Резинокордная пневмогидравлическая опора с инерционным преобразователем движения Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013

АРТАМОНОВ Евгений Владимирович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Станки и инструменты».

Адрес для переписки: [email protected]

КИРЕЕВ Виталий Владимирович, ассистент кафедры «Станки и инструменты».

Адрес для переписки: [email protected]

Статья поступила в редакцию 03.06.2013 г.

© Е. В. Артамонов, В. В. Киреев

УДК 621.752.3 ю. А. БУРЬЯН

С. Н. ПОЛЯКОВ Ю. П. КОМАРОВ

Омский государственный технический университет

Научно-производственное предприятие «Прогресс», г. Омск

РЕЗИНОКОРДНАЯ ПНЕВМОГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ОПОРА С ИНЕРЦИОННЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ДВИЖЕНИЯ__________________________________________

В статье рассмотрены принцип построения и математическая модель низкочастотной виброизоляционной опоры, в которой в одном конструктиве параллельно установлены резинокордный пневматический амортизатор и гидравлический инерционный преобразователь движения на базе резинокордной оболочки, заполненной жидкостью. В работе показано, что согласованием характеристик пневматической опоры и гидравлического инерционного преобразователя движения можно получить высокоэффективные низкочастотные виброизоляторы для вывешивания силовых агрегатов в различных отраслях промышленности.

Ключевые слова: виброизоляция, резинокордная оболочка, амортизатор, преобразователь движения, гидроопора.

В работе рассмотрен принцип построения и математическая модель низкочастотной виброизоляционной опоры, состоящей из резинокордных пневмоэлемента и гидравлического инерционного преобразователя движения.

Пневматические упругие элементы на базе резинокордных оболочек (РКО) давно и с успехом применяются в качестве виброизоляционных опор в различных отраслях промышленности. Их широкое применение обусловлено тем, что они обладают рядом уникальных положительных качеств:

— низкие частоты собственных колебаний;

— возможность регулирования характеристик (жёсткость, нагрузочная способность);

— надёжность и длительность эксплуатации и т.д.

Характеристики пневмоамортизатора с РКО

могут быть значительно улучшены при использовании в одной опоре параллельно с пневмоэлементом гидравлического инерционного трансформатора (ГИТ) на базе РКО, заполненной жидкостью. В этом случае имеется возможность варьирования в широких пределах характеристиками инерционных трубок вследствие достаточно большого объёма РКО с жидкостью, и при этом сохраняются достоинства освоенных промышленностью, надёжных и долговечных РКО. Методы расчёта и результаты экспери-

ментальных работ по гидроопорам с ГИТ достаточно полно изложены в работах института машиноведения им. Благонравова [1, 2].

Принципиальная схема опоры на базе РКО модели Н-48 и И-09 показана на рис. 1.

Необходимо отметить, что большая номенклатура РКО, разрабатываемых и изготавливаемых в ФГУП «НПП «Прогресс», позволяет создавать пнев-могидравлические опоры с ГИТ для различных объектов промышленности и транспорта.

Принцип действия пневмогидравлической опоры с ГИТ заключается в том, что при действии на опору периодического усилия от виброактивного силового агрегата жидкость в ГИТ и, следовательно, в инерционных трубках будет совершать возвратно-поступательное движение. Мембрана 3 служит для компенсации объёма вытесняемой жидкости при перемещении опорной поверхности 5 по отношению к основанию 6. Масса жидкости в инерционных трубках будет иметь скорость большую, чем скорость опорной поверхности на величину, равную отношению площади условного поршня, перемещающего жидкость (в первом приближении площадь эквивалентного сечения РКО) к площади сечения инерционной трубки. Вследствие этого на силовой агрегат и основание будет действовать дополнитель-

Рис. 1. Принципиальная схема опоры:

1 — резинокордная оболочка пневмоэлемента Н-48;

2 — блок инерционных трубок; 3 — мембрана;

4 — резинокордная оболочка ГИТ на базе И-09;

F(t) — сила, действующая со стороны виброактивного агрегата; 5 — опорная поверхность; 6 — основание

О------------------------------------------------------------------------------------------------------о

Рис. 2. Принципиальная схема разделения упругой и инерционной составляющей:

С — коэффициент жесткости пневмоопоры и резинокордной составляющей в ГИТ;

F(t) — внешняя сила; m — масса инерционной нагрузки на виброопору; Ои и dxp — соответственно диаметр условного поршня и инерционной трубки;

См — эквивалентная жесткость мембраны;

D — диаметр невесомого поршня, эквивалентного диаметру мембраны; I — длина инерционной трубки; р, и р2 — давления в соответствующих полостях опоры

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013

ная инерционная нагрузка с приведённой массой на 2 — 3 порядка превышающую массу жидкости в инерционных трубках. Динамический эффект от этой инерционной нагрузки будет заключаться, как это показано в [1], в значительном снижении передачи вибрационного усилия на основание в области частот настройки виброопоры с ГИТ.

Необходимо отметить, что инерционные трубки при малом диаметре могут обеспечивать и дополнительное демпфирование в опоре, хотя в ряде работ [1, 2] показано, что для этих целей можно также использовать дросселирующие отверстия малых диаметров.

Для составления математической модели опоры условно разделим упругую составляющую опоры и инерционную, связанную с гидравлическим преобразователем движения [1].

Принципиальная схема раздельного представления упругой и инерционной составляющей показана на рис. 2.

Для кинетической энергии жидкости в ГИТ можно записать [3]

2 ' 2

где т — масса жидкости в полостях опоры;

тк — масса жидкости в инерционной трубке;

V — относительная скорость жидкости в трубке. тр А

Учитывая, что = х------, где А — площадь порш-

^тр

ня, 5тр — площадь сечения инерционной трубки, инерционная составляющая будет иметь вид:

сії I дх

где Щ^+т^

1+-

= т.

тр у

Если в опоре количество инерционных трубок N.

то =N1^

1+-

+ш.

Демпфирование в опоре из-за движения жидкости в ГИТ в первом приближении при условии ламинарного движения можно оценить по коэффициенту проводимости дросселя (инерционной трубки) [4]

Разрешая систему уравнений (1) относительно переменной х, получим:

(^+^)*+ЬПр*+(с+^с'«^ = -р(0' (2)

Усилие R(t), передаваемое через опору на основание, будет определяться уравнением:

ШирХ + М + ^С + ^С^х^О- (3)

Комплексный коэффициент передачи усилия на основание через виброизоляционную опору будет иметь вид:

К„(гш)=

іг(г'со) + Ьпргю

р(гш) (с + ^С,,^(т0 + Кіа>

(4)

Вычисляя модуль в выражении (4), можно записать:

к-

где обозначено

, с

(со?-СО2)2 + 4п,2со2 ДДщ,

(со2,-сп2)2 + 4л^оо2 т0 + '

(5)

“о. =-----; ю? =—; п01 =-7—^—щ =—■

Щ+Шщ, тщ, 2Ц+ш^) 2 ш,

В выражении (5) учтено, что для предваритель-

А2

ной оценки динамики опоры С»—См и демпфирование опоры происходит за счёт вязкого трения в инерционных трубках.

Переходя к безразмерным координатам по зави-

7 ® Пт 2 С ^пр

симостям 1 = —; V, =—; у01 =—1=-----; л0 =—— и

со0 ш0 ш0 ш0 2 т0

после преобразования выражения (5) запишем Кп в

щ

зависимости от соотношения щ =——

К„

(г2-л)і+4у2г2 і

2,-^Т+4<2’

(6)

пй*

К =—

№ 128ц^

где ^ — динамическая вязкость жидкости (Па • с). Из условия равенства расходов имеем:

к№Ьpi=S№x№,

где Др1 — перепад давления из-за сопротивления Рсоп

А . р сои

в дросселе; х№ -------х, а если учесть, что Др1 = сопр

5др А

то получим: Рсопр =Ьщ>х, где =—гп-Ь-^.

АР

В соответствии с рис. 2 система уравнений, описывающих поведение опоры, будет иметь вид:

т0х + сх = ,р(£) - р1 А

Р\ ~ Р'2

(1)

Если ввести величину V,, =

2т0а0

и выразить р1 и

у01 через у0, то вместо (6) получим:

К =

(^2 -п У+4у20п2г2

Г^Лг2 ^п+1,1

1

п + 1

(7)

Из выражения (7) следует, что частота настройки юнаст опоры определяется равенством X = 4п или Инаст =®о Представляет интерес оценить эффективность виброизоляции (величина Кп) в точке настройки, при Z^ю и от величины г0 (в рамках данной работы предполагается, что демпфирование осуществляется только в ГИТ).

На рис. 3 показана зависимость коэффициента передачи Кп от Z при различных величинах п и при коэффициенте демпфирования у0=0,01.

Результаты расчётов Кп представлены в табл. 1.

Анализ табл. 1 показывает, что при интегральной оценке эффективности виброизоляции виброопоры с ГИТ оптимальное значение п лежит в пределах

Рис. 3. Графики зависимости Кп И

Таблица 1

п ■^0 = 0,001 ^0 = 0,01 П = 0,1 ,3 0, =

z ~4П 2 ^ ю z ~4П 2 ^ ю z ~4П z -4П

4 10-3 0,2 10-2 0,2 0,2 0,2 - 0,2

9 6,6-10-4 0,1 6,6-10-3 0,1 0,06 0,1 - 0,1

16 5-10-4 0,058 5-10-3 0,06 0,045 0,06 - 0,06

25 4-10-4 0,038 4-10-3 0,038 0,034 0,038 - 0,04

36 3,3-10-4 0,026 3,3-10-3 0,026 0,026 0,028 - 0,028

4 — 40, т.к. при меньших п возрастает ошибка при больших частотах (2^ю), а при больших п влияние дополнительной инерционной нагрузки от ГИТ уменьшается и характеристики опоры приближаются к обычным упругим элементам. Влияние демпфирования в ГИТ за счёт дросселирования в инерционных трубках отличается влиянием демпфирования во внешнем упругом элементе и, например, при ^0>0,3 эффект настройки в ГИТ исчезает.

Вопрос выбора диаметра инерционных трубок или введения специальных дросселирующих отверстий малого диаметра достаточно тонкий и требует дополнительных исследований.

Если в соответствии с рис. 1 и рис. 2 принять, что т0 = 3,2-103 кг (номинальная нагрузка для РКО Н-48), ю =1,2 Гц, .0=0,1 м, 1=5-10-2 м, d =8-10—3 м, то

0 ' ' ' ' тр '

т ~61 кг, Ь =30,6 Нс/м, п = 9, N=6, ^=4-10-3, то

пр ' пр ' ' ' '0 '

частота настройки юнаст = 4,4 Гц, коэффициент снижения усилия на основание при частоте настройки К =8-10-4, а при высоких частотах К =0,1.

пп

Таким образом, предложенный в работе подход к оценке эффективности виброизоляционной опоры, состоящей из параллельно установленных упругих элементов и гидравлического инерционного преобразователя движения на базе РКО заполненного жидкостью, позволяет с использованием серийно выпускаемых виброизоляторов проектировать и изготавливать высокоэффективные низкочастотные виброизоляторы для вывешивания силовых агрегатов в различных отраслях промышленности и судостроения.

Библиографический список

1. Системы виброзащиты с использованием инерционности и диссипации реологических сред / Б. А. Гордеев [и др.]. — М. : Физматлит, 2004. — 176 с.

2. Мугин, О. О. Экспериментальные исследования виброизолятора с преобразованием движения инерционных элементов / О. О. Мугин, А. А. Синёв // Вестник научно-технического развития. — 2012. — № 4 (56). — С. 24 — 31.

3. Лойцянский, А. Г. Курс теоретической механики. В II т. Т. II / А. Г. Лойцянский, А. И. Лурье. — М. : Наука, 1983. — 640 с.

4. Попов, Д. Н. Динамика и регулирование гидро- и пневмосистем / Д. Н. Попов. — М. : Машиностроение, 1987. — 464 с.

БУРЬЯН Юрий Андреевич, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Основы теории механики и автоматического управления» Омского государственного технического университета.

Адрес для переписки: 644050, г. Омск, проспект Мира, 11.

ПОЛЯКОВ Сергей Николаевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), научный сотрудник лаборатории 120 ФГУП «НПП "Прогресс"». КОМАРОВ Юрий Петрович, главный конструктор по специальной тематике ФГУП «НПП "Прогресс"». Адрес для переписки 644018, г. Омск, ул. 5-я Кордная, 4.

Статья поступила в редакцию 27.08.2013 г.

© Ю. А. Бурьян, С. Н. Поляков, Ю. П. Комаров

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ