УДК 621.567

 

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ТРОСОВЫХ ВИБРОИЗОЛЯТОРОВ С КОЛЬЦЕВЫМИ  ЭЛЕМЕНТАМИ

 

RESEARCHING OPPORTUNITIES OF CHARACTERISTICS IMPROVEMENT OF HUMMOCK VIBROINSULATORS WITH RING ELEMENTS

 

Пономарев Ю.К., Посохов П.В. (СГАУ, Самара, РФ)

Ponomarev Y.K., Posohov P.V. (SSAU, Samara, RF)

 

В статье приведен расчет нагрузочных характеристик трехкольцевого тросового виброизолятора  при различных соотношениях моментов инерции сечений  колец при помощи МКЭ-пакета ANSYS.

Calculation of load characteristics of a three-ring hummock vibroinsulator is given in article at various ratios of the moments of inertia of rings sections by means of an ANSYS MKE-package.

 

Ключевые слова: тросовый виброизолятор, жёсткость, момент инерции.

Key words: hummock vibroinsulator, rigidity, moment of inertia.

 

Введение

В практике виброзащиты приборов и агрегатов широко используются канатные (тросовые) виброизоляторы с радиусным очертанием упругих элементов в исходном (ненагруженном) состоянии. Развитие конструкции такого рода устройств идёт по пути совершенствования заделки тросов в обоймах [1], применения более сложной формы осевых линий элементов [2], комбинации различных форм осевых линий [3] и конструкции поперечных сечений тросов [4]. Исследование характеристик перечисленных конструкций показывает [5, 6], что геометрией тросовых элементов, - радиусом кривизны R, числом проволочек  n и их диаметрами d можно создать практически любую жесткость виброизолятора, а также широкий спектр демпфирующих свойств, обеспечивающих, как правило,  потребную эффективность виброзащиты. Есть, однако, ряд качеств систем виброзащиты, которые трудно выполнить с помощью тросовых элементов постоянной кривизны в исходном состоянии. К таким качествам можно отнести, например, изотропность характеристик виброзащитной системы по трём взаимно-перпендикулярным направлениям, линейность жесткостных характеристик, обеспечение малой жесткости и способности одновременного восприятия больших статических нагрузок без больших осадок. Как правило, это трудновыполнимые задачи, частично разрешимые в системах с управляемой или квазинулевой жесткостью [7].

         Авторами в процессе разработки нового типа виброизолятора была высказана гипотеза, согласно которой в связке нескольких кольцевых элементов, работающих в противофазе друг к другу (одни – не растяжение, другие – на сжатие) возможно создание упругой системы с линейными свойствами.

Постановка задачи

Известен виброизолятор [8], состоящий из двух цанговых обойм, упруго соединённых между собой в диаметрально противоположных точках квазизамкнутым плетёным кольцом из многожильной винтообразной пряди, а в двух других точках внутри первого кольца установлено другое кольцо, которое может иметь другую кривизну осевой линии и конструкцию поперечного сечения. Разновидностью виброизолятора [8] является конструкция, показанная на рисунке 1, которая принципиально не отличается от [8], но является более устойчивой в эксплуатации.

 

Рисунок 1 – Внешний вид исследуемого виброизолятора

 

В настоящее работе делается попытка исследования дальнейших возможностей совершенствования характеристик тросовых виброизоляторов за счет использования в конструкции параллельных кольцевых структур с разной геометрией поперечных сечений троса.

Целью исследования являлось получение следующих научных результатов:

1.  Можно ли с помощью представленных на рис. 1 и 2 схем получить более, или менее линейные нагрузочные характеристики путем варьирования соотношения между моментами инерции поперечных сечений внутреннего кольца и двух наружных?

2.  В какой степени влияют соотношения моментов инерции сечений  колец на величину суммарной жесткости виброизолятора в трёх взаимно-перпендикулярных направлениях нагружения вибратора (подвижной части виброизолятора).

3.  Какова степень восприятия виброизолятором статических нагрузок.

4.  Какова степень нелинейности нагрузочных характеристик по трём взаимно-перпендикулярным направлениям и по направлениям растяжения-сжатия вдоль главной оси виброизолятора.

Нагрузочные характеристики определялись путем проведения статического анализа в программном продукте ANSYS Mechanical 15.0 [9] с учетом геометрической нелинейности. Расчетная схема виброизолятора приведена на рисунке 2. По месту расположения обойм скрепления боковых и центрального кольца использовалась жесткая связь 1 Joint типа Fixed, соединяющая узлы «в» и «д» с узлом «г». По узлам «а» и «б» крепления виброизолятора на изделии использовалось жесткое закрепление 2 Fixed Support. К узлам «е» и «ж» прикладывались вынужденные перемещения, последовательно в трех взаимно-перпендикулярных направлениях.


Рисунок 2 – Расчетная схема тросового виброизолятора с тремя параллельными квазизамкнутыми кольцами:

1 – жесткая связь Joint типа Fixed имитирующая обойму 4;

 2 – жесткое закрепление Fixed Support имитирующая установку                                 виброизолятора на изделии

 

Вдоль оси Y узлы «е» и «ж» одновременно перемещались на растяжение на 20 мм (в положительном направлении оси Y), затем на 40 мм на сжатие (в отрицательном направлении оси Y).

Вдоль оси X узлы «е» и «ж» одновременно перемещались в положительном направлении оси X на 40 мм, затем на 40 мм в отрицательном направлении оси X.

Вдоль оси Z узлы «е» и «ж» одновременно перемещались в положительном направлении оси Z на 15 мм, затем на 15 мм в отрицательном направлении оси Z.

При перемещении вдоль одной из осей, узлы «е» и «ж» не имеют возможности перемещаться вдоль двух остальных осей.

Рассмотрено четыре расчетных случая с различным числом проволок троса 2 в сечениях колец. Моменты инерции и площади поперечных сечений тросов находились в соответствии с формулами (1) и (2).

                                                             (1)

                                                                 (2)

где n – количество проволок, d – диаметр одной проволоки.

Для бóльшего обобщения результатов исследования, в соответствии с теорией подобия и размерностей, был введен параметр i, равный отношению момента инерции сечения центрального кольца к суммарному моменту инерции сечения двух боковых колец:

            .                                             (3)

Параметры сечений и исходные данные для четырех расчетных случаев приведены в таблице 1.

 

Таблица 1 – Параметры исследуемых сечений тросов

i

0,25

0,5

1

2

Iц

2,33 мм4

4,66 мм4

9,32 мм4

18,64 мм4

Iб

4,66 мм4

На рисунках 3, 4 и 5 представлены нагрузочные характеристики виброизолятора при разных величинах относительного момента инерции i (3).

Рисунок 3 – Нагрузочные характеристики виброизолятора вдоль оси Х для разных соотношений моментов инерции i

 

Рисунок 4 – Нагрузочные характеристики виброизолятора вдоль оси Y для разных соотношений моментов инерции i

Рисунок 5 – Нагрузочные характеристики виброизолятора вдоль оси Z для разных соотношений моментов инерции i

 

Обсуждение результатов исследования

Представленные графики показывают, что:

1. В тросовых виброизоляторах с двумя и тремя кольцами, соединенными по схеме рисунка 2, 3 невозможно обеспечить постоянную жесткость с линейной нагрузочной характеристикой системы виброзащиты в вертикальном (осевом направлении). Виброизолятор независимо от соотношения моментов инерции сечений колец обладает «мягкой» нагрузочной характеристикой при сжатии (осадке) и «жесткой» характеристикой при растяжении (отскоке).

2.  Нагрузочные характеристики трехкольцевых виброизоляторов  в направлениях осей ОХ и ОZ являются слабо нелинейными и кососимметричными.

3. Увеличение относительного параметра «i»  приводит в существенному увеличению суммарной жесткости виброизолятора во всех трёх направлениях нагружения, и наоборот.

4.  Снизить разбег жесткостей по трём взаимно-перпендикулярным направлениям виброизолятора с одной кривизной элементов за счет соотношения моментов инерции сечений колец удается, но незначительно. По-видимому, для достижения этого необходимо применять форму упругой линии элементов перегибного типа с двумя, или тремя радиусами кривизны, как это сделано в конструкции [9] или в работе [10].

 

Список использованных источников

1.    Патент РФ № 2179667, МКИ F16F7/14. Тросовый виброизолятор / Антипов В.А., Пономарев Ю.К. и др. Заявл. 05.02.01. Опубл.20.02.02, БИ № 5.

2.    Патент РФ  №2199683, МПК F16F 7/14. Способ изготовления упруго-фрикционных элементов тросовых виброизоляторов / Пономарев Ю.К., Архангельский С.В., Гунин В.А. и др. / Заявл. 24.11.00, опубл. 27.02.03 Бюл. № 6.

3.    Патент РФ № 43048, МПК F16F7/14. Тросовый виброизолятор / Архангельский С.В., Гунин В.А., Пономарев Ю.К., Евсигнеев А.Е. и др. /   Заявл. 26.08.2004. Опубл 27.12.2004.

4.    Патент РФ № 2480642, МПК F16F 7/14. Способ изготовления тросового виброизолятора / Пономарев Ю.К., Евсигнеев А.Е. / Заявл. 07.12.2011. Опубл. 27.04.2013 Бюл. №12.

5.    Пономарев Ю.К., Калакутский В.И. Многослойные цельнометаллические виброизоляторы с упругими элементами регулярной структуры. – Самара: Изд-во СГАУ, 2003. – 168 с.

6.    Антипов В.А., Пономарёв Ю.К., Белоусов А.И и др. Расчет и конструирование средств виброзащиты сухого трения. амара: СамГАПС, 2005. – 207 с.

7.    Горбунов В.Ф., Резников И.Г. Канатные виброизоляторы для защиты операторов горных машин. – Новосибирск: Наука, 1988, 166 с.

8.    Патент РФ № 96921, МПК F16F7/14. Тросовый виброизолятор / Гвоздев А.С., Мелентьев В.С., Пономарев Ю.К., Посохов П.В., Васюков Е.С. / Заявл. 13.04.2010. Опубл. 20.08.2010, БИ № 23.

9.    Патент РФ № 111597, МПК F16F7/14. Виброизолятор /Пономарев Ю.К., Кирина Е.Н., Мелентьев В.С. и др./Заявл. 12.07.11. Опубл. 20.12.11.Бюл. №35.

10. Пономарев Ю.К., Посохов П.В. Разработка математической модели тросового виброизолятора с ансамблем элементов радиусно-прямолинейной конфигурации. В сб. «Новые материалы и технологии в машиностроении».– Брянск: БГИТА, 2013. -С.105 - 110.