CC BY
11
УДК 62-567.5
УПРАВЛЕНИЕ ДИССИПАЦИЕЙ ЭНЕРГИИ В ПНЕВМАТИЧЕСКОМ АМОРТИЗАТОРЕ ПРИ КРАТКОВРЕМЕННОЙ КОММУТАЦИИ ОБЪЕМОВ
Г. С. Аверьянов1, В. Н. Бельков1, А. Б. Корчагин1. А. А. Гор6атюк: ' Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия ' ФГЪТ! «Научно-производственное предприятие «Прогресс», г. Омск, Россия
Аннотация - Одновременно с развитием техники и ростом интенсивности динамических воздействий развиваются системы амортизации. Появление конструктивных разновидностей пневматических амор тнзаторов с несколькими пневматическими упругнмтлемектамн с кратковременной коммутацией их ookpuor. работающих r широком дтпазокр упругочрмпфируютит тарактфпгтпк% обусловило необходимость разработки систем управления уиругодемифнрующюш характеристиками пневматических амортизаторов к выбора оптимальных режимов их работы, существенно зависящих от конструкции клапанных устройств. Предполагается глубокое понимание термодинамических процессов, происходящих в пневматически! аморнзаторах и. следовательно, требуется составление и решение уравнении динамики амортзируемых объектов с целью выявления основных закономерностей работы пневматических амортизаторов и клапанных устройств.
Ктючееие слона: динамическое воздействие, система амортизации, пневматический амортизатор.
I. Введение
Спверпт?нслмжанир техники подразумевает соотчетгтпуютпее улучшение ее защиты от динамических roi-дейг-RHH Это положение находит иоплещенне r разработке методой и средств защиты от динамических факторов природы для стационарных объектов, а также в совершенствования систем амортизации (CA) транспортных систем. Постижение высоких скоростей эксплуатации современной техники означает, как правило, рост интенсивности динамических воздействий и. следовательно, неоходимостъ в наличии CA. технические возможности Еоторых позволяют не толькс обеспечить необходимые услоьия работы объектов техники, но и снизить уровень воздействий на челозека до приемлемого уровня.
Многообразие проходящих в технических системах физических процессов, течение которых зачастую непредсказуемо. является основой развития теоретической и прикладной науки. Исследования процессов, происходящих при пневматическом демпфировании, проводятся в течение многих лет. Результаты исследовании представлены з многочисленных работах отечественных и зарубежных авторов, например. [1-7].
п. постановка. задачи
Основу исследований динамических систем составляют процессы преобразований энергии потенциальной з кинешческую и обратно с иизшцш сдиноьа механических и хермиди на м л четких сиечашшищил данных преобразований.
Объектом внимания является пневматический амортизатор (ПА) с демпфирующими свойствами, представляющий собой конструкцию, содержащую два сооспо расположенных ппевмаппеских упругих элемента, объ емы которых разделены перегорэдкой с клапанным устройством, причем воспринимающий нагрузку объем называется рабочим, а отделенный перегородкой объем - дополнительным.
Работа ПА возможна в широком диапазоне упругодемпфирующих характеристик в различных режимах, определяемых конструктивными особенностями клапанных устройств н их настройкой. В связи с этим возникает необходимость выбора оптимальных режимов работы каждого типа ПА с управлением уиругодемпфнру-ющими характеристиками, поэтому необходимо описание термодинамических параметров рабочих процессов ПА Для этого составляются общие системы дифференциальных уравнений, содержащие уравнения динамики амортизируемого объекта (АО) для каждого ПА. решение которых позволило бы провести соответствующий анализ и выявить основные закономерности н особенности в работе как самих ПА. так и управляемых клапанных устройств.
Представляется возможным улучшение демпфирующих свойств ПА при создании перепада давлений между объемами icaic па ходе отбоя. так л па ходе сжатля. При таком способе уиравлепня процессами перетекания ваз духа между объемами ПА дополнительный объем включается в работу кратковременно, только в начале каждого хода сжатия и отбоя.
Целыо исследовании является изучение термодинамических процессов з ПА с кратковремепнсй коммуга цией объемов в различных режимах их работы: изделие дппачнхи ПЛ при свободных и вынужденных колеба шип для определения оптимальных параметров этих клапанных устройств. апглтэффеготЕвпостп их прнмепе пня d системах амортизации крупногабаритных сооружении и d системах подрессоривання колеспо гусеничных машпи.
Ш.ТЕЭГНЯ
Колебательное движеине АО совершается е вертшсальиом исправлении. Наибольшему зпачешно потеппи альпой эпгрпш АО соответствует наибольшее значение вертгасальпой координаты в выбрашюй системе коор дннат. При перемещении АО из указанного положения вниз потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию движения АО. часть энергии используется на преодоление сил солротнзлснш. т. спронсходнт
ДИССНШЦЕЯЭНСрГИИ.
Итак, работа, затраченная на подъем АО на определенную высоту, равна потенциальной энергии системы, ю есть [8].
I ТА-
где Ii - погещнальная энергия свстемк в начале периода. Z\ - координата АО в начале периода. В коние периода потенциальная энергия равна:
i з s ty
где Zj - координата АО в начате лернода
Разносгъ этих потенциальных энергий есть рассеянная энергия за период колебаний АО:
AW^Mg-iZ-Z,).
Аналогично можно определить энергию диссипации за каждый из следующих периодов колеоанин АО. Коэффициент поглощения энергии r)w максимален в первый период колебаний АО н может быть определен по формуле:
где АН] энергия, рассе.шиая за период кэлебашп: АО. ГГ потенциальная анергия АО ь исходном иоложеппн.
Энергию днссипадни в ПА можно определить, воспользовавшись приближенны:.! способом энергетического баланса.
Суть способа состоит в том. что энергия, превращенная в тепло системой за весь период процесса затухания езободных колебаний АО. равна изменению потенциальной энергии системы, которое представляет собой разность работ, совершаемых лри сжатии н расширении воздуха в объемах ПА: его можно определить по кривым свободных колебаний АО. полученных на основании ошиныл данных.
Определив значения температуры воздуха в начале и е конце каждого периода колебаний, можно определить Гф з и 7Ср.к- - средние значения температур в объемах ПА в начале к в конце каждэге период* колебаний АО.
Энергия диссипации за первый период свободных колебании АО определяется из выражения:
Полная энергия диссипации за весь процесс свободных колебаний равна:
АГГХ=±Л 1
в результате температура воздуха в объемах ПА к концу колебательного продесса будет выше, чем до его начала. Поьышеине температуры ьызовет повышение давления воздуха, н АО остановится е новой тэчъе. располо-
жснной выше точки статического равновесия (рис. тенцнальнон энергии системы, то есть:
Л\\\ -
:. 3). Суммарная энергия диссипации должна быть равна по-
= м§(2н"2ост)
IV. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭЛиШРНМШТОВ Определялись значения параметров ПА для нескольких почожений АО в течение периода колебании. На ри:. 1 приведена полученная экспериментальным путем кривая свободных колебаний АО. на рис. 2 и 3 показаны схемы ПА при статическом положении и в крайних положениях первого периода колебаний АО.
С 1
У1о+Ул=12,5-10-3м3;УР1=8- 10* V; Ур2= 4.52-Ю^м3; Р^ = 0.58 МПа:Ру1 = 0.47 МПа: Рр;= 0.82 МПа; М)= 0.088 кг:п1] = 0.056 кг; щ = 0,056 кг: Т0 = 20 °С ;Т1 = 20 °С; Т2 = 25,2 ЭС. Рис. 2. Положения АО за первый полулерпод свободных колебаний
Открытие клапана
АО
1
Мг
Г* V:
Р-д! V,
Закрытие клапана
1
Мг
Рл ¡V,
I
—1-
сггори
< »
Рд
V*
Ур2^У3=12- 10~3м3;Уру = 4?52 • 10_3м 3;Ур3= 5.54 • 10_3м3; Ргг= 0.53 МПа: Рр,-= 0.53 МПа:Рр; = 0.398 МПа: Ту = 22.6 °С; ° Т2- = 22.6 °С; Т5 = 20.8 °С; т: = 0.088 кг;ш3- = 0.032 кг: т3 = 0.032 кг. Рис. 3. Положения АО за второй полупернод свободных колебаний
Р.МПз
0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
\ Сжатие
//¿у/ Рст
'У
1 2 3 4 5 б 7 $ о ю 1] 12 У710-'м'
Рнс. 4. Рабочая диаграмма ПА на ходе сжатия На рнс. 4 и 5. представлены рабочие диаграммы для данного периода
Р.МПз
Отбой
Рис. 5. Рабочая диаграмма ПА на ходе отбоя
Подъем АО в исходное положение (положение 1. рис. 2) осуществляется при сообщающихся объемах ПА. По сигналу о начале движения АО вниз от нсходнсго положения (ход сжатия; дополнительный объем ПА закрывается.
Отсечка дополнительного ооъема ПА и уменьшение на ходе сжатия раоочего ооъема. как видно из диаграммы (рис. 4). приводит к возрастанию дазлення в рабочем объеме от Д до Р-, и температуры от до Т-,. Уменьшение общего объема ПА приводит к уменьшению хода сжатия (рис. 1. точка 2).В начале хода отбоя, когда Zo = 0. дополнительный объем кратковременно (по экспериментальным данным это время составляет 0.1 сек) сообщается с рабочим (положение 2'. рнс. 2) ненова отсекается (положение 2", рис. 3).
Выравнивание давления в объемах ПА от Р2 до Р2. приводит к уменьшению упругой силы, действующей на АО в конце хода сжатия, и к диссипации энергии за счет разгона потока воздуха, гормеження и интенсивного перемешивания. Работа, совершаемая системой над воздухом, равна площади под кривой 1 - 2 на рабочей диаграмме (рис. 4). В начале хода огбоя дополнительный объем закрывается. Работа расширения равна площади под кривой |Щ|- 3 на рабочей диаграмме (рис. 5).
v. Обсуждение результатов
Испытаниями установлено, что температура воздуха в объемах па к концу колебательного процесса вмше. чем до его начала. Повышение температуры Бызывает повышение давления воздуха, н АО останавливается в новой точке, расположенной выше точки статического равновесия (рте. 3).
Путем активного управления процессами перетекания воздуха между объемами ПА можно добиться существенного улучшения демпфирующих свойств вследствие возрастания энтропии в ПА Возрастание энтропии в ПА объясняется переходом формы упорядоченного движения частиц термодинамического тела, т е. газа в форму неупорядоченного движения или. иначе, в тепловую энергию [8]. Превращение энергии упорядоченного движения в энергию хаотического движения называется диссипацией энергии Возрастание энтропии замкнутой системы при ее релаксации (производство энтропии) означает диссипативный характер неравновесных процессов и явлении. Оно есть важнейший критерий присутствия необратимого процесса при оценке поведения системы Термин «диссипативный» и термин «необратимый» могут пониматься как синонимы [8 - 10].
vi. выводы и заключение
Таким образом, за счет создания перепада давлений между объемами ПА на ходе сжатия и отбоя, с последующим выравниванием давления з объемах в начале каждого хода, обеспечивается величина коэффициента поглощения энергии ПА. значение которого за период колебаний составляет г\л = 0.85.
Из вышеизложенного следует, что путем актнЕного управленш процессами перетекания воздуха между объемами можно добнть:я существенного улучшения демпфирующих свойств за счет возрастания знтропнн в ПА
Процесс демпфирования колебаний, обусловленный перетеканием и смешиванием газа в объемах ПАявляется типично необратимым процессом [10-12].
список литературы
1. Джохадзе Г. Д. Исследование воздушного демпфирования в пневматической подвеске автомобиля: азто-реф. дне ...канд. теки. паук. Тбилиси. 1969. 22с.
2. Фнтилев Б. К.. Чинов В. Н.. Аверьянов Г. С. Исследование рабочего процесса пневморессоры с пневматическим демпфером // Труды ВПН. Волгоград. 1979. С. 74-81.
3. А. с. 261926 СССР. МКИ 63 С 41; 47 А16/10. Пневматический упругий элемент / К. А. Гвниери. Г. Д. Джохадзе. № 1163498/27, заявл. 12.06.67. опубл. 13.01.70. Бюл. № 5.
4. А с. № 467S44 СССР. МКИ В 60 G 11/26, F 16 F 9/Э4 . Пневматический упругий элемент подвески транспортного средства /В. А. Поляков. И. Н. Рахманов. А. В. Ряоов. № 185264:>/2/-11;заявл. 02.12./¿опубл. 25.34.75. Бюл. №15.
5. Азерьянов Г С. Исследование процессов и путей повышения эффективности воздушного демпфирования в пневматических амортизаторах внброзащитных систем / ОМГТУ. Омск. 1999. 115 с. Деп. в ВИНИ-ТИ17.0699. № 1957-В99.
6. Калашников Б. А. Система амортизации объектов с дискретной коммутацией упругих элементов. Омск: Изд-во ОмГТУ. 2008. 34¿ с.
7 Robinien W D A pneumatic «emi-arrive -ontrcl methodology for vibration control of air spring ba«ed suspension systems: Graduate Theses and Dissertations. Paper 12555. Iowa State University Ames. Iowa. 2012. 134 p.
3. Аверьянов Г. С.. Зензин Ю. А. Белицкий В. Д. Рабочий процесс пневматического амортнзаторас активным управлением термодинамическими параметрами газа// Дннамнка машин н рабочих процессов: межвуз. сб. нэуч тр ЧРД^ндп 1983. С. 144—149.
Прнгожнн И. Л. Введение в термодинамику необратимых процессов. М.: Ш11960.424 с.
10. Чеснер Дж. Теория нео&ратнмых процессов. М: Мир. 196(5. 257 с.
11. Рявкни Г. О. Пневматическая подвеска автомобиля. М.: Машпн. 1962. 227 с.
12. Шипки Б. Б. Свободные субгармонические колебания в системах с пневматическими упругими элолен-тамн //Труды Рижского института инж. гражд. Авиации Рига. 1973. Вып. 250. С. 43—4?.
