III Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2011

Опыт, накопленный при проектировании ракетно-космической техники, показывает, что надежность изделий машиностроения (в частности аэрокосмической промышленности и транспортного машиностроения) в значительной степени определяется наличием негативных вибрационных процессов. Значительная часть этих нежелательных воздействий может быть снижена, а в ряде случаев полностью устранена, при использовании специальных устройств-виброизоляторов и/или демпферов с конструкционным демпфированием.

Практика использования традиционных средств виброзащиты, таких как резиновые или резинометаллические амортизаторы, показала, что они часто не обеспечивают достаточно эффективного снижения уровня вибраций и гашения ударных процессов. В то же время, резина существенно изменяет свои упругодемпфирующие характеристики при колебаниях рабочей температуры, подвержена ускоренному старению под влиянием радиации, растворяется в химически агрессивных средах [1, 2].

В настоящее время при проектировании отечественных изделий аэрокосмической промышленности нашли широкое применение средства виброзащиты на основе прессованного нетканого проволочного материала, так называемого «металлического аналога» резины, или материала МР [3]. На его основе разработано значительное количество виброизоляторов. Все они базируются на принципе рассеяния энергии колебаний защищаемого объекта за счет взаимного трения проволочек, вследствие проскальзывания, при деформировании упругих элементов из материала МР. При этом в материале МР фрикционные пары трения распределены по объему случайным образом, что вызывает анизотропию их характеристик. Это осложняет создание их расчетных моделей. Виброизоляторы из материала МР обладают довольно высокими демпфирующими характеристиками. Однако следует отметить, что с течением времени при наработке они могут существенно снижаться. Ухудшение характеристик обусловлено высоким удельным давлением контактирующих пар витков спирали и относительно малыми площадями контакта фрикционных пар [4].

Как показывает инженерная практика, более прогрессивными упругодемпфирующими элементами, на основе которых можно создавать виброизоляторы, являются многослойные элементы с регулярной структурой, такие как металлические канаты (троса), пакеты стержней, колец, лент. Такие виброизоляторы являются более стабильными в работе, так как обладают распределенным по линиям или площадям контактом фрикционных пар трения [5]. Кроме того, регулярная структура упругих элементов способствует созданию более точных расчетных моделей виброизоляторов.

В настоящей работе приведены результаты объемного проектирования в среде «Компас-график 3D» и исследования характеристик в программном комплексе ANSYS конструкции тросового виброизолятора с двухъярусным ансамблем пространственно ориентированных упругодемпфирующих элементов специального вида.

Конструкция виброизолятора (рис. 1) состоит из верхней и нижней обоймы упруго связанных пространственным ансамблем тросовых элементов (рис. 2). Каждая обойма состоит из специального болта с развитой фигурной шляпкой (рис. 3), специальной шайбы в форме цилиндрического кольца с тонкой мембраной в среднем сечении (рис. 4) и фигурной крышки (рис. 5), соосно собранных в единый пакет. Пакет фиксируется от разделения с помощью гайки с плоским основанием, законтренной упругой пружинной шайбой Гровера.

По линии сопряжения грибковой части болта и специальной шайбы выполнены равномерно отстоящие отверстия (8 отверстий) для заведения внутрь петель упругих элементов с целью фиксации их взаимного расположения. Аналогичные отверстия, смещенные на 22,5°, выполнены по линии сопряжения специальной шайбы и фигурной крышки. В каждой обойме после сборки образуются две полости кольцевой формы для размещения петлевых участков упругих элементов.

Упругодемпфирующий элемент конструкции (рис. 2) представлен восемью замкнутыми [6] эллипсообразными тросовыми петлями. При этом наиболее удаленные от малой оси эллипса участки троса зажаты в составных обоймах. Упругий элемент составной - замкнутые тросовые петли получаются раздельно друг от друга. Тросовые петли располагаются в два яруса, причем тросовые петли на разных ярусах смещены относительно друг друга на половину угловой ширины эллиптического кольца.

Трос изготавливается 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 от 49 до 259. По способу свивки трос нераскручивающийся. Материал проволоки - нержавеющая сталь, либо сталь с оцинкованной поверхностью для работы виброизолятора в коррозионно-агрессивных средах.

Для расчета нагрузочных характеристик упругого элемента использован программный комплекс ANSYS модуль Mechanical. Обоймы и крепежные элементы принимались абсолютно жесткими телами и не моделировались, а имели смысл ограничений, накладываемых на зажатые в них участки троса, в виде запрета взаимного перемещения участков троса, фиксированных в обоймах.

Тросовый элемент моделировался пространственным балочным элементом Beam 4. Необходимые характеристики - площадь и моменты инерции поперечного сечения. Реальное сечение троса в виде сложной сотовой структуры заменено эквивалентным сечением, площадь которого вычислялась как сумма площадей отдельных проволочек, составляющих трос, а момент инерции - как сумма собственных моментов инерции сечений отдельных проволочек. Дополнительные исследования показали, что пренебрежение переносным моментом инерции (необходимые по теореме Гюйгенса-Штейнера) не приводит к значительной погрешности вычисления моментов инерции и может быть принято к практике расчета тросовых упругих элементов.

Анализ характеристик упругого элемента проводился в направлении продольной оси виброизолятора и с шагом 5° в поперечном направлении. Анализ характеристик заключался в определении отклика виброизолятора при нагружении его силой, изменяющейся по гармоническому закону, в рамках динамического расчета.

В направлении продольной оси характеристика получилась существенно нелинейной (рис. 6). Работа же его на сдвиг не выявила значительной нелинейности (рис. 7), причем жесткость на сдвиг оказалась инвариантна к направлению нагрузки.

Полученные нагрузочные характеристики виброизолятора позволяют [7] осуществлять все виды динамических расчетов механической системы с виброизоляторами. Учет демпфирования в тросах осуществлен с помощью загрузки осевой линии тросов распределенным моментом сопротивления изгибу [8].

Литература

1. Любчанская Л.И. и др. Старение резин в напряженном состоянии. - Каучук и резина, 1962, № 1, с. 23-29.

2. Горелик Б.М., Рогова Л.В. Разработка метода ускоренного определения работоспособности резинометаллических пластинчатых виброизоляторов в процессе их старения. - Каучук и резина, 1961, № 5, с. 18-22.

3. Авт. св-во СССР №136608. Авторы: А.М.Сойфер, В.Н.Бузицкий, В.А.Першин. Заявл. 27.07.60, опубл. 09.10.61, БИ № 5.

4. Тройников А.А. Изменение упругодемпфирующих свойств материала МР в условиях длительного циклического деформирования // Вибрационная прочность и надежность двигателей и систем летательных аппаратов: Межвузовский сб., вып. 1 (68). Куйбышев: КуАИ, 1975, с. 52 - 54.

5. Чегодаев Д.Е., Пономарев Ю.К. Демпфирование. Самара: Изд-во СГАУ, 1997. - 334 с.

6. Патент РФ № 44774. Авторы: В.А.Гунин, О.Б.Симаков, Ю.К.Пономарев и др. Заявл. 27.01.04, опубл. 27. 03.05, БИ № 9.

7. В.С.Ильинский. Защита аппаратов от динамических воздействий. М.: Энергия, 1970. - 320 с.

8. Ю.К.Пономарев, В.И.Калакутский. Многослойные цельно-металлические виброизоляторы с упругими элементами регулярной структуры. Самара: СНЦ РАН, 2003. - 168 с.