Гидропневмоизолятор с переменной приведённой массой в инерционном преобразователе движения Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.752.3 Ю. д. БУРЬЯН

Л. д. ИВДНОВ М. В. СИЛКОВ Д. О. БЛБИЧЕВ

Омский государственный технический университет

Федеральный н аучно-производственный центр «Прогресс», г. Омск

ГИДРОПНЕВМОИЗОЛЯТОР С ПЕРЕМЕННОЙ ПРИВЕДЁННОЙ МЛССОЙ В ИНЕРЦИОННОМ ПРЕОБРЛЗОВЛТЕЛЕ ДВИЖЕНИЯ

В ра боте рассмотрена виброизоляционная опора, состоящая из резинокордной оболочки, з аполненной жидкостью и содержащей гидравлический инерционный преобразователь движения, которая через гибкую резиновую мембрану соединена с гидропневматическим аккумулятором. Рассмотрено влияние дискретного изменения приведённой м ассы в ГИТ на в иброизоляционные х ара ктеристики опоры, что позволяет производить н астройку системы н а минимальное значение коэффициента передачи усилия н а основание в зависимости от частоты возмущающего воздействия. Ключевые слова: виброизоляция, резинокордная оболочка, пневмопружина, инерционный преобразователь движения.

Пневматические упругие элементы на базе ре-зинокордных оболочек давно и с успехом применяются в качестве виброизоляционных опор в различных отраслях промышленности. Их широкое применение обусловлено тем, что они обладают рядом уникальных положительных качеств:

— низкие частоты собственных колебаний;

— возможность регулирования характеристик (жёсткость, нагрузочная способность);

— надёжность и длительность эксплуатации и т. д.

Характеристики пневмоамортизатора могут быть

значительно улучшены при использовании вместе с пневмоэлементом гидравлического инерционного преобразователя движения на базе РКО, заполненной жидкостью. Методы расчёта и результаты экспериментальных работ по гидроопорам с гидравлическими инерционными преобразователями движения, или по терминологии [1] гидравлическими инерционными трансформаторами (ГИТ) достаточно полно изложены в работах Института машиноведения им. А. А. Благонравова Российской академии наук [1—2].

Анализ резинокордных виброопор с ГИТ, в которых в одном конструктиве параллельно установлены гидравлический инерционный преобразователь движения на базе РКО с жидкостью и резинометал-лический или пневматический амортизатор, приведён в работах [3 — 4].

Принципиальные схемы пневмовиброизолятора с ГИТ на базе РКО модели И-09 и гидропневмоакку-мулятором приведены на рис. 1.

Принцип действия рассматриваемой опоры с ГИТ заключается в том, что при действии на опору периодического усилия от виброактивного силового агрегата жидкость в ГИТ и, следовательно, в инерци-

Рис. 1. Принципиальная схема пневмовиброизолятора: 1 — вывешиваемая масса m0; 2 — блок инерционных трубок; 3 — диафрагма; 4 — гидропневматический аккумулятор; 5 — основание; 6 — РКО И-09; Р0 — давление в гидропневматическом аккумуляторе; F(t) — сила, действующая со стороны виброактивного агрегата

онных трубках будет совершать возвратно-поступательное движение. Диафрагма 3 и ёмкость гидропневматического аккумулятора с давлением Р0 служит для компенсации объёма вытесняемой жидкости при перемещении опорной поверхности по отноше-

нию к основанию, и для создания силы упругости и силы, компенсирующей вес вывешиваемого тела. Масса жидкости в инерционных трубках будет иметь скорость большую, чем скорость опорной поверхности, на величину, равную отношению площади условного поршня, перемещающего жидкость (в первом приближении площадь эквивалентного сечения РКО) к площади сечения инерционной трубки. Вследствие этого на силовой агрегат и основание будет действовать дополнительная инерционная нагрузка с приведённой массой, на 2 — 3 порядка превышающей массу жидкости в инерционных трубках. Динамический эффект от этой инерционной нагрузки будет заключаться, как это показано в [1—3], в значительном снижении передачи вибрационного усилия на основание в области частот настройки виброопоры с ГИТ.

Необходимо отметить, что инерционные трубки при малом диаметре могут обеспечивать демпфирование в опоре, хотя известно, что для целей виброизоляции, т. е. для уменьшения передачи усилия на основание, демпфирование должно быть малым.

Для кинетической энергии жидкости в ГИТ можно записать [1]

Т ^ 2 +

Т = т--+ т

2

■2 тР 2

(1)

где х — скорость перемещения массы т0; т — масса жидкости в полостях опоры; тк — масса жидкости в инерционной трубке; Утр — скорость жидкости в трубке.

А

Учитывая, что Утр = х-, где А — площадь пор-

Б тр

шня, ^гр — суммарная площадь сечения инерционных трубок, инерционная составляющая будет иметь вид:

d (дТЛ ..

* Г тпр ■ Х

(2)

А2

где тпр = тк + т.

При колебаниях массы т0 около положения статического равновесия можно записать:

тоX = ¥Н) - А(х) ■ Р,,

(3)

где А(х) — эффективная площадь РКО; Р, — давление жидкости в РКО.

Полагая, что давление жидкости в РКО в основном определяется давлением в газовой полости, инерционным воздействием от тпр и сопротивлением в дросселе для Р, можно записать [5]

Рис. 2. Принципиальная схема гидроиневмовибронзолятора: 1 — крышка; 2 — прижимное кольцо; 3 — резинокордная оболочка; 4 — подвижный сектор; 5 — электродвигатель; 6 — корпус ГИТ; 7 — резиновая мембрана; 8 — корпус гидропневмоаккумулятора; 9 — полость с газом и давлением Р_

Рис. 3. Принципиальная схема дискретного перекрытия инерционных трубок: 1 — корпус ГИТ; 2 — подвижный сектор; 3 — электродвигатель

Р, =(Рго + Ра )

V

X

Ут - Г А(х)Мх

Учёт демпфирования в опоре из-за движения жидкости в ГИТ в первом приближении при условии ламинарного движения можно оценить по коэффициенту проводимости инерционной трубки [6]

- р + тпр ■ Х . Ьп

А(х) А(х)

(4)

где Рго — начальное избыточное давление в газовой полости;

Ра — атмосферное давление; У — начальный объём газовой полости;

го '

п — показатель политропы.

К = %аТР = ^^, (5)

пр 128^1 8

где т — динамическая вязкость жидкости (Па с); 1 — диаметр и длина трубки. Из условия равенства расходов имеем:

КпрАр = БтрX др ,

-I.

о

го 1>

п

По 1 2 3 4

тпр, кг 16 8 5,3 4

Таблица 2

По 1 2 3 4

К 0,25 0,125 0,083 0,0625

Рис. 4. Модель в пакете Б1ши11пк

Рис. 5. Зависимость Кп от I: 1 — К=0,25; 2 — К=0,125; 3 — К=0,083; 4 — К=0,0625; 5 — без ГИТ

где Ар — перепад давления из-за сопротивления _Рсо

А ^соп

в дросселе; хдр = —— х , а если учесть, что Ар = -А-,

то получим:

^сопр = ЬПр х,

(6)

А2

где ьпр = р 8т-1

Ь тр

Если в первом приближении принять, что А(х)

ющее поведение опоры при однонаправленном движении, будет иметь вид [3]

К + тпр )х + Ьпр х + С1х = р (í),

(7)

(Р + Р )■ А2

где С = 1 го а >-+ СрКо;

* го

Срко — коэффициент жёсткости резинокордной составляющей.

При данном допущении А(х) — сом! выражение

сом!;, то дифференциальное уравнение, описыва- для коэффициента передачи

14

K (w) =

F H'

где |й(гю) — амплитуда усилия, передаваемого через опору на основание, будет соответствовать результатам работы [4]

Результаты расчётов в пакете Simulink представлены на рис. 5. Анализ графиков Кп (w) показывает, что частоты настройки на min Кп в лежат в диапазоне 4—10 Гц, что позволяет производить настройку колебательной системы на min К в зависимости от

п

частоты возмущающего воздействия.

Kn =

(Z2 - л)2 + 4v?Z2

1

Z2

л л + 1

л + 1

(8)

bn

где Z = —; п = ——; V

®о тпр 2то ■ ®о

Рассмотрен один из вариантов дискретного изменения приведённой массы в ГИТ за счёт перекрытия фигурным сектором инерционных трубок. Сектор разворачивается микроэлектродвигателем шагового типа, обеспечивая перекрытие одного, двух или трёх инерционных трубок.

Принципиальная схема такого устройства показана на рис. 2 и 3.

В качестве примера будем полагать, что блок инерционных трубок с двигателем и сектором установлен в РКО И-09. В этом случае для площади условного поршня А можно принять А = 5'10-3 м2 и, принимая диаметр й и длину 1 инерционных трубок одинаковыми и равными й=10 мм, 1 =50 мм для величин приведённых масс для различного количества п одновременно включённых трубок, получим результаты, представленные в табл. 1.

Для оценки влияния дискретного перекрытия инерционных трубок на диапазон частот с минимальным значением коэффициента передачи Кп усилия на корпус примем, что колебательная система с однонаправленным движением по координате х и с ГИТ описывается, как и ранее, следующей системой уравнений (7).

Полагая, что m0 = 64 кг, ю0 =

С

m + m

Библиографический список

1. Системы виброзащиты с использованием инерционности и диссипации реологических сред / Б. А. Гордеев [и др.]. - М. : Физматлит, 2004. - 176 с.

2. Мугин, О. О. Экспериментальные исследования виброизолятора с преобразованием движения инерционных элементов / О. О. Мугин, А. А. Синёв // Вестник научно-технического развития. - 2012. - № 4 (56). - С. 24-31.

3. Бурьян, Ю. А. Резинокордная пневмогидравлическая опора с инерционным преобразователем движения / Ю. А. Бурьян, С. Н. Поляков, Ю. П. Комаров // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. -2013. - № 3 (123). - С. 68-72.

4. Бурьян, Ю. А. Виброизоляционная опора с гидравлическим инерционным преобразователем движения на базе резинокордной оболочки / Ю. А. Бурьян, Ю. Ф. Галуза, С. Н. Поляков // Судостроение. - 2014. - № 1. - С. 40-42.

5. Трибельский, И. А. Расчётно-экспериментальные методы проектирования сложных резинокордных конструкций / И. А. Трибельский, В. В. Шалай, А. В. Зубарев, М. И. Трибельский. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2011. - 238 с.

6. Попов, Д. Н. Динамика и регулирование гидро- и пневмо-систем / Д. Н. Попов. - М. : Машиностроение, 1987. -464 с.

собственная частота колебаний, равная при тпр = 0, ю0 = 2р/0, /0 = 2 Гц.

Оценка влияния дискретного переключения инер-

|Д(г'®)|

ционных трубок на коэффициент Кп = ^—-—^ про-

\р (Н

изведена в пакете МаШЬ/БшиПпк.

Модель уравнений в пакете БтиНпк (1) приведена на рис. 4. Значения коэффициента обратной связи К

по ускорению К = 1/п, где п = в зависимости

тпр

пр

от количества трубок п0 приведёны в табл. 2.

БУРЬЯН Юрий Андреевич, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой основ теории механики и автоматического управления Омского государственного технического университета (ОмГТУ).

Адрес для переписки: [email protected] ИВАНОВ Андрей Анатольевич, студент гр. ПМ-151 факультета транспорта, нефти и газа ОмГТУ. СИЛКОВ Михаил Владимирович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры основ теории механики и автоматического управления ОмГТУ.

БАБИЧЕВ Денис Олегович, инженер-конструктор 1-й категории ФНПЦ «Прогресс», г. Омск. Адрес для переписки: [email protected]

Статья поступила в редакцию 19.09.2016 г. © Ю. А. Бурьян, А. А. Иванов, М. В. Силков, Д. О. Бабичев

Книжная полка

Балакин, П. Д. Динамика машин : учеб. пособие / П. Д. Балакин. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2016. -350 с.

Показана логика составления основного набора математических моделей движения механических систем и сопутствующих инженерных приложений на основе фундаментальных положений аналитической механики. Предназначено студентам и магистрантам механико-машиностроительных факультетов, а также аспирантам, чьи научные интересы связаны с изучением динамического поведения и конструированием механических систем.

о

оз

2

2

+ 4v0iZ