CC BY
39
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ «ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» № 1 (64)
ми дроссельных отверстий. Видно, что со снижением диаметра дроссельного отверстия возрастает демпфирование колебаний и коэффициенты поглащения энергии, при этом максимальных значений они достигают в ПА с активным управлением без дроссельных отверстий = 0).
Таким образом, полученная модель, описывающая термогазодинамические процессы в объемах ПА и динамику АО, позволяет провести анализ и выявить основные закономерности и особенности в работе как самих ПА, так и управляемых клапанных устройств. Управляемые ПА [1] наиболее полно удовлетворяют требованиям систем амортизации крупногабаритных объектов, так как они обеспечивают регулирование упругодемпфирующих характеристик и хорошую виброзащиту и могут быть рекомендованы для внедрения на профильных предприятиях (ФГУП НПП «Прогресс» г. Омск, КБСМ, г. Санкт-Петербург).
Библиографический список
1. Положительное решение о выдаче патента на изобретение по заявке № 2006130589 РФ, М.Кл. F 16 F 9/04, В 60 G 11/26. Пневматическая подвеска / Аверьянов Г.С., Хамитов Р.Н. Опубл. 27.02.2008 г.
2. Хамитов Р.Н. Синтез системы управления импульсным электродинамическим клапаном пневмоамортизатора // Справочник. Инженерный журнал. 2008. № 2. - С. 62 — 64.
3. Новоженин А.А., Фитилёв Б.Н. Экспериментальные исследования постоянной демпфирования ПА с РКО//Ди-
намика систем: Межвуз. сб. науч. тр. — Омск, 1975. Вып.2. -с. 71-75.
4. Балакшин О.Б. Пропускная способность реальных проточных элементов пневматических газовых устройств // Автоматизация научных исследований в машиностроении и приборостроении. М.: Наука, 1971. - С. 186 — 266.
5. Герц Е.В. Пневматические приводы. Теория и расчет. М.: Машиностроение, 1969. — 359 с.
6. Дмитриев Г.Д., Градецкий В.Г. Основы пневматики. — М.: Машиностроение, 1973. — 360 с.
7. Мамонтов М.Л. Вопросы термодинамики газа переменной массы. — М.: Оборонгиз, 1961. — 226 с.
8. Герц Е.В., Крейнин Г.В. Динамика пневматических приводов — автоматов. — М.: Машиностроение, 1964. — 236 с.
9. Ястржембский А.С. Техническая термодинамика. М.: ГЭИ, 1960. — 496 с.
АВЕРЬЯНОВ Геннадий Сергеевич, заведующий кафедрой авиа- и ракетостроения.
ХАМИТОВ Рустам Нуриманович, кандидат технических наук, докторант кафедры авиа- и ракетостроения.
РОМАНОВСКИЙ Рэм Константинович, доктор физико-математических наук, профессор, кафедра «Основы теории механики и автоматического управления».
Дата поступления статьи в редакцию: 19.04.2008 г.
© Аверьянов Г.С., Хамитов Р.Н, Романовский Р.К.
УДК 625675 Р. Н. ХАМИТОВ
Г. С. АВЕРЬЯНОВ
Омский государственный технический университет
ДИНАМИКА ВИБРОЗАЩИТНОЙ СИСТЕМЫ
В работе описан подход к улучшению демпфирующих свойств виброзащитной системы на базе пневмоэлементов за счет введения активного управления процессами перетекания газа между объемами пневмоэлементов. Построена и исследована модель термогазодинамических процессов в объемах пневмоэлементов с импульсным электроклапаном при различных режимах работы с учетом динамики амортизируемого объекта.
Полученная модель позволяет провести анализ и выявить основные закономерности работы виброзащитной системы амортизируемого объекта. По результатам расчета видно, что виброзащитная система с пневмоэлементами может заменить распространенные в настоящее время гидродемпферы.
Использование пневматических амортизаторов (ПА) с резинокордными оболочками (РКО) как в системах подрессоривания транспортных средств, так и в системах амортизации (СА) сооружений [1] (рис.1) стимулировало создание нового способа демпфирования колебаний амортизируемых объектов (АО), основанного на управлении характеристикой восстанавливающей силы пневмоэлемента. В ПА состояние упругого тела в процессе колебаний непрерывно изменяется и определяет силу упругости
амортизатора в любой момент времени.
Если в ПА включить дополнительный объем, то в процессе сжатия некоторая часть газа из рабочего объема будет свободно перемещаться в дополнительный объем, то есть массовые количества газа, находящиеся в различных объемах ПА, постоянно меняются. Происходит внутренний массообмен при постоянной массе термодинамического тела системы. Наличие последнего создает условия, позволяющие регулировать режимы перетекания сжатого газа меж-
ду полостями рабочего и дополнительного объемов и тем самым изменять силу упругости амортизатора в процессе колебаний АО.
Для этой цели между несущей полостью переменного объема (рабочий объем) и вспомогательной полостью постоянного объема (дополнительный объем) устанавливаются клапанные устройства. Это устройство представляет собой либо дроссель — калиброванное отверстие в перегородке между объемами, либо дроссель и клапан, установленный со стороны дополнительного объема, перекрывающей на ходе отбоя отверстия большого диаметра, либо клапаны разнообразных конструкций, включая электромагнитные. Их роль состоит в создании перепада давления между объемами ПА, а процессы, происходящие при перетекании и смешивания газов в полостях, обеспечивают диссипацию энергии колебаний АО.
Одним из путей улучшения демпфирующих свойств ПА является введение активного управления процессами перетекания газа между объемами, что является одной из основных задач настоящего исследования.
Управляемые пневматические виброзащитные устройства (ПВУ), как показали предварительные исследования [2], могут наиболее полно удовлетворять требованиям СА, так как они обеспечивают регулирование упругодемпфирующих характеристик, хорошую виброзащиту, благодаря чему нет необходимости выполнения отдельных демпфирующих устройств. На рис. 2 приведено ПВУ, включающее пакет пневматических упругих элементов с активным управлением упругодемпфирующими характеристиками, которое может быть использовано в СА ядерных реакторов АЭС, а также для активной сейсмозащиты зданий и сооружений [1].
Платформа АО (рис.1) устанавливается на четырех ПВУ, точки опоры которых выбираются таким образом, чтобы обеспечить наибольшую разгрузку металлоконструкции объекта и наименьший угол перекоса сооружения. Следует отметить, что установленные ПВУ обеспечивают не только вертикальную, но и горизонтальную амортизацию сооружений. Причем боковые ПА установленные под углом 40 — 70о к центральным ПА решают также задачи по повышению грузоподъемности виброзащитного устройства, стабильности положения АО при воздействии горизонтальных возмущающих сил и гарантированного возврата АО в исходное положение [3].
В каждом ПА ПВУ, в перегородках между рабочими и дополнительными объемами, установлены управляемые импульсные электродинамические клапаны. Конструкция такого клапана, приведена на рис.3. Импульсный электроклапан включает направляющий цилиндр 1, перемещающийся в нем возвратно-поступательно запорный клапан 2 с магнитопроводами 3 и 4 и крышку 5. В верхней части внутри цилиндра и в крышке клапанного устройства установлены электромагниты импульсного включения 6 и 7. Со стороны рабочего объема ПА в торце направляющего цилиндра и со стороны дополнительного объема на крышке клапанного устройства смонтированы эластичные обратные клапаны 8 и 9. В конструкции клапана использован электродинамический принцип преобразования энергии. Необходимый алгоритм срабатывания импульсного электроклапана обеспечивается системой управления [4].
Исследование динамики защитного сооружения при внешнем воздействии основывается на совместном решении системы нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих как изменение
Рис. 1. Защитное сооружение
Рис. 2. Виброзащитное устройство
Рис. 3. Клапанное устройство
параметров движения объекта, так и ход термогазодинамических процессов, протекающих в объемах каждого пневмоэлемента ПВУ [2]. Рассматриваются только вертикальные колебания АО. В модели использованы следующие обозначения параметров:
Рр1 — текущее давление в рабочих объемах центральных ПА;
Рр2 — текущее давление в рабочих объемах боковых ПА ;
Ра — атмосферное давление;
Р1 — статическое давление в рабочих объемах центральных ПА;
«ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» № 1 (64) МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ «ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» № 1 (64)
54
Рис. 4. Расчетная схема динамики АО: 1 - датчики перемещения и скорости; 2 - пневматический амортизатор; 3 - управляемый клапан; 4 - дополнительный объем;
5 - датчики давления
Р2 — статическое давление в рабочих объемах боковых ПА;
Рд1 — текущее давление в дополнительных объемах центральных ПА;
Рд2 — текущее давление в дополнительных объемах боковых ПА ;
ЯЭ1 — суммарная эффективная площадь центральных ПА;
ЯЭ2 _ суммарная эффективная площадь боковых ПА;
г0, :г0, г — относительные перемещения, скорость и ускорение АО;
г,, гп, г — абсолютные перемещения, скорость и ускорение основания ПА;
V = Ур10 ± $Э1Т0 — текущий суммарный рабочий объем центральных ПА;
V2 = УР20 ± $Э2 Т0 — текущий суммарный рабочий объем боковых ПА ;
V — суммарный рабочий объем центральных ПА в статическом положении АО;
V— суммарный рабочий объем боковых ПА в статическом положении АО;
Уд1 — суммарный дополнительный объем центральных ПА;
V — суммарный дополнительный объем боковых ПА. 9
М и Мд — масса и вес АО;
к — коэффициент адиабаты;
— сила трения, зависящая от скорости движения АО;
а — угол между продольными осями центрального и бокового ПА (рис. 2);
— коэффициент расхода газа через клапан;
/ — площадь проходного сечения клапана;
тр1 — суммарная масса газа в рабочих объемах центральных ПА;
тр2 — суммарная масса газа в рабочих объемах боковых ПА;
т — суммарная масса газа в дополнительных объемах центральных ПА;
т д2— суммарная масса газа в дополнительных объемах боковых ПА.
За основу выбрано ПВУ (рис.2) со следующими начальными значениями параметров: Рр1 и Рр2 =2,0 МН/м2; ЯЭ1 =0,3м2 -4 =1,2 м2 ; БЭ2 = 0,15м2-16 =2,4 м2; VдI = 1,88м3; Vд2 = 3,68м3; Vpt0 = 0,47м3 ■ 4 = 1,88м3; Vp20 = 0,23м3 ■ 16 = 3,68м3.
Первый режим. Объект движется вниз от своего статического положения. Происходит процесс сжатия газа в рабочих объемах всех упругих элементов, при этом управляемые клапаны закрыты. Система дифференциальных уравнений, описывающая данный режим работы ПА, будет иметь вид [2]:
с!Р1,_щ,5э,г... ар;1 _кР;.зэХ;
сП
V,
сП
V,
Мг = - Ра )5Э! + (Р2 ~ Р„ )5Э,СОЛ7 -
-Мд-Я1:($1дп7}
Второй режим. Происходит процесс выравнивания давления в объемах ПА, при этом z 0 = 0, Рр> Р , клапан открывается и истечение газа происходит из рабочего объема в дополнительный объем ПА. Систе-мадифференциальных уравнений, опиа тт1ающая этот режим работы ПА, будет иметь вид [2]:
№РР1
кР„,
^кл(кл
2кд Рд1тд
к -1 V,
рр^\ -1
dPr
kPд1
\2кдрд1тд..
к-1 Vg,
-1
т
Рис. 5. Абсолютные ускорения АО и сооружения (а), абсолютные перемещения сооружения и относительные перемещения АО (б)
йРР2 = - кРР2-Э2 ^0 кРР2 ц ( \2к9РЯ2тд2
С Ур20 + -Э2 20 тр2
к-1 V,
-1
сІР„
д2
кРд
д21
к-1
2кд р2тд2 ( РР2 к - 1
к-1 Vg2 Р Р„
Мг = (Рр1 - Ра )БЭ1 + (Рр2 - Ра )5э2ссю« --Мд-Я^ідпІ)
Третий режим. Объект движется вверх, происходит процесс отбоя, клапан закрыт ъ 0 > 0, Рр< Р . Система дифференциальных уравнений, описывающая этот режим работы ПА, будет иметь вид [2]:
6^;.ч _ кРр1Я>Л _ ^Рр2 _ кРр2^Э2^о'
Л V, ’ Л К,
Четвертый режим. Происходит процесс выравнивания давления в объемах ПА, при этом Рд> Р , ъ0 = 0,
«ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» № 1 (64) МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ «ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» № 1 (64)
клапан открывается и истечение газа происходит из дополнительного объема в рабочий объем ПА. Система дифференциальных уравнений, описывающая этот режим работы ПА, будет иметь вид [2]:
' к-1 '
1 О? -а кР Р 7 л ГР1^ 31 ^0 кРР1 —Р1 тр1 \ 2к рріШрі [і і Н
йі ^Р10 + Я3170 к-1 VI
йРп
кРд
йі
Цк
'VI
2к Рр 1тР1 к-1 Г Гк ,
к -1 V 1 р к 1
1 о? 43 к? Я 7 л ГР 2^ 32 ^0 - крр2 ц f Г*кл кл 1 тр2 ^ 2к Рр 2 тр2 Г Рд21Г -1
йі VР 20 + ЯЭ270 (к-1 V2 і ) 1
" к-1 ~
СІРд
д2
кРд
йі
д2
^кл^кл
к -1 V
д2
-1
Расчет параметров движения АО с опорной СА при сейсмическом воздействии.
Целью дальнейших исследований является проверка эффективности работы ПВУ с активным управлением упругодемпфирующими характеристиками при сейсмическом воздействии. Расчетная схема динамики АО представлена на рис. 4.
Решения систем уравнений проводились методом Рунге — Кутта. По результатам расчета построены графики абсолютных ускорений АО и основания защитного сооружения (рис. 5а), графики относительного перемещения АО и абсолютного перемещения защитного сооружения (рис. 5б). Кроме того, проводились расчеты параметров движения АО для ПА без демпфирующих устройств и с гидродемпфером. В последнем случае выбран гидродемпфер с ограничением по усилию, рабочая характеристика которого описывается уравнением [2]:
рд =
пг02 БІдпг^ при\г0\<1,44м/с; 3500зідпг0 при\гА>1,44м/с;
щеРд — силасопротивлениядемпфера; п = 0,17-----;—
— коэффициент сопротивления гидравлического де-
мпфера.
Такая зависимость рабочей характеристики гидравлического демпфера, применяемого в СА, обеспечивает коэффициент поглощения энергии за период колебания АО цш = 0,7 + 0,8. Кривая А — характеризует работу ПВУ с активным управлением упругодемпфирующими характеристиками. Кривая Г — характеризует работу ПВУ с гидравлическим демпфером.
Анализируя результаты расчетов, необходимо отметить, что разработанное ПВУ с активным управлением упругодемпфирующими характеристиками обеспечивают относительные перемещения АО не превышающие значения Тд = 0,35м, при этом абсолютные ускорения также не превышают значения 1,5 д.
Управляемые ПА [4] наиболее полно удовлетворяют требованиям СА крупногабаритных объектов, так как они обеспечивают регулирование упругоде-мпфирующих характеристик и хорошую виброзащиту и могут быть рекомендованы для внедрения на профильных предприятиях (ФГУП НПП «Прогресс» г. Омск, КБСМ, г. С.-Петербург).
Библиографический список
1. Справочник по динамике сооружений. Под редакцией Б.Г. Коренева и И.М. Рабиновича. М. : Стройиздат, 1972. - 511 с.
2. Аверьянов Г.С. Исследование процессов и путей повышения эффективности воздушного демпфирования в пневматических амортизаторах виброзащитных систем. — Омск, Омский гос. тех. ун-т., 1999. — 115 с. — Деп. в ВИНИТИ 17.06.99, № 1957 — В99.
3. Положительное решение о выдаче патента на изобретение по заявке № 2007102390 РФ, М.Кл. F 16F 9/04. Амортизирующее устройство / Аверьянов Г.С., Хамитов Р.Н., Зубарев А.В. Опубл. 27.05.2008 г.
4. Положительное решение о выдаче патента на изобретение по заявке № 2006130589 РФ, М.Кл. F 16F 9/04, В 60G 11/26. Пневматическая подвеска / Аверьянов Г.С., Хамитов Р.Н. Опубл. 27.02.2008 г.
АВЕРЬЯНОВ Геннадий Сергеевич, завеующий кафедрой авиа- и ракетостроения.
ХАМИТОВ Рустам Нуриманович, кандидат технических наук, докторант кафедры авиа- и ракетостроения.
Дата поступления статьи в редакцию: 26.04.2008 г.
© Аверьянов Г.С., Хамитов Р.Н.
