Пневмоизолятор с инерционным преобразователем движения Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

13. BS 25999—1:2006. Управление непрерывностью бизнеса. Ч. 1. Практические правила. — М. : Стандартинформ, 2007. - 34 с.

14. BS 25999-2:2007. Управление непрерывностью бизнеса. Ч. 2. Спецификация управления непрерывностью бизнеса. — М. : Стандартинформ, 2011. — 34 с.

15. ГОСТ ISO 9000 — 2011. Системы менеджмента качества. Основные положения и словарь. — Введ. 2013 — 01 — 01. — М. : Стандартинформ, 2012. — 32 с.

16. ГОСТ ISO 9001 — 2011. Системы менеджмента качества. Требования. — Введ. 2013—01—01. — М. : Стандартинформ, 2012. — 36 с.

17. ГОСТ Р ИСО 9004-2010. Менеджмент для достижения устойчивого успеха организации. Подход на основе менеджмента качеств. — Введ. 2010 — 11—23. — М. : Стандартинформ, 2011. — 46 с.

сударственного университета путей сообщения (ОмГУПС), действительный член Международной академии авторов научных открытий и изобретений и Академии проблем качества, почетный работник высшего профессионального образования. АХТУЛОВА Людмила Николаевна, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Экономика транспорта, логистика и управление качеством» ОмГУПС.

БУЛАХОВА Наталья Витальевна, аспирантка кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство» ОмГУПС. БУЛАХОВА Юлия Витальевна, аспирантка кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство» ОмГУПС. БУЛАХОВ Виталий Анатольевич, заместитель директора ООО «Infi Net Wireless», г. Екатеринбург. Адрес для переписки: [email protected]

АХТУЛОВ Алексей Леонидович, доктор техниче- Статья поступила в редакцию 14.09.2015 г.

ских наук, профессор (Россия), профессор кафе- © а. Л. Ахтулов, Л. Н. Ахтулова, Н. В. Булахова, дры «Вагоны и вагонное хозяйство» Омского го- ю. В. Булахова, В. А. Булахов

УДК 621.752.3 Ю. А. БУРЬЯН

С. Н. ПОЛЯКОВ М. В. СИЛКОВ Д. О. БАБИЧЕВ

Омский государственный технический университет Научно-производственное предприятие «Прогресс», г. Омск

ПНЕВМОИЗОЛЯТОР С ИНЕРЦИОННЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ДВИЖЕНИЯ

В статье рассмотрены принцип построения и математическая модель низкочастотной виброизоляционной опоры, состоящей из инерционного преобразователя движения на базе резинокордной оболочки, заполненной жидкостью, и гидропневматического аккумулятора. В работе показано, что согласованием характеристик гидропневматического аккумулятора и гидравлического инерционного преобразователя движения можно получить высокоэффективные низкочастотные виброизоляторы для вывешивания силовых агрегатов в различных отраслях промышленности.

Ключевые слова: виброизоляция, резинокордная оболочка, амортизатор, преобразователь движения, гидропневматический аккумулятор.

В работе рассмотрены принцип построения и математическая модель низкочастотной виброизоляционной опоры, состоящей из гидропневмоаккуму-лятора и гидравлического инерционного преобразователя движения на базе резинокордной оболочки (РКО), заполненной жидкостью.

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. В этом случае имеется возможность варьирования в широких пределах характеристиками инерционных трубок вследствие достаточно большого объёма РКО с жидкостью, и при этом сохраняются достоинства освоенных

Рис. 1. Принципиальные схемы пневмовиброизолятора: 1 — РКО Н-48; 2 — блок инерционных трубок; 3 — диафрагма; 6 — РКО И-09; 4 — гидропневматический аккумулятор; 5 — основание; Р0 — давление в гидропневматическом аккумуляторе; F(t) — сила, действующая со стороны виброактивного агрегата

промышленностью, надёжных и долговечных РКО. 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. Благо-нравова [1, 2].

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

Принципиальные схемы пневмовиброизолятора с ГИТ на базе РКО модели Н-48, И-09 и гидропнев-моаккумулятором приведены на рис. 1.

Необходимо отметить, что пневмовиброизолято-ры с ГИТ могут быть организованы и на базе других РКО.

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 инерционных 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 отношению к основанию, и для создания силы упругости и силы, компенсирующей массу 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 [3]

T = m--h m„

2 к

V

(1)

где х — скорость перемещения массы тд; т — масса жидкости в полостях опоры; шк — масса жидкости в инерционной трубке;

Ут — скорость жидкости в трубке.

А

Учитывая, что V = х--, где А — площадь

^тр

поршня, Бтр — суммарная площадь сечения инерционных трубок, инерционная составляющая будет иметь вид:

d (dT

dt Ы 1 = ^ • Х

(2)

А2

гДе тпр =

+ m.

Демпфирование в опоре из-за движения жидкости в ГИТ в первом приближении при условии ламинарного движения можно оценить по коэффициенту проводимости инерционной трубки [5]

nd

тр 128|i

(3)

где ц — динамическая вязкость жидкости (Па-с); йтр, I — диаметр и длина трубки. Из условия равенства расходов имеем:

^прЛр = £Тр*др,

где Ар — перепад давления из-за сопротивле-

А .

ния Г в дросселе; х№ = —— х, а если учесть,

2

2

что Ар =-

A

то получим:

F = b х

1 сопр ьпрх,

(4)

онную, связанную с ГИТ. Принципиальная схема раздельного представления упругой и инерционной составляющей показана на рис. 2.

При сделанных выше допущениях для динамических расчётов можно принять, что

Л2

где Ьпр =— ж-8-ц-е.

^ тр

При колебаниях массы т0 около положения статического равновесия можно записать:

щх = F(t) - А(х) • Pi,

где А(х) — эквивалентная площадь РКО;

Р — давление жидкости в РКО.

Полагая, что давление жидкости в РКО в основном определяется давлением в газовой полости, инерционным воздействием от т и сопротивлением в дросселе для Р1 можно записать [6]

Pi =(РГС + Ра )

Vro - J A(x)dx

- p + ebzjl

A(x) A(x)

• x,

A • P = C • x,

(7)

(5)

(Р + р ). л2

где С! = ^ го а-+ Срко.

го

Дифференциальное уравнение, описывающее поведение опоры при однонаправленном движении в соответствии с (5), (6), (7) будет иметь вид:

т0х = F(|) - Сх - ^х - т^рИ.

Уравнение (8) запишем в виде:

Ц + Щпр + К?* + cix = F (*)

(8)

(9)

Усилие R(t), передаваемое через опору на основание, будет определяться уравнением:

(6)

тпрх + Ьпр Xх + Cx = R{lt)

(10)

где Р — начальное давление в газовой полости;

Ра — атмосферное давление;

V — начальный объём газовой полости;

го

n — показатель политропы.

В первом приближении при малости перемещений при вибрационных нагрузках можно полагать, что А(х) — const и для составления математической модели можно условно разделить упругую составляющую в гидропневмоаккумуляторе и инерци-

Комплексный коэффициент передачи усилия на основание через виброизоляционную опору будет иметь вид:

K н =

Rjico) = Ц - тДрЮ2 ] + Ь^'ю lCi - [то + тдрУ]+ Ь

—. (11)

Вычисляя модуль, в выражении (11) можно записать:

_ I ( - ю2 )2 + 4nt2(

т»

((00! -ю2 )2+ 4n>2 т + т

(12)

с»

V//////W//7.

Рис. 2. Принципиальная схема разделения упругой и инерционной составляющей: Срко — коэффициент жесткости резинокордной составляющей в ГИТ; F(t) — внешняя сила; m0 — масса инерционной нагрузки на виброопору; D и dmp — соответственно диаметр условного поршня и инерционной трубки; С — эквивалентная жесткость гидропневматического аккумулятора; I — длина инерционной трубки; р1 — давление РКО

где обозначено:

C

-C

пр . П — пр

'01 -7J-:-\; ni -

2(m„ + т I 2m

0 пр пр

Переходя к безразмерным координатам по за-

„а п. п„. 2 С висимостям Z = —; V! = —Ц = ——; с»2 =-

ю0 а о ю а т0

и после преобразования выражения (12) запишем

т0

К в зависимости от соотношения п = ——

Z2 - п)2 + 4vfZ2 1

~ ' п +1'

Z2

п+1

(13)

+ 4v2, Z2

Если ввести величину v0

2т0ю0

и выразить Vj

и V через v0, то вместо (13) получим:

K =

(z2 - п)2 + 4v0n2Z2

1

Z2

п+1

+ 4v2

п+1

Z2

п+1

(14)

Из выражения (14) следует, что частота настройки Юнаст опоры определяется равенством Z = л/п или юнаст = ю0л/п . Представляет интерес оценить

-in

0

+

ю2, -

2

01

m0 + тпр

m

пр

m

пр

b

up

2

2

п

п

Таблица 1

Зависимость коэффициента передачи от параметров подвески

п п0 =0,001 По =0,01

Z = л[п Z ^ <*> 2 =4п Z ^ <*>

4 10-3 0,2 10-2 0,2

9 6,6х10-4 0,1 6,6х10-3 0,1

16 5х10-4 0,058 5х10-3 0,06

25 4х10-4 0,038 4х10-3 0,038

0.04

0,02

и = 9

1/

16

К

и-25

—1—1- —

1 2 3 4 5

Рис. 3. Графики зависимости К (Z)

эффективность виброизоляции (величина Ки) в точке настройки, при Z ^ ~ и от величины у0.

Результаты расчётов К представлены в табл. 1.

На рис. 3 показана зависимость коэффициента передачи Ки от Z при различных величинах п и при коэффициенте демпфирования v0 = 0,01.

Анализ (табл. 1) показывает, что при интегральной оценке эффективности виброизоляции виброопоры с ГИТ оптимальное значение п лежит в пределах 4 — 25, т.к. при меньших п возрастает ошибка при больших частотах (^ ^ а при больших п влияние дополнительной инерционной нагрузки от ГИТ уменьшается и характеристики опоры приближаются к обычным упругим элементам, кроме того, при больших п частота точной настройки удаляется от /0.

Например, если в качестве РКО с жидкостью использована оболочка И-09, то при давлении газовой полости 1 атм., диаметре и высоте гидропневматического аккумулятора соответственно 0,1 м и 0,05 м при 8эф = 5*10-3 м2 нагрузочная способность составит 50 кгс. При параметрах инерционных трубок йшр = 0,01 м, I = 0,05 м приведённая масса составит 16 кг. Жёсткость опоры будет иметь величину С1 = = 0,9104 Н/м.

Полагая т0 = 70 кг, частота собственных колебаний опоры 10 = 1,8 Гц, а величина У0 » 0,001.

Частота настройки такой опоры равна (п = 2,09) I = 3,76 Гц, на которой величина коэффициента передачи усилия на основание Ки =10-3.

Необходимо отметить, что при проектировании рассматриваемой опоры путём варьирования параметрами инерционных трубок и гидропневмоакку-мулятора можно в достаточно широких пределах изменять величину «п», а следовательно, и частоту настройки I.

Таким образом, проведённое в работе предварительное исследование виброизоляционной опоры, состоящей из гидравлического инерционного преобразователя движения на базе РКО, заполненного жидкостью, и гидропневмоаккумулятора, показало, что с использованием серийно выпускаемых РКО возможно проектировать и изготавливать высокоэффективные низкочастотные виброизоляторы, обладающие свойством настройки на частоту с минимальным (~ 10-3) значением коэффициента передачи усилия на основание для вывешивания силовых агрегатов в различных отраслях промышленности и судостроения.

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

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

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

ПОЛЯКОВ Сергей Николаевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), научный сотрудник Научно-производственного предприятия «Прогресс» (НПП «Прогресс»).

СИЛКОВ Михаил Владимирович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Основы теории механики и автоматического управления» ОмГТУ.

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

Статья поступила в редакцию 16.09.2015 г. © Ю. А. Бурьян, С. Н. Поляков, М. В. Силков, Д. О. Бабичев