ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
< 2, 2004
УДК 53.99.02
© 2004 г. Тихонов В.А., Чистяков А.Г., Гордеев Б.А.
ИЗМЕРЕНИЕ ВИБРАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГИДРООПОРЫ
Представлены результаты измерения вибрационной жесткости и механического импеданса гидроопор. Произведен анализ влияния параметров проточных каналов на амплитудно- и фазо-частотные характеристики гидроопор при широкополосном случайном нагружении. Показана возможность выбора параметров опоры для целей виброизоляции или селективного демпфирования конструкций.
Расширение областей применения гидроопор в подвесках различных транспортных средств приводит к необходимости получения все большего объема экспериментальных данных о динамическом поведении конструкций. В теоретических исследованиях динамики гидроопоры методами структурной механики [1, 2] используются понятия теории автоматического управления - переходной динамической жесткости и механического импеданса. Передаточные функции отношения вибрационной силы на выходе элемента к смещению или скорости на входе элемента соответственно являются в частотной области переходными характеристиками. Возможности измерения переходной жесткости на лабораторном стенде показаны в работе [3]. В данной работе производится анализ экспериментальных частотных характеристик гидроопор с целью оценки их виброизолирующих и демпфирующих свойств и выбора параметров конструкции на этапе проектирования.
Для исследования влияния параметров гидроопоры на ее характеристики были выбраны опоры поршневого типа "Агрон", изготовленные в Нижегородском филиале ИМАШ РАН (рис. 1). Здесь была использована разъемная конструкция с различными междукамерными перегородками 7, разделяющими жидкостные объемы опоры 3. Различие заключалось в изменении количества, диаметра и расположения дроссельных отверстий в перепускных каналах 8. Все остальные параметры оставались неизменными.
Измерения вибрационных характеристик производились на стенде, схема которого описана в работе [3]. В устройстве нагружения предусмотрена динамическая развязка от массы, имитирующей статическую нагрузку на объект исследования. Электронно-измерительная система позволяет производить измерения различных вибрационных характеристик процесса, в том числе комплексной жесткости и механического импеданса. Динамическая нагрузка на гидроопору создавалась вибровозбудителем фирмы "Prodera" и генератором "белого шума" в полосе частот 5-400 Гц.
На рис. 2 показана частотная / зависимость модуля комплексной вибрационной жесткости с гидроопоры "Агрон" с различными перегородками. Здесь из десяти вариантов дроссельных отверстий в междукамерной перегородке опоры выбраны характерных пять, отмеченных на графиках номерами сборок: 1 - 5 отверстий диаметром 2,5 мм, длиной канала 2 мм; 5 - 9 отверстий; 7 - 13 отверстий; 8 - 15 отверстий и 9 -19 отверстий того же диаметра и длины канала. Общим свойством частотных характеристик является наличие на кривых переходных областей резкого возрастания вибрационной жесткости между двух плато с медленным ее изменением.
Рис. 1. 1 - плата; 2 - обечайка; 3 - жидкостные камеры; 4 -корпус; 5 - мембрана; 6 - поддон; 7 - перегородка; 8 - перепускные каналы
095
Подобные особенности поведения амплитудно-частотной характеристики были отмечены в работе [3] для гидроопор другого типоразмера и конструкции. На приводимых в настоящей работе графиках показано, что изменением геометрии дроссельных отверстий можно влиять на положение переходной зоны в частотной области. Так, с ростом числа отверстий зона сдвигается в область больших частот. Положение и ширина зоны на оси частот зависит также от расположения отверстий по диаметру перегородки: кривые 5 и 7 на рис. 2 соответствуют вариантам сборок № 5 с отверстиями, расположенными по радиусам ближе к центру перегородки и № 7 - с отверстиями только по внешнему радиусу.
Характерной особенностью частотных кривых модуля жесткости является также наличие области уменьшения жесткости на частотах, предшествующих отмеченной области возрастания. Зона спада динамической жесткости по-разному выражена в разных образцах опор: в сборке № 1 она совсем отсутствует, и глубина ее возрастает с увеличением количества отверстий.
Объяснить наличие двух характерных областей, по-видимому, можно характером гидродинамического процесса при вибрационном дросселировании. Спаду динамической жесткости и повышению виброизолирующих свойств опоры отвечают инерционные свойства столба жидкости, движущегося по перепускному каналу через дроссельные отверстия в междукамерных перегородках опоры. В этой области частот работают теоретические модели "гидравлического трансформатора" или гидродинамического гасителя - работы [1, 2].
Области возрастания жесткости более трудны для моделирования, так как связаны с волновыми гидродинамическими процессами течения жидкости через короткие дроссельные отверстия. Модель ламинарного течения жидкости по длинному каналу, используемая в работах [2, 4], не описывает данные процессы. Подтверждение данного предположения можно найти в поведении фазо-частотных характеристик. На рис. 3 приведены частотные зависимости фазового угла фс вибрационной жесткости опор с параметрами, соответствующими вариантам амплитудно-частотных кривых на рис. 2. Здесь наблюдается соответствие частоты экстремума фазы средней частоте зоны возрастания модуля жесткости. Экстремальный характер фазовых кривых отражает наличие волновых резонансов - внутренних гидравлических резонансов при вибрационном дросселировании жидкости через отверстия в междукамерной перегородке. Резонансы в механических системах, в особенности гидравлических, сопровождаются повышенным демпфированием колебаний. Поэтому данная область частот возрастания вибрационной жесткости является зоной повышенного демпфирования гидроопоры.
Более выражены отмеченные области повышенной виброизоляции и демпфирования в гидроопоре на амплитудных (рис. 4) и фазо-частотных кривых механическо-
С, Н/м 1 • 107
1 • 106
1 • 10
0 50
150 250
/, Гц
Фс, град
-120
-160
-180
0 50
Рис. 2
150 250
/, Гц
Рис. 3
2, Нс/м 1 • 104
1 • 103
100
0 50 150
250 /, Гц
Ф2, град 200
160
120
80
8 9 / \
5
/ / \
0 50
150
250 /, Гц
Рис. 4
Рис. 5
го импеданса Ъ (рис. 5) указанных сборок опоры. Частота минимума модуля импеданса совпадает с соответствующей частотой на графиках жесткости, но минимум более глубокий. Максимум фазового угла фЪ импеданса также согласован с графиками фазы комплексной жесткости. Тангенс фазового угла импеданса, как известно, определяет коэффициент потерь. Но это справедливо при малом угле, отсчитываемом от мнимой оси комплексного значения импеданса, а потому оценка величины тангенса потерь гидроопоры возможна в зарезонансных зонах. Отметим селективность области повышенного демпфирования: в зарезонансной области частот фазовый угол возвращается к значению в дорезонансной области. Тем самым, следует ожидать малого влияния демпфирования в гидроопоре на ее виброизолирующие свойства на высоких частотах.
Таким образом, измеренные вибрационные характеристики - динамическая жесткость и импеданс - дают возможность провести качественный анализ сложных гидродинамических процессов в гидроопоре. По поведению амплитудно- и фазо-частотных кривых можно подбирать параметры гидроопоры для целей виброизоляции или демпфирования подвески транспортных агрегатов. Проведенные исследования показа-
ли, что надлежащим выбором параметров проточных каналов гидроопоры одного типоразмера производится настройка передаточных характеристик в требуемом частотном диапазоне. Результаты экспериментального исследования могут быть полезными для постановки связанной задачи гидроупругих колебаний и разработки эффективных моделей вибрационного дросселирования жидкости в гидроопоре.
Работа выполнена в рамках проекта РФФИ № 02-01-81004 Бел. 2002а.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Докукова H.A. Выбор рациональных параметров гидроопоры с пористым элементом // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2003. < 4. С. 18-23.
2. Гордеев Б.А., Синев A.B. Эффективность гашения вибрации гидроопорой силового агрегата в зависимости от размеров соединительной трубки и свойств рабочей жидкости // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2001. < 1. С. 110-113.
3. Фролов K.B., Тихонов B.A., Чистяков А.Г., Аббакумов Е.И., Гордеев Б.А. Экспериментальное определение статических и вибрационных характеристик гидроопор двух типов // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2001. < 4. С. 98-102.
4. Аббакумов Е.И., Гордеев Б.А., Ерофеев В.И. и др. Исследование гидравлических виброопор с различными рабочими жидкостями // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2002. < 2. С. 33-36.
Москва - Нижний Новгород Поступила в редакцию 15.X.2003
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.