CC BY
80
© И. Г. Резников, В.Е. Клыков, С.А. Соловьев, 2003
УАК 622.232: 621.888.6
И.Г. Резников, В.Е. Клыков, С.А. Соловьев
НИЗКОЧАСТОТНЫЕ ВИБРОИЗОЛЯТОРЫ АЛЯ ТЯЖЕЛЫХ МАШИН
Вибрационные и ударные машины, широко используемые в горнорудной, строительной промышленности, на заводах тяжелого машиностроения имеют большие, исчисляемые десятками и сотнями тонн, подрессоренные массы. Для снижения их виброактивности необходимы виброизоляторы высокой энергоемкости, несущей способности, обеспечивающие системам низкие (до 5 Гц) собственные частоты и быстрый темп затухания. Дополнительно требуются: определенная долговечность, приемлемые габариты и стоимость. Большое разнообразие конструктивных исполнений виброопор свидетельствует о том, что необходимое сочетание полезных свойств не найдено. По этой же причине предлагаются усложненные схемы виброзащиты подобных машин [1]. Но и в этом случае требуются виброопоры определенного класса. Примеры известных конструкций представлены в табл. 1.
Анализ табл. 1 показывает, что большинство виброизоляторов с резиновыми упругими элементами формируют относительно высокие собственные
Таблица 1
ВИБРОИЗОЛЯТОРЫ ВЫСОКОЙ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ
Наименование Параметры Источ- ник
Несущая способность, кН Собственная частота, Гц Температурный интервал работоспособности, °С
ОВ 1-50 18-30 0...+45 [2]
КВ 3-60 10-30 0...+40 [2]
АДП 4,9-91,6 22-23 -5.+70 [3]
АДПН 4,9-14,2 20-26 -5.+70 [3]
А 2,45-19,6 6-8 -5.+70 [3]
ДК до 16 11-12 -50.+250 [4]
АПСП 0,06-8 6-12 -50.+50 [5]
Пружинные 45,1-188 1,33-1,54 -50.+70 [5]
Тарельчатые 92 2,28-2,31 -50.+70 [5]
И-01 1,96-11,7 4-8 -5.+40 [6]
Таблица 2.
ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПОРЫ ГРОХОТА
Наименование параметра Внешний СКВ-2П Внутренний СКВ-2П
Диаметр каната, мм 16,5 16,5
Число упругих элементов, шт 14 10
Радиус окружности заделок упругих элементов, мм 200 145
Максимальная нагрузка на СКВ-2П, кН 7,3 5,3
Статическая нагрузка, кН 5,2 3,9
Начальная высота СКВ-2П, мм 350 350
Высота СКВ-2П под номинальной нагрузкой, мм 280 280
Амплитуды вибросмещения, мм 1,5 1,5
Долговечность СКВ-2П, циклов 5 -107 7 0 5
частоты. К ним относятся и виброизоляторы, выполненные из материала МР (металлическая резина). Резиновые упругие элементы имеют также ограниченный температурный диапазон.
Пружинные опоры обеспечивают достаточно низкие собственные частоты системы, но, не обладая внутренним поглощением, требуют установки дополнительных демпферов различных типов, что в совокупности лишает пружину отмеченного преимущества. К тому же, часто возникает проблема устойчивости.
Пневмобаллонные (как и гидравлические) виброизоляторы имеют нелинейную упругую характеристику. Их несущая способность зависит от величины внутреннего давления, создаваемого внешним источниками питания, что позволяет использовать эти элементы в активных системах виброизоляции.
Применительно к пассивным средствам виброзащиты определенный интерес могут представить конструкции канатных виброизоляторов [7]. Совмещение стальным канатом упругих и диссипативных свойств, сочетание которых управляемо выбором типа каната и геометрическими параметрами элементов, предопределяет его применение в конструкциях виброизоляторов.
В горном машиностроении канатные виброизоляторы используются эпизодически, но весьма эффективно. Толкатели вагонеток, путевые стопоры, подвески кабин в стволопроходческих комплексах, виброзащитные салазки бурильных машин, подвесы кресел - вот далеко не полный их перечень. Накопленный опыт позволил сконструировать виброизоляторы для машин тяжелого класса. На рис. 1а представлен конструктивный вид виброопоры для грохота ГИЛ-52У.
Каждая из четырех опор состоит из двух двухкаскадных соосно расположенных стержневых канатных виброизоляторов с преобразованием движения (СКВ-2П), которые имеют следующие характеристики (табл. 2).
Параметры СКВ-2П выбирались из условия, чтобы вертикальная жесткость с? могла обеспечить собственную частоту колебаний т0‘^2.,5 Гц и удовлетворить условию
ао/
/ а тота
час-
= 0,25 , где а возмущения [6]. По-
Таблица 3.
ЧИСЛЕННЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ (1).
П2 с, сгр Ь Ьгр И к 1х
Кг кг И/м И/м кг/с кг/с м шт кг м2
386880 139000 2,36 106 1,039 109 9,247 105 4,812 107 0,34 5 0.73 106
Таблица 4
ПАРАМЕТРЫ ОБЩЕЙ ВИБРАЦИИ М/С2 НА РАБОЧЕМ МЕСТЕ ШТАМПОВОЧНОГО МОЛОТА (КАТЕГОРИИ 3А)
Условия измерений Среднегеометрические частоты октавных полос, Гц
2 4 8 16 31,5 63
Рабочее место у молота, установленного на виброизоляторах 0,04 0,007 0,024 0,055 0,029 0,4
Рабочее место у молота, установленного на древесную подушку 0,05 0,014 0,058 0,258 1,4 1,67
Допустимые нормы вибрации по ускорению 0,14 0,1 0,11 0,2 0,4 0,8
скольку жесткость СКВ-2П нелинейна, то она определялась в окрестности точки, соответствующей величине статической нагрузки на опору (рис. 1б). Параметры, приведенные в табл. 2 полностью соответствуют сформулированным требованиям. Проблема дальнейшего повышения несущей способности виброизолятора решалась в комбинации: цилиндрическая пружина - СКВ-2П рис. 2. Она возникла при создании системы виброзащиты паровоздушного штамповочного молота 17КП, взамен существующей, состоящей из комплекта цилиндрических пружин (60 шт) и рессор (28 шт). Конструктивное разделение упругих и упруго-диссипативных элементов затруднило расположение центра жесткости на оси, проходящей через центр тяжести системы. Нарушение симметрии привело к разным амплитудам колебаний молота, зарегистрированным с левой и правой сторон шабота (рис. 3), причем независимо от величины внецентренного расположения поковки (влево - 60 мм, вправо - 150 мм).
В качестве первичных преобразователей при измерении перемещений использовались датчики ЛХ-705 с пределом измерений 60 мм, сигнал с которых подавался на крейтовую систему ЬТС и затем на компьютер с частотой дискретизации 2048 Гц.
Симметричное относительно оси виброизолятора распределение упруго-демпфирующих свойств (рис. 2) позволяет и всю систему виброзащиты распределить так, чтобы ее центр жесткости размещался на
прямой, проходящей через центр тяжести. Если принять во внимание, что и центр ударной нагрузки находится на одной вертикали с центром тяжести, то можно записать дифференциальные уравнения движения механической системы, состоящей из молота и фундамента, в виде:
т. і + Ь і + с і - 2(г - і )Е с = 0,
11 гр 1 гр 1 V с 1 / / ^ і і
т
гс +2 гс Е Ь +2( г- г 1) Е с = 62
(1)
/ ф + 2фЕьіК + 2фЕсК = О",
і =1 і =1
где ГП] - масса фундамента; т2 - масса молота; 1Х -момент инерции молота относительно горизонтальной оси X, проходящей через центр масс молота; с,Ь
- коэффициенты жесткости и демпфирования одного виброизолятора; с і = с л,- , Ь- = Ь л, , і = 1, 2,., к л,- количество виброизоляторов в ряду с номером і, к
- число рядов; сгр - коэффициент жесткости грунта под фундаментом; Ьр - коэффициент линейного сопротивления грунта; И - расстояние от вертикальной оси С7, проходящей через центр масс молота до центра ударной нагрузки; гс и - абсолютные вертикальные координаты молота и фундамента, отсчитываемые от соответствующих положений статического равновесия; И - расстояние і - ого ряда виб-
1=1
мм
Рис. 3. Амплитуда колебаний молота: 1 с левой и 2 с правой стороны объекта
21, м 0.0125 0.0100 0.0075 0.0050 0.0025 0
-0.0025 -0.0050 -0.0075
-0 0100 0 0.31 0.63 0.94 1.25 1.56 1.88 2.19 1, с
Рис. 4. Амплитуда колебаний молота, установленного на комбинированных виброизоляторах
роизоляторов от оси С7; ф - обобщенная угловая координата колебаний молота относительно центра тяжести;
2: =
<21 =
п
Е 8іп(— і), при 0 < І <т т
0, прит < і < Т1
п
НЕ sln(— і), т
при 0 < І < т - обобщенные силы
0, при т < / < Т для возмущающей ударной нагрузки; Р - амплитуда ударной нагрузки; т - длительность удара; Т1 - интервал времени между ударами.
Дифференциальные уравнения (1) позволяют осуществить математическое моделирование системы молот-фундамент под действием возмущающих ударных нагрузок при принятых допущениях.
Использование в измерительном комплексе акселерометров ЕИОЕУСО 7290А позволило определить параметры удара: Р = 40.8 • 106 Н, т = 0,0002 с, Т = = 1,25 с. Зная модуль деформации грунта Е и скорость распространения поперечных колебаний в грунте V, определяем сгр и Ьгр , значения с и Ь найдены из эксперимента. График решения уравнений (1) г(Ь) показан на рис. 4.
На основе математического моделирования было установлено, что допустимые колебания молота, достигаются при установке 70-ти виброизоляторов. Таким образом, из условия симметрии было выбрано 72 комбинированных виброизолятора, которые обеспечили амплитуду колебаний молота в пределах А1 = 6 мм, фундамента А2 = 0,21 мм, собственную частоту системы 5,3 Гц, декремент колебаний 0,56 , время затухания колебаний 0,94 с, что удовлетворяет техническим требованиям для системы.
Решение (1) осуществлялось при значениях параметров, приведенных в табл. 3.
Установка виброизоляторов нормализовала вибрационную обстановку на рабочем месте. В табл. 4 приведены значения виброускорений на рабочем месте с установкой виброизоляторов и с опорой шабота на древесную подушку, а также допустимые значения параметров технологической вибрации.
Применение виброизоляции делает рабочее место операторов безопасным по условию вибровозмущения, чего нельзя сказать о шумовой нагрузке. Таким образом, применение низкочастотных виброизоляторов с необходимой величиной демпфирования, позволяет решить как технологические, так и социальные проблемы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Колосов А.Л. Новые технические решения по виброизоляции горных машин. Горный журнал №2, 1999, с.57-59.
2. Ивович В.А., Онищенко В.Я. Защита от вибраций в машиностроении. - М.: Машиностроение, 1990, 272с.
3. Применение резиновых технических изделий в народном хозяйстве. Справочное пособие (Под ред.
Федюкина Д.Л.). - М.: Химия, 1986, 240 с.
4. Справочник конструктора РЭА: Общие принципы конструирования (Под ред. Варламова Р.Г.). - М.: Сов. радио, 1980, 480 с.
5. Изак Г. Д., Гомзиков Э.А. Шум на судах и методы его уменьшения. - М.: Транспорт, 1987, 303 с.
6. Вайсберг Л.А. Проектирование и расчет вибрационных грохотов. - М.: Недра, 1986, 144 с.
7. Горбунов В.Ф., Резников И.Г. Канатные виброизоляторы для защиты операторов горных машин. -Новосибирск: Наука, 1988, 165 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Резников И.Г., Клыков В.Е., Соловьев С.А. - Тульский государственный технический университет.
