Некоторые вопросы проектирования и производства втулочных виброизоляторов из проволочного материала Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.7

НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРОИЗВОДСТВА ВТУЛОЧНЫХ ВИБРОИЗОЯТОРОВ ИЗ ПРОВОЛОЧНОГО МАТЕРИАЛА

©2011 Г. В. Лазуткин1, Ф. В. Паровай2, А. А. Тройников2

1 Самарский государственный университет путей сообщения Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва

(национальный исследовательский университет)

Рассмотрены основные вопросы производства втулок из МР. Предложен метод расчёта динамических и потребных упругогистерезисных характеристик втулочных виброизоляторов. Сформированы основные подходы к оценке технологической стабильности процессов производства и испытаний виброизоляторов.

Материал МР, проволочная спираль, заготовка, упругодемпфирующий элемент, виброизолятор, упруго-гистерезисные характеристики, обобщенные динамические характеристики на резонансе (ОДХр), технологическая стабильность.

Анализ литературы по вопросам применения виброизоляторов в современной технике показал, что за последние годы условия её эксплуатации заметно усложнились. Для газотурбинных авиационных двигателей и ракетно-космической техники характерно наличие широкого диапазона частот динамического возбуждения (от 1 Гц до 10 кГц), больших вибрационных, ударных и линейных ускорений (до 103 м/с2 и более), которые зачастую носят случайный характер. Вместе с тем в процессе эксплуатации виброзащит-ные системы (ВС) могут находиться в условиях воздействия высоких и низких температур (от 4 до 398К), вакуума, радиации, интегрального солнечного излучения, агрессивных сред и т. п.

Поэтому цельнометаллические виброизоляторы на основе проволочного материала МР, и особенно высокочастотные виброизоляторы втулочного типа, оказываются наиболее эффективным средством поглощения интенсивных вибрационных и ударных нагрузок.

Как известно, материал МР представляет собой пористую волокнистую структуру, получаемую холодным прессованием проволочных спиралей в окончательные по форме и размерам детали. В качестве исходного материала для изготовления МР применяется металлическая проволока различных марок и диаметров, определяемых условиями работы детали из МР: температурным режимом, наличием агрессивной среды, характером приложения нагрузки.

Технологические процессы изготовления изделий из материала МР [1] основаны на навивании, дозировании и растягивании спирали до шага, равного диаметру спирали, формировании спирали в заготовку, которая помещается в пресс-форму и подвергается прессованию по форме готового изделия. Такая технология является наиболее общей для производства упругодемпфирующих элементов (УДЭ) различных типов. Так, например, изготовление УДЭ в виде цилиндров, втулок, кубиков, шайб, мембран и т. п. включает в себя следующие основные операции.

Растянутые с шагом tu отрезки спиралей диаметром ёи, свитых из проволоки диаметром 5и, определенным образом укладывают в коврик (рис. 1) равномерными

слоями, а затем складывают в ленту по линиям а-а, б-б (рис. 2) с нахлёстом, равным

0,25 от ширины ленты, соответствующей потребной высоте заготовки Нз. Как показывает опыт СГАУ, такой нахлёст обеспечивает равномерное распределение массива спиралей в ленте, устраняя ее неравномерность за счет сбега спиралей при их укладке на границах коврика. Таким образом, ширина коврика будет составлять 2,5Нз (см. рис. 1) при длине коврика и ленты Ьз. Ширина ленты будет равна высоте заготовки Нз.

*

Изготовленная деталь с плотностью рз

является предзаготовкой УДЭ, которую можно перемещать в технологическом пространстве для реализации последующих операций или складировать без изменения формы и размеров.

Рис. 1. Схема укладки спирали в коврик

«0,5 Яз и

т ш 33

* м і к ^ т

формы. Так, для обеспечения стабильности процесса прессования (рис. 5) наружный диаметр заготовки втулки Пнз изготавливают обычно на (2-3)% больше внутреннего диаметра гильзы пресс-формы Vн, а внутренний диаметр заготовки втулки Пвз (диаметр технологического стержня) на (2-3)% меньше внешнего диаметра иглы V пресс-формы или равным ему.

На заключительном этапе производства заготовку УДЭ, размещенную в пресс-форме, подвергают давлению прессования оп, получая при этом прессовку высотой Н и плотностью рк (рис. 5), после чего снижают давление прессования до нуля и извлекают прессовку УДЭ из пресс-формы, получая в результате готовое изделие высотой Нс и плотностью рс.

і і

г

Рис. 3. Процесс скатывания ленты в рулон

Рис. 2. Схема формирования ленты из коврика

На следующем этапе производства УДЭ получают его заготовку с плотностью рз путем скатывания предзаготовки - ленты в рулон (рис. 3) на технологическом стержне с диаметром, близким к диаметру внутреннего отверстия в УДЭ. При этом осуществляется подпрессовка ленты от толщины И* до

необходимого размера Из (см. рис. 2), обеспечивающего заданный наружный диаметр рулона Бр. При необходимости рулон дополнительно опрессовывают обкатыванием до наружного диаметра заготовки Бнз (см. рис.

3). Изготовленная таким образом заготовка может быть размещена в пресс-форме (рис.

4) при регламентируемых технологией незначительных изменениях ее размеров и

Рис. 4. Размещение заготовки в пресс-форме

В *

мых важных задач при создании методов проектирования наиболее рациональных конструкций УДЭ и технологического процесса их изготовления.

В частности, как показано в работе [2], зависимости для определения величин плотностей предзаготовки, заготовки УДЭ, прессовки, готовой втулки, можно записать в виде:

Рз =

М„

Із Н К'Р з л(В - Б2 )н,'

4 М„

Рс =

4 М„

Рис. 5. Процесс прессования втулочного УДЭ:

1 - прессовка; 2 - готовый УДЭ

Свойства готовых втулочных УДЭ во многом определяются параметрами заготовок УДЭ (плотностями, высотами заготовок, их внутренними и внешними диаметрами, упругими свойствами проволок и т. п.), а также параметрами процессов прессования, связывающих давление прессования с высотами прессовок. От соотношения указанных параметров зависят упругое последействие прессовок, характеризующее упругие возможности материала МР, неравномерность распределения плотности материала по объему УДЭ и его прочностные свойства, которые определяют ресурс втулочных виброизоляторов в целом.

Выявление функциональных связей конструктивно-технологических параметров между собой на различных этапах изготовления изделий из МР является одной из са-

р(Ц - Ц)Нс р’ нС Р нс • (1)

где длина ленты Із определяется выражениями [2]

4, = 0,5я(Ц + Ц)

2,22 л— + 0,5 Рв

или Із @ (6-8) (Вн - Вв),

(2)

где Рв =

4А

плотность витка спирали;

А ^и й

аи = — - относительный диаметр спирали.

5и

В первом случае более детально учитываются геометрические характеристики спирали и УДЭ, а также плотность заготовки УДЭ Рз, являющейся одним из главных параметров процесса изготовления изделий из МР.

В настоящей работе освещаются неко -торые вопросы проектирования виброизоляторов втулочного типа ВВ и ВП (рис. 6).

а б в г

Рис. 6. Конструкции втулочных виброизоляторов типа ВВ, ВП: виброизоляторы первого (а), второго (б) и третьего (в) поколений и схема монтажа виброизолятора третьего поколения с развитым- крепёжным- фланцем- (г)

Основным документом при создании виброизоляторов служит техническое задание (ТЗ). Его содержание регламентируется существующей нормативно-технической документацией и охватывает комплекс технических требований, предъявляемых как к техническим характеристикам систем виброзащиты, так и к их виброизоляторам. Формирование основополагающих требований к механическим характеристикам разрабатываемой конструкции виброизолятора, как правило, осуществляется на основе теоретического анализа всех требований и ограничений, приведенных в ТЗ [3].

В процессе проектирования высокочастотных виброизоляторов втулочного типа главная роль обычно отводится выполнению требований ТЗ по вибрационным нагрузкам, с помощью которых определяются потребные упругогистерезисных характеристик (УГХ). Выполнение же других требований ТЗ, в том числе и по ударным нагрузкам, осуществляется на основе принятия компромиссных решений.

При выборе требуемых УГХ проектируемых виброизоляторов широко применяются обобщенные динамические характеристики для резонансных режимов колебаний (ОДХр). В работе предлагается метод расчета потребных УГХ создаваемых низкочастотных виброизоляторов, основанный на:

- получении расчетных данных по ОДХр для различных типоразмеров виброизоляторов в виде зависимостей коэффициента передачи /лр = ф1 (&) и безразмерной резонансной частоты vр = ф2 (&) от безразмерной амплитуды возбуждения ^0 (рис. 7);

- аппроксимации ОДХр в рекомендуемой рабочей зоне полиномами, дробно рациональными функциями или другими удобными для аппроксимации функциями;

- установлении расчётных рабочих зон безразмерных возбуждающих нагрузок {од; ^0,2} в зависимости от существующих ограничений по интенсивности резонансных колебаний;

- выборе наиболее рациональной рабочей зоны виброизолятора исходя из сопоставления коэффициентов запаса расчётных рабочих зон с рекомендуемыми;

- определении требуемых значений коэффициентов подобных преобразований Т„, а„ для УГХ проектируемого виброизолятора

по заданным значениям коэффициентов передачи тр, резонансных частот /р с учетом других ограничений, заданных в ТЗ, и результатов работы [4].

- выбор рациональных конструктивнотехнологических параметров 2Р "ре [1.. .12] с помощью имеющихся зависимостей Тп =

фт С^р) и ап фа(%р) [5].

На рис. 7 для виброизоляторов втулочного типа из материала МР приведены результаты расчетов ОДХр и различных вариантов их аппроксимации при кинематическом способе возбуждения ВС массой М с постоянной амплитудой виброперемещения ас. Заметим, что аналогичным образом можно получить зависимости и для кинематического способа возбуждения с постоянными амплитудами виброускорения, виброскорости, и более сложных законов изменения возбуждающей нагрузки от частоты, в том числе и для ШСВ [3].

М-р

4.0

3.0

2.0 1,0

\ ✓/тч •

V 1 3 V У /у 2

• \/ ✓ \ ✓ >■ . >екоме ндуе мая V

рабоч ая зо на \\ Ц «

\\\\ Л

0,2

0,4

V,

3,0

2,5

2,0

1,5

1,0

0,6

20,

Рис. 7. ОДХр втулочных виброизоляторов:

• - расчетные значения; 1,2 - соответственно, ап-

2

проксимация тр и V р полиномами второй степени; 3, 4 - соответственно аппроксимация цр полиномами первой степени и П2р - дробно-рациональной функцией

Аппроксимируя расчетные данные для втулочных виброизоляторов-прототипов

(см. рис. 7) полиномами второй степени, получим

тр = 2,74 + 3,3(Х0 - 0,18)2;

Vр = 1,37 + 4,8(Х0 - 0,78)2. (3)

0

Учитывая подобие по УГХ проектируемых типоразмеров виброизоляторов, а

а. 2 4р2 /рЫап

также, что Х0 =

а

где

Тп и ап - коэффициенты подобных преобразований проектируемых виброизоляторов, /р [Гц] - заданная в ТЗ резонансная частота ВС, запишем

а

а

0,18 +

тр - 2,74

3,3

4ргЇІМап

(4)

1,37 +1,73

1

т р

■2,74

1,19

В процессе дальнейшего проектирования необходимо согласовать конструкторские размеры УДЭ и потребные коэффициенты подобных преобразований УГХ

виброизоляторов Тп, ап с технологическими параметрами материала МР в УДЭ.

В настоящее время методом обобщённых переменных установлены функциональные связи коэффициентов Тп(гр) и ап (гр) с конструктивно - технологическими параметрами zpе [1,12] УДЭ и материала МР [5] в виброизоляторах типа ВВ (ВП) (см. рис. 6).

ап = КСТиНс(1,1 + 0,2До -0,9А2):

(5)

(6)

х(0,64-Рс)(0,2-Рз )(20 + йя);

Тп = к ти 5 (0,8 - 2,3А 0 + 3,4А 02) х

х(Рс - 0,03)(рз + 0,02)(23 - йи),

где к1 и к2 - согласующие постоянные, зависящие от способа изготовления заготовок УДЭ. Для виброизоляторов типа ВВ К1 = 2,02; К2 = 17,6-10'5. Для виброизоляторов типа ВП К1 = 2,52; К2 = 13,3-10'5 при условии выбора в формулах (5) и (6) средних значений величин рз = 0,0625; йи = 10; ати = 0,006 и только рс = уаг.

Причем

с

Б,

_ _ рс _ рз - ^и

= с ти; рс ==ч рз =^

• Д =До

’ 0 у

Ри Ри ®и

При этом рациональные изменения безразмерных технологических параметров в фор-

мулах (5) и (6) и их средние значения составляют

А0 = (0,6.0,4) =0,5; рс = (0,1.0,4) = 0,15; р3 = (0,03.0,09) = 0,0625;

1и = (5.15) = 10;

стти = (0,0065.0,0055) = 0,006.

Одним из важных вопросов является обеспечение технологической стабильности изготавливаемых виброизоляторов и их испытаний. Перепишем формулы (3) в виде

т р = 2,74 + 3,3( ^ - 0,18)2, а

(7)

а

1,37 + 4,8(^ - 0,78)

а

(8)

Г2 =

р 4р2апМ

Воспользовавшись известным подходом (см., например, [6]) к оценке разброса значений тр и/р как некоторых случайных величин, получим:

Дт р = 6,6Дап (^ - 0,18)

ап ап

і

1+£

2 ’

ас

/ =)/(/ )2+/ )2 +/ )2 +(Д/р2,4 )2 >

где

Д/р21 =

Д/р22 =

ДТ

а

4р апМ

ДМТ

4р аМ

ДапТп

1,37 + 4,8(— - 0,78)" а

1,37 + 4,8( ^ - 0,78)2 а

Д/р3 = 2 2

р 4р2а 2М

1,37 + 4,8( ^ - 0,78)2 +

а,„

ап ап

. „о 2,4Аа Т .а _ _2

аС. = ’2 ,/' (—- 0,78)2.

’ а М а

п п

Здесь Аап, АТ„, ДМ, Дас - малые отклонения величин ап, Тп, М, ас соответственно. Поступая аналогичным образом, можно определить с помощью формул (1), (2), (5), (6) соответствующие отклонения величин ДТп и Аап в зависимости от существующих или назначаемых допусков на параметры, входящие в вышеуказанные формулы. Полу-

ченные таким образом зависимости являются эффективным средством анализа чувствительности технологических процессов изготовления и испытаний виброизоляторов к отклонениям их параметров. Это позволяет обоснованно назначить допуски на значения величин соответствующих параметров ас, М, Нс, рз, рс, йи, ди и др. в зависимости от требований, предъявляемых к качеству выпускаемой продукции.

Библиографический список

1. Тройников, А.А. Вопросы технологии изготовления упруго-демпфирующих элементов из материала МР [Текст] / А. А. Тройников, А.Д. Пичугин // Вибрационная прочность и надёжность двигателей и систем летательных аппаратов: сб. науч. тр. Вып. 8. - Куйбышев: КуАИ, 1981. - С. 101-112.

2. Лазуткин, Г.В. Формирование изделий из упругодемпфирующего материала МР для агрегатов и систем транспортной техники [Текст] / Г.В. Лазуткин // Вестник транспорта Поволжья - 2010. - №4(24). - С. 82-90.

3. Лазуткин, Г.В. Динамика виброзащит-ных систем с конструкционным демпфированием и разработка виброизоляторов из проволочного материала МР [Текст] / Г.В. Лазуткин. - Самара: СамГУПС. - 2010. -291 с.

4. Тройников, А. А. К вопросу об упруго-демпфирующих свойствах материала МР [Текст] / А.А. Тройников, В.Н. Трубин, Г.В. Лазуткин // Вибрационная прочность и надёжность двигателей и систем летательных аппаратов: сб. науч. тр. Вып. 2. - Куйбышев: КуАИ, 1975. - С. 60-65.

5. Бузицкий, В.Н. Расчёт втулочных амортизаторов из материала МР, работающего на сжатие [Текст] / В.Н. Бузицкий, А. А. Тройников // Вибрационная прочность и надёжность двигателей и систем летательных аппаратов: сб. науч. тр. Вып. 3. - Куйбышев: КуАИ, 1976. - С. 15-21.

6. Фролов, Г.Н. Точность изготовления упругих элементов приборов [Текст] / Г.Н. Фролов. - М.: Машиностроение, 1966. - 176 с.

SOME QUESTIONS OF DESIGNING AND MANUFACTURE OF WIRE MATERIAL HUB DAMPFERS

©2011 G. V. Lazutkin1, F. V. Parovay2, A. A. Troynikov2

1 Samara State University of Transport 2Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov

(National Research University)

The basic questions of manufacture of hubs from MR are considered. The method of calculation dynamic and necessary elastic-hysteresis characteristics of hub dampfers is offered. The basic approaches to an estimation of technological stability of manufacture processes and dampfer tests are generated.

MR material, wire coil, billet, elastic dampfer element, dampfer, elastic-hysteresis, generalized dynamic characteristics at resonance, technological stability.

Информация об авторах

Лазуткин Геннадий Васильевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Инженерная графика», Самарский государственный университет путей сообщения. Тел.: 8-927604-56-70. E-mail: [email protected]. Область научных интересов: механика.

Паровай Фёдор Васильевич, кандидат технических наук, доцент кафедры конструкции и проектирования двигателей летательных аппаратов, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет). Тел.: (846) 334-43-23. E-mail: [email protected]. Область научных интересов: конструирование и производство виброизоляторов из материала МР.

Тройников Александр Александрович, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник отраслевой лаборатории «Вибрационная прочность и надёжность авиационных изделий», Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика

289

С. П. Королёва (национальный исследовательский университет). Тел.: (846) 267-46-84. E-mail: [email protected]. Область научных интересов: конструирование виброизоляторов из материала МР, характеристики материала МР.

Lazutkin Gennadiy Vasilievich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of Samara State University of Transport. Phone: 8-927-604-56-70. E-mail: [email protected]. Area of research: Mechanics.

Parovay Fedor Vasilievich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov (National Research University). Phone: (846) 334-43-23. E-mail: [email protected]. Area of Research: designing and manufacture of dampfers from MR material.

Troynikov Alexander Alexandrovich, Candidate of Technical Sciences, Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov (National Research University). Phone: (846) 334-43-23. E-mail: [email protected]. Area of Research: designing and manufacture of dampfers from MR material, characteristics of MR material.