CC BY
20Разработка перспективных упруго-демферных опор с высокими упруго-фрикционными характеристиками
Григорьев Даниил Андреевич,
аспирант кафедры «Наземные транспортно-технологические средства», ФГБОУ ВО «Самарский государственный университет путей сообщения» (СамГУпС), danil_g96@mail.ru
Антипов Владимир Александрович,
доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Наземные транспортно-технологические средства», ФГБОУ ВО «Самарский государственный университет путей сообщения» (СамГУПС), foter3044@gmail.com
В статье описана инновационная конструкция упруго-демпферной опоры ротора, разработанной специалистами Самарского государственного университета путей сообщения, отличающаяся эффективными упруго-фрикционными характеристиками и высокой технологичностью по сравнению с известными аналогами. Описан проведенный эксперимент по нагружению демпфера и приведены полученные результаты. По результатам проведенного эксперимента построены экспериментальные петли гистерезиса для различных частот, натягов и направлений нагружения опоры. Графическим путем на основании петель гистерезиса получен коэффициент рассеивания энергии вибрации для различных условий работы демпфера. Для полученных значений коэффициента рассеивания ф построены зависимости от амплитуды работы демпфера. Проведенный эксперимент и полученные на его основании результаты позволили выявить модель поведения инновационной упруго-демпферной опоры в различных условиях нагружения и характеристиках демпфирующего устройства.
Ключевые слова: упруго-демпферная опора, выгиб гофров, натяг, упруго-фрикционные характеристики, экспериментальная модель, поля гистерезиса, коэффициент рассеивания.
Основной проблемой, требующей решения в области транспортного машиностроения, в частности в машинах и механизмах с быстровращающимися роторами является снижение уровня вибрации роторов, особенно на резонансных режимах путем диссипации энергии вибрации. В настоящее время для решения проблемы снижения уровня вибрации применяются многослойные пластинчатые упруго-демпферные опоры (УДО), представляющие собой пакеты гофрированных пластин, кольцевых пластин или их комбинаций. Снижение уровня вибрации при помощи упруго-демпферных опор реализуется на основе работы сил сухого трения. Указанные опоры обладают высокими демпфирующими свойствами, могут эффективно применяться в условиях агрессивных сред, высоких температур, обладая при этом большим ресурсом работы (около 100000 часов). Однако упруго-демпферные опоры данного типа имеют ряд существенных недостатков, основным из которых является сложная технология изготовления таких опор, заключающаяся в необходимости опрессовки высокоуглеродистой ленты или пакета лент в специальной пресс форме с применением методов радиального прессования, последующей термофиксации формы гофров по достаточно сложной программе, с последующим частичным распрямлением и запрессовкой готового изделия в кольцевой зазор между наружной обоймой подшипника ротора и корпуса.
Кроме того, опоры данного типа нуждаются в установке специальных нагрузочных устройств от веса ротора, а для роторов больших весов (10 кН и более) опора работает на больших натягах, что существенно ухудшает ее демпфирующие свойства. Известна зависимость демпфирующей способности от предварительного натяга и амплитуды деформации, заметим, что она является весьма существенной [1,2].
Известно демпфирующее устройство, в котором разгрузка ротора от собственного веса реализована за счет перераспределения внутренних усилий в пакете гофрированных пластин путем увеличения высоты гофров в нижней части опоры по сравнению с верхней ее частью. В данном случае все ротора воспринимается за счет разности натягов. Но для разновысотных гофров отсутствует расчетная модель, а опоры такого типа имеют сложную технологию изготовления и работают на больших натягах, что, в свою очередь, ухудшает диссипатив-ные свойства демпфера.
Специалистами СамГУПС (в том числе авторами данной работы) разработано и запатентовано несколько инновационных упруго-демпферных опор, работающих при воздействии вибрационной нагрузки в обращенном режиме. Важнейшими характеристиками указанных УДО являются высокая эффективность подавления вибрации, высокая технологичность и простота их конструкции, высокий ресурс, возможность широкого регулирования поджатия гофров, а также отсутствие необходимости установки разгрузочных устройств от собственного веса ротора.
X X
о
го А с.
X
го т
о
ю
2 О
м
см
0 см
<0
01
о ш т
X
<
т О X X
В настоящей работе представлена и охарактеризована запатентованная УДО ротора, проведен анализ ее упругодиссипативных характеристик и предложен расчет на прочность в среде конечно-элементного моделирования.
Упруго-демпферная опора ротора представляет собой конструкцию, включающую наружное и внутреннее кольца с карманами, в которых установлены пластины, упирающиеся своими выступами в пакет гофрированных кольцевых пластин, установленный между наружным и внутренним кольцами. Гофрированные пластины в пакете связаны между собой силами трения, а эффективность подавления вибрации и прочностные характеристики УДО можно регулировать путем поджатия гофров во всех радиальных направлениях. Экспериментальная модель УДО имеет пакет из 16 слоев толщиной 5=0,2 мм.
Инновационная упруго-демпферная опора ротора изображена на рисунке 1 (продольный разрез).
гия изготовления УДО, так как в ней исключены операции опрессовки, термофиксации и выдавливания гофров. Упруго-демпферные характеристики опоры значительно выше, чем у аналогичных конструкций, поскольку в данной УДО обеспечивается оптимальное поджатие гофров во всех радиальных направлениях, а путем изменения высоты пластин 2 и 5 можно регулировать жесткость и несущую способность опоры. Благодаря обеспечению оптимального натяга гофров в данной опоре отсутствует необходимость установки нагрузочных устройств от веса ротора, что существенно упрощает конструкцию опоры и обеспечивает улучшение диссипативных свойств опоры на резонансных режимах работы ротора.
Рисунок 1. Продольный разрез упруго-демпферной опоры ротора
УДО включает в себя наружное кольцо 1 с пластинами 2, упирающимися выступами в пакет пластин 3, пакет кольцевых пластин 3, внутреннее кольцо 4 с пластинами 5, упирающимися выступами в пакет кольцевых пластин 3.
Принцип работы устройства состоит в следующем.
Пластины 2 и 5 запрессовываются в наружную и внутреннюю обоймы соответственно, затем устанавливается пакет кольцевых пластин 3. За счет подбора разной высоты пластин 2 и 5 организуется нужный натяг в каждом из радиальных направлений. Оптимальный натяг гофров (пакет пластин 3) устанавливают с точки зрения максимальной эффективности УДО в данном направлении.
Под воздействием вибрационной нагрузки, например, от дисбаланса вращающегося ротора, гофр изгибается, а ввиду разности радиусов изгибов пластины в пакете проскальзывают друг относительно друга, за счет чего происходит диссипация вибрационной энергии.
Принципиальное отличие описанной УДО от существующих аналогов состоит в том, что нагружение и работа опоры производится в обратном цикле, т.е. высота гофра при нагрузке увеличивается, а не уменьшается, что существенно влияет на эффективность работы демпфера. Кроме того, значительно упрощена техноло-
Рисунок 2. Экспериментальные поля петель гистерезиса Направление 1, Ь*=5 мм
В рамках данного исследования были изучены и проанализированы упруго-демпферные характеристики инновационной УДО, полученные экспериментальным путем. Для проведения эксперимента по специальной методике
был изготовлен образец демпфера с заданными параметрами:
- число пролетов т = 10;
- толщина ленты в пакете б = 0,2 мм;
- количество лент в пакете п = 16;
- толщина пакета 3,2 мм;
- ширина пакета Н = 16 мм;
- первоначальный вылет пластины-вставки 11*=5 мм.
Р, кгс
Рисунок 3. Экспериментальные поля петель гистерезиса Направление 1, Ь*=5,5 мм
Исследование проводилось путем нагружения исследуемого образца в двух направлениях: в направлении вершин (направление 1) и в направлении впадин (направление 2) гофров со стороны вала. В эксперименте были рассмотрены два случая: с вылетом пластины-вставки 11*=5 мм и увеличенным вылетом пластины-вставки 11*=5,5 мм. Увеличение вылета пластины-вставки увеличивает натяг гофров ракета. В каждом случае по обоим направлениям нагружения проводился ряд экспериментов для различных амплитудных значений перемещения S. Поля гистерезиса, снятые для каждого случая при различных амплитудах циклически меняющейся силы Р, представлены на рисунках 2 - 5.
Р, кгс
Р, кгс
Рисунок 5. Экспериментальные поля петель гистерезиса Направление 2, Ь*=5,5 мм
оии
оии дпп
н-ии 200
,6 -0,4 -0 ,2 С -200 0 2 0, 4 0, ^ к
¿ии -400
-оии -800
При обработке результатов эксперимента был определен коэффициент рассеивания демпфера ф, равный отношению циклической энергии упруго-демпферной опоры к величине потенциальной энергии деформации [3]. Зависимости коэффициента рассеивания от амплитуды приведена на рисунке 6.
Анализ результатов проведенного исследования показал, что с увеличением выгиба гофров пакета путем повышения высоты пластины-вставки на 0,5 мм при нагружении в направлении вершин гофров коэффициент рассеивания фтах снизился с 4,5 до 3,5, при нагружении в направлении впадин гофров - с 4 до 3.
При амплитудах от 0,4 мм и выше наблюдается выход на хвосты (рисунки 2-5), что говорит о том, что среднециклическая жесткость пакета пластин с увеличением выгиба гофров падает на малых амплитудах (0,2 мм) и возрастает на больших (0,4 мм).
Таким образом, разработанная конструкция демпфера в сравнении, например с известным аналогичным демпфером [4] является весьма эффективной, в частности, фтах возросло с 0,2 - 1,2 до 0,4-4,5 [1 ].
Рисунок 4. Экспериментальные поля петель гистерезиса Направление 2, Ь*=5 мм
сч
0 сч
<JD
01
О Ш
m х
Рисунок 6. Зависимость коэффициента рассеивания у от амплитуды А, направления силового воздействия и натяга гофров
При этом налицо высокая технологичность и простота конструкции, в которой реализована возможность настройки демпфера на заданные режимы работы (фтах, Араб, Сср) путем изменения натяга гофров за счет изменения высоты пластины-вставки. Описанная конструкция демпфера позволяет эффективно воспринимать собственный вес ротора, и поэтому не требует установки дополнительных устройств, необходимых для его восприятия. При этом, установив ограничение перемещений (например, для Атах =0,4 мм) можно добиться фтт =2,5-3 при малой анизотропии диссипативных свойств, что предоставляет возможности расширения границ эффективной работы ротора, это в свою очередь благоприятно сказывается на качестве амплитудно-частотных характеристик системы.
Определенные в данной работе параметры упруго-фрикционных характеристик демпфера те же, что и для исследованных демпферов в работе [1], а следовательно, можно построить в относительных координатах П - ^ обобщенное поле петель гистерезиса, аппроксимировать полученные зависимости и использовать полученные результаты для решения динамических задач.
Литература
1. Расчет и конструирование средств виброзащиты сухого трения, В.А. Антипов, Ю.К. Пономарев, А.И. Белоусов и др. - Самара: СамГАПС, 2005.-207с.
2. Пономарев Ю. К. и др. Многослойные демпферы двигателей летательных аппаратов. - Самара: Изд-во СГАУ, 1988. - С. 141.
3. Чегодаев Д.Е., Пономарев Ю.К. Демпфирование. -Самара.: СГАУ, 1997. - 334 с.
4. Патент РФ №2553492, МПК F16F 7/00, F^ 27/00. - Упруго-депмпферная опора ротора. / Антипов В. А., Андриянов С. В., Вельмин С. А., Сазонова В. А. - Опубл. 20. 06. 2015. - Бюл. №17.
Development of promising elastic-damping supports with high elastic-
friction characteristics Grigoriev D.A. Antipov V.A.
Samara State Transport University (SSTU)
JEL classification: L61, L74, R53_
The presented paper describes an innovative design of the elastic-damper support of the rotor, developed by specialists of the Samara State University of Railways, which is characterized by effective elastic-friction characteristics and high technological efficiency compared to known analogues. The conducted experiment on the loading of the damper is described and the results obtained are presented. Based on the results of the experiment, experimental hysteresis loops are constructed for various frequencies, tightnesses and directions of loading of the support. The vibration energy dissipation coefficient for various operating conditions of the damper is obtained graphically on the basis of hysteresis loops. For the obtained values of the scattering coefficient ф, dependences on the amplitude of the damper operation are constructed. The conducted experiment and the results obtained on its basis made it possible to identify a model of behavior of an innovative elastic-damping support under various loading conditions and characteristics of the damping device.
Keywords: elastic-damping support, bending of corrugations, tension, elastic-friction characteristics, experimental model, hysteresis fields, scattering coefficient. References
1. Calculation and design of means of vibration protection of dry friction, V. A.
Antipov, Yu. K. Ponomarev, A. I. Belousov, etc. - Samara: SamGAPS, 2005. - 207s.
2. Ponomarev Yu. K. et al. Multilayer dampers of aircraft engines. - Samara:
Publishing house of SSAU, 1988. - P. 141.
3. Chegodaev D. E., Ponomarev Yu. K. Damping. - Samara.: SSAU, 1997 -
- 334 p.
4. Patent of the Russian Federation No. 2553492, IPC F16F 7/00, F 16 With
27/00 - - Elastic-depampfer support of the rotor. / Antipov V. A., Andriyanov S. V., Velmin S. A., Sazonova V. A.-Publ. 20. 06. 2015. -Byul. No. 17.
<
m о x
X
