ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
№ 6, 2009
УДК 53.99.02
© 2009 г. Гордеев Б.А., Кирюхин А.В., Синев А.В., Тихонов В.А., Чистяков А.Г.,
Яковлев В.В.
ЗАВОДСКИЕ ИСПЫТАНИЯ ГИДРОУПРУГИХ ОПОР.
СТАТИЧЕСКИЕ И ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ.
Рассмотрены методика и результаты испытаний статических и динамических свойств гидроупругого виброизолятора с резиновым и гидравлическим элементами типа "Агрон" на заводском оборудовании. Представлены результаты экспериментального исследования нагрузочной и жесткостной характеристик виброизолятора в продольном и поперечном направлениях и его динамические характеристики в этих направлениях. Приведены его статические и динамические характеристики в зависимости от весовой нагрузки для паспортизации изделий.
Гидроупругие опоры нашли широкое применение в подвесках транспортных средств: автомобилях и железнодорожном транспорте. Конструкции и средства лабораторных испытаний, а также свойства гидроопор поршневого действия рассмотрены в работах [1, 2]. Гидроопора содержит упругий (эластомерный) элемент и взаимодействующий с ним через поршневой эффект и систему каналов гидравлический элемент. В [1, 2] рассмотрена конструкция из двух связанных через мембрану с отверстиями гидравлических объемов и одного спиралевидного по внешнему диаметру опоры. При анализе амплитудно- и фазочастотных жесткостных характеристик, полученных на лабораторных стендах, показаны селективные демпфирующие свойства опор в отдельных частотных диапазонах. Там же отмечено, что теоретический анализ механического поведения гидроопоры недостаточен для описания частотных характеристик, особенно динамического дросселирования жидкости через разветвленную проточную часть гидравлической системы опоры. Вопросы теории взаимодействия резиновой обечайки и жидкости в этих элементах в опорах разного типа рассмотрены в работах [3—6]. Однако, исследования не дают полной картины динамического поведения опоры в частотной области из-за неточности описания динамики разветвленной проточной части гидравлической системы. Требуется проведение экспериментальных исследований для определения характеристик гидроопоры и подтверждения ожидаемых эффектов виброизоляции при использовании гидроопор в подвесках автомобиля и силового агрегата.
В настоящей статье определяются статические и вибрационные характеристики гидроопор в заводских условиях ОАО "Калужский турбинный завод". Использование заводского оборудования и специальных стендов важно для определения статических и динамических характеристик гидроопор разной конструкции и для проведения опытно-конструкторских работ.
Для испытаний использована гидроопора поршневого действия (вдоль продольной оси) типа "Агрон" производства Нижегородского филиала ИМАШ РАН. Конструкционная схема опоры показана на рис. 1 и отличается от исследованной в работах [1, 2] применением для увеличения демпфирования дополнительного жидкостного объема
Рис. 1. 1 — обечайка; 2 — корпус; 3 — опорная плита; 4, 5 — мембранные плиты; 6 — мембрана; 7 — кольцо; 8 — диафрагма; 9 — поддон; 10 — основание; 11 — диа-фрагменная полость; 12 —отверстие; 13 — рабочая полость; 14 — компенсационная полость; 15 — центральное отверстие; 16 — дроссельные каналы
М16-6Н
М12
в полости между плитами (поз. 4 и 5). На схеме коническая резиновая обечайка 1 расположена между металлическими корпусом 2 и опорной плитой 3. Под обечайкой располагается жидкостная полость 13, а за перегородкой находится компенсационная полость 14. Перегородка состоит из верхней 4 и нижней 5 плит, между которыми вмонтирована металлическая мембрана 6. Верхняя и нижняя плита имеют по одному центральному отверстию 15. Мембрана имеет четыре дроссельных канала 16 (отверстия 01,5 мм), расположенных равномерно по окружности 020 мм, и четыре дроссельных канала (отверстия 02,5 мм), расположенных равномерно по окружности 046 мм. Перегородка через металлическое кольцо 7 и диафрагму 8 опирается на поддон 9, в который вмонтировано основание для крепления 10 гидроопоры. Поддон устанавливается в корпус до упора и завальцовывается, обеспечивая герметичность виброизолятора. Диафрагма образует с поддоном полость 11, которая через отверстие 12 в поддоне заполняется воздухом.
Статические испытания гидроопор этой конструкции проводились на заводском оборудовании и стендах с учетом методов средств лабораторных испытаний, описанных в [1, 2]. Осевое нагружение сжатия-растяжения в продольном направлении производили на специально разработанном устройстве, обеспечивающем одновременно продольное сжатие и поперечный сдвиг. Особенности нагружения в поперечном направлении заключаются в том, что требуется обеспечить плоскопараллельное взаимное смещение опорных плит опоры при сдвиге и предварительное поджатие в осевом направлении постоянной нагрузкой, отражающих весовую нагрузку на опору.
Нагрузочные диаграммы статического осевого сжатия гидроопоры (кривые для разных элементов а) и графики жесткости (б) показаны на рис. 2. Видно, что для опор данного типоразмера графики линейны в пределах смещения до 4 мм и нагрузки ~300 кГ, что соответствует статической жесткости в осевом направлении 0,8 Т/см. При дальнейшем сжатии кривые нелинейные, причем нелинейность жесткого типа существенна — жесткость возрастает более, чем в 4 раза. Максимальная сжимающая нагрузка для данных опор ~750 кГ. Тем самым, опора может служить в качестве упругого ограничителя.
Кривые нагружения статического поперечного сдвига гидроопоры и графики статической жесткости имеют линейный вид и получены при различных осевых нагрузках предварительного поджатия. С ростом нагрузки возрастает жесткость гидроопоры в поперечном направлении, а ее величина в 1,5—2 раза превышает осевую жесткость. При нулевых осевых нагрузках опора является примерно равножесткой в этих направлениях.
% кГс 800
400 200
0
С, Тс/см 8 г
0
2
6 г, мм
Рис. 2. Статические характеристики осевого сжатия гидроопоры: а — нагрузочная диаграмма сжатия — зависимость осевой нагрузки от смещения г; б — жесткость осевого сжатия Сг. Здесь: 1 — образец № 49; 2 - № 37; 3 - № 1
6
4
2
Схема устройства для динамических испытаний, которые проводили на заводском оборудовании ОАО "Калужский турбинный завод", содержит электронно-измерительную аппаратуру и включает схему возбуждения и измерения. Схема возбуждения состоит из аппаратуры для создания динамической силы (вибровозбудитель), действующей на испытуемый объект синусоидальным сигналом или случайным белым шумом в диапазоне от 5 до 800 Гц. Гидроопора устанавливается на силоизмерительную платформу датчика вибрационной силы и нагружается статической весовой нагрузкой массы до 700 кг. На верхней плоскости опоры помещен 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 синусоидального и случайного сигналов. Двухканальный анализатор осуществляет преобразование сигналов ускорения и силы. На выходе анализатора получаем непосредственно величину переходной динамической жесткости Сг(В) = 0вых/гвх, как отношение вибрационной силы на выходе к вибрационному смещению на входе. Результаты передаются с двухканального анализатора на компьютер.
При вибрационном воздействии случайной нагрузкой типа белого шума и гармоническом воздействии (синусоидальной нагрузкой) получены частотные зависимости ускорения на входе и вибрационных сил на входе и выходе исследуемой опоры, а также зависимости этих величин от продольного статического поджатия вдоль оси 0г.
Частотные зависимости переходной жесткости получены аппаратным путем с помощью анализатора и компьютера. Зависимость модуля переходной жесткости в продольном направлении Сг(В) показана на рис. 3. От характера возбуждения значения практически не различаются по величине. Осевая жесткость опоры имеет минимальные значения в определенном частотном диапазоне 100, ..., 150 Гц. При этом, экстремальный характер более выражен при большей нагрузке поджатия, от которой зависит и абсолютная величина жесткости. Поперечная жесткость в частотном диапазоне до 200 Гц не зависит от частоты, а величина растет с увеличением осевого статического поджатия.
Виброизолирующие свойства опоры определяются в расчетных моделях опоры с использованием приведенных частотных характеристик осевой переходной жесткости. Степень виброизоляции в различных конструкциях опоры, а также влияние параметров на свойства опоры и характер внешнего воздействия можно непосредственно оценивать по частотным зависимостям коэффициента передачи вибрационной силы
Cz, Тс/см 100
10 -
Г.................
0
50
150
0
50
150
0
50
150 F, Гц
Рис. 3. Частотная F характеристика модуля вибрационной жесткости Cz в направлении продольной оси 0z гидроопоры с статической нагрузкой поджатия 0 кГ (а), 175 кГ (б), 350 кГ (в): 1 — белый шум; 2 — sin, 15 Н; 3 - sin, 30 Н
10,000
1,000
0,100
0,010
0,001 10,000
1,000
0,100
0,010
0,001
0
50
100
150
F, Гц
Рис. 4. Частотная F характеристика коэффициента передачи — перепада вибрационной силы на верхнем (1) и нижнем (2) фланцах гидроопоры при статической нагрузке поджатия 30 кГ (а) и 260 кГ (б)
или отношению силы на выходе к силе на входе гидроопоры (перепаду сил) Ц = евых^вх-
По приведенным на рис. 4 частотным зависимостям коэффициента передачи можно судить о существенном влиянии поджатия на экстремальный вид кривых. Минимум этого показателя отражает значительное (до двух порядков) снижение вибрационной силы при номинальной весовой нагрузке. На кривых (рис. 4, а) с меньшим под-жатием опоры наблюдается колебательный характер частотной зависимости, что отражает селективный, избирательный характер виброизоляции на различных частотах. Эту особенность гидроупругой опоры используют при установке в подвесках машин и оборудования.
б
1
а
2
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Фролов К.В., Тихонов В.А., Чистяков А.Г., Аббакумов Е.И., Гордеев Б.А. Экспериментальное определение статических и вибрационных характеристик гидроопор двух типов // Проблемы машиностроения и на
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.