CC BY
40
МАШИНОВЕДЕНИЕ И МАШИНОСТРОЕНИЕ ISSN 2226-3780
УДК 539.43
Б01: 10.15587/2312-8372.2015.3Б2Б0
Андренко П. м., ВСТАНОВДЕННЯ ЕФЕКТНВННХ кл1тн0й в.в. ОБЛАСТЕЙ ВНКОРНСТАННЯ АКТНВННХ
МЕТОД1В ГАС1ННЯ В1БРАЩЙ I ШУМУ В Г1ДРО- I ПНЕВМОПРНВОДАХ
Проаналгзовано причини виникнення шуму I вгбрацп в ггдро- пневмоприводах. Встановлено спектр частот, якг виникають в них. Розглянуто пристрог гастня шуму та вгбрацп в системах ггдро-пневмоприводгв. Особлива увага придшена пристроям активног компенсацп низькочастот-ного шуму I вгбрацгг збудованих за принципами схем з1 зворотнгм зв'язком та схем, працюючих по збуренню. Встановленг перспективы схемнг ршення таких пристогв та ефективнг областг гх застосування.
Клпчов1 слова: вгбрацгя, шум, ггдропривод, пневмопривод, активнг системи, гастня вгбрацш, гастня шуму.
1. Вступ
Завдяки сво1м вщомим перевагам гiдравлiчнi i пнев-матичш приводи та агрегати широко застосовуються в рiзних галузях машинобудування як виконавчi меха-шзми сучасних мехатронних модулiв, систем керування виробничими процесами, технолопчними та мобшьни-ми машинами. Це обумовлюе поглиблене вивчення 1х властивостей, розвитку методiв розрахунку та проекту-вання. Так як стратепчним напрямком розвитку пдро-фжованих машин та обладнання е тдвищення тиску особливу увагу придшяють динамiчним процесам, що протiкають в них [1].
Пульсацп тиску рвдини i газу, що виникають при робот гiдравлiчних i пневматичних приводiв, е джерелом iнтенсивноi вiбрацii та шуму, значення яких регламен-товано ввдповщними ДСТУ, i сприяе зниженню безпеки експлуатацii i надiйностi усiеi машини, та руйнуванню трубопроводiв i агрегатiв, i може призвести до аварiй з тяжкими наслiдками. Вони також провокують перед-часний знос устаткування i негативно впливають на безпеку життедiяльностi. Особливо серйозну проблему являе боротьба з низькочастотними шумами i вiбрацiя-ми. Якщо високочастотний шум швидко затухае при поширенш, то низькочастотний — поширюеться без особливого поглинання на значну вщстань.
Слщ зазначити, що зважаючи на наявшсть довгих акустичних хвиль, проблема зниження низькочастотного шуму i вiбрацii в гiдро- та пневмоприводах традицшно е складним i дорогим завданням, а для багатьох ви-падюв — нездiйсненним. Якщо розглядаються тшьки засоби пасивного гасiння, то довп хвилi обумовлюють необхiднiсть використання великих глушниюв i важких засобiв огородження для зниження шуму, а також дуже м'яких систем iзоляцii ^або дорогих методiв структурного гасшня (використання вiбропоглиначiв) для зниження вiбрацii, можливостi ефективного використання яких на сьогодш практично вичерпано. Усе це примушуе дослщниюв i практикiв шукати i впроваджувати iншi пiдходи до зниження низькочастотного шуму i вiбра-
цii. На сьогоднi до одних з найбшьш перспективних вiдноситься метод активного гасшня шуму i вiбрацii.
2. 06'ект, мета та задач1 дослщження
Об'ектом дослiджень е системи з гiдравлiчними та пневматичними приводами.
Метою цiеi роботи е обгрунтування доцiльностi за-стосування систем активного гасiння вiбрацiй та шуму в сучасних системах пдро- i пневмоприводiв, промис-лового обладнання збудованого з '¿х використанням.
Для досягнення поставленоi мети необхщно:
1. Провести аналiз динамiчних процеав, що про-тiкають в пдро- i пневмоприводах. Виявити найнебез-печнiшi джерела вiбрацii i шуму.
2. Проаналiзувати можливiсть використання вiдомих систем активного гасшня вiбрацiй для забеспечення безпеки експлуатацп i надiйностi розглядаемих систем та зниження шуму.
3. Анализ литературных данных
Для боротьби з вiбрацiями та шумом традицшно використовують пасивш методи, як полягають в засто-суванш рiзних гасителiв, принцип д11 яких грунтуеть-ся на iзоляцii i вiдбиттi коливань, чи на розаюванш енергii цих коливань. Вказана проблема виршуеться також завдяки усуненню конструктивними заходами причин, що збуджують вiбрацii i шум, чи дозволяють послабити дп цих причин.
Пасивнi методи зниження вiбрацiй та шуму в насосах, пдромоторах, приводних електродвигунах та в пдро-апаратурi досить докладно розглянуп у роботах [2, 3]. Обласп ефективного використання пасивних гiдравлiч-них гасителiв пульсацiй тиску розглядаються в роботах [4, 5]. Встановлено, що '¿х використання для гасшня низькочастотного спектра частот е малоефективним. У той же час, основними гармошками спрацювання гiдравлiчних та пневматичних виконавчих мезанiзмiв i '¿х елементiв е частоти до 30 Гц [6].
С
8
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ АУДИТ И РЕЗЕРВЫ ПРОИЗВОДСТВА — № 1/1(21], 2015, © Андренко П. М., Клiтной В. В.
Вище зазначене спонукае бiльшу увагу придшяти активним системам гасiння вiбрацiй та шуму, як ефек-тивно працюють на низьких частотах. Виникае необ-хiднiсть провести детальний аналiз кнуючих прикладiв використання таких систем в пдро- пневмомприводах.
4. Джерела в1браци I шуму в гщро-I пневмоприводах
Пневмогiдравлiчну систему доцiльно представити як деяку конструкщю взаемозв'язаних елеменпв, робочим тiлом в яких е повггря або рiдина. У таких системах, е два основш джерела вiбрацiй i шумiв: створюванi рвдиною (повiтрям) i якi передаються через не1, та вiбрацii i шум силового устаткування, яю передаються мехашчними частинами.
Основним збудником вiбрацiй i шуму в пневмопд-равлiчних системах, у бшьшосп випадкiв, е джерело пневматично'i або гiдравлiчно'i енергii. Частотний спектр збуджуваного ними шуму складаеться з негармоншних складових, викликаних коливаннями тиску рщини або повиря i механiчними вiбрацiями деталей таких систем. Крiм того джерелом мехашчних коливань та шумiв е коливання тиску рщини викликана спрацюванням ви-конавчих i розподiльчiх елементiв пдро- пневмопривода. У результат розвиваеться складний коливальний процес i вiдповiдно — складний звуковий спектр з широким дiапазоном частотних складових.
Наступним, за значимктю, джерелом вiбрацiй i шуму можна назвати з'еднувальш трубопроводи. Джерелами шуму в яких е локальш област стискань i розрiджень, як утворюються по усiй довжинi трубопроводу. Ос-новним джерелом шуму в таких трубопроводах — шум, що виникае в них при передачi коливань тиску робочо! рiдини або повiтря.
Джерелом мехашчних шумiв е також електромотор. Шум у якому пов'язаний з погршшстю балансування ротора, наявшстю дефектiв на його поверхш та пору-шенням роботи пiдшипникiв.
Слiд мати на уваз^ що, якщо власна частота коливань елеменпв машини наближаеться, або дорiвнюе частотi пульсацii потоку рщини (повiтря), або кратна 1й, то елементи машини починають резонувати, i шуми посилюються.
5. Системи активного гасшня шуму I в1брац1й
Слщ зазначити, що методи активно'i боротьби з шумом доповнюють традицшними пасивними методами i застосовуються зазвичай при гасшш низьких частот. При цьому у системах активного контролю вiбрацiй i шуму широко застосовуються адаптивнi елементи. Схе-ми яю використовуються у таких системах, незалежно вщ сфери застосування, практично однаков^ будь то для гасiння шуму i вiбрацiй в пневматичних системах, або пульсацш рiдини i шуму в гiдравлiчних. У кожному конкретному випадку вiдрiзнятимуться виконавчi мехашзми, датчики i пристро1, що коригують.
На тепершнш час слiд видшити два основнi прин-ципи управлшня системами гасiння вiбрацiями та шумом, рис. 1.
Узагальнена схема методу контролю зi зворотшм зв'язком представлена на рис. 1, а. Сутшсть методу по-
лягае в тому, що вихщний сигнал системи подаеться на контролер i в подальшому, пiсля перетворення впливае на саму систему. Основним завданням при реалiзацii цього методу е пiдбiр ввдповщного контролера, який би дозволив замкнутш системi залишатися стiйкою i виконувати поставлене завдання активного демпфу-вання [7, 8].
1ншим, найчастше використовуваним методом контролю в системах активного гасшня вiбрацiй, е метод регулювання по збуренню, рис. 1, б, який знайшов устш-не застосування у рядi прикладних дослвдницьких ро-бiт [9, 10].
Рис. 1. Схеми методу контролю: а — зi зворотнiм зв'язком; б — по збуренню
Цей метод грунтуеться на тому, що основний сигнал збурення проходить через контролер i подаеться на систему через вторинне джерело. 1дея методу полягае в тому, що повинне створитися вторинне збурення, яке повшстю погасить початкове збудження в зонах розта-шування сенсорiв. Звичайно, немае шяко1 гаранты, що збурення будуть погашеш i в шших областях системи. Не виключено, що в деяких зонах вони будуть посилеш. Тому цей метод розглядають як локальний, на вщмшу вщ методу зворотного зв'язку, який е глобальним. Слщ також зазначити, що на вщмшу вщ методу зворотного зв'язку, який дозволяе ослабити збурення бшя резо-нансних пЫв, метод контролю по збуреннях виршуе задачу повного гасiння вiбрацiй на будь-якш частотi, генеруючи вторинний сигнал в протифазi до основного.
Практичне використання активно! компенсацii звуку i вiбрацii стало можливим тiльки з появою у 80-х роках
б
TECHNOLOGY AUDiT AND PRODUCTiON RESERVES — № 1/1(21], 2015
МАШИНОВЕДЕНИЕ И МАШИНОСТРОЕНИЕ
ISSN 222Б-3780
cy4acHoï цифровоï електронiки, зокрема, адаптивноï циф-poBoï обробки сигналiв. Ефективне зниження Bi6pa^ï в гiдроприводах може бути досягнуте з використан-ням малогабаритних активних пристроïв компенсацп пyльсацiй тиску, здатних ефективно згладжувати ïx в трубопроввдних системах. Так в робот [11] описуеться виконавчий пристрiй для активного гасшня пульсацш тиску виконаного у виглядi швидкодтчого п'езоелект-ричного клапана, встановленого байпасно навантаженню. Пульсацп тиску вимiрюються датчиком тиску, перетво-рюються i поступають у блок Фур'е аналiзy. До цього блоку надходить опорний сигнал з гiдравлiчниx клапатв загального порту, який використовуеться для видшення основноï i кратних складових пульсацш.
Останшм часом все бшьше застосування отримують активнi глушники шуму, виконанi за схемою зворотного зв'язку [12]. Активна компенсащя базуеться на принципах суперпозицп i штерференцп — накладення в простора або на поверxнi двох чи деюлькох звуко-вих, або вiбрацiйниx хвиль, при якому в рiзниx точках домагаються послаблення резyльтyючоï хвиль Якщо поширюються двi xвилi, то в кожнш точцi результуюче коливання е геометричною сумою коливань, що вщпо-вiдають кожнiй з хвиль, яю складаються.
Ряд iншиx розроблених пристроïв i конструктив-них схем активних компенсаторiв низькочастотного шуму i вiбрацiï описанi в роботах [13-15]. Промис-лове застосування розроблених конструкцш, а також нових варiантiв можливе в найрiзноманiтнiшиx галузях: машинобудування, енергетика, xiмiчна промисловiсть, житлово-комунальне господарство та ш., зокрема, при розробцi i експлуатацп насосiв, компресорiв, вентилято-рiв, повiтродyвок, теплообмiнникiв, при транспортyваннi газiв i рiдин по трyбопровiдниx системах тощо.
6. Обговорення результапв дослщження ефективност використання систем активного гасшня в1брац1й в гщро-
i пневмоприводах
Аналiз вивчаемоï проблематики показав, що допов-нення класичних пасивних систем боротьби з вiбрацiя-ми i шумом у пдро- та пневмоприводах активними, дозволяе значно тдвищити ефектившсть таких систем контролю. В результат цього ввдкриваеться можливiсть позитивного виршення проблеми боротьби з вiбрацiями та шумом на всьому ввдомому спек^ частот.
В подальшому плануеться розробка елеменпв систем активного гасшня вiбрацiй та шуму в пдро- та пневмоприводах, зокрема сенсорiв та актyаторiв в за-лежностi вщ структури системи гiдро- пневмопривода.
7. Висновки
В результата проведених дослщжень встановлено:
1. Найбiльш вагомими збудниками вiбрацiй i шуму в пневмогiдравлiчниx системах е джерела пневматич-toï або гiдравлiчноï енергп, з'еднyвальнi трубопроводи, електромотор. Основними гармошками шуму i вiбрацiï в сучасних системах пдро- пневмоприводiв у багатьох випадках е низькочастотш.
2. Для ïx ефективного гасшня традицшш методи гасшня повинш бути доповнеш активними. Для змен-шення збурення бiля резонансних тюв ефективно за-
стосовувати системи 3i зворотшм зв'язком, а для гасшня вiбрацiй на всьому спектрi частот — схеми з контролем по збуренню.
Литература
1. Андренко, П. Н. Тенденции развития объемных гидроприводов [Текст] / П. Н. Андренко, З. Я. Лурье // Промислова пдравлжа i пневматика. — Вшниця: ВДАУ, 2013. — № 3(41). — С. 3-12.
2. Фшкельштейн, З. Л. Експлуатащя, обслуговування та на-дшшсть пдравл1чних машин i пдропривод1в [Текст]: навч. поаб. / З. Л. Фшкельштейн, П. М. Андренко, О. В. Дмит-р1енко; шд ред. проф. П. М. Андренка. — Х.: Видавничий центр НТУ «ХП1», 2014. — 318 с.
3. Андренко, П. М. Гасител1 пульсацш тиску об'емних пдроагре-гат1в [Текст]: монограф1я / П. М. Андренко, О. В. Дмитр1енко, М. С. Свинаренко. — Х.: Вид-во «НТМТ», 2012. — 160 с.
4. Андренко, П. М. Параметричш дослщження пдравл1чного гасителя пульсацш тиску з автоматичним шдстроюванням параметр1в [Текст] / П. М. Андренко, М. С. Свинаренко, А. Х. Реметова // Вюник НТУ «ХП1». Сер1я: Математичне моделювання в техшщ i технологи. — 2014. — № 6(1049). — С. 9-19.
5. Андренко, П. М. Визначення рацюнальних конструктивних параметр1в пасивних гасител1в пульсацш тиску [Текст] / П. М. Андренко, О. В. Дмитр1енко, Ю. Ю. Богус // Промислова пдравлжа i пневматика. — Вшниця: ВДАУ, 2014. — № 1(43). — С. 83-89.
6. Андренко, П. Исследование волновых процессов в гидроагрегате питания гидросистем [Текст] / П. Андренко, О. Панамарьова // MOTROL: Commission of motorization and energetics in agriculture: Polish Academy of sciences. — Lublin — Simferopol — Mykolayiv — Kiev — Lviv — Rzeszow, 2012. — Vol. 14, № 1. — С. 3-9.
7. Von Flotow, A. H. Wave-absorbing controllers for a flexible beam [Text] / A. H. Von Flotow, B. Schaefer // Journal of Guidance, Control, and Dynamics. — 1986. — Vol. 9, № 6. — P. 673-680. doi:10.2514/3.20163
8. Baillargeon, B. P. Active Vibration Suppression of Sandwich Beams using Piezoelectric Shear Actuators: Experiments and Numerical Simulations [Text] / B. P. Baillargeon // Journal of Intelligent Material Systems and Structures. — 2005. — Vol. 16, № 6. — P. 517-530. doi:10.1177/1045389x05053154
9. Ishihama, M. Vibration suppression of space-frame body structure by active dynamic damper and adaptive feed-forward control scheme [Text]: Proceedings of International Conference on Motion and Vibration Control / M. Ishihama, S. Iizuka // The Japan Society of Mechanical Engineers. — 2002. — Vol. 6, № 1. — P. 82-87.
10. Preumont, A. Active Control of Structures [Text] / A. Preu-mont, K. Seto. — John Wiley & Sons, Ltd, 2008. — 296 p. doi:10.1002/9780470715703
11. Pan, M. Active control of pressure pulsation in a switched inertance hydraulic system [Text] / M. Pan, N. Johnston, A. Hil-lis // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part I: Journal of Systems and Control Engineering. — 2013. — Vol. 227, № 7. — P. 610-620. doi:10.1177/0959651813490096
12. Мальцев, А. А. Адаптивные системы активного гашения шума и вибраний [Текст] / А. А. Мальцев, Р. О. Масленников, А. В. Хоряев, В. В. Черепенников // Акустический журнал. — 2005. — № 51. — C. 242-258.
13. Васильев, А. В. Снижение низкочастотной вибрации трубопроводов энергетических установок [Текст] / А. В. Васильев // Наука — производству. — Август 2004. — № 8. — С. 68-70.
14. Белогубцев, Е. С. Проблемы и предварительные результаты испытания систем активного гашения низкочастотных сигналов в водной и воздушной среде [Текст] / Е. С. Белогубцев, А. В. Кирюхин, Г. Н. Кузнецов и др. // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. — 2011. — Т. 4, № 3. — С. 93-107.
15. Noise attenuation in a hydraulic circuit [Electronic resource] / Patent US 6854269 В2, МПК F16D 031/02. — Publ. 15.02.2005. — Available at: \www/URL: http://www.google.co.in/patents/ US6854269
I 10
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ АУДИТ И РЕЗЕРВЫ ПРОИЗВОДСТВА — № 1/1(21], 2015
УСТАНОВЛЕННЕ ЭФФЕКТНВНЫХ ОБЛАСТЕЙ ПРНМЕНЕННЯ АКТНВНЫХ МЕТОДОВ ПОДАВЛЕННЯ ВНБРАЦНЙ Н ШУМА В ГНДРО- Н ПНЕВМОПРНВОДАХ
Проанализированы причины возникновения шума и вибрации в гидро- пневмоприводах. Установлено спектр частот, возникающих в них. Рассмотрены устройства тушения шума и вибрации в системах гидро- пневмоприводов. Особое внимание уделено устройствам активной компенсации низкочастотного шума и вибрации, построенных по принципам схем с обратной связью и схем, работающих по возмущению. Установлены перспективные схемные решения таких приспособлений и эффективные области их применения.
Ключевые слова: вибрация, шум, гидропривод, пневмопривод, активные системы, гашения вибраций, тушения шума.
Андренко Павло Миколайович, доктор техтчних наук, про-фесор, кафедра глдропневмоавтоматики та ггдроприводу, На-щональний техтчний утверситет «Хартвський полтехтчний iHcmumym», Украта, e-mail: andrenko47@mail.ru.
Клтной Володимир Ыкторович, кандидат техтчних наук, доцент, кафедра деталей машин та прикладног мехатки, На-щональний техшчний утверситет «Хартвський полтехтчний iнститут», Украта, e-mail: vlad_klitnoy@ukr.net.
Андренко Павел Николаевич, доктор технических наук, профессор, кафедра гидропневмоавтоматики и гидропривода, Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», Украина.
Клитной Владимир Викторович, кандидат технических наук, доцент, кафедра деталей машин и прикладной механики, Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», Украина.
Andrenko Pavel, National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute», Ukraine, e-mail: andrenko47@mail.ru. Klitnoi Vladimir, National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute», Ukraine, e-mail: vlad_klitnoy@ukr.net
УДК 621.515: 62-251: 62-762 001: 10.15587/2312-8372.2015.37319
РЕСУРСНЫЕ НСПЫТАННЯ ТОРЦОВОГО САЛЬННКОВОГО УПЛОТНЕННЯ С РЕВЕРСНВНЫМН КАНАВКАМН
В работе представлены результаты ресурсных испытаний торцового сальникового уплотнения с реверсивными канавками на опорной поверхности аксиально-подвижной втулки. Полученные результаты позволяют говорить об эффективности новой конструкции торцового сальникового уплотнения. Уплотнительный узел может использоваться при давлениях уплотняемой жидкости до 2 МПа, обеспечивая минимальные протечки и необходимый ресурс.
Ключевые слова: торцовое сальниковое уплотнение, пара трения, реверсивные канавки, податливое дно, гидродинамическое давление.
Гудков С. Н., Загорулько А. В.
1. Введение
В условиях сравнительно низких значений показателя РУ (РУ< 10 МПа ■ м/с) сальниковые уплотнения остаются наиболее часто встречающимся типом уплотнений валов центробежных насосов общепромышленного назначения. Удачной альтернативой традиционным (радиальным) конструкциям сальниковых уплотнений являются торцовые сальниковые уплотнения, которые сочетают в себе принцип действия торцовых механических и радиальных сальниковых уплотнений. К основным преимуществам торцовых сальниковых уплотнений можно отнести: отсутствие требований прецизионной обработки пары трения, обусловленное применением в качестве одного из колец контактной пары податливой сальниковой набивки; высокую герметичность и долговечность уплотнитель-ного узла, сравнимые с торцовыми механическими уплотнениями. Поэтому разработка и исследования новых конструкций торцовых сальниковых уплотнений, обеспечивающих минимальные протечки, потери мощности на трение и ресурс уплотнительного узла, является актуальным заданием.
2. Анализ литературных данных и постановка проблемы
Анализ литературных источников показал, что в ряде работ описываются методики расчета и экспериментального определения физико-механических свойств сальниковых набивок и герметичности уплотнительного узла [1-3]. Разработаны американские и европейские стандарты для сравнительных испытаний различных материалов сальниковых уплотнений [4-7]. Описаны методы лазерного текстурирования твердых поверхностей и оценено их влияние на упругогидродинамическую смазку пар трения [8, 9].
Следует отметить, что, несмотря на преимущества торцовых уплотнений с мягкой набивкой [4], пара трения традиционной конструкции торцового сальникового уплотнения, является существенно перегруженной. Это связано с тем, что сальниковая набивка 2, находящаяся в обойме 1, отжимается давлением уплотняемой жидкости р1 от опорного диска 3, образуя по ширине пары трения два участка: конфузорный участок зазора и участок контакта, который играет основную роль герметизатора и является наиболее перегруженным (рис. 1, а).
TECHNOLOGY AUDiT AND PRODUCTiON RESERVES — № 1/1(21], 2015, © Гудков С. Н., Загорулько А. В.
17=)
