CC BY
57
МЕХАНИКА, МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 629 7 018 4 м ю СЕРГАЕВА
В. Г. ЦЫСС
Омский государственный технический университет
ОБОСНОВАНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ВИБРОИЗОЛЯТОРОВ СИСТЕМ ВИБРОЗАЩИТЫ АВИАЦИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ_
Рассмотрена задача обоснования работоспособности перспективных резинометалли-ческих виброизоляторов повышенной виброизолирующей эффективности и противоударной защиты авиационного оборудования. Применение предложенной методики позволяет существенно сократить материальные затраты при назначении требуемого срока эксплуатации и ресурса исследуемых конструкций.
Создание эффективных средств защиты бортового оборудования летательных аппаратов от ударов и вибрации является одной из важнейших проблем авиационной техники. Установлено, что наиболее эффективным методом защиты авиационного оборудования летательных аппаратов является применение виброизоляции, под которой понимается способность тех или иных конструктивных элементов препятствовать передаче колебаний от источника на защищаемый от вибрации объект. Основным элементом системы виброизоляции является виброизолятор, который устанавливается между источником нибропозбуждения и защищаемым объектом. В ка-
честве основных находят применение виброизоляторы на основе пружин, резины, резинометаллических, пневматических, гидравлических и других элементов. Очевидно, что безотказность бортового оборудования летательных аппаратов в существенной степени будет зависеть и от эффективной работы виброизоляторов. Растущие требования к надежности и долговечности бортового оборудования летательных аппаратов (включая и системы виброизоляции) обуславливают необходимость выполнения работ по обоснованию и возможному продлению их ресурсных показателей за пределы назначенного ресурса. Пи-вышеиие ресурсных показателей требует подтвсрж-
Рис. 1. Резинометаллический виброизолятор.
дения, которое может быть осуществлено либо фактическим определением непосредственно по результатам эксплуатации, либо путем проведения расчет-но-экспериментальных работ.
Применяемые в настоящее время виброизоляторы позволяют снизить уровень вибрации бортового оборудования до 10-^25 дБ лишь в диапазоне низких и средних частот и являются неэффективными на высоких частотах [ 1). При этом нагрузочная характеристика (зависимость «нагрузка-перемещение») таких виброизоляторов является линейной, что отрицательно сказывается на эффективности их работы. Для расширения эксплуатационных возможностей систем виброизоляции авиационного оборудования в более широком диапазоне частот с одновременным повышением виброизолирующих свойств при действии упругих нагрузок предложен типоряд виброизоляторов, конструктивная схема которых приведена на рис. 1.
Виброизолятор выполнен из конической пружины (1) с фланцем (2) и втулкой (3). Пружина армирована с наружной и внутренней поверхностей резиной (4). Под действием статической нагрузки, воздействующей на втулку, виброизолятор получает перемещение, при котором витки конической пружины вслед-
ствие различного диаметра имеют различную жесткость и поэтому перемещаются по-разному: в первую очередь перемещается нижний виток, затем следующий по высоте и т.д. Вследствие этого свойства конической пружины нагрузочная характеристика виброизолятора является нелинейной, что положительно сказывается на действие ударных нагрузок. Поддействием вибрации или ударных нагрузок сдвиговые деформации армированной резины усиливаются, являясь при этом циклическими, что существенно повышает виброизоляцию, делая ее эффективной в более широком диапазоне частот. В зависимости от величины нагрузки, действующей на виброизоляторы, величина их деформации составляет от 2 до 7 мм, частота собственных колебаний 7 — 12 Гц, что позволяет обеспечить снижение уровня вибрации на 20 -МО дБ в диапазоне частот от 6 до 10000 Гц.
Целью настоящей работы является теоретическое и экспериментальное обоснование работоспособности перспективных резинометаллических виброизоляторов, обладающих повышенной виброизолирующей эффективностью и противоударной защитой авиационного оборудования. Ставится задача подтверждения возможности назначения таким виброизоляторам сроков эксплуатации 10 лет и ресурса 50 тысяч часов, а также возможности продления ресурсных показателей виброизоляторов, выработавших свой ресурс. Алгоритм проведения таких исследований приведен на рис. 2, а методика, обеспечивающая их выполнение, рассмотрена в работах [2, 3].
Теоретические исследования работоспособности виброизоляторов включают:
1. Проведение расчетов ускоренного старения на требуемый (10 лет) срок эксплуатации.
2. Проведение расчетов режимов ресурсных испытаний.
3. Проведение расчетов напряженно-деформированного состояния.
Рис. 2. Алгоритм обоснования требуемого ресурса и продления показателей за пределы назначенного ресурса.
Рис. 3. Конечно-элементная модель расчета виброизолятора.
Рис. 4. Схема деформированной и недеформированной моделей .......недеформированная; —--деформированная.
4. Проведение расчетов ресурса.
Исследовались резинометаллические виброизоляторы (рис.1), которые предварительно были подвергнуты ускоренному старению, имитирующему 10-летний срок эксплуатации [3].
Для расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) виброизолятора использован прикладной пакет программы «^СЯА», реализующий известный численный метод — метод конечных элементов. В связи с тем что конструкция обладает свойством симметрии и приложенные нагрузки симметричны, то в качестве расчетной принята конечно-элементная модель расчета, приведенная на рис. 3, в которой в качестве конечного элемента использован шестигранный элемент первого порядка, имеющий три степени свободы. Внешнее воздействие задавалось в виде перемещений, приложенных в узловых точках.
Результаты расчета НДС виброизолятора представлены в графической и табличной формах. На рис. 4 приведена схема деформирования виброизолятора под нагрузкой.
Анализ проведенных расчетов НДС виброизолятора позволяет определить наиболее нагруженный участок модели, распределения критерия прочности по Мизесу и главных напряжений послойно (наружный слой армирующей резины, металлическая пружина и внутренний слой армирующей резины). На рис. 5 в качестве примера показано распределение критерия прочности наружного слоя армирующей резины виброизолятора.
Для подтверждения возможности назначения требуемого ресурса 50 тысяч часов состаренные виброизоляторы подвергались дополнительно экспериментальным исследованиям, включающим:
1. Ресурсные испытания, позволяющие получить кривую усталости виброизолятора (зависимость амплитуды деформации от числа циклов разрушения).
2. Проверку основных функциональных и рабочих характеристик виброизолятора (нагрузочная характеристика, ударная прочность, статические, вибрационные и ударные жесткости).
В процессе проведения ресурсных испытаний каждая пара виброизоляторов нагружалась на экспериментальном стенде знакопеременной динамической нагрузкой с частотой 0,5-г 1,5 Гц и амплитудами деформации 2,0; 3,5; 5,0 мм. Нагрузкой каждого образца виброизоляторов является статическая деформация, соответствующая величине 5 мм при грузоподъемности 1,2 кН. Общий вид экспериментальной установки приведен на рис.6.
Исследуемый резинометаллический виброизолятор приведен на рис. 7.
В процессе эксплуатации виброизоляторов происходит изменение их нагрузочной характеристики (жесткости), прочности и исходной высоты. В связи с этим критериями отказов виброизоляторов является разрушение резинового массива, приводящее к:
а) выходу нагрузочной характеристики (отклонение от исходной нагрузочной характеристики) за пределы поля допуска;
Рис. 5. Распределение критерия прочности по Мизесу наружного слоя армирующей резины виброизолятора.
Рис. 6. Общий вид экспериментальной установки.
б) уменьшению высоты виброизолятора до 10% от исходной вследствие ползучести резины;
в) уменьшению статической прочности виброизолятора с обеспечением сохранения целостности резинового массива при деформировании на величину предельной динамической деформации 25 мм, исходя из конструктивных особенностей.
Испытания шести виброизоляторов проводились в режиме динамического знакопеременного деформирования в осевом и радиальном направлениях на следующих режимах:
1. При амплитуде деформирования И, = 2,0 мм — виброизоляторы №1,2.
2. При амплитуде деформирования Р.2 = 3,5 мм — виброизоляторы № 3, 4.
3. При амплитуде деформирования Я., = 5,0 мм — виброизоляторы № 5, 6.
До монтажа на экспериментальную установку каждый виброизолятор подвергается испытаниям по определению исходной нагрузочной характеристики, а также замерам его исходной рабочей высоты. Во время испытаний проводился внешний осмотр виброизоляторов и периодически через каждые 150^-200 тысяч циклов проверялась нагрузочная характеристика и высота виброизоляторов. Результаты ресурсных испытаний виброизоляторов приведены в табл. 1.
Изменение просадки исследуемых виброизоляторов вследствие деформации ползучести в зависимости от числа циклов нагружения показано на рис. 8.
На рис. 9 в качестве примера приведена графическая зависимость изменения нагрузочной характеристики пиброизолятора N° 6 от количества циклов
Рис. 7. Исследуемый резинометаллический виброизолятор.
деформирования в момент отказа. Испытания по определению ударной прочности виброизоляторов в осевом направлении проводились на специальном стенде на двух образцах. Пятикратное ударное деформирование образцов виброизоляторов проводилось с начальной скоростью деформирования 3 м/с на величину предельной динамической деформации, равной 25 мм. В процессе проведения испытаний контролировались следующие параметры:
1) начальная скорость деформирования;
2) деформация виброизолятора;
3) внешний вид и состояние виброизолятора.
Проведенные испытания показали, что виброизоляторы после пятикратного ударного нагружения не имели следов повреждений и полностью сохранили свою работоспособность.
Таким образом, выполненные теоретические и экспериментальные исследования перспективных
Таблица 1
Результаты ресурсных испытаний
Номер образца виброизолятора 1,2 3,4 5,6
Амплитуда деформирования, мм 2,0 3,5 5,0
Разрушающее число циклов X 10' 2,054 1,702 0,672
Просадка, мм
1,5
1,0 / 2 / У / ' /
0,5 3 \ / / / У у У У у' У У У У 1
у у' /
О 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 Число циклов, • 106
Рис. 8. Изменение просадки виброизоляторов в зависимости отчисла циклов нагружения: 1 - виброизоляторы № 1,2; 2 - виброизоляторы №3,4; 3 - виброизоляторы №5, б.
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Деформация, мм
Рис. 9. Изменение нагрузочной характеристики виброизолятора №6 от количества циклов деформирования в момент отказа: 1 - исходная нагрузочная характеристика; 2- характеристика в момент отказа; 3 - поле допуска на характеристику.
Нагрузка, кН
резинометаллических виброизоляторов повышенной виброизолирующей эффективности и противоударной защиты авиационного оборудования позволили обосновать установление исследуемым виброизоляторам срока эксплуатации 10 лет и ресурса 50 тысяч часов. Применение предложенной методики позволяет с наименьшими материальными затратами обоснованно назначать требуемый ресурс и срок эксплуатации исследуемых конструкций виброизоляторов систем виброзащиты летательных аппаратов.
Библиографический список
1. Потураев В.Н., Дырда В.И., Круш И.И. Прикладная механика резины-Киев: Наукова думка, 1980.- 192с.
2. ЦыссВ.Г., СергаеваМ.Ю.Методика продления показателей ресурса находящихся в эксплуатации корабельных амортизиру-
ющих конструкций // Материалы науч.-тех. конф. «Развитие оборонно-промышленного комплекса на современном этапе».- Омск: ОмГУ,2003.-С.66-67.
3. СергаеваМ.Ю., Цысс В.Г. Методология обеспечения работ по подтверждению требуемого ресурса и гарантийного срока эксплуатация виброизоляторов систем виброзащиты оборудования / Омский научный вестник. — Омск, 2004, С. 106-109.
СЕРГАЕВА Марина Юрьевна, старший преподаватель кафедры стандартизации и сертификации, аспирант.
ЦЫСС Валерий Георгиевич, доктор технических наук, профессор кафедры стандартизации и сертификации.
