Влияние статической нагрузки на динамические характеристики резинометаллического виброизолятора типа эса-100 Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

М.А. Будниченко, В.А. Некрасов

АО «ПО «Севмаш». Северодвинск. Россия

ВЛИЯНИЕ СТАТИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ НА ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕЗИНОМЕТАЛЛИЧЕСКОГО ВИБРОИЗОЛЯТОРА ТИПА ЭСА-100

Объект И цель научной работы. Объектом научной работы является резннометаллическнн внброизолягор типа ЭСА-100. Цель работы - исследование зависимости динамических характеристик внбронзолятора типа ЭСА-100 от величины статической нагрузки.

Материалы И методы. Испытания внброизоляторов проводились на сервогидравлнческой испытательной машине АО «ПО «Севмаш». входящей в состав комплекса стендов для измерений динамических характеристик внбро-нзолнрующнх конструкций, по методу измерения механических сопротивлений внброизолирующих конструкций в условиях статических нагрузок.

Основные результаты. Выведена эмпирическая формула для расчета коэффициента увеличения динамической жесткости внбронзолятора ЭСА-100 в зависимости от коэффициента увеличения статической нагрузки.

Заключение. Эмпирическая формула, полученная в результате выполнения данной работы, позволяет рассчитать фактическую жесткость внбронзолятора ЭСА-100 в условиях, когда фактическая статическая нагрузка в несколько раз превышает номинальную статическую нагрузку.

Ключевые слова: взаимный спектральный анализ, внбронзолятор. виброускоренне. датчик силы, динамическая сила, испытания, механическое сопротивление, сервоггщравлическнй вибратор, статическое нагруженне. частотная зависимость.

Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.

Для цитирования: Будниченко М.А.. Некрасов В.А. Влияние статической нагрузки на динамические характеристики резннометаллнческого внбронзолятора типа ЭСА-100. Труды Крыловского государственного научного центра. 2018; 3(385): 153-157.

УДК 62-752:678.4 DOI: 10.24937/2542-2324-2018-3-385-153-157

М. Budnichenko, V. Nekrasov

JSC РО Sevniash. Severodvinsk. Russia

EFFECT OF STATIC LOAD UPON DYNAMICS OF ESA-100-TYPE RUBBER-METAL VIBRATION ISOLATOR

Object and purpose of research. This paper studies ESA-100-type rubber-metal vibration isolator. The purpose of this work is to study the effect of static load upon dynamic parameters of this vibration isolator.

Materials and methods. Vibration isolators were tested at JSC PO Sevniash servohydraulic test rig being one of dynamic test facilities for vibration isolators. The method of the study was mechanical impedance measurement on vibration isolators under static loads.

Main results. This study yielded an empirical formula for dynamic stiffness increase coefficient of ESA-100 vibration isolator versus the increase coefficient of static load.

Conclusion. The empirical formula yielded by this study makes it possible to calculate actual stiffness of ESA-100 vibration isolator when actual static load is several tunes higher than the nominal one.

Key words: Cross-spectrum analysis, vibration isolator, vibration acceleration, force sensor, dynamic force, mechanical impedance, servohydraulic vibrator, static load, frequency relationship.

Authors declare lack of the possible conflicts of interests.

For citations: Budnichenko M., Nekrasov V. Effect of static load upon dynamics of ESA-100-type rubber-metal vibration isolator. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2018; 3(385): 153-157 (hi Russian).

UDC 62-752:678.4 DOI: 10.24937/2542-2324-2018-3-385-153-157

Исследованиям были подвергнуты поочередно четыре резинометаллических виброизолятора [1] типа ЭСА-100 с номинальной нагрузочной способностью 100 кгс. По схеме на рис. 1 на сервогндравли-ческон испытательной машине измерялись механические сопротивления виброизоляторов при возбуждении динамической силой со стороны входа и заблокированном выходе.

Нижняя «выходная» арматура вибронзолятора жестко соединялась с монтажной плитой силовой рамы. Верхняя «входная» арматура через переходник массой 9,4 кг и датчик силы ДС1 соединялась со штатным датчиком силы испытательной машины ДСО, установленным на плунжере сервогндравли-ческого вибратора (СГВ). Комбинированное статическое и динамическое нагружение внброизолятора осуществлялось СГВ, размещенным на верхней траверсе силовой рамы и управляемым в режиме статического нагружения сигналом, который формируется системой управления (СУ), а в режиме динамического нагружения - внешним широкополосным случайным сигналом типа «белый шум», формируемым внутреншш генератором сигналов анализатора.

Сила статического нагружения измерялась с помощью тензометрического датчика силы ДСО и контролировалась по показаниям цифрового индикатора системы управления СГВ. Внброускоре-ние входа виброизолятора измерялось с помощью пьезоэлектрического акселерометра А1, установленного на корпусе датчика силы ДСО. Сила ди-

намического нагружения измерялась с помощью пьезоэлектрического датчика силы ДС1. Ускорение монтажной плиты для контроля условия «заторможенности выхода» измерялось с помощью пьезоэлектрического акселерометра АО. Пьезоэлектрические преобразователи подключались к анализатору 2034 через предварительные усилители заряда 2626.

Частотная зависимость входного механического сопротивления вибронзолятора 2\ \ (/, Д/) измерялась как комплексное отношение динамической силы (/. ДО, действующей на вход вибронзолятора, к виброскорости У1 (/", А/) входа вибронзолятора [2]:

УЛЛ

мл

(1)

где (/) - виброускорение входа вибронзолятора: / - частота динамической силы, приложенной к входу вибронзолятора.

Каждый виброизолятор испытывался при статическом нагружении 50, 100, 200, 250 и 1000 кгс. Перед проведением измерений, после стапгческого нагружения вибронзолятора, выполнялись проверки линейности и соблюдения условия блокировки выхода. Проверка линейности осуществлялась контролем постоянства отношения силы, действующей на входе, к виброускорению входа внброизолятора. Процедура проверки подробно описана в [2]. Проверка условия блокировки выхода выполнялась

Верхняя траверса^-

l\ il-n

Управление СГВ

2626

2034

г_—--- V-

0~f* " * * шиш -В- Sgg^.

Сигнал с внутреннего генератора анализатора

■С

ы л

ПК

СУ

Силовая рама

Рис. 1. Схема испытаний по определению механических сопротивлений виброизоляторов ЭСА-100: СГВ - сервогидравлический вибратор; СУ - система управления; ДСО-датчик силы испытательной машины; ДС1 - датчик силы; АО, А1 - акселерометры; 2626 - предусилители заряда; 2034 - анализатор сигналов; ПК - персональный компьютер

Fig. 1. Layout of mechanical

impedance tests for ESA-1DD

vibration isolators:

СГВ - servohydraulic vibrator;

СУ - control system; ДС0 - force

sensor of the test machine;

ДС1 - force sensor;

AO, A1 - accelerometers;

2626 - charge pre-amplifiers;

2034 - signal analyser;

ПК - personal computer

M. Eiudnichenko, V. Nekrasov Effect of static load upon dynamics of ESA-100-type rubber-metal vibration isolator

проверкой соотношения внброускореннй. измеренных на входе и заторможенном выходе вибронзолятора. Для схемы испытаний, изображенной на рис. 1, это условие подтверждалось соблюдением соотношения

¿А1 (У) — ¿АО (X) S 20 дБ,

(2)

где ¿А1 (/) - логарифюгческий уровень виброускорения, измеряемого акселерометром А1, на входе вибронзолятора: ¿А0 (/) - логарифмический уровень виброускорення. измеряемый акселерометром АО, на монтажной плите ситовой рамы.

Спектральное преобразование по алгоритму быстрого преобразования Фурье [3], интегрирование сигнала виброускорения и постспектральная обработка измеряемых сигналов с использованием набора функций взаимного спектрального анализа [4] выполнялись базовым программным обеспечением анализатора. При этом частотные зависимости входного механического сопротивления в комплекс но II форме, модуля и фазового утла входного механического сопротивления испытываемого виброизолятора рассчитывались по формулам [ 1 ]

Zn(f,Af) = j2nf

W/-4Q ОдшСЛ ДО

Фгц (/>40 = arctan

ReZn(/,AO lmZn(f.Af)

Y5taiCO4O>0,8,

1000 Гц

180 90° 0° -90°

О) -180°

—1—I—I I I I 11

--50

----100

------------------250

---500

--------------1000

10

100

I Zu (f.Af) |= ^[Re Zn (/. Дof + [im Z~ ~ (/. ДО]2 ; (4)

6)

1000 Гц

(5)

где &ИД1 (/. ДО, еА1А1 (/. ДГ) - усредненные взаимный и собственный спектры силы и виброускорения. измеряемых датчиком сипы ДС1 и акселерометром А1; Д/— частотное разрешение спектрального преобразования.

Величина динамической сипы регулировалась выходным аттенюатором внутреннего анализатора при полностью открытом входном аттенюаторе модуля внешнего сигнала системы управления СГВ. Уровень вынуждающей динамической силы устанавливался таким, чтобы при частотном разрешении 0,5 Гц во всем контролируемом частотном диапазоне соблюдалось условие

(б)

где ^fiaiCf> Af) ~ функция когерентности между сигналами динамической силы, действующей на

Рис. 2. Частотные зависимости модулей (а) и фазовых углов (б) входных механических сопротивлений резинометаллического виброизолятора ЭСА-100, измеренные при различных статических нагрузках

Fig. 1. Frequency relationships for moduli (a)

and phase angles (b) of input mechanical impedances

for ESA-100 rubber-metal vibration isolator, measured under

different static loads

вход вибронзолятора и виброускорения входа вибронзолятора.

Количество усредненных спектров неперекрывающихся независимых реализаций измеряемых сигналов в соответствии с рекомендациями [4, (89)] было выбрано равным 200, что обеспечивало нормированную случайную погрешность измерения входного механического сопротивления, не превышающую 2 %.

Типичные измеренные при различных статических нагрузках частотные зависимости модуля и фазового утла входного механического сопротивления вибронзолятора ЭСА-100 представлены на рис. 2. Как видно на рисунке, с ростом статнче-

Коэффициент увеличения динамической жесткости

О 123456789 10 Коэффициент увеличения статической нагрузки

Рис. 3. Изменение динамической жесткости в и бро изолятора ЭСА-100 в зависимости от изменения статической нагрузки

Fig. 3. Dynamic stiffness of ESA-1D0 vibration isolator under different static loads

скон нагрузки увеличивается жесткостная составляющая входного механического сопротивления виброизолятора. Следствием увеличения жест-костной составляющей при неизменной инерционной составляющей является увеличение частоты резонанса, на которой наблюдается минимум модуля входного механического сопротивления (рис. 2а) и переход через ноль частотной зависимости фазового угла входного механического сопротивления (рис. 26).

По измеренным на жесткостных участках значениям мнимых частей входных механических сопротивлении были рассчитаны динамические силы каждого испытанного виброизолятор а С, (Тст) и усредненная динамическая жесткость Сср(^ст) в зависимости от статической нагрузки:

Q(FCT) = 2я/| М ZUj (f, ДГ^сг)

Ccp(Fct) = -ZC,(FctI 4,=i

l/«/o

(7)

(8)

эффициент увеличения статической нагрузки KU(Fct)'-

Кс (Fcт)-

Ор(^с-г)

'-срС^СГ ном

и KH(FCг) =

!ст

^СТ ном

(9)

где ном = 100 кгс - номинальная статическая нагрузка внброизолятора ЭСА-100.

По рассчитанным значениям была выведена эмпирическая формула для расчета коэффициента увеличения динамической жесткости виброизолятора ЭСА-100 в зависимости от коэффициента увеличения статической нагрузки:

К,

:<Жн)|о,

3<jchSIO

= 0,17-^+0.24-ZH+lL3£%£10.

(10)

где г=1.....4 - порядковый номер испытанного

внброизолятора: - статическая нагрузка; /0 -резонансная частота.

Далее, также в зависимости от статической нагрузки, были рассчитаны коэффициент увеличения динамической жесткости и ко-

По лученная функциональная зависимость в графической форме представлена на рис. 3. Здесь же изображены усредненные значения коэффициента увеличения динамической жесткости, рассчитанные по результатам измерений.

Библиографический список

References

1. Ляпунов В.Т.. Лавендел Э.Э., Шляпочников С.А. Резиновые внброизоляторы. Справочник. Л.: Судостроение. 1988. [Lyapunov V.T.. Lavendel'Е.Е.. Shlya-pochmkov S.A. Rubber vibration isolators. Reference book. L.: Sudostroyeniye. 1988. (in Russian)].

2. Попков Б.И.. Попков C.B. Колебания механизмов и конструкций. СПб.: Сударыня. 2009. [Popkov V.I.. Popkov S. V. Oscillations of machinery and structures. SPb.: Sudarynya. 2009. (in Russian)].

3. Randall, R.B. Frequency Analysis. K. Larsen & Son. Glostrup. Denmark. 1987.

4. БендатДж.. ПирсолА. Прикладной анализ случайных данных. М.: Мир. 1989. [BendatJ.. PiersolA. Random data: Analysis and Measurement Procedures. M.: Mil'. 1989. (Russian translation)].

Сведения об авторах

Будниченко Михаил Анатольевич, к. т.н., генеральный директор АО «ПО «Севмаш». Адрес: 164500. Россия. Северодвинск. Архангельское шоссе. 58. Тел.: 8 (8184) 50-46-01. E-mail: [email protected]. Некрасов Владимир Ачександрович. к.т.н.. начальник сектора АО «ПО «Севмаш». Адрес: 164500. Россия. Северодвинск. Архангельское шоссе. 58. Тел.: 8 (8184) 50-46-01. E-mail: [email protected].

M. Budnichenko, V. Nekrasov Effect of static load upon dynamics of ESA-100-type rubber-metal vibration isolator

About the authors

Budnichenko, Mikhail A., Cand. ofTech. Sc., Director General. JSC PO Sevmash. Address: 58. Arkhangels-koye shosse. Severodvinsk. Arkhangelsk Oblast. Russia, post code 164500. Tel.: 8(8184) 50-46-01. E-mail: smp@sevmash. ru.

Nekrasov, Vladimir A., Cand. Of Tech. Sc.. Head of Sector. JSC PO Sevmash. Address: 58, Arkhangels-koye shosse, Severodvinsk. Arkhangelsk Oblast. Russia, post code 164500. Tel.: 8(8184) 50-46-01. E-mail: [email protected].

Поступила/Received: 12.07.18 Принята в печать / Accepted: 07.08.18 ©Будниченко MA., Некрасов В.A., 2018