ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
№ 1, 2012
УДК 53.99.02
© 2012 г. Алексеев П.С., Синев А.В., Мугин О.О.
СХЕМНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ
ИССЛЕДОВАНИЯ ВИБРОИЗОЛЯТОРА С ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ДВИЖЕНИЯ ИНЕРЦИОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ1
Рассмотрен объект испытаний — виброизолятор с преобразованием движения инерционных элементов. Представлены результаты экспериментального исследования жесткостных характеристик данного виброизолятора. Приведены его статические и динамические характеристики. Показаны эффекты динамического поведения конструкций при возбуждении белым шумом. Приведены технические решения по его настройке на необходимую частоту.
В настоящее время виброизоляторы (гидроопоры) с преобразованием движения инерционных элементов широко применяются в системах виброизоляции машин, инженерно-строительных сооружениях (виброизоляция зданий), рельсовых транспортных магистралях, а особенно метрополитене [1, 2]. Теоретический анализ механического взаимодействия элементов в гидроопорах приведен в работах [3, 4—7]. Однако теоретические исследования не дают полной картины динамического поведения опоры в частотной области в связи со сложностью описания процессов течения жидкости в камерах. Это требует для получения желаемого результата дополнительных экспериментальных исследований [8—10, 11].
В настоящей статье определяются статические и динамические характеристики виброизолятора (гидроопора) с преобразованием движения инерционных элементов. Приведено его подробное описание и принцип действия, а также рассматриваются технические решения по доработке конструкции виброизолятора с преобразованием движения инерционных элементов.
В качестве объекта испытаний на экспериментальном вибростенде был использован виброизолятор — гидроопора, разработанный в Нф ИМАШ РАН при участии ИМАШ РАН [5]. Данная гидроопора предназначена для применения в системах виброизоляции машин и инженерно-строительных сооружениях.
Гидроопора состоит из несущего статическую нагрузку упругого элемента — конической обечайки, под куполом которой находится рабочая камера (поршневая полость). За перегородкой находится дополнительная камера (компенсационная полость). Обе камеры заполнены рабочей гидравлической жидкостью. Рабочая и дополнительная камеры разделены между собой перегородкой, в которой располагается мембрана с дроссельными отверстиями. Конструкция гидроопоры представлена на рис. 1.
Упругий элемент — коническая обечайка привулканизирована к корпусу и опорной плате. Под куполом конической обечайки располагается рабочая камера (поршневая полость), а за перегородкой находится дополнительная камера (компенсационная по-
1 Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (Проект 10-08-00500).
2 4 5
15 6 16 7
92,3
Рис. 1. Конструкция гидроопоры: 1 — резиновая обечайка, 2 — корпус, 3 — опорная плата, 4 — верхняя плита, 5 — нижняя плита, 6 — мембрана, 7 — металлическое кольцо, 8 — диафрагма, 9 — поддон, 10 — основание, 11 — воздушная полость, 12 — отверстие воздушной полости, 13 — рабочая камера (поршневая полость), 14 — дополнительная камера (компенсационная полость), 15 — отверстие плиты, 16 — дроссельный канал
лость). Перегородка состоит из верхней и нижней плит, между которыми вмонтирована металлическая мембрана. Верхняя и нижняя плита имеют по одному центровому отверстию. Мембрана имеет четыре дроссельных канала (отверстия 01,5), расположенных равномерно по окружности 020 и четыре дроссельных канала (отверстия 02,5), расположенных равномерно по окружности 046.
Перегородка через металлическое кольцо и диафрагму опирается на поддон, в который вмонтировано основание для крепления гидроопоры. Поддон устанавливается в корпус до упора и завальцовывается, тем самым обеспечивая герметичность виброизолятора. Диафрагма образует с поддоном полость, которая через отверстие в поддоне заполняется воздухом. Для взаимодействия с внутренней сферической поверхностью диафрагмы крепление, вмонтированное в поддон, имеет трапецеидальную поверхность.
Виброизолятор работает следующим образом. Под действием внешней нагрузки на опорную плату она смещается. При этом происходит деформация резиновой упругой обечайки. Рабочая жидкость через поршневое действие обечайки давлением рабочей жидкости передает статическую и динамическую нагрузку от опорной платы на корпус. В процессе вибрации, при сжатии, обечайка и корпус сближаются. Рабочая жидкость из рабочей камеры через отверстие в нижней плите попадает в дополнительную камеру. На обратном ходе, когда обечайка и корпус расходятся, рабочая жидкость через отверстия в верхней и нижней плитах попадает обратно в рабочую камеру. Этот процесс создает эффект инерциального трансформатора, формируя в частотной характеристике гидроопоры гашение типа "фильтра-пробки". Дроссельные отверстия обеспечивают гидроопоре необходимое демпфирование.
На высоких частотах входного вибросигнала основную функцию в диссипации энергии колебаний выполняет эластичная обечайка. На низких частотах процесс диссипации механической энергии обусловлен тем фактором, что приведенная в движение рабочая жидкость рассеивает сообщенную ей энергию за счет диссипации по всему объему рабочей камеры.
4 ПМ и нм, № 1
97
Рис. 2. Схема экспериментального вибростенда для определения динамических характеристик гидроопоры: 1 — объект испытания (гидроопора), 2 — силоизмерительная опора с датчиком силы, 3 — фундамент (бетонное основание), 4 — механическая оснастка (масса 35 кг), 5 — стальные диски (масса 665 кг), 6 — стальная струна, 7 — вибровозбудитель, 8 — пружина, 9 — датчик силы, 10 — акселерометр, 11 — двухканальный анализатор сигналов, 12 — усилитель мощности, 13 — ПЭВМ, 14 — устройство печати (принтер)
Измерения динамических характеристик виброизолятора проводились на Калужском турбинном заводе, на экспериментальном вибростенде, который позволяет проводить измерения различных вибрационных характеристик процесса, в том числе комплексной жесткости и механического импеданса.
Стенд содержит механическую оснастку, позволяющую крепить различные типы опор для измерения динамических характеристик по вертикальной оси (оси z). Экспериментальный стенд оборудован электронно-измерительной аппаратурой, блок-схема которой включает схему возбуждения и измерительную схему.
Схема возбуждения состоит из аппаратуры для создания динамической силы (вибровозбудитель типа "20JFJ20D"), действующей на испытуемый объект синусоидальным сигналом или случайным белым шумом в диапазоне от 5 до 800 Гц. Схема экспериментального стенда приведена на рис. 2.
Испытуемый объект (гидроопора) устанавливается на силоизмерительную опору с датчиком силы фирмы "Kistler", которая размещается на фундаменте (бетонном основании). С помощью крепежных элементов, предусмотренных в конструкции гидроопоры, она крепится к опоре и механической оснастке. Гидроопора нагружается статической нагрузкой массой до 700 кг. В качестве статической нагрузки используются семь жестко скрепленных стальных дисков, масса каждого из которых составляет 95 кг, что дает суммарную нагрузку в 665 кг, и механическая оснастка массой 35 кг.
Стальные диски закреплены между собой при помощи трех шпилек М24, расположенных равномерно по окружности дисков. Механическая оснастка крепится к нижнему стальному диску при помощи трех болтов М16, расположенных равномерно по окружности диска. При помощи стальной струны механическая оснастка соединяется с вибровозбудителем (вибратором), который упруго вывешен на пружине с частотой
Н
800
400 200
5 х, мм
1,000 0,100 0,010 0,001
0 25 50
100
150 175 /, Гц
Рис. 3
Рис. 5
Рис. 3. Статическая жесткость опытного образца гидроопоры в осевом направлении х с номинальной статической нагрузкой Р = 700 кг
~1 Гц. На верхней плоскости механической оснастки располагается датчик силы и акселерометр, измеряющие ускорение и силу на входе гидроопоры.
Сигнал с датчиков силы и акселерометра поступает на вход двухканального анализатора сигналов (со встроенным генератором синусоидальных сигналов и случайного шума) типа "2034" фирмы "В$К", который соединяется с усилителем мощности типа "А438" фирмы "Ргоёега". Двухканальный анализатор осуществляет преобразование передаточных сигналов и силы. На выходе анализатора получаем непосредственно величину переходной динамической жесткости ^перех( /) = /вых/хвх.
Результаты передаются с двухканального анализатора на ЭВМ, где они обрабатываются, хранятся и при необходимости выводятся на периферийное устройство печати — принтер.
Целью статических испытаний являлось определение статической жесткости гидроопоры в диапазоне 0 до 700 кг с шагом 50 кг, с последующей корректировкой (оптимизации) конструкции и настроек гидроопоры. В ходе статических испытаний были получены экспериментальные характеристики статической жесткости гидроопоры.
Для рабочей точки, соответствующей номинальной нагрузке в 700 кг, смещение опорной платы А соответствует 6 мм. При малых нагрузках в нижней части характеристики смещение опорной платы А находится в диапазоне 4—5 мм, и имеет место жесткая нелинейность характеристики.
Нагрузочная характеристика опытного образца гидроопоры в осевом направлении z представлена на рис. 3.
При определении динамических характеристик виброизолятора основной считается характеристика переходной динамической жесткости или эквивалентная ей характеристика переходного механического сопротивления — импеданса.
Измерения переходной динамической жесткости выполняли при следующих условиях: частотный диапазон испытаний от 5 до 200 Гц; статическая нагрузка на гидроопору 700 кг; уровень возбуждения толкающей силы на вибровозбудителе 1 кг.
Данные динамические характеристики были получены на экспериментальном вибростенде. По полученным экспериментальным данным определяется входная и переходная В2 динамическая жесткость
^вхО'ю) = Р2Ц&)/х (j&), £перех(/ю) = И ю)М/ю), где — сила на выходе, Г2 — сила на входе, х — перемещение.
Для оценки динамической жесткости гидроопоры применяется переходная динамическая жесткость, так как она точнее перед
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.