автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.07, диссертация на тему:Теоретико-экспериментальные исследования виброизоляторов систем вывешивания летательных аппаратов

ВВЕДЕНИЕ.!.

1. СИСТЕМЫ ВИБРОИЗОЛЯЦИИ НА ОСНОВЕ РЕЗИНОКОРДНЫХ КОНСТРУКЦИЙ.

1.1. Применение виброизоляторов в системах виброизоляции и виброзащиты .,.!.

1.2. Системы вывешивания летательных аппаратов при вибрационных испытаниях.

1.3. Состояние вопроса и постановка задачи исследования.

Выводы.

2. АНАЛИЗ РАБОТЫ РЕЗИНОКОРДНЫХ КОНСТРУКЦИЙ В СИСТЕМАХ ВИБРОИЗОЛЯЦИИ.

2.1. Основные факторы, влияющие на виброизолирующие свойства виброизоляторов.!.

2.2. Влияние технологических и конструктивных параметров на виброизолирующие свойства виброизолятров.

2.3. Напряженно-деформированное состояние резинокордных оболочек виброизоляторов.

Выводы.

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВИБРОИЗОЛИРУЮЩИХ СВОЙСТВ КОНСТРУКЦИЙ НА ОСНОВЕ РЕЗИНОКОРДНЫХ ОБОЛОЧЕК.

3.1. Теоретические исследования динамической жесткости виброизоляторов

3.2. Теоретико-экспериментальные исследования виброползучести амортизационных резин оболочек.

3.3. Теоретико-экспериментальные исследования по проектированию виброизолятора пониженной жесткости для систем вывешивания летательных аппаратов.

3.4. Методика оценки виброизолирующих свойств виброизоляторов.

Выводы.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВИБРОИЗОЛИУЮЩИХ

СВОЙСТВ ВИБРОИЗОЛЯТОРОВ.

4.1. Экспериментальная установка по исследованию виброизолирующих свойств виброизоляторов.

4.2. Экспериментальные исследования динамической жесткости виброизоляторов.

4.3. Экспериментальные исследования виброизолирующих свойств виброизоляторов.

Выводы.

Создание эффективных средств защиты от вибраций и ударов летательных аппаратов является одной из важнейших проблем современной техники. Причиной возникновения вибраций в механической системе являются динамические воздействия различных факторов: подвижные нагрузки, удары, неуравновешенные части машин и т.п. При определенных обстоятельствах они могут вызвать значительные деформации и напряжения в материалах конструкции летательного аппарата, износ, усталость и в конечном итоге разрушение самой конструкции. В связи с этим актуальным становится вопрос о создании устройств, способных эффективно и надежно защитить объект от воздействия вибраций.

Уровень вибрации является одним из факторов, влияющих на показатели качества и надежности различных машин и конструкций. Для защиты объектов от динамических воздействий широко применяют виброзащитные системы, которые устанавливаются между источником вибрации и изолируемым объектом. Анализ технической и патентной литературы позволяет утверждать, что в настоящее время имеется большое количество конструктивных разновидностей виброизоляторов, предназначенных как для защиты объекта, установленного на вибрирующем основании (пассивная виброизоляция), так и для защиты основания от динамических воздействий со стороны объекта (активная виброизоляция).

Теории виброзащитных систем посвящено значительное количество исследований. Работы [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7] базируются на линейной теории колебаний, которая основана на приложении методов классической теории малых колебаний к исследованию виброзащитных систем. Линейная теория, разработанная как для простейших систем с одной степенью свободы, так и для общего случая колебаний твердого тела на упругом подвесе, рассматривает упругий виброизолятор как фильтр низких частот. Задача защиты объекта от вибрации при этом сводится к выбору таких параметров системы виброзащиты, при которых ее собственная частота оказалась бы значительно ниже частоты содержащихся в спектре внешнего воздействия. В настоящее время методы линейной теории широко применяются при проектировании систем виброзащиты различных объектов.

Однако линейная теория оказалась непригодной для объяснения ряда явлений, возникающих в виброзащитных системах, - нелинейных эффектов. Было установлено, что возникновение нелинейных эффектов, которые часто приводят к резкому ухудшению качества виброзащитной системы, является не случайным конструктивным недостатком системы, а неизбежным следствием увеличения интенсивности вибрационных воздействий на амортизируемый объект. Тенденция широкого применения виброизоляторов с нелинейными характеристиками также во многом способствовала развитию нелинейной теории виброзащитных систем, основные положения которой нашли отражение в работах [8, 9, 10].

Основные типы виброизоляторов, применяемых для защиты объектов от механических воздействий, достаточно подробно описаны в литературе [11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18]. К ним могут быть отнесены следующие типы виброизоляторов:

- пружинные;

- цельнометаллические;

- тросовые;

- пластинчатые;

- резиновые;

- резинометаллические;

- гидравлические;

- гидропневматические;

- упругопластические.

Существенными недостатками этих типов виброизоляторов являются значительный вес и габаритные размеры при сравнительно малой энергоемкости, высокая вибропроводимость, передача высокочастотных колебаний. Опыт эксплуатации подобных виброизоляторов показывает, что они зачастую не обеспечивают эффективную защиту амортизируемого объекта от динамических воздействий в широком спектре частот, что ведет к преждевременному выходу объекта из эксплуатации. Жесткость этих виброизоляторов, необходимая для получения низкой собственной частоты системы, достигается лишь за счет значительного увеличения их веса и габаритных размеров.

Устранение отмеченных недостатков привело к созданию пневматических виброизоляторов, которые обладают наиболее низкими частотами собственных колебаний (v < 1 Гц) [19]. Пневматические виброизоляторы на основе резинокордных оболочек широко применяют в системах амортизации на автомобильном и железнодорожном транспорте, в системах ударовиброзащиты судового оборудования и радиоэлектронной аппаратуры, строительстве, нефтегазовой и других отраслях промышленности. Однако, несмотря на достаточно широкое применение этих виброизоляторов, механизм работы резинокордной оболочки, находящейся под внутренним давлением газа, изучен недостаточно и отсутствуют теоретические предпосылки, которые могли бы быть положены в основу создания методики оценки виброзащитных свойств систем на основе пневматических виброизоляторов. Целесообразность проведения таких исследований не вызывает сомнений, поскольку в настоящее время наблюдается тенденция расширения области применения пневматических виброизоляторов.

Цель диссертационной работы заключается в комплексном исследовании виброзащитных свойств пневматических виброизоляторов систем вывешивания летательных аппаратов, установлении зависимости их виброзащитных характеристик от конструктивно-технологических параметров и разработки методики оценки виброизолирующих свойств.

Основное содержание диссертации изложено в четырех главах.

Первая глава посвящена применению виброизоляторов в системах виброизоляции и виброзащиты различных объектов. Рассмотрена система вывешивания летательных аппаратов на основе пневматических виброизоляторов при вибрационных испытаниях, анализируется состояние исследуемого вопроса и формулируются задачи исследования.

Во второй главе приведен анализ работы виброизоляторов в системах виброизоляции. Рассмотрено влияние основных конструкторско-техноло-гических параметров на виброизолирующие свойства виброизоляторов. Проведено исследование напряженно-деформированного состояния резинокордных оболочек виброизоляторов.

Третья глава посвящена теоретическому исследованию виброизолирующих свойств пневматических виброизоляторов. Рассмотрены вопросы определения динамической жесткости виброизоляторов и виброползучести амортизационных резин оболочек. Проведены теоретические и экспериментальные ' исследования по разработке виброизолятора пониженной жесткости для систем вывешивания летательных аппаратов. Рассмотрена методика оценки виброизолирующих свойств виброизоляторов на основе резинокордных оболочек.

Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию виброизолирующих свойств виброизоляторов систем виброзащиты летательных аппаратов. Приведены экспериментальные исследования динамической жесткости виброизоляторов и их виброизолирующих свойств. Рассмотрены экспериментальные установки по исследованию виброизолирующих свойств виброизоляторов.

Проведенные исследования позволили в значительной степени изучить механизм функционирования пневматических виброизоляторов, выяснить физическую картину их виброзащитных свойств на основе проведения теоретических и экспериментальных исследований виброизоляторов, предложить методику оценки виброизолирующих свойств.

На защиту выносятся, по мнению автора, наиболее значительные, ранее неизвестные результаты:

1. Исследования влияния основных факторов и конструктивно-технологических параметров на виброизолирующие свойства виброизоляторов.

2. Теоретико-экспериментальные исследования по разработке конструкции виброизолятора пониженной жесткости, которая может быть использована в системах вывешивания летательных аппаратов при их вибрационных испытаниях. 8

3. Теоретические исследования динамической жесткости виброизоляторов.

4. Методика оценки виброизолирующих свойств пневматических виброизоляторов.

5. Экспериментальные исследования динамической жесткости и виброизолирующих свойств виброизоляторов.

Результаты диссертационной работы нашли отражение в опубликованных автором статьях [20, 21, 22] и докладывались на Всероссийской научной конференции «Старт-99», г. Москва.

Выводы

1. Проведены экспериментальные исследования динамической жесткости виброизоляторов, которые показали, что изменение динамической жесткости в зависимости от количества виброизоляторов системы несколько отличается от статической. Жесткость системы виброизоляции, состоящей из двух виброизоляторов, примерно в 1,5 раза выше по сравнению с системой из одного виброизолятора.

2. Выполнены экспериментальные исследования виброизолирующих свойств виброизоляторов типа АПРК-500. Получены зависимости влияния дополнительного объема, давления и жесткости на коэффициент виброизоляции виброизоляторов.

3. Проведена сравнительная оценка виброизолирующих свойств виброизоляторов на основе резинокордной оболочки и металлической пружины, которая показала, что в первом случае высокочастотный спектр практически отсутствует, в то время как на металлической пружине амплитуда ускорений высокой частоты составляет 10 4- 15 % от ускорения той же частоты на нижней плите стенда.

4. Проведены экспериментальные исследования влияния амплитуды и частоты внешнего вибрационного нагружения на виброизолирующие свойства виброизоляторов систем виброзащиты летательных аппаратов. Установлено, что исследуемые виброизоляторы существенно уменьшают амплитуды высокочастотного воздействия основания на амортизируемый объект. С увеличением частоты и амплитуды внешнего вибрационного воздействия эффективность применения пневматических виброизоляторов для систем виброзащиты летательных аппаратов повышается.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных в диссертационной работе теоретических и экспериментальных исследований получены следующие результаты:

1. Рассмотрено применение пневматических виброизоляторов в системах виброзащиты различных объектов, в частности, в системах вывешивания летательных аппаратов при их вибрационных испытаниях. Показаны преимущества таких систем по сравнению с традиционными пружинными, резиновыми и ре-зинометаллическими упругими элементами.

2. Сформулированы задачи исследования пневматических виброизоляторов системы вывешивания летательных аппаратов с целью установления зависимости их виброзащитных характеристик от конструктивно-технологических параметров и разработки методики оценки виброзащитных свойств.

3. Проведен анализ работы виброизоляторов в системах виброзащиты летательных аппаратов. Показано, что жесткость виброизоляторов определяется двумя группами параметров: а) конструктивные - давление газа, внутренний объем, эффективный радиус оболочки; б) технологические - угол закроя корда, число слоев корда, тип корда, марка резины, модуль упругости корда, толщина стенки оболочки.

4. Проведены теоретические и экспериментальные исследования влияния технологических и конструктивных параметров на виброзащитные свойства виброизоляторов. Установлено, что наилучшими виброзащитными свойствами обладают оболочки с большим углом закроя корда. Увеличение толщины стенки оболочки практически не влияет на виброзащитные свойства виброизоляторов. Наилучшими виброзащитными свойствами обладают оболочки с термокамерой, изготовленной из варочной резины.

5. Проведены теоретические исследования динамической жесткости виброизоляторов систем виброзащиты летательных аппаратов, которые позволили установить, что её значения превышают в среднем на 15 - 18 % соответствующие значения статической жесткости виброизолятора. С увеличением частоты колебаний различие между динамической и статической жесткостями возрастает.

6. Установлено, что причиной расхождения динамической и статической жесткостей виброизоляторов являются: внутреннее трение в материалах оболочки; трение между оболочкой и направляющей арматурой; перекатывание оболочки по направляющей арматуре; виброрелаксация и виброползучесть материалов оболочки.

7. Разработана методика, позволяющая исследовать влияние длительных вибрационных нагрузок на ползучесть амортизационных резин и прогнозировать во времени деформации виброползучести резин в условиях эксплуатации виброизоляторов в системах виброзащиты летательных аппаратов.

8. Предложена конструкция виброизолятора пониженной жесткости для систем вывешивания летательных аппаратов при их вибрационных испытаниях. Конструкция позволяет обеспечить низкую частоту собственных колебаний (менее 1 Гц) и тем самым существенно повысить эффективность систем вывешивания летательных аппаратов при их вибрационных испытаниях.

9. Разработана методика оценки виброизолирующих свойств виброизоляторов систем виброзащиты летательных аппаратов, которая позволяет путем соответствующего выбора нагрузочной характеристики виброизолятора обеспечить требуемое снижение уровня вибрационного воздействия на амортизируемый объект.

10. Проведены экспериментальные исследования виброизолирующих свойств виброизоляторов типа АПРК-500. Получены зависимости влияния дополнительного объема, давления и жесткости на коэффициент виброизоляции виброизоляторов.

11. Проведена сравнительная оценка виброизолирующих свойств виброизоляторов на основе пневматической резинокордной оболочки и металлической пружины, которая показала, что в первом случае высокочастотный спектр практически отсутствует, в то время как на металлической пружине амплитуда ускорений высокой частоты составляет 10-15 % от ускорения той же частоты на нижней плите стенда.

137

12. Проведены экспериментальные исследования влияния амплитуды и частоты внешнего вибрационного нагружения на виброизолирующие свойства виброизоляторов систем вывешивания летательных аппаратов. Установлено, что исследуемые виброизоляторы существенно уменьшают амплитуды высокочастотного воздействия на амортизируемый объект. С увеличением частоты и амплитуды внешнего вибрационного воздействия эффективность применения пневматических виброизоляторов для систем вывешивания летательных аппаратов повышается.

1. Иориш Ю.И. Виброметрия М.: Машиностроение, 1963 - 716 с.

2. Ильинский B.C. Защита аппаратов от динамических воздействий М.: Энергия, 1970.-246 с.

3. Беляковский Н.Г. Конструктивная амортизация механизмов, приборов и аппаратуры на судах Л.: Судостроение, 1965 - 560 с.

4. Суровцев Ю.А. Амортизация радиоэлектронной аппаратуры М.: Сов. радио, 1974,- 176 с.

5. Клюкин И.И. Борьба с шумом и звуковой вибрацией на судах.- Л.: Судпром-гиз, 1961.-356 с.

6. Алексеев С.Н. и др. Борьба с шумом и вибрацией в машиностроении.- М.: Машиностроение, 1970.-248 с.

7. Фролов К.В., Фурман Ф.А. Прикладная теория виброзащитных систем М.: Машиностроение, 1980.-276 с.

8. Коловский М.З. Нелинейная теория виброзащитных систем М.: Наука, 1966.-317 с.

9. Елисеев С.В. Структурная теория виброзащитных систем Новосибирск: Наука, 1978.-220 с.

10. Ю.Фурунжиев Р.И. Проектирование оптимальных виброзащитных систем-Минск: Высшая школа, 1971 286 с.

11. П.Грибов М.М. Регулируемые амортизаторы РЭА.-М.: Сов. радио, 1974 144 с.

12. Вибрации в технике: Справочник: В 6 т. / Под ред. В.В.Болотина М.: Машиностроение, 1978. - 6 т.

13. Ляпунов В.Т., Никифоров А.С. Виброизоляция в судовых конструкциях Л.: Судостроение, 1975.-232 с.

14. Н.Алексеев A.M., Сборовский А.К. Судовые виброгасители.- Л.: Судпромгиз, 1962.- 194 с.

15. Иович В.А. Виброизоляция горно-обогатительных машин и оборудованиями Недра, 1978.-252 с.

16. Вольперт Э.Г. Динамика амортизаторов с нелинейными упругими элементами-М.: Машиностроение, 1972-201с.

17. Гаврилов М.И., Захаров В.К. Защита от шума и вибрации на судах М.: Транспорт, 1979 - 120 с.

18. Пневматические упругие элементы с резинокордными оболочками: Сб. на-учн. трудов М., 1977.- 132 с.

19. Акопян Р.А. Пневматическое подрессирование транспортных средств: В 2 т. -Львов, 1978.-216 с.

20. Цысс А.В. и др. Физические модели резинокордного материала виброизолятора // Всесоюз. научн. конф. «Старт-99»: Тез. докл.- М.: МВТУ им. Н.Э. Баумана, 1999.-С. 47.

21. Цысс А.В. Исследование динамических свойств виброизоляторов с помощью моделей резинокордного материала // Омский научный вестник. -Омск: ОмГТУ, 2001.- вып. 14.- С. 95 96.

22. Цысс А.В., Аверьянов Г.С. Влияние конструктивных параметров на жестко-стные характеристики пневматических виброизоляторов. // Омский научный вестник. - Омск: ОмГТУ, 2001.- вып. 14.- С. 97 - 99.

23. Равкин Г.О. Пневматическая подвеска автомобиля М.: Машгиз, 1962 - 287 с.

24. Малкин И.Г. Некоторые задачи теории нелинейных колебаний М.: Гостех-издат, 1966 - 233 с.

25. Певзнер Я.М., Горелик A.M. Пневматические и гидропневматические подвески-М.: Машгиз, 1963- 319 с.

26. Стокер Дж. Нелинейные колебания в механических и электрических системах,- М.: Наука, 1962 216 с.

27. Крендел С. Случайные колебания. М.: Мир, 1967. - 412 с.

28. Корпушин В.Б. Вибрация и удары в радиоаппаратуре М.: Сов. радио, 1971.-344 С;

29. Быховский И.И. и др. Упругие элементы вибромашин М.: Машиностроение, 1971.- 82 с.г

30. Хвингия М.В. Вибрации пружин М.: Машиностроение, 1969.-216 с.

31. Григорьев Е.Т. Расчет и конструирование резиновых амортизаторов М.: Машгиз, I960.- 160 с.

32. Лавенделл Э.Э. Расчет цилиндрических резинометаллических амортизаторов сжатия // Изв. АН Латв. ССР,- I960.- № 4.- С. 153.

33. Дымников С.И., Санкин В.А. Расчет резинометаллического призматического амортизатора // Вопросы динамики и прочности: Сб. трудов Рига: Зинатне - Вып. 21.- С. 48-49.

34. Потураев В.Н. Резиновые и резинометаллические детали машин М.: Машиностроение, 1966.-314 с.

35. Лепетов В.А., Юрцев Л.Н. Расчеты и конструирование резиновых изделий-Л.: Химия, 1987.-406 с.

36. Бидерман В.Л., Бухин Б.Л. Расчеты резинокордных пневматических амортизаторов // Расчеты на прочность: Сб. трудов М.: Машгиз, 1960.- Вып.5 - С. 15-58.

37. Бидерман В.Л. Механика тонкостенных конструкций,- М.: Машиностроение, 1977.-488 с.

38. Бухин Б.Л. Теория тонких сетчатых оболочек вращения и ее приложение к расчету пневматических шин: Дис. . д-ра .техн. наук М., 1971 - 309 с.

39. Автомобильные шины // Конструкция, расчет, испытание, эксплуатация/ Под ред. В.Л. Бидермана М.: Госхимиздат, 1963- 384 с.

40. Бухин Б.Л. Введение в механику пневматических шин.- М.: Химия, 1988.-222 с.

41. Новожилов В.В. Основы нелинейной теории упругости,- Л.: Гостехиздат, 1948.-212 с.

42. Векуа И.Н. Основы тензорного анализа и теории ковариантов.- М.: Наука, 1978.-296 с.

43. Амбарцумян С.А. Общая теория анизотропных оболочек — М.: Наука, 1975.-446 с.

44. Григолюк Э.И., Куликов Г.Н. Многослойные армированные оболочки М.: Машиностроение, 1988 - 264 с.

45. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике М.: Мир, 1975 - 543 с.

46. Сегерлинд J1. Применение метода конечных элементов: Пер. с англ.- М.: Мир, 1979.-392 с.

47. Болотин В.В., Новичков Ю.Н. Механика многослойных конструкций М.: Машиностроение, 1980-376 с.

48. Хейгеман Д., Янг Д. Прикладные итерационные методы: Пер. с англ.- М.: Мир, 1986.-448 с.

49. Пономарев С.Д. и др. Расчеты на прочность в машиностроении М.: Маш-гиз.-Т. 2,- 974 с.

50. Ротенберг Р.В. Подвеска автомобиля и его колебания М.: Машиностроение, 1977.-436 с.51 .Виташевский Е.П. Исследование системы автономного пневматического подрессоривания на автомобильном транспорте: Автореф. дис. . канд. техн. наук.-М., 1974.-46 с.

51. Уржумцев Ю.С. Прогнозирование длительного состояния полимерных материалов-М.: Наука, 1982.-221 с.

52. Ферри А.Я. Вязкоупругие свойства полимеров М.: ИЛ, 1963 - 535 с.

53. Москвитин В.В. Сопротивление вязкоупругих материалов М.: Наука, 1972.-217 с.

54. КолтуновМ.А. Ползучесть и релаксация-М.: Высшая школа, 1976 -278 с.

55. Кристенсен Р. Введение в теорию вязкоупругости-М.: Мир, 1974 340 с.

56. Гурский Е.И. Теория вероятностей с элементами математической статистики- М.: Высшая школа, 1971.- 326 с.

57. Смирнов Н.В., Дунин-Барковский И.В. Курс теории вероятностей и математической статистики для технических приложений М.: Наука, 1965 - 487 с.

58. Вентцель Е.С. Курс теории вероятностей М.: Наука, 1964.-512 с.

59. Гнеденко Б.В. Курс теории вероятностей М.: Наука, 1965 - 467 с.

60. Расчеты машиностроительных конструкций методом конечных элементов-М.: Машиностроение, 1989 519 с.

61. Тимошенко С.П. Колебания в инженерном деле М.: Наука, 1967 - 444 с.