автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.18, диссертация на тему:Выбор структуры и параметров активных пневматических и гидропневматических виброизоляторов

Введение

Глава I. Анализ условий работы виброизоляторов. Постановка задачи,

1.1. Требования к активным виброизоляторам,

1.2. Активные виброизолирующие системы (АБС).Обзор

1.3. Цели и задачи исследования стр. . 4. 7. . 16. . 25.

Глава 2. Определение динамических характеристик пневматических и гидропневматических активных виброизоляторов

2.1. Расчетные схемы и основные допущения,, . 27.

2.2. Расходные характеристики золотников и межкамерных дросселей . 34.

2.3. Уравнения движения виброизолируемой массы и состояния рабочего тела.Линеаризация уравнений . 40.

2.4. Динамические характеристики активных виброизоляторов . 49.

Глава 3. Выбор структуры и параметров АБС,

3.1. Основные критерии качества и варьируемые параметры. 58.

3.2. Устойчивость и предельные возможности АБСу . 63.

3.3. Оптимизация параметров- . 75.

Глава 4. Расчет некоторых схем виброизоляторов,.

4.1. Активный пневматический виброизолятор с управлением в демпферной камере

4.2. Активный гидропневматический виброизолятор

4.3. Пассивный пневматический двухкамерный виброизолятор.98.

Глава 5. Экспериментальные исследования макетных образцов виброизоляторов;

5.1. Стенд для определения динамических характеристик АБС, Методика экспериментального исследования .101.

5.2. Стенды для определения пропускной способности и динамических характеристик золотников .109,

5.3. Макет активного пневматического виброизолятора .ИЗ.

5.4. Анализ результатов экспериментального исследования.120,

В нашей стране и за рубежом в последние 15-20 лет остро поставлен вопрос о снижении шума и вибрации машин и механизмов, что приводит к необходимости уже на этапе проектирования предусматривать конструктивные и технологические мероприятия,направленные на снижение динамических сил в источнике возбуждения, изоляцию и поглощение воздушного шума и вибрации.Среди способов борьбы с вибрацией наибольшее распространение получила изоляция механизмов ^ источников вибрации J от фундамента и изоляция изгибных волн на пути их распространения [7,26,41,46] .

Данная работа посвящена повышению эффективности виброизолирующего крепления механизмов за счет применения активных пневматических и гидропневматических виброизолирующих систем.В работах отечественных и зарубежных авторов [37,51,58,59,70,81] активные виброизолирующие системы (ABC) представлены широким классом схем и конструкций,среди преимуществ которых отмечены [8l] :

- малая жесткость при высокочастотном гармоническом возбуждении;

- высокая жесткость при низкочастотном возбуждении;

- нулевые статические перемещения;

- возможность выбора формы амплитудно-частотной характеристики.

Получившие распространение в различных отраслях машиностроения образцы ABC [51,72,85] не могут использоваться в транспортном машиностроении,поскольку не обеспечивают требуемых динамических характеристик в широком диапазоне частот при изменении режимов эксплуатации машины.Однако,пневматические и электрогидравлические ABC ^проектированные с учетом специфических требований,могут оказаться перспективными и в транспортном машиностроении [25,42,8б] .

В настоящей работе предложен метод выбора структуры и параметров активного виброизолятора,приведены результаты экспериментального исследования созданного макетного образца ABC большой грузоподъемности. Совпадение результатов расчета с экспериментом подтверждает справедливость сделанных допущений,выводов и рекомендаций,что позволяет использовать их при разработке образцов ABC для современных машин и механизмов.

На защиту выносятся следующие положения: метод выбора структуры и параметров ABC по трем критериям качества результаты исследования влияния параметров на устойчивость и сформулированные критерии качества ;методики и результаты экспериментального исследования динамических характеристик виброизоляторов в диапазоне частот (0,001 - 250) Гц.

В первой главе работы,на основе анализа возмущающих сил, действующих на виброизолятор,сформулированы требования к ABC, выполнен обзор конструктивных схем, определены цели и задачи исследования.

Во второй главе определены динамические характеристики двухкамерных АБС с регулятором золотникового типа.Расчетная модель выбрана с учетом структуры ABC и частотного диапазона динамического воздействия.При составлении дифференциальных уравнений, описывающих поведение системы,приняты обычные допущения теории пневмопривода [28,31,37,42] .Переход к безразмерным параметрам позволил сократить число неизвестных,шире исследовать возможности системы и получить более общие выводы.Линеаризация уравнений, допускаемая при рассмотрении малых колебаний,дала возможность получить решение с помощью известных методов линейной теории автоматического регулирования [1,2,57] .

В третьей главе решена задача выбора структура и параметров ABC с учетом трех 1фитериев качества,представленных в виде функционалов динамических характеристик.Наилучшая структурная схема АБС выбиралась путем сравнения ряда вариантов по предельному увеличению жесткости на низких частотах ограниченному условием устойчивости. Выбор параметров АБС заключался в построении допустимой области проектных решений и выделении из неё множества неулучшаемых моделей с учетом критериальных и параметрических ограничений [ 66,67]. При этом использован метод численного исследования пространства безразмерных параметров в области устойчивости с графическим представлением зависимостей безразмерных критериев качества от трех варьируемых безразмерных параметров.

В четвертой главе выполнен расчетный анализ некоторых схем АБС,определены рациональные сочетания параметров для пневматических и гидропневматических виброизоляторов с заданными динамическими характеристиками и минимальным расходом рабочего тела.Для пассивных двухкамерных схем определены оптимальные параметры,обеспечивающие максимальный коэффициент поглощения энергии с учетом ограничений на статическую жесткость.

В пятой главе приведены результаты экспериментальной проверки метода расчета.Исследования,выполненные на специально созданных стендах,позволили определить статические и динамические характеристики активного виброизолятора и отдельных его компонентов. Показано,что результаты аналитического исследования и эксперимента совпадают.

В приложении приведены обозначения,соотношения размерных и безразмерных параметров,расчетные схемы виброизоляторов и уравнения динамики.

Список литературы содержит 87 наименований.

Основные результаты и выводы

1. Разработан метод выбора параметров активных пневматических и гидропневматических виброизоляторов с заданными структурой и резонансной частотой fp позволяющий определять допустимую область решений в пространстве трех критериев качества ( демпфирование на частоте jp ,динамическая жесткость на частоте н & /р ,расход рабочего тела ) с учетом параметрических и критериальных ограничений.

2. Выбрана наилучшая структура виброизолятора по максимуму динамической жесткости на частоте /н ,ограниченному условием устойчивости.Показано,что динамическая жесткость двухкамерного виброизолятора с управлением в демпферной камере может быть увеличена в 10-12 раз на частоте = 0,2 Гц по сравнению с пассивным виброизолятором с собственной частотой fc~ fp = Гц.

3. Определена допустимая область проектных решений и выделено множество наилучших проектов путем построения в плоскости двух критериев ( демпфирование на частоте ,расход рабочего тела) изолиний динамической жесткости на частоте jH ,характеризующих зависимость максимального демпфирования на частоте от расхода рабочего тела.

4. Показано,что среди наилучших решений практический интерес представляет решение,соответствующее минимальному расходу рабочего тела и критериальным ограничениям на демпфирование на частоте и динамическую жесткость на частоте fH .

5. Создан и испытан макетный образец активного виброизолятора грузоподъемностью W = 10sк и резонансной частотой fp = 2 Гц, у которого коэффициент поглощения энергии равен =0,9 на частоте ,а динамическая жесткость на частоте fH = 0,1 Гц в шесть раз выше жесткости пассивного виброизолятора с собственной частотой /с = /р • Дяя обеспечения заданных динамических характеристик при гармоническом возбуждении силой Qo4 0,W на частоте fH необходим источник энергии мощностью А(ст 7/ 500 вт и расходом воздуха Q > 3-Ю~Ъкг/с.

6. Построена динамическая модель активного виброизолятора в диапазоне частот (0,001-250)Гц на основе экспериментальных зависимостей коэффициента поглощения энергии и динамической жесткости от частоты для пневматических резино-кордных элементов.

7. Разработаны методики экспериментального исследования и созданы специальные стенды для испытания виброизоляторов и их элементов. На одном из стендов имитировалось реальное нагружение виброизоляторов грузоподъемностью W4 Ю^н, при этом электродинамический вибровозбудитель развивал гармоническую силу амплитудой

Oo ^ 100 н в диапазоне частот (0-20)Гц, а пневматический нагружатель - перио,диче скую силу амплитудой Q9n41,b' 10* н с периодом Тн =(2-20)с.

8. Определены оптимальные параметры пассивного двухкамерного виброизолятора, обеспечивающие максимальное демпфирование на резонансной частоте при ограничении на статическую жесткость.Показано, что присоединение демпферной камеры,объем которой составляет 20/о объема рабочей камеры,приводит к увеличению в 2-4 раза коэффициента поглощения энергии на резонансной частоте и снижению статической жесткости на 10-20$ в зависимости от типа резино-кордного элемента.

9. Достоверность предлагаемого метода расчета и справедливость принятых допущений подтверждена экспериментальными исследованиями макетных образцов виброизоляторов.Практическая реализация в промышленности рекомендаций (п.8) позволяет уменьшить в 2-4 раза амплитуды перемещений механизмов на первых резонансных частотах.

1.Айзерман М.А. Лекции по теории автоматического регулирования. М.:Изд.технико-теоретической литературы,1956.427с.

2. Бабаков И.М. Теория колебаний. М.:Наука,1968.560с.

3. Башта Т.М. Машиностроительная гидравлика. М.:Машиностроение, 1971. 671с.

4. Белоусов А.И.,Самсонов В.Н. .Токарев И.П. Алгоритм проектирования пневматического разгрузочного устройства вибростенда.-Вестник машиностроения,1979, № 12, с.24-26.

5. Белоусов А.И.,Сидоренко А.А.,Токарев И.П.,Чегодаев Д.Е. Виброизолирующие свойства газостатических опор.-Вестник машиностроения, 1979, № 4, с.29-31.

6. Беляев О.М. ,Выговский К.А. .Филипов И.Б. О стабилизации уровня пневматического активного виброизолятора при низкочастотном воздействии.-В кн.:Методы и средства виброзащиты человека.1. М.:Наука,1977, с.84-88.

7. Беляковский Н.Г. Конструктивная амортизация механизмов, приборов и аппаратуры на судах. Л.:Судостроение,1965. 412с.

8. Бидерман В.Л. Теория механических колебаний. М.:Высшая школа,1980. 408с.

9. Богачева А.В. Пневматические элементы систем автоматического управления. М.:Машиностроение,1966. 240с.

10. Болотник Н.Н.,Икердт Р. Оптимизация параметров амортизационных систем. М.:ИПМ АН СССР, 1976 . 36с.

11. П.Бухтина Т.М.,Потемкин Б.А.,Синев А.В.,Фролов К.В. Синтез оптимальной виброзащитной системы человека-оператора с учетом динамических свойств тела человека.-В кн.:Вопросы надежности и вибрационной защиты приборов. Иркутск:ИЛИ,1972, с.25-33.

12. Вейцман Р.И.,Остапишин Н.М.Тарханов Г.В. О работе резино-металлических амортизаторов.-В кн.:Виброизолирующие системы в машинах и механизмах. М.:Наука,1977,о.74-76.

13. Вибрация энергетических машин:справочное пособие / Под.ред. Н.В.Григорьева. Л.:Машиностроение,1974. 464с.

14. Вишневский B.C. ,Остапишин Н.М.,Тарханов Г.В.Экспериментальное исследование динамических характеристик амортизаторов.-В кн.: Динамические процессы в механизмах с зубчатыми передачами.1. М.:Наука,1976, с.92-96.

15. Авторское свидетельство № 672401 (СССР). Пневматическая опора / Вишневский В.С.,Генкин М.Д.,0стапишин Н.М.Тарханов Г.В.-Опубл. в Ш,1979, № 25.

16. Вишневский B.C.,Остапишин Н.М. О зависимости коэффициента поглощения машин от демпфирования в их виброизоляторах.

17. В кн.:Второй всесоюзный съезд по теории машин и механизмов.Тезисы, часть I. Киев:Наукова думка,1982, с.86.

18. Выговский К.А. Динамика пневматического активного амортизатора для защиты приборов на подвижном основании.-Машиноведение, 1976, № 2, с.30-36.

19. Выговский К.А. Оптимизация параметров активного пневматического амортизатора на подвижном объекте.-Машиноведение, 1980, 1 4, с.21-25. »

20. Генкин М.Д. Теоретические основы и принципы проектирования малошумных механизмов,машин и их узлов.-В кн. :Методы виброизоляции машин и присоединенных конструкций. М.:Наука,1975, с.З-П.1

21. Генкин М.Д.,Елезов В.Г.,Яблонский В.В. Методы активного гашения вибраций механизмов. В кн.:Динамика и акустика машин. М.:Наука,1971, с.70-88.

22. Генкин М.Д.,Елезов В.Г.,Яблонский В.В. Особенности некоторыхсхем активной виброизоляции с комбинированным управлением.-В кн.:Акустическая динамика машин и конструкций. М.:Наука, 1973, с.61-65.

23. Генкин М.Д.,Елезов В.Г.,Яблонский В.В. Критерии для выбора схем активной виброизоляции механизмов.-В кн.:Акустическая динамика машин и конструкций. М.:Наука,1973, с.66-69.

24. Генкин М.Д. ,Елезов В.Г.,Яблонский В.В./Фридман Э.Л. Развитие методов активного виброгашения.-В кн.:Методы виброизоляции машин и присоединенных конструкций. М.:Наука ,1975,с.58-66.

25. Генкин М.Д.,Тарханов Г.В. Перспективные схемы амортизации судового оборудования.-В кн. :Методы виброизоляции машин и присоединенных конструкций. М. :Наука, 1975,с.42-46.

26. Генкин М.Д.,Тарханов Г.В. Некоторые проблемы снижения виброактивности машин и механизмов.-В кн.:Методы создания машин в малошумном исполнении. М.:Наука, 1978,с.3-5.

27. Генкин М.Д.,Тарханов Г.В. Вибрация машиностроительных конструкций. М.:Наука,1979 . 165с.

28. Герц Е.В.,Крейнин Г.В. Теория и расчет силовых пневматических устройств. М. :АН СССР, I960, 177с.

29. Герц Е.В. ,Крейнин Г.В.,Фролов М.Л. Экспериментальное определение коэффициента расхода пневматических устройств.-Машиноведение, 1965 2, с.48-53.

30. Герц Е.В.,Крейнин Г.В. Расчет пневмоприводов. М.:Машиностроение, 1975. 272с.

31. Гидравлические и пневматические силовые системы управления. /Под. ред. Дж.Блэкборн,Г.Ритхоф,Дж.Л.Шерер. М.:ИЛ,1962. 614с.

32. Гунько Н.В. ,Дворянцева Л.А. Виброизолирующие устройства. М.:НИИТЭХИМ, 1978. 40с.

33. Джонсон. Метод оптимального проектирования.-Конструирование и технология машиностроения. М.:Мир, 1979,№ 4, с.76-83.

34. Елисеев С.В. Структурная теория виброзащитных систем. Новосибирск: Наука, 1978. 222с.

35. Елисеев С.В.,Королев Ю.В. О возможности изменения динамических свойств механических систем путем введения дополнительных электродинамических связей.-В кн.:Вопросы надежности и вибрационной защиты приборов. Иркутск: ИЛИ,1972, с.55-60.

36. Елисеев С.В.,Лонцих П.А. Оценка возможности линеаризации в пневматических системах.-В кн.:Вопросы механики деформируемых сред. Иркутск:ИЛИ,1973, с.126-136.

37. Ильинский B.C. Защита аппаратов от динамических воздействий. М.:Энергия,1970. 320с.

38. Исмаилзаде. Компактные самодемпфирующиеся пневматические амортизаторы для автомобилей. Конструирование и технология машиностроения. М.:Мир,1980, № 2,с.67-75.

39. Клгокин И.И. Борьба с шумом и звуковой вибрацией на судах. Л.:Судостроение,1971. 416с.

40. Коловский М.З. Автоматическое управление виброзащитными системами. М.:Наука,1976. 319с.

41. Кольский Г. Волны напряжения в твердых телах. М.:И1,1955, 192с.

42. Крейнин Г.В. ,Остапишин Н.М. Выбор модели мембранного амортизатора на воздушной подушке. В кн.:Методы создания машин в малошумном исполнении. М.:Наука,1978,с.72-75.

43. Куприянов Н.Н. Виброизолирующая и противоударная амортизация судовых механизмов и оборудования. Л. :Ин-т повышения квалификации руководящих работников и специалистов судостроительной промышленности,1973. 38с.

44. Определение технических требований к средствам виброизоляции оборудования.Методика. М.:ВНИИНМАШ,1972. 20с.

45. Пашов А.Т. Исследование и синтез управления низкочастотной активной пневматической виброопоры.-Автореферат диссер.на соискание ученой степени к.т.н. Л.:ЛПИ,1976, 18с.

46. Певзнер Я.М.,Горелик A.M. Пневматические и гвдропневмати-ческие подвески. М.:МАШГИЗ , 1963. 319с.

47. Пневматическое оборудование. Каталог-справочник. М.:Научно исследов.ин-т информации по машиностроению,1967 ,141с.

48. Пневматические устройства и системы в машиностроении. Справочник / Под общей ред. Е.В.Герц. М.:Машиностроение, 1981.408с.

49. Авторское свидетельство № 26I83I (СССР. Виброизолирующая опора / Пуш В.Э.,Ривин Е.И.,Шмаков В.Т. Опубликовано в1. Ей, 1970, № 5.

50. Ройтенберг Я.Н. Автоматическое управление. М.:Наука,Главная редакция физико-математической литературы, 1971. 396с.

51. Ривин Е.й. Перспективы применения виброизоляторов и систем установки с автоматическим регулированием для стационарного оборудования.-В кн.:Вопросы надежности и вибрационной защиты приборов. Иркутск:ИЛИ,1972, с.92-97.

52. Ривин Е.И. Виброизоляторы и системы установки оборудования с автоматическим регулированием. М.:НИИМАШ, 1971. 80 с.

53. Савушкин С.С.,Пиновский М.А.Колоколов Г.А. Классификация пневматических упругих элементов с резино-кордными оболочками.

54. В кн.:Пневматические упругие элементы с резино-кордными оболочками. Расчет,конструирование,изготовление и эксплуатация / Под общей ред. М.Л.Пиновского,Г.А.Колоколова. М.:ЦНИИТЭнефтехим, 1977,с,3-8.

55. Сафронов Ю.Г.,Синев А.В.Соловьев B.C. Исследование электрогидравлической системы виброизоляции сиденья человека-оператора. -В кн.:Влияние вибраций на организм человека и проблемы виброзащиты. М.:Наука,1974,с.643-655.

56. Сиддал. Рубежи оптимального проектирования.-Конструирование и технология машиностроения. М.:Мир, 1979,№ 4,с.83-91.

57. Синев А.В.,Фурунжиев Р.И. Оптимизация активных виброзащитных систем.- В кн.:Вопросы надежности и вибрационной защиты приборов. Иркутск:ИЛИ,1972,с.8-24.

58. Сирил М.Харрис,Чарльз К.Крид. Справочник по ударным нагрузкам. Л.Судостроение, 1980. 360с.

59. Смирнов Г.А.,Филипов -И.Б. Статические характеристики активного низкочастотного пневмоамортизатора на проточных камерах.-В кн.:Вопросы надежности и вибрационной защиты приборов.

60. Иркутск:ИЛИ,I972, с.48-54.

61. Соболь И.М.,Статников Р.Б. Выбор оптимальных параметров в задачах со многими критериями. М.:Наука,1981. 110с.

62. Соболь И.М.,Статников Р.Б. Наилучшие решения где их искать. М.:Знание,1982. 64с.

63. Филипов И.Б. Оптимальное управление амортизатором на воздушной подушке.- В кн.:Вибротехника. Каунас : КПИД972, вып. 4 / 17/ ,с.5-13.

64. Фурунжиев Р.И. Проектирование оптимальных виброзащитных систем. Минск:Вышейшая школа, 1971. 317с.

65. Шмаков В.Т. Средства активной виброзащиты.-В кн.:Влияние вибраций на организм человека и проблемы виброзащиты,1. М.:Наука,1974, с.663-670.

66. Шмаков В.Т. Пневматические активные средства виброизоляции для прецизионных станков.-В кн.:Труды института,том 9,вып.1. Машиностроение.Ульяновск:УПИ,Приволжское кн.изд.,1973,е.89-95.

67. Шмаков В.Т. .Николаев К.Н. ,Карташов В.А. Виброизоляция станков пневматическими средствами.- В кн.:Труды института, том 9,вып.I.Машиностроение. Ульяновск:УПИ,Приволжское кн.изд., 1973, с.96-98.

68. Шмаков В.Т. ,Грешнов Б.Н.,Николаев К.Н. Стенд для испытания виброизолирующих опор станков.-В кн.:Труды института,том 9,выпД. Машиностроение.Ульяновск:УПИ,Приволжское кн.изд.,1973, с.99-101.

69. Шуберт,Мужичка. Теоретические и экспериментальные исследования электрогидравлических виброзащитных систем.-Конструирование и технология машиностроения. М.:Мир,1969, № 4,с.62-74.

70. CaVanaugh ЯШгс/. Ш suasion апе/ seii/o- cont\.ot?eot fi/stems. S'hock. and i/i^b'oh Handbook. , V. Я , ch. 33 ,л/евг Ynk. , 1461, pf>. ЗЪ.1 -33-55.

71. A/zeten / A/isUihUftd £. of suyemiattfiog/es and The<\ design . Mettm of tit &ГМЕ , v. & , SSr t WO, pp. 4Z-S0.

72. У.Г.у SbMai'tztctek £. tyt/м/ zofoh of UhidiЪeetiohai i/isCous с/#м/>еЛ n'giatiob /so Cqtt'oh fyshhi.

73. Начальник лабораторш к.т.н.1. И.Д.Ямпольский

74. Начальник лаборатории, к.т.н.