производстве изделий, не требуются дорогостоящие пресс-формы и исключается процесс вулканизации.
Полиуретаны имеют более широкий диапазон механических характеристик, а именно жесткостных свойств, в сравнении с резиной, что позволяет изготавливать полиуретанометаллические амортизаторы (ПУМА) большего диапазона жесткостей в пределах одной геометрии (типоразмера). Немаловажным фактом является более высокая стойкость полиуретанов к агрессивным средам в сравнении с резиной [3], что дает возможность повысить стабильность работы и срок службы систем виброизоляции на основе ПУМА.
С 1980 г. успешно производилась замена металлических упругих элементов (пружин) на полиуретановые в металлургических машинах [4]. Однако развитие химической промышленности не позволяло на тот момент в полной мере воспользоваться преимуществами полиуретанов. В дальнейшем прогнозируется рост востребова-ности ПУМА, в перспективе вытесняющих и заменяющих из некоторых отраслей РМА и металлические упругие элементы.
II. Постановка задачи
Цель данной работы: разработка конструктивных решений и типоряда ПУМА с учетом свойств материала -литьевого полиуретана.
В данной работе рассматривается ПУМА (рис. 1), имеющий форму прямоугольных плоских пластин. Упругий эластомерный элемент располагается между двух металлических пластин. Скрепление полиуретан - пластина жесткое.
Рис. 1. Полиуретанометаллический амортизатор (ПУМА)
Для повышения жесткости и несущей способности могут быть использованы промежуточные металлические пластины. Этот переход к многослойной конфигурации нашел широкое применение в защите от сейсмических нагрузок. В данной работе рассматривается упругий элемент без промежуточных пластин. ПУМА воспринимает как сжимающие, так и сдвиговые нагрузки. Установка ПУМА допускается под углом 45 градусов. В данной работе рассматривается работа ПУМА, расположенных традиционно, т.е. в одной плоскости, работающих на сжатие.
Ряд представленных ПУМА предназначен для применения в системах виброизоляции, амортизации стационарных и подвижных объектов, например, среднеоборотистых судовых дизелей, компрессоров, циркуляционных насосов и т.д.
III. Теория
Приближенный метод расчета эластомерного виброизолятора квадратного сечения (A=B, высота С, см. рис. 1) приведен в работе [5]. Сжатие в вертикальном направлении приводит к тому, что на торцевых частях эластомера, прикрепленных к металлу, поперечная деформация отсутствует, а максимальное расширение (выпучивание) происходит в среднем сечении (C/2). Выдвигается предположение, что следует учитывать не всю высоту эластомерного элемента, а только ту, которая включена в работу. Поэтому в расчете принимается рабочая высота Сь которая меньше его полной высоты на 1/8 поперечного размера. Следовательно, жесткость определяется по формуле:
_ F' Edyn
x " с - V '
8
где Ефп - динамический модуль упругости эластомерного материала при сжатии; Г = Л2 - площадь поперечного сечения упругого элемента.
Расчет с учетом коэффициента формы и влияния ужесточения от закрепления торцов приводится в [6], [7], [8]. Характеристика сжатия (жесткость) эластомерного амортизатора, имеющего форму прямоугольных плоских пластин, определяется по формуле [6]:
Р = Е ■ Л ■ В ■ к—^ ,
С-А
где Е - статический модуль упругости эластомерного материала при сжатии; А - осадка амортизатора; Л ■ В
к = 1 + т ■ 2 —^ - коэффициент формы;
т - коэффициент ужесточения (краевой эффект), зависящий от вида скрепления эластомера и металла, в данном случае скрепление жесткое.
Метод конечных элементов способен адекватно описать работу упругого элемента из полиуретана или резины произвольной конфигурации, в том числе при больших деформациях (более 10%), что является его преимуществом перед описанными выше подходами из [5], [6], [7], [8].
С помощью метода конечных элементов построена математическая модель ПУМА (рис. 2), состоящая из эластомерного полиуретанового элемента и металлических пластин. Определены нагрузочная характеристика и напряженно-деформированное состояние упругого полиуретанового эластомера.
Рис. 2. Конечно-элементная модель полиуретанометаллического амортизатора (ПУМА)
Жесткостные (механические) свойства для расчета принимались исходя из твердости полиуретанового эластомера. Полиуретан, подобно резине, - несжимаемый материал. Для корректного расчета с помощью метода конечных элементов необходимо это учитывать. Для моделирования полиуретана использовалась модель материала Нео-Гука.
IV. Результаты расчетов
Проведен расчет характеристик типоряда. Для каждого типоразмера варьированием пропорцией компонентов полиуретана задается уровень эластичности упругого элемента, который оценивается твердостью по Шору А. Во всех случаях расчетные напряжения в упругом элементе не превышали 1 МПа при номинальной сжимающей нагрузке.
При проектировании систем виброизоляции традиционно ориентируются на значения жесткости и осадки амортизатора. В табл. 1 приведен типоряд ПУМА, где указаны основные геометрические (см. рис. 1) и жест-костные характеристики.
ТАБЛИЦА 1
Типоряд полиуретанометаллических амортизаторов
Геометрические размеры, мм Твердость по Шору Осадка А, Номинальная Жесткость,
A B C А, ед мм нагрузка, кН кН/м
40 7 22 3.1
45 5 21 4.2
50 4 23 5.7
215 100 55 55 3.5 27 7.6
60 3 30 10.1
65 2 26 13.1
70 2 34 17.1
75 2 44 22.0
40 8.5 17 2.0
45 6.5 18 2.7
50 5 18 3.7
215 125 85 55 3.5 17 4.9
60 2.5 16 6.5
65 2 17 8.5
70 2 22 11.1
75 2 29 14.3
ОКОНЧАНИЕ ТАБЛИЦЫ 1
40 10 15 1.5
45 7 15 2.1
50 5 14 2.8
215 150 115 55 4 15 3.8
60 3 15 5.1
65 2.5 17 6.6
70 2 17 8.6
75 2 22 11.1
40 10 13 1.3
45 7 12 1.7
50 5 12 2.3
215 180 150 55 4 13 3.1
60 3 13 4.2
65 2 11 5.5
70 2 14 7.1
75 2 18 9.2
Для примера на рис. 3 приведены исходная и сдеформированная конфигурации ПУМА 215.100.55 под номинальной сжимающей нагрузкой, полученные при расчете.
Рис. 3. Исходная (а) и сдеформированная (б) конфигурации ПУМА 215.100.55
Для амортизатора ПУМА 215.180.150 показаны: на рис. 4 поле напряжений и на рис. 5 поле деформаций упругого эластомерного элемента.
Рис. 4. Поле напряжений упругого элемента ПУМА 215.180.150 при воздействии сжимающей нагрузки
Рис. 5. Поле деформаций упругого элемента ПУМА 215.180.150 при воздействии сжимающей нагрузки
V. Обсуждение результатов
Метод конечных элементов - наиболее универсальный способ оценки рабочих характеристик ПУМА и РМА, особенно зарекомендовавший себя при расчетах реальных конструкций.
В зависимости от твердости полиуретана номинальная сжимающая нагрузка упругого элемента варьируется на величину до 116%.
Метод конечных элементов позволяет учесть ужесточающее влияние металлических элементов амортизатора, которое ранее [6, 7, 8] учитывалось путем введения соответствующих коэффициентов.
VI. Выводы и заключение
Исходя из полученных результатов, можно сделать вывод о перспективности применения ПУМА в системах виброизоляции, поскольку при существующей геометрии амортизатора возможно варьировать его жесткость в широких пределах. Это позволяет расширить номенклатуру упругих элементов при минимальном количестве геометрических вариантов. Технологичность производства изделий из литьевых полиуретанов в сравнении с резиной позволяет более гибко реагировать на запросы рынка, производя большое количество мелкосерийных партий.
На основе разработанного типоряда виброизоляторов ПУМА показана возможность замены резины полиуретаном в наиболее распространенных элементах систем виброизоляции - резинометаллических амортизаторах не только без потери имеющихся положительных характеристик, но и с приобретением новых - широкой номенклатуры и стойкости к агрессивным средам.
Развитие техники и технологии по пути модульности и взаимозаменяемости позволит в рамках одной геометрии ПУМА, имея стандартные крепежные узлы, монтировать, заменять, модернизировать оборудование, подбирая наиболее эффективным путем систему амортизации под конкретные требования.
Комплекс свойств полиуретана - широкий диапазон жесткости (твердости), высокая эластичность и изно-стойкость, устойчивость к набуханию, радиационная стойкость, озоностойкость - позволяет создавать амортизаторы на их основе с уникальными характеристиками.
Список литературы
1. Яковлев С. Н. О некоторых физических свойствах конструкционных полиуретанов // Известия СПбГТИ(ТУ). 2013. № 20 (46). С. 78-80.
2. Яковлев С. Н. Проектирование и основы технологии деталей машин из полиуретана. СПб. : Реноме, 2013. 176 с.
3. Мазурин В. Л. Полиуретан как конструкционный материал XXI века // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. 2013. № 171. С. 165-170.
4. Артюх В. Г. Нагрузки и перегрузки в металлургических машинах. Мариуполь, 2008. 246 с.
5. Щевьев Ю. П., Осташевский Е. Н. Средства акустической обработки помещений. Санкт-Петербург: ООО «Типография «Береста», 2010. 328 с.
6. Григорьев Е. Т. Расчет и конструирование резиновых амортизаторов. М.: Машгиз, 1960. 164 с.
7. Gent Alan N. Engineering with rubber: how to design rubber components / Alan N. Gent editor. Hanser; NY: Ox. Univ. Press, 1992. 334 p.
8. Лавендел Э. Э. Расчет резинотехнических изделий. М.: Машиностроение, 1976. 232 с.
