Развитие вибрации в технике

Вибрация — это малые механические колебания, возникающие в упругих телах под воздействием переменных сил.

Виброзащита

– совокупность средств и методов  уменьшения вибрации, воспринимаемой защищаемыми объектами. Примечание: Под уменьшением вибрации понимают уменьшение значений каких-либо определенных величин, характеризующих вибрацию. (ГОСТ 24346-80)

 

История развития техники  показывает, что ее надежность тесно  связана с проблемой вибрационной доводки. Большая часть вибрационных дефектов деталей и узлов может  быть успешно устранена еще на стадии проектирования за счет грамотного применения демпфирования колебаний  с помощью специальных устройств - виброизоляторов и демпферов с конструкционным демпфированием. Практика показывает, что традиционные средства виброзащиты - резиновые или резинометаллические амортизаторы - часто не обеспечивают требуемых параметров снижения вибраций и ударов. Резина заметно изменяет свои упругодемпфирующие характеристики при изменении температуры, подвержена ускоренному старению под влиянием радиации, растворяется в химически агрессивных средах [1, 2].

Последние два десятка  лет отечественные изделия аэрокосмической  техники широко используют средства виброзащиты на основе прессованного нетканого проволочного материала, так называемого «металлического аналога резины», или материала МР [3, 4]. Из этого материала создано большое количество виброизоляторов. В основе их работы заложена идея рассеяния энергии колебаний объекта за счет взаимного проскальзывания проволочек с трением при деформировании упругих элементов из материала МР. Фрикционные пары трения в массиве упругих элементов из материала МР распределены по объему случайным образом. Это осложняет создание их расчетных моделей. Виброизоляторы из материала МР имеют довольно высокие демпфирующие характеристики, однако, с течением времени при наработке они могут существенно изменяться [5]. Это происходит благодаря высоким удельным давлениям контактирующих пар витков спирали и малым площадям контакта фрикционных пар.

Опыт показывает, что более  прогрессивными упругими элементами, из которых можно конструировать виброизоляторы, являются многослойные элементы с регулярной структурой - металлические канаты (троса), пакеты стержней, колец, лент [6]. Имея распределенный по линиям или площадям контакт фрикционных пар трения, такие виброизоляторы являются более стабильными в работе. Кроме того, регулярная структура упругих элементов способствует созданию более точных расчетных моделей виброизоляторов при их нагружении.

ГНП РКЦ “ЦСКБ-ПРОГРЕСС”  совместно с Самарским государственным  аэрокосмическим университетом  и НПЦ ИНФОТРАНС уже давно  занимается разработкой перспективных  виброизоляторов с регулярной структурой на основе тросов и пакетов лент.

Для подвески электронных  блоков и бортовой автоматизированной системы контроля условий транспортирования  изделий космической техники (КТ) по железной дороге были применены  тросовые виброизоляторы, показанные на рис. 1.  

Рисунок 1- Внешний вид  тросовых виброизоляторов, применяемых для защиты от вибраций и ударов электронных блоков и бортовых автоматизированных систем 

 

С их помощью были защищены системные блоки ЭВМ, мониторы, блоки  питания бортовых автоматизированных систем (БАС), клавиатуры операторов и  другие элементы аппаратуры. Эти же типы виброизоляторов после успешного опыта применения в ГНП РКЦ “ЦСКБ-ПРОГРЕСС” начали применяться в НПЦ ИНФОТРАНС (г. Самара) для подвески электронных блоков и бортовых автоматизированных систем в путеизмерительных компьютеризированных вагонах-лабораториях, вагонах-лабораториях по диагностике контактной сети железных дорог, в путеизмерительных автомотрисах, в специальных вагонах ЗАО “Циркон-Сервис” (г. Москва). Эти средства виброзащиты удачно сочетают в себе высокие противоударные и виброзащитные характеристики в широком диапазоне частот при сравнительно низком коэффициенте усиления на резонансе (2,0...2,5). Они просты по конструкции, имеют малые габариты и массу, обладают стабильными характеристиками, практически не нуждаются в техническом обслуживании, могут работать в глубоком вакууме, в агрессивных средах (пыль, пары масла, бензина, кислот) без снижения эксплуатационных характеристик.

Отличительной особенностью разработанных виброизоляторов является то, что все они изготавливаются из одного цельного отрезка троса в виде  предварительно  сформированного на специальной оправке упругодемпфирующего элемента с  требуемым количеством возвратных петель (рис. 2). Возвратные петли 3 легко заделываются в разъемных обоймах виброизолятора [7]. Упругие элементы некоторых типов виброизоляторов, показанных на рис. 1, приведены на рис. 3.

Рисунок 2- Схема формирования упругого элемента тросового виброизолятора: 1 - оправка; 2 - стержни; 3 - возвратные  петли, заделываемые в обоймах  виброизолятора; 4 - рабочие участки троса

 

 

Рисунок 3- Пространственные схемы некоторых типов тросовых виброизоляторов: 1 - концы троса; 2 - рабочие участки упругого элемента виброизолятора

В виброизоляторе цилиндрического типа [8]  тросовый элемент 1 своими возвратными петлями укладывают в полуцилиндрические постели планок 2 обоймы с разъемом 3 (рис. 4). Затем устанавливается верхняя планка 4 разъемной обоймы, которая скрепляется воедино пистонами с резьбовыми отверстиями для крепления виброизолятора.

Рисунок 4- Схема расположения петель упругого элемента цилиндрического  виброизолятора в его разъемных обоймах: 1 - рабочий участок троса; 2 - нижняя планка верхней обоймы; 3 - плоскость разъема обойм; 4 - верхняя планка обоймы

 

 

Создан модульный ряд  типоразмеров цилиндрических виброизоляторов на номинальные нагрузки 2,5; 5,0; 10,0; 50,0 и 100 кгс. Для приведенных на рис. 1 других типов тросовых виброизоляторов также созданы модульные ряды с номинальными нагрузками от 0,125 кгс до 10 кгс с крепежной резьбой М4, М5, М6, М8 и М10. 

Кроме вышеописанной концепции  конструирования, создана группа виброизоляторов, в которой упругий элемент имеет квазинепрерывную упругую линию. Осуществляют эту технологию следующим образом [9, 10]. Для формирования упругофрикционных элементов используют стандартный многожильный трос (канат) с центральной прямолинейной жилой 1 и шестью навитыми на жилу 1 винтовыми жилами 2. Каждая из жил 1 и 2 может быть изготовлена (свита) из определенного ГОСТом количества проволок, например, семи, двенадцати, тридцати семи, и т.д.

На первом этапе (рис. 5) исходный трос распускается на отдельные пряди  – центральную 1 с прямолинейной осью и наружные пряди 2 с винтовой осью с шагом винтовой линии внешней пряди троса  t.

На втором этапе (рис.6) выбирают одну из прядей с винтовой упругой  линией достаточной длины и сворачивают  ее в кольцо с некоторым средним  диаметром D, длина дуги которого достаточна для того, чтобы обеспечить в дальнейшем участки заделки, как минимум, в  четырех местах обойм виброизолятора, и при этом остались рабочие участки, воспринимающие нагрузки виброизолятора.

После этого оставшуюся свободной  спиралеобразную прядь навивают последовательно на образовавшееся кольцо (см. рис. 6 а, б, в). После заполнения всего спиралеобразного пространства кольца витками свободной спиральной пряди получается замкнутое тросовое кольцо, представляющее собой винтовой тор Мебиуса с единственным разъемом. Если стык тросовой пряди в месте 1 опаять припоем, то тор, свитый из одной пряди, будет иметь одну единственную непрерывную поверхность, что характеризует поверхности Мебиуса. В рассмотренном варианте средний диаметр тросового кольца необходимо подсчитывать по формуле                                        

                                                       (1)

Здесь t – шаг спирали в пряди, n – полное количество шагов, укладывающихся на длине дуги тросового кольца. Если обеспечить диаметр тросового кольца в виде указанной формулы, то при навивке свободного конца пряди на первый спиральный кольцевой слой, n – й конец 2-го слоя окажется сдвинутым относительно   n – го конца 1-го слоя на 1/5 шага t. Аналогично сдвинутся все последующие слои – каждый на 1/5 шага t по отношению к предыдущему. Таким образом, 5-й слой спирального кольца полностью заполнит спиральное пространство первого слоя, и тросовый элемент будет иметь вид, показанный на фиг. 6, в. Аккуратно отрубив излишний конец пряди, ее стык укладывается в пространство между первым и предпоследним витками.  

Возможен второй вариант  технологии. Его суть состоит в  следующем. Вначале из центральной  пряди исходного троса изготавливают  замкнутое гладкое кольцо, средний  диаметр которого выбирают из выражения  

                                                                                                       (2)

затем на него последовательно  навивают 6 слоев пряди с винтовой упругой линией по n витков в каждом слое с общим числом витков в готовом упругом элементе равном 6 ´ n. Излишек винтовой тросовой пряди обрубают. 

 При сборке виброизолятора с использованием изготовленного по предлагаемой технологии упругодемпфирующего элемента используются разъемные обоймы, состоящие из двух однотипных крышек 4-5 и 6-7     (рис. 7) с полуцилиндрическими постелями для зажима участков   троса   и соединенных между собой с помощью болтов 8 с гайками 9. В нижней части болтов 8 имеется шляпка 10 с потайной головкой, а в верхней части болтов  - квадратная головка 11 для удобства монтажа при заворачивании гаек 9. Там же имеется отверстие для контровочной проволоки 12. При создании виброизолятора с 4-мя упругими рабочими участками тросового элемента 13 – 16 обоймы выполняют прямоугольными в плане (рис. 7). При     создании  виброизоляторов  с  числом  упругих  рабочих    участков, равным 2 ´ k, обоймы должны иметь  k выступов с полуцилиндрическими постелями для зажима участков троса.

Все разработанные виброизоляторы используют  в  качестве  упругого элемента трос по ГОСТ 3067-74, 3068-74, 3071-74,  3062-69   и  др.   с линейным контактом проволок в прядях и точечным контактом прядей между собой. Количество проволок в тросе выбирается, как правило, от 49 до 259. По способу свивки выбирается нераскручивающийся трос. Материал проволоки - либо нержавеющая сталь, либо сталь с оцинкованной поверхностью для предотвращения коррозии. 

Наиболее распространенные диаметры троса - 1,8 мм, 2,5 мм, 3,5 мм. Исследования показали [6], что при конструировании  тросовых виброизоляторов радиусы криволинейных участков упругих элементов целесообразно выбирать с отношением D/d = 10, где D - диаметр криволинейного участка, а d - диаметр троса. Расчет упругодемпфирующих характеристик описанных виброизоляторов в каждом конкретном случае строго индивидуален. Для тросовых элементов с радиусными участками его можно осуществить по методике [6]. В остальных случаях необходимо прибегать к экспериментальным исследованиям с применением теории подобия и размерностей.

Для особо тяжелых условий  работы создан модульный ряд виброизоляторов с повышенной стабильностью характеристик (рис. 8). Виброизолятор выполнен в виде многослойного пакета лент с радиусным и двумя прямолинейными участками на его концах, в которых выполнены призонные отверстия с установленными в них и служащими для крепления объекта к виброизолятору и виброизолятора к основанию обоймами, причем  радиусное очертание  много-

слойного пакета лент выполнено с углом охвата  b, равным b=180°-a, где угол a выбирается в пределах от 1° до 7° в зависимости от необходимого уровня сдавливающих нагрузок в многослойном пакете. 

 

Рисунок 8- Модульный ряд  виброизоляторов на различные номинальные нагрузки

 

  

 При установке виброизоляторов на плоское основание и при креплении обойм к плоской поверхности объекта происходит деформирование криволинейного участка. За счет этого на контактных поверхностях возникают сдавливающие нагрузки, тем большие, чем больше угол заневоливаниия 2a. Это обеспечивает стабильность демпфирующих свойств.

Создана методика расчета  характеристик виброизоляторов, базирующаяся на теории конструкционного демпфирования. Расчеты по разработанной методике показали, что распределение сдавливающей нагрузки по контактным поверхностям пакета, полученное в процессе заневоливания имеет вид парабол и зависит от значения угла a.

Возможна компоновка виброизоляторов с многослойными пакетами лент в виде тел вращения (рис. 9). Эти средства виброзащиты могут применяться там, где требуется высокое демпфирование в сочетании со стабильностью характеристик в процессе длительной эксплуатации. Эти виброизоляторы незаменимы в автомобильных и железнодорожных транспортерах по перевозке объектов космической техники, двигателей летательных аппаратов, хрупких грузов и взрывчатых веществ. 

 

Рисунок 9- Модульный ряд  многослойных виброизоляторов с упругими элементами в виде пакетов лент