автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Оценка динамических свойств виброзащитных систем при исследовании и проектировании объектов машиностроения

На правах рукописи

Паршута Евгений Александрович

ОЦЕНКА ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВИБРОЗАЩИТНЫХ СИСТЕМ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ И ПРОЕКТИРОВАНИИ ОБЪЕКТОВ МАШИНОСТРОЕНИЯ

Специальность 05.02.02 - «Машиноведение, системы приводов и детали машин»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 ПАП 2014

005548250 Братск-2014

005548250

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Иркутский государственный университет путей сообщения».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки РФ Елисеев Сергей Викторович.

Официальные оппоненты: Говердовский Владимир Николаевич,

доктор технических наук, профессор кафедры «Дорожные машины и строительное оборудование», ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет»

Трутаев Станислав Юрьевич,

кандидат технических наук, заведующий отделом инновационных разработок, ОАО «ИркутскНИИхиммаш», г. Иркутск

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Государственный университет-

учебно-научно-производственный комплекс»,

г. Орел

Защита диссертации состоится «27» июня 2014 г в 9.00 часов на заседании диссертационного совета Д212.018.02 при ФГБОУ ВПО «Братский государственный университет», ауд. 3205, корп.З, по адресу: 665709, Иркутская область, г. Братск, ул. Макаренко, д.40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Братский государственный университет», а также на сайте www.brstu.ru

Отзывы на автореферат в двух экземплярах подписью, заверенной печатью, просим направлять по указанному выше адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета. Для связи с секретарем могут быть использованы: факс (8-3953) 33-20-08, тел. (8-3953) 32-53-63, e-mail: efremov@brstu.ru

Автореферат разослан «28» апреля 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент

' И.М. Ефремов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современные машины и агрегаты являются сложными техническими системами, содержащими силовые передачи, исполнительные механизмы и вспомогательные устройства. Повышение требований к динамическому качеству машин, точности исполнения рабочих движений, обеспечению надежности работы деталей, узлов и сопряжений при знакопеременных нагрузках приводит к необходимости оценки, контроля и управления динамическим состоянием технической системы в целом и ее отдельных узлов, в частности, обеспечение надежности и безопасности функционирования машин закладывается в предпроектных исследованиях и должно обеспечиваться на всех стадиях проектирования, производства и эксплуатации машин. Создание современных машин опирается на соответствующую научную основу, создаваемую в области машиноведения, теоретической механики, теории механизмов, динамики и прочности машин.

В решении задач современного машиноведения, в том числе и тех его направлений, которые связаны с вибрацией машин и колебательными движениями их отдельных элементов и узлов. Известность получили работы отечественных и зарубежных ученых: Артоболевского И.И., Фролова К.В., Ганиева Р.Ф, Махутова H.A., Ген-кина М.Д., Блехмана И.И., Колесникова С.Н., Коловского М.З., Болотина В.В., Бирге-ра И .А., Бидермана В.Ф., Пановко Л.Г., Бессонова А.П., Кобринского А.Е., Вейца B.JL, Вульфсона И.И., Левитского Н.И., Алабужева П.М., Елисеева C.B., Бело-кобыльского С:В., Тимошенко С.П., Крендела С.С., Дж. П. Ден-Гартога , Цзе Ф., Тонга К.Н. и др.

Вместе с тем, многие вопросы динамики колебательных систем, особенно тех, которые связаны с упругими взаимодействиями элементов систем и механизмов в колебательных структурах, еще не получили должного внимания.

Обеспечение надежности и безопасной эксплуатации машин и механизмов в условиях повышения энергоемкости и производительности технологических процессов, увеличения скоростей и нагрузок промышленного оборудования и транспортных машин, делает особо актуальными проблемы анализа их технического состояния, прогнозирования остаточного ресурса и безопасности эксплуатации.

Решение задач вибрационной защиты все чаще рассматривается как разработка способов и средств управления динамическим состоянием технических объектов, в структуру которых входят многочисленные узлы и механизмы, взаимодействующие между собой в условиях интенсивных внутренних и внешних периодических и ударных возмущений.

Структурные методы исследования механических колебательных систем, получившие развитие в последние десятилетия, создают возможности с единых позиций рассматривать динамические взаимодействия механизмов и устройств различной физической природы. Механические цепи в различных формах проявления, в том числе, и как механизмы, состоящие из взаимодействующих между собой звеньев в виде твердых тел и элементов, обладающих упругими и диссипативными свойствами, позволяют создавать адекватные расчетные схемы, отражающие динамику современных машин.

В этом плане возникает ряд научных проблем, решение которых связано с необходимостью учета особенностей построения виброзащитных систем и конструктивно-технических форм реализации объектов защиты от вибрационных внешних воздействий и снижения нагрузок на узлы и детали машин. Насыщение современных машин исполнительными механизмами различной физической природы, требования к регламентации параметров динамического состояния предопределяют актуальность

научных исследований, направленных на поиск и разработку способов и средств обеспечения динамического качества технических объектов.

Объектом исследования являются технические системы в виде машин и механизмов, расчетные схемы которых представляют собой механические колебательные системы, находящиеся под действием внешних и внутренних силовых и кинематических возмущений.

Предметом исследований являются динамические процессы, происходящие в виброзащитных системах, в структуре которых, кроме обычных упруго-диссипативных и массоинерционных элементов используются различные механизмы и устройства для преобразования движения.

Цель диссертационной работы заключается в разработке метода построения математических моделей виброзащитных систем, имеющих в своем составе различные механизмы, позволяющие решать задачи оценки динамических свойств и возможностей динамических взаимодействий и использования их для разработки новых конструкторско-технических решений.

Задачи исследования. Для достижения цели предполагается решение ряда задач:

1. Изучить возможности и особенности построения математических моделей механических колебательных систем, имеющих в своем составе механические цепи, в том числе различные механизмы, а также закономерности динамических взаимодействий между элементами системы.

2. Предложить и разработать метод построения математических моделей виброзащитных систем, имеющих механизмы в качестве составных элементов.

3. Разработать научные основы теории динамических взаимодействий элементов виброзащитных систем для обеспечения методических подходов в определении динамических свойств систем и их динамических реакций в частности.

4. Разработать научно-методическую базу для поиска и разработки новых конструктивно-технических решений в задачах вибрационной защиты технических объектов.

Методика исследования и решения поставленных задач. Поставленные задачи решаются на основе применения методов теоретической и прикладной механики, а также использования аналитического аппарата теории колебаний, теории автоматического управления и теории механических цепей.

Основные положения, выносимые на защиту:

К Метод построения математических моделей виброзащитных систем, основанный на развитии структурных представлений механических колебательных систем с дополнительными связями.

2. Научные результаты исследований, определяющие новые динамические свойства виброзащитных систем с дополнительными связями, реализуемые различными механизмами.

3. Научно обоснованная методика определения статических и динамических реакций в механических колебательных системах вращательного, поступательного и комбинированного типов.

Научная новизна работы заключается в разработке метода построения математических моделей механических колебательных систем, в частности, виброзащитных систем, содержащих в своем составе различные механизмы, обеспечивающие определение динамических свойств систем при различных видах объектов защиты и учете возникающих динамических реакций в контактах с опорными поверхностями и элементов между собой.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций. Научные результаты диссертации получены на основе фундаментальных положений и методов теоретической механики, теории колебаний, динамики машин, экспериментальных методов исследования.

Теоретическая и практическая значимость результатов исследования. Предложена методологическая основа решения задач динамики технических объектов сложной структуры, что характерно для современных направлений машиностроения, связанных с развитием транспортных средств, мобильной и промышленной робототехники, мехатроникой и системами управления динамическим состоянием. Основой для решения задач динамики являются структурные методы, в рамках которых используются возможности аналитического аппарата теории автоматического управления, что обеспечивает в задачах динамического синтеза виброзащитных систем условия учета особенностей элементарных звеньев различной физической природы и особенностей их соединений и взаимодействия. Предложена и разработана методологическая основа построения математических моделей различных колебательных систем, отражающих специфику работы механических систем с учетом геометрических особенностей расположения элементов и многообразных форм их взаимодействия. Ряд предложений выполнен на уровне изобретений, получены два патента на изобретения и один патент на полезную модель.

Результаты исследований представляют интерес для решения задач динамики механизмов и машин различного назначения, работа которых регламентируется требованиями к ограничению уровня вибрации и динамических сил, возникающих на объекте защиты, выделяемыми в технической системе.

Практическое использование результатов диссертации. Результаты работы использованы при выполнении исследований по грату в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» (номер 14.132.21.362), атакже вошли в отчетные документы по программе фундаментальных госбюджетных исследований по проблеме «Мехатронные подходы в задачах вибрационной защиты высокотехнологичного оборудования и машин», выполняемых в Иркутском государственном университете путей сообщения (номер гос. регистрации 01201352793). Результаты научных нашли применение в разработках ряда предприятий и организаций региона. В частности, результаты научных разработок нашли применение в ОАО «Улан-Удэнский лопастной завод» (г. Улан-Удэ).

Материалы разработок используются в учебных программах кафедр Иркутского государственного университета путей сообщения и «Строительные и дорожные машины» Братского государственного университета.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: международной конференции «Математика и ее приложения» (г. Улан-Удэ, 2010, 2012); Байкальская Всероссийская конференция «Информационные и математические технологии в науке и управлении» (Иркутск, 2009, 2011, 2013); VII Международная научно-практическая конференция «Техника и технология: новые перспективы развития» - Москва: (26 ноября, 2012); Международная научно-практическая конференция «Транспорт - 2013» - г.Ростов-на-Дону (24-26 апреля, 2013 г.); Международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы создания и эксплуатации тепловых двигателей в условиях Дальневосточного региона России» - г. Хабаровск (2013 г.); Международная научная конференция «Решетнев-ские чтения» - г. Красноярск (2009), Всероссийская научно-практическая конференция «Кулагинские чтения» (г. Чита) (2009-2011 г.г.).

Публикации. Основные результаты выполненных исследований и разработок опубликованы в 18 печатных работах, из них 6 в реферируемых журналах из перечня ВАК РФ; получено два российских патента на изобретения и один патент на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 130 наименований, приложения. Основной текст диссертации изложен на 168 страницах и содержит 78 рисунков.

Автор диссертации благодарит к.т.н., доцента В.Б. Кашубу за помощь в организации и проведении эксперимента.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы основные положения исследований, дана оценка научной и практической значимости работы.

Первая глава диссертации «Вибрационные воздействия и динамическое состояние технических объектов. Проблемы современного машиностроения» посвящена сравнительному обзору материалов исследований, связанных с поиском и разработкой способов и средств оценки, контроля и изменения динамического состояния механических систем в задачах вибрационной защиты, уменьшения колебаний объектов и виброизоляции. Проводится анализ используемых технических средств и направлений существующих разработок с учетом расширения представлений о свойствах виброзащитных систем.

Показано, что применяемые средства защиты от вибраций становятся все более разнообразными, что отражает тенденции введения и использования в виброзащитных системах широкого набора технических средств, имеющих упруго-диссипативные и массоинерционные свойства.

Используемые механизмы могут иметь различную физическую природу, что предопределяет интерес к обобщению задач вибрационной защиты и разработке методов оценки динамических взаимодействий между элементами виброзащитных систем, в том числе в контактах с объектом защиты и опорными поверхностями.

Большим разнообразием отличаются расчетные схемы технологических машин и транспортных средств, если иметь в виду широкое использование в механических колебательных системах механизмов и устройств для преобразования движения.

По существу, типовые элементы виброзащитных систем в виде пружин, демпферов и устройств для преобразования движения являются механизмами того или иного вида, которые реализуют соответствующие динамические свойства. Конструктивные формы реализации взаимодействий предполагают необходимость определения динамических усилий в контактах и разработку методической базы силовых расчетов для обеспечения надежности работы систем и безопасности их эксплуатации.

Представления об элементарных типовых звеньях механических колебательных систем основаны на абстрактных представлениях о свойствах пружин и демпферов. В большинстве случаев упомянутые свойства реализуются через различные механизмы. В свою очередь, механизмы могут быть различными и обладают большим разнообразием в формах преобразования движения. Приводятся данные о конструктивных особенностях виброзащитных систем в машинах, оборудовании и на транспорте. Изменяются и представления о свойствах объекта защиты, в отношении которого предлагаются более сложные схемы движения, а сам объект может быть представлен в виде объекта, состоящего из нескольких сочлененных твердых тел. В обзоре рассматриваются подходы, нашедшие отражение в методиках, утвержденных на уровне отраслевых стандартов. Расширение представлений о возможностях механических колебательных систем, включающих в свой состав механические цепи и меха-

низмы, приводит к существенному расширению. Теоретического базиса. В последние годы получают все большее применение методы и аналитический аппарат теории автоматического управления в связи с общностью динамических моделей сложных механических колебательных систем, как расчетных схем современных технических объектов и систем автоматического управления динамическим состоянием современных машин.

На основе анализа публикаций по оценке влияния вибраций на движение и формы взаимодействия типовых элементов расчетных схем виброзащитных систем сформулированы цель и задачи исследования.

Вторая глава диссертации «Развитие обобщенных подходов в задачах оценки и управления динамическим состоянием механических колебательных систем» связана с анализом постановок задач вибрационной защиты с использованием базовых моделей в виде систем, совершающих прямолинейные поступательные и колебательно-вращательные движения. На рисунках 1а, б показаны расчетная и структурная схемы виброзащитной системы с расширенным набором типовых элементов, в частности, с устройством для преобразования движения.

а)

Рисунок 1 - Базовая расчетная схема с одной степенью свободы (а) и её структурная схема (б)

Предлагается методика определения передаточных функций системы и оценки динамических свойств ВЗС при периодических воздействиях. Передаточные функции системы при различных наборах входных и выходных сигналов имеют различный вид в зависимости от формы внешнего воздействия:

0»о г 2=0

в

_Ьрг+Ьр + к_

(т+Ь + Ц)р2 +(Ь + Ь,)р + + к'

___ЪР2+Ь,Р + к1__

(т + Ь + Ь,)р2 + (Ь + Ь1)р + к, +к'

__1_

(т + Ь + ^р1 + + +к'

(1)

Выражения (1) могут быть получены из структурных схем на рисунке 16.

В работе приводятся обоснования адекватности математических моделей структурного вида и дифференциальных уравнений, получаемых методом Лагранжа: разработаны правила преобразования структурных схем. Расчетная схема виброзащитной системы, совершающей угловые колебания, приведена на рисунке 2, на котором показаны возможности пространственного размещения отдельных типовых элементов системы.

Передаточная функция системы содержит информацию о параметрах точек закрепления элементов и имеет вид:

УГ(р)=1=, М*"1'.***1. . . (2)

(т+¿¡'з )р2 +Ы1р+Ы?

где

• • • _'2. • -Л

'э — , > '2 !1 — , "

передаточ-

Рисунок 2 - Расчетная схема системы с раздельными точками крепления элементарных звеньев

ные отношения рычажных связей.

Рассмотрены особенности расчетных схем виброзащитных систем

(Рисунок 3) вращательно-качательного типа с точкой вращения, обеспечивающей воздействия разных знаков (Рычаг второго рода).

(3)

Рисунок 3 — Расчетная схема виброзащитной системы с разделением точек закрепления типовых элементов на невесомом стержне с промежуточным

центром вращения

Уравнение движения системы при использовании координаты .у имеет вид:

¿•{р* -[т-мо2: +А.('1'),}=

= 21 • { ' •■ 0 - ,")-£з'} ■ (• - <3 ) ■+ А'з • (! + !з )]• Р~ +

+ г[ы}р2 +Ы, +й,]+гз -■¡'гр~к1 •/,]

Объект защиты, как это следует из структурных моделей, отображается интегрирующим звеном второго порядка; на вход звена подается усилие, а выходным сигналом является смещение. Такая структурная интерпретация и функциональные различия между типовыми элементами структурной схемы исходной механической колебательной системой объясняются особенностями аналитического аппарата теории автоматического управления. Что касается свойств массоинерционных элементов, то они могут проявляться в двух формах: массоинерционный элемент является объектом защиты (или управления) либо массоинерционный элемент работает как типовой элемент аналогично упругим и диссипативным звеньям. Поиски способов расширения набора типовых элементов приводят к введению дополнительных связей, реализуемых механизмами.

Показано, что в математическом виде свойства дополнительных связей (или механизмов) интерпретируются типовым звеном, реализующим функции дифференцирующего звена второго порядка. Дальнейшее усложнение дополнительных связей, вводимых в базовую схему, приводит к структурам, которые имеют передаточные функции в виде дробно-рациональных выражений, что позволяет даже в простых моделях отображать сложные динамические взаимодействия реальных технических объектов с пространственной метрикой.

Характерными особенностями расчетных базовых схем системы вращательного типа является наличие рычага, имеющего пространственные размеры, поэтому существенное значение приобретают координаты точек закрепления типовых элементов, что формирует динамические взаимодействия, зависящие от геометрических параметров. Существенную роль приобретает и форма рычага, что предопределяет расположение элементов не только с одной стороны, но и с двух сторон точки вращения, а это обеспечивает при суммировании силовых факторов возможности взаимной компенсации.

Исходная модель может быть трансформирована, если технический объект достаточно сложен и при его упрощениях приходится учитывать ряд конструктивно-технических особенностей (Рисунок 4а - м).

а)

ж)

к)

в)

е)

Ч5=ЭГ

и)

м)

/У/ — *-777"

<?1 ^

"777-*-777~

Рисунок 4 — Варианты конструктивно-технического оформления виброзащитных устройств в системы поступательного прямолинейного движения объекта защиты с одной степенью свободы

В тексте диссертации дано детализированное описание виброзащитных устройств (ВЗУ) на основе рычагов первого и второго типов.

В точках контакта ВЗУ (Рисунок 4а) с объектом защиты (т. А/) и опорной поверхностью возникают динамические реакции. Кроме динамических в тт. А, А/ возникают и статические реакции, вызванные постоянными силами, в том числе силами тяжести объекта (и элементов ВЗУ). В общем случае реакции в т. А и т. А} не равны друг другу. К элементам ВЗУ также могут прикладываться внешние возмущения. В

простейшем виде ВЗУ может быть представлено (набором или по одиночке) типовыми элементарными звеньями в виде пружин, демпферов и устройств для преобразования движения, имеющих простые пере

даточные функции усилительного звена, а также дифференцирующих звеньев первого и второго порядков (Рисунок 46).

В третьей главе диссертации «Механизмы в структуре механических колебательных систем» рассмотрены вопросы построения математических моделей механических колебательных систем, в том числе, виброзащитных систем, в составе которых используются различные механизмы, взаимодействующие с типовыми элементами. В качестве примера на рисунках 5а, б приведена расчетная схема виброзащитной системы поступательного типа с рычажным механизмом второго рода (имеется патент на полезную модель).

а)

б)

-[/щр'+У^1

пи:р*

(4)

Рисунок 5 - Расчетная схема (а) и структурная (б) схемы виброзащитной системы с рычажным механизмом второго рода

Для движения по координате у уравнение движения принимает вид:

у\м + т?)р2 + у-(к + к112)=

= х\ ■ (/игр2 + £,/)+ г • {тр20 + к + к,(2)- • zг где / = ¡2 /I]- передаточное отношение рычага второго рода.

При введении рычажного механизма и учете возможных внешних возмущений в предположении, что действует только кинематическое возмущение, получим передаточную функцию в виде:

:(5)

е-о г (М + т1 )р +к + к1г

Структурная схема, приведенная на рисунке 56, может быть преобразована к виду, как показано на рисунках 6а, б, что необходимо для определения динамических реакций, что определяется параметрами обратной связи относительно объекта защиты 1

Мр2

а)

б)

Рисунок 6 - Структурная схема виброзащитной системы с рычагом второго рода при введении дополнительной отрицательной обратной связи на основе элемента т?р2 (а); введение дополнительной обратной связи на основе упругого элемента А/ (б)

ю

Использование рычага первого рода обеспечивает формирование другой системы динамических взаимодействий, что находит отражение в структуре выражений для передаточных функций. Рассмотрены возможности использования устройств преобразования движения для изменения; Их особенности заключаются в том, что они дополнительно формируют силу, зависящую от относительного ускорения, что качественно изменяет свойства системы.

Исследованы зависимости приведенных масс и жесткостей системы от геометрических параметров механизма (Рисунок 7). Получены математические модели системы при учете вращения двухзвенников вокруг вертикальной оси (Имеется патент на изобретение).

Рисунок 7 - Расчетная схема (а) системы со связью по абсолютному отклонению и схема для определения параметров движения (б)

Вращение с угловой скоростью Юо придает системе ряд особых динамических свойств.

При силовом возмущении Q (/) (при г = 0) передаточная функция имеет вид:

Рассмотрены случаи последовательного соединения винтового и шарнирного вращающегося механизмов.

Более сложные формы механических систем предполагают учет возможностей упругих взаимодействий между звеньями рычажных механизмов, что позволяет использовать последние для формирования в виброзащитных системах дополнительных динамических режимов, в том числе с возможностями проявлений приведенной отрицательной жесткости обобщенной пружины.

Методика построения математических моделей изложена на примерах механических систем, приведенных на рисунке 8.

Рисунок 8 - Расчетные схемы механических колебательных систем с рычажными связями: а - рычаг первого рода; б - рычажная связь с зубчатым зацеплением

При построении математических моделей могут учитываться инерционные свойства рычажных механизмов. Показано, что механические системы, имеющие звенья вращательного типа могут приводиться к эквивалентным в динамическом от-

(6)

ношении системам поступательного движения с соответствующими приведенными характеристиками, в частности, упругими, что показано на рисунке 9.

Особенностью системы на рисунке 9 является то, что рычажные связи вводятся в структуру компакта упругих элементов (или квазипружины. В теории цепей для учета рычажных связей применяются специальные приемы, которые не в полной мере отражают особенности динамических связей. В механических системах связь между парциальными системами, в физическом смысле, реализуется через рычажный механизм, который вращательное усилие превращает в силовые факторы взаимодействия между массами т1 и т2 в соответствии с теоретическими положениями механики. Таким образом, система с рычажными связями может быть представлена цепной системой с упругими элементами, образующими некоторые компакты (квазипружины); связи между парциальными системами имеют упругий характер; при этом массои-нерционные свойства рычага для статических расчетов полагаются малыми. Тип рычажного устройства имеет значение для построения передаточных функций системы.

Четвертая глава посвящена некоторым приложениям развиваемых на основе структурных интерпретаций механических колебательных систем с учетом их конструктивно-технических особенностей.

Рассмотрены особенности формирования динамических связей в системах с объектом защиты в виде твердого тела в плоском движении, что характерно для задач динамики транспортных машин. Для таких систем характерны инерционные связи между парциальными системами. Показаны возможности изменения динамических свойств системы в целом при введении дополнительных связей, реализуемых рычажными механизмами, как показано на рисунках 10а и б. а) б)

а) рычажно-шарнирный механизм; б) межпарциальная упругая связь к3

Структурная схема системы на рисунке 11 дает представление о математической модели системы.

Рисунок 11 - Структурная схема ВЗС в системе координат.)' и 9

Расчетная схема системы, приведенной к цепному виду и

содержащей рычажные связи

Новые связи могут изменять частоты собственных колебаний, а также частотные характеристики с формированием дополнительных динамических режимов. Развитие идей использования рычажных механизмов в формировании динамических свойств может проводиться с использованием рычагов с переменным передаточным отношением, как показано на рисунке 12.

Рисунок 12 - Расчетная схема механической системы с сочленением в виде кинематической пары IV класса

Система нелинейна, однако, для предварительных исследований её математическая модель может быть представлена системой дифференциальных уравнений (в линеаризированном виде):

т'у-¥у{кх +к2) + (р11а(к2 - Л,)+ 2к2Я2<р2 =кг, (7)

/0ф + ф(К2аг(к^ +к,))+уМк, - *,) + 6кЯ'аф1 + 2Щуф = 0. (8)

Если принять, что ф- » О, то структурная схема математической модели примет вид, как показано на рисунке 13.

Рисунок 13 - Структурная модель системы по рисунку 12

В заключительной части четвертой главы рассмотрены особенности построения математических моделей рычажного динамического гасителя колебаний с учетом особенностей его конструктивно-технического исполнения.

Упрощенная принципиальная схема рычажного динамического гасителя приведена на странице 11 автореферата (Рисунок 5). Предлагается методика расчета основных параметров рычажного динамического гасителя колебаний, исследованы динамические свойства системы при различных внешних воздействиях. Изготовлен и экспериментально изучались свойства гасителя на основе его лабораторного макета. На рисунке 14 показана принципиальная схема установки.

! М

-I1 ^ ^

т

Т

Рисунок 14 - Принципиальная схема установки. 1 - датчик выхода, 2 - датчик входа, у - выход, г - вход, к - коэффициент упругости пружины, М-защищаемый объект, т - пригруз

На рисунке 15 приведены амплитудно-частотные характеристики, полученные на экспериментальной установке.

а) б)

/ |<

/ /

1

1

и, Гц

О 1 ¿_; 1 5 с 7 3 510 м (Гц!

Рисунок 15 - Амплитудно-частотные характеристики экспериментальной установки: кривая 1 - соответствует

теоретическим расчётам, кривая 2 - соответствует экспериментальным данным; а) т =0.2 Кг б) т =0.4 Кг в) т =0.2 Кг

Результаты эксперимента дают достаточно хорошее совпадение с теоретическими предположениями об особенностях динамических свойств с рычажным динамическим гасителем колебаний.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основе изучения закономерностей формирования динамических свойств виброзащитных систем с учетом особенностей объектов защиты, совершающих движения определенного типа, разработан метод построения математических моделей, в рамках которого возможна оценка способов и средств изменения динамического состояния динамических систем.

2. Разработаны методологические основы и соответствующая технологическая основа оценки и учета особенностей расположения типовых элементарных звеньев в структуре механических колебательных систем.

3. Изучены и определены возможности рычажных связей, возникающих при вра-щательно-качательных движениях объектов защиты в составе виброзащитных систем с одной, двумя и более степенями свободы. На основе результатов исследований предложена методика построения оригинальных конструктивно-технических решений в задачах вибрационной защиты. Получено два российских патента.

4. Предложена и разработана методическая основа для оценки возможностей изменения динамических свойств виброзащитных систем при введении в состав систем механизмов различных конструктивно-технических форм. Показано, что реализация упругих, диссипативных и массоинерционных свойств в механических колебательных системах в большинстве практических ситуаций реализуется через различные механизмы, а в общем виде, через механические цепи.

5. Введение и учет возможностей механизмов в структуре механических колебательных систем основан на представлениях о том, что звенья механизмов совершают только малые упругие колебания относительно положения установившегося статического равновесия. В этом случае введение механизмов в рамках структурной теории виброзащитных систем интерпретируется как введение дополнительных обратных связей по ускорению движения объекта защиты.

6. Разработана методика определения динамических реакций, возникающих в точках контакта составных элементов колебательных систем между собой, а также в точках взаимодействия с опорными поверхностями. Показано, что такая задача решается как определение параметров обратной связи системы, приведенной к определенному виду. В частности, это связано с представлением объекта защиты от вибрации в виде звена интегрирования второго порядка.

7. Разработаны методы динамического синтеза виброзащитных систем, содержащих в своем составе различные механизмы. Предложена обобщенная теория рычажных динамических гасителей колебаний оригинальных конструктивных форм.

8. По результатам теоретических разработок проведены лабораторные испытания на лабораторном макете рычажного динамического гасителя колебаний, которые подтвердили возможности реализации исходных положений теоретического базиса.

ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендуемых ВАК

1. Ермошенко Ю.В. Возможности упрощения механических колебательных систем / Ю.В. Ермошенко, А.Н. Трофимов, Д.Н. Насников, Е.А. Паршута// Вестник Иркутского регионального отделения Академии наук Высшей школы. - 2010. - №2(17). -С. 147-154.

2. Паршута Е.А. Математическое моделирование в задачах динамического гашения колебаний / Е.А. Паршута, A.A. Гордеева II Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - Иркутск: изд-во ИрГУПС. - 2010. - №1 (25). - С.149-153.

3. Паршута Е.А. Возможные формы изменения динамического состояния виброзащитных систем / Е.А. Паршута, Е.В. Каимов // Металлургические процессы и оборудование. - Донецк, Украина: изд-во «Технопарк ДонГТУ «Унитех». -_2013. - №1 (31).- С.55-59.

4. Елисеев C.B. Некоторые вопросы теории виброизоляции. Обоснование структурных подходов / C.B. Елисеев, C.B. Ковыршин, Е.А. Паршута // Известия Иркутской государственной экономической академии. - Иркутск: изд-во БГУЭП. - 2013 -№3. - С.121-127.

5. Кашуба В.Б. К вопросу о формировании структуры базовых моделей виброзащитных систем / В.Б. Кашуба, Е.А. Паршута // Системы. Методы. Технологии. -Братск: изд-во БрГУ. - 2013. - №3(19). - С.66-76.

6. Кашуба В.Б. Вибрационная защита качающегося твердого тела, учет особенностей рычажных связей / В.Б. Кашуба, Е.А. Паршута // Системы. Методы. Технологии. - Братск: изд-во БрГУ. - 2013. - №4(20). - С.10-15.

Патенты и свидетельства:

7. Патент 2440238 RUS, МПК В28В11/08 E04F21/00. Динамически стабилизированный рабочий орган технологической машины / C.B. Белокобыльский, Л.А. Мамаев, В.Б. Кашуба, И.С. Ситов, Р.Ю. Упырь, Е.А. Паршута, А.Н. Трофимов. - № 2010115723/03; заявл. 20.04.2010; опубл. 20.01.2012, Бюл. №2. - 6с.

8. Патент 2440523 RUS, F16F15/04 F16F7/10. Способ реагирования жесткости виброзащитной системы и устройство для его осуществления / А.П. Хоменко, C.B. Елисеев, C.B. Белокобыльский, Р.Ю. Упырь, А.Н. Трофимов, Е.А. Паршута, В.В. Сорин. -№2010103239/11; заявл. 01.02.2010; опубл. 20.01.2012, Бюл.№2. -9 с.

9. Патент 133232 RUS, МПК F16F7/10 F16F15/04. Устройство для гашения колебаний / C.B. Елисеев, A.A. Савченко, А.Н. Трофимов, Е.А. Паршута, А.И. Артю-нин-№2013105925/11;заявл. 12.02.2013; опубл. 10.10.2013, Бюл.№28.

Публикации в других изданиях

10. Насников Д.Н. Формы и особенности динамического взаимодействия звеньев в виброзащитных системах с расширенным набором типовых элементов / Д.Н. Насников, А.Н. Трофимов, Е.А. Паршута // Решетневские чтения: материалы XIII Международной научной конференции, посвященной 50-летию Сибирского государственного аэрокосмического университета им. Академика М.Ф. Решетнева, 85-летию со дня рождения генерального конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф. Решетнева, Красноярск и Железногорск - 10-12 ноября 2009 г. - Красноярск: изд-во Сиб. Гос. аэрокосм, ун.-та, 2009. - 41. — С. 216-217.

11. Паршута Е.А. Некоторые подходы к динамическому гашению колебаний» / Е.А. Паршута, Е.В. Каимов, A.C. Миронов // Техника и технология: новые перспективы развития: материалы VII Международной научно-практической конференции, Москва. - 26 ноября 2012 г. - Москва: изд-во «Спутник +», 2012. - С. 36-40.

12. Елисеев C.B. О возможностях мехатронных подходов к задачам виброзащиты технических объектов / C.B. Елисеев, Е.А. Паршута, P.C. Большаков // Вибрация машин: измерение, снижение, защита - Донецк, Украина - изд-во «Технопарк ДонГТУ «Унитех». - 2012. - №4 (31). - С. 46-49.

13. Елисеев C.B. Особенности виброзащитной системы с объектом защиты в виде твердого тела. Динамические реакции / C.B. Елисеев, Е.А. Паршута, P.C. Большаков // Наука в современном информационном обществе: Международная научно-практическая конференция, Москва. - 3-4 апреля 2013 г. - Москва: изд-во spc. Academic.-Том 1.-С.101-116.

14. Ермошенко Ю.В. Динамические гасители колебаний. Обобщенные подходы / Ю.В. Ермошенко, Е.А. Паршута, Е.В Каимов // Транспорт-2013: Материалы Международной научно-практической конференции, Ростов-на-Дону. - 24-26 апреля 2013 г. - Ростов-на-Дону: изд-во D&V, 2013. - Ч. II. - С. 152-154.

15. Паршута Е.А. Определение динамических реакций в механических колебательных системах. Структурные подходы / Е.А. Паршута // Информационные и математические технологии в науке и управлении: труды XVIII Байкальской Всероссийской конференции с международным участием, Иркутск-Байкал. - 1-10 июля 2013. -Иркутск: изд-во ИСЭМ СО РАН. - 4.1. - С.216-221.

16. Паршута Е.А. Механизмы в механических колебательных системах как форма введения дополнительных связей / Е.А. Паршута // Интеллектуальные и материальные ресурсы Сибири: Региональная научно-практическая конференция - Иркутск, БГУЭП. - 2013. - С.42-48.

17. Елисеев C.B. Виброзащитные системы. Динамические реакции и методы их определения / C.B. Елисеев, Е.А. Паршута, Е.В. Каимов // Актуальные проблемы создания и эксплуатации тепловых двигателей в условиях Дальневосточного региона России: Материалы Международной научно-технической конференции, Хабаровск. -16-20 сентября 2013 г. - Хабаровск: изд-во Тихоокеан. Гос. ун-та. - С.279 - 284.

18. Елисеев C.B. Передаточные функции механической колебательной системы. Возможности оценки приведенной жесткости / C.B. Елисеев, Е.А. Паршута, P.C. Большаков // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. - Пенза: изд-во «Издательский дом «Академия естествознания». - 2013. - №1. -С.11-18.

Паршута Евгений Александрович

ОЦЕНКА ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВИБРОЗАЩИТНЫХ СИСТЕМ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ И ПРОЕКТИРОВАНИИ ОБЪЕКТОВ МАШИНОСТРОЕНИЯ

Специальность 05.02.02 - «Машиноведение, системы приводов и детали машин»

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Подписано в печать 25.04.2014 Заказ № 2300

Формат 60x84/16. Объем' 1 п.л. Тираж 81 экз.

Типография ИрГУПС, Юридический адрес: 6647074, Иркутск, Чернышевского, 15 Телефон: 8-(3952)-638-329 E-mail: kupriyanov_av@irgups.ru

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

На правах рукописи

/

04201459472 /,*

■ // /

✓ >

Паршута Евгений Александрович

ОЦЕНКА ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВИБРОЗАЩИТНЫХ СИСТЕМ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ И ПРОЕКТИРОВАНИИ ОБЪЕКТОВ

МАШИНОСТРОЕНИЯ

Специальность 05.02.02 - «Машиноведение, системы приводов и детали машин»

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель засл. деятель науки РФ д.т.н., профессор Елисеев C.B.

Иркутск 2014

Введение..........................................................................................................................................................................5

Глава 1. Вибрационные воздействия и динамическое состояние

технических объектов. Проблемы современного машиноведения..................11

1.1. Динамические взаимодействия элементов машин: способы и средства изменения вибрационного состояния..............................................................................................................14

1.2. Особенности виброзащитных систем, элементная основа и конструктивно-технические формы дополнительных связей..........................................24

1.2.1. Рычажные и гироскопические механизмы..........................................................................24

1.2.2. Механизмы специального назначения...............................................................................27

1.2.3. Некоторые средства решения задач вибрационной защиты на 31 транспорте..................................................................................

1.2.4. Особенности объекта защиты человека-оператора технологических машин................................................................................................................................................................................36

1.3. Механизмы в механических колебательных системах низкочастотных вибрационных машин и вибростендов..............................................................................................42

1.4. Особенности рычажных механизмов и их учет в оценке динамических свойств технических систем........................................................................................................................47

1.5. Методы динамического синтеза виброзащиты. Особенности технологии

выбора параметров динамических расчетов....................................................50

Выводы по 1-ой главе......................................................................................................................................55

Цель и задачи исследований........................................................................................................................56

Глава 2. Развитие обобщенных подходов в задачах оценки и управления

динамическим состоянием механических колебательных систем..................58

2.1. Учет конструктивных особенностей объектов защиты..............................................58

2.1 Л. Описание подхода..................................................................................................................................59

2.1.2. Математическая модель системы вращательного типа........................................64

2.1.3. Особенности динамических свойств системы вращательного типа............65

2.1.4. Система вращательного типа с невесомым стержнем с промежуточной точкой опоры..........................................................69

2.1.5. Сравнительный анализ возможностей виброзащитных систем двух

видов................................................................................................................................................................................72

2.1.6. Некоторые обобщенные представления о базовых моделях........................73

2.2. Определение приведенных жесткостей в системах с вращающимся

объектом защиты....................................................................................................................................................78

2.2.1. Случай несовпадения центра тяжести и центра вращения рычага

второго рода................................................................................................................................................................78

2.2.2. Учет особенностей расположения упругих элементов........................................81

2.2.3. Смещение центра тяжести в системе с рычагом первого рода......................85

2.2.4. Определение статических реакций при действии постоянной силы.... 86

2.2.5. Возможные формы введения дополнительных связей..........................................88

Выводы по 2-ой главе..........................................................................................................................................90

Глава 3. Механизмы в структуре механических колебательных

систем..................................................................................................................................................................................................................................92

3.1. Рычажно-шарнирные механизмы как элементы колебательной

системы..................................................................................................................................................................................93

3.2. Связи в виброзащитной системе, формируемые рычагом первого

рода....................................................................................................................................................................................99

3.2. Шарнирно-рычажные механизмы как элементы механических колебательных систем........................................................................................................................................102

3.3. Механизмы со сложным движением в колебательных структурах....................103

3.3.1. Особенности динамических свойств системы с вращающимся двухзвенником..........................................................................................................................................................104

3.3.2. Динамический гаситель колебаний в соединении с винтовым несамотормозящимся механизмом..........................................................................................................109

3.4. Построение математических моделей механических колебательных

систем с механизмами комбинированного типа..............................................................................112

3.4.1. Особенности построения математических моделей................................................114

3.4.2. Режим динамических взаимодействий с рычажным механизмом................118

Выводы по 3-ей главе............................................................................................................................................125

Глава 4. Методические основы построения математических моделей

объектов при вибрационных возмущениях..................................................................................127

4.1. Особенности межпарциальных связей в структурных схемах виброзащитных систем с объектом защиты в виде твердого тела..............................127

4.1.1. Оценка динамических свойств......................................................................................................129

4.1.2. Режимы динамического гашения..............................................................................................130

4.1.3. Некоторые примеры приложений..............................................................................................134

4.2. Использование рычажных связей в сочленениях звеньев......................................135

4.2.1. Рычажная связь с переменным передаточным отношением..................................136

4.2.2. Особенности построения математических моделей..................................................138

4.2.3. Динамические свойства системы с рычажными связями на основе подвижного контакта..........................................................................................................................................141

4.3. Динамический гаситель колебаний на основе рычага второго рода..................144

4.3.1. Построение математической модели..........................................................................................144

4.3.2. Некоторые результаты лабораторных экспериментов................................................147

Выводы по 4-ой главе..............................................................................................................................................151

Основные выводы по диссертации..............................................................................................................153

Список литературы................................................................................................................................................155

Приложение..................................................................................................................................................................168

Введение

Современные машины и агрегаты являются сложными техническими системами, содержащими силовые передачи, исполнительные механизмы и вспомогательные устройства. Многие машины, особенно транспортные, работают с большими нагрузками и подвергаются вибрациям и ударам в контактах с рабочей средой. Повышение требований к динамическому качеству машин, точности исполнения рабочих движений, обеспечению надежности работы деталей, узлов и сопряжений при знакопеременных нагрузках приводит к необходимости оценки, контроля и управления динамическим состоянием технической системы в целом и ее отдельных узлов. Обеспечение надежности и безопасности функционирования машин закладывается на стадиях предпроектных исследований и должно обеспечиваться на всех стадиях проектирования, производств и эксплуатации машин. Создание современных машин опирается на соответствующую научную основу, создаваемую в области машиноведения, механики, теории механизмов, динамики и прочности машин.

Уменьшение вибраций, возникающих при работе машин как факторов внутренней природы или воздействий со стороны внешнего окружения, можно отнести к знаковым проблемам динамики. Вибрации свойственны практически всем машинам, что предопределяет некоторую общность в поиске способов и средств оценки контроля и управления динамическим состоянием.

Обеспечение надежности и безопасной эксплуатации машин и механизмов делает актуальными проблемы анализа их технического состояния, прогнозирования остаточного ресурса и аварийных ситуаций, что требует развития методов математического моделирования и оценки динамических свойств систем.

Решение задач вибрационной защиты все чаще рассматривается как разработка способов и средств управления динамическим состоянием технических объектов, в структуру которых входят многочисленные узлы и механизмы, взаимодействующие между собой в условиях интенсивных внутренних и внешних периодических и ударных возмущений.

Существующие методы анализа и динамического синтеза виброзащитных систем достаточно хорошо развиты и имеют нормативную базу, представленную системой отечественных и международных стандартов. Вместе с тем, современное машиностроение и его теоретические основы активно развиваются в направлениях интеграции методов теоретической механики, теории механизмов и машин, теории колебаний с методами теории автоматического управления и теории цепей. Структурные методы исследования механических колебательных систем, получившие развитие в последние десятилетия, создают возможности обобщенного рассмотрения динамического взаимодействия механизмов и устройств различной физической природы.

Используемые в исследованиях математические модели механических колебательных систем, построенные на абстрактных элементах, обеспечивающих массоинерционные, упругие и диссипативные свойства, реализуется через конкретные механические цепи, в том числе, различные механизмы. В этом плане исследование и разработка методов и способов оценки динамических свойств механических колебательных систем, имеющих в своем составе механизмы различной природы, работающих во взаимодействии с традиционными элементами, представляется актуальным научным направлением.

Теоретический базис современного машиноведения и машиностроения в решении задач динамики, обеспечения надежности и безопасности эксплуатации современной техники в условиях интенсивного динамического нагружения связан с работами отечественных и зарубежных ученых. В области машиноведения и динамики машин известны труды И.И. Артоболевского, К.В. Фролова, Р.Ф. Ганиева, И.А. Биргера, H.A. Махутова, В.А. Ивовича, Я.Г. Пановко, Н.И. Левитского, K.M. Рагульскиса, А.Е. Кобринского, Г.В. Крейнина,

A.П. Бессонова, B.JI. Вейца, И.И. Вульфсона, И.И. Блехмана, М.З. Коловского,

B.А. Щепетильникова, М.Д. Генкина, A.B. Синева, C.B. Елисеева, Р.В. Ротенберга, C.B. Белокобыльского и др. Большой вклад внесли работы зарубежных ученых Цзе Ф, Морзе И.Е., Хинкла Р.Т., Вукобратовича М., Snowdon I.C., Lakanne С., Лилова Л.К., Кин Н. Тонга, С.П. Тимошенко и др.

Интеграция представлений о динамических свойствах механизмов в структурах механических колебательных систем предполагает интерес к вопросам статического и динамического уравновешивания механизмов, введения инерционных связей, а также развития подходов, ориентированных на определение приведенных параметров систем.

В этом плане возникает ряд проблем, решение которых связано с необходимостью учета особенностей построения виброзащитных систем и конструктивно-технических форм реализации систем защиты объектов от внешних воздействий. Насыщение современных машин исполнительными механизмами различной физической природы, требования к регламентации параметров динамического состояния предопределяют актуальность научных исследований, направленных на поиск и разработку способов и средств обеспечения динамического качества технических объектов.

Цель диссертационной работы заключается в разработке метода построения математических моделей виброзащитных систем, имеющих в своем составе различные механизмы, позволяющие решать задачи оценки динамических свойств и возможностей динамических взаимодействий, а также поиска и разработки новых конструкторско-технических решений.

Для достижения цели предполагается решение ряда задач:

1. Изучить возможности и особенности построения математических моделей механических колебательных систем, имеющих в своем составе механические цепи, в том числе различные механизмы, а также закономерности динамических взаимодействий между элементами системы.

2. Предложить и разработать метод построения математических моделей виброзащитных систем, имеющих механизмы в качестве составных элементов.

3. Разработать научные основы теории динамических взаимодействий элементов виброзащитных систем для обеспечения методических подходов в определении динамических свойств систем и их динамических реакций в частности.

4. Разработать научно-методическую базу для поиска и разработки новых конструктивно-технических решений в задачах вибрационной защиты технических объектов.

Научная новизна заключается в разработке метода построения математических моделей механических колебательных систем, в частности, виброзащитных систем, содержащих в своем составе различные механизмы, обеспечивающие определение динамических свойств систем при различных видах объектов защиты и учете возникающих динамических реакций в контактах с опорными поверхностями и элементов между собой.

Объектом исследования являются технические системы в виде машин и механизмов, расчетные схемы которых представляют собой механические колебательные системы, находящиеся под действием внешних и внутренних силовых и кинематических возмущений.

Предметом исследований являются динамические процессы, происходящие в виброзащитных системах, в структуре которых, кроме обычных упруго-диссипативных и массоинерционных элементов используются различные механизмы и устройства для преобразования движения.

Теоретическая и практическая значимость результатов. Предложена методологическая основа решения задач динамики технических объектов сложной структуры, что характерно для современных направлений машиностроения, связанных с развитием транспортных средств, мобильной и промышленной робототехники, мехатроникой и системами управления динамическим состоянием. Основой для решения задач динамики являются структурные методы, в рамках которых используются возможности аналитического аппарата теории автоматического управления, что обеспечивает в задачах динамического синтеза виброзащитных систем условия учета особенностей элементарных звеньев различной физической природы и особенностей их соединений и взаимодействия. Предложена и разработана основа методов построения математических моделей различных механических колебательных систем, отражающих специфику работы механических систем с

учетом геометрических особенностей расположения элементов и многообразных форм их взаимодействия. Ряд предложений выполнен на уровне изобретений

Результаты исследований представляют интерес для решения задач динамики механизмов и машин различного назначения, работа которых регламентируется требованиями к ограничению уровня вибрации и динамических сил, возникающих на объекте защиты, выделяемыми в технической системе.

Методология и методы исследования. Поставленные задачи решаются на основе применения методов теоретической и прикладной механики, а также использования аналитического аппарата теории колебаний, теории автоматического управления и теории механических цепей.

Положения, выносимые на защиту.

1. Метод построения математических моделей виброзащитных систем, основанной на развитии структурных представлений механических колебательных систем с дополнительными связями.

2. Научные результаты исследований, определяющие новые динамические свойства виброзащитных систем с дополнительными связями, реализуемые различными механизмами.

3. Научно обоснованная методика определения статических и динамических реакций в механических колебательных системах вращательного, поступательного и комбинированного типов.

Достоверность результатов. Научные результаты диссертации получены на основе фундаментальных положений и методов теоретической механики, теории колебаний, динамики машин, экспериментальных методов исследования.

Реализация работы. Результаты работы использованы при выполнении исследований по гранту в рамках ФЦП «На