Изучение гидравлической вибрационной опоры

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева

Институт радиоэлектроники и информационных технологий

Кафедра «Прикладная математика и информатика»

 

 

 

 

Научно-исследовательская работа

Изучение гидравлической вибрационной опоры

 

 

 

 

 

Выполнил: студент гр. 09-ПМ

Козинов Е. Н.

Руководитель: Ковригин Д. А.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Нижний Новгород, 2012 г. 
Содержание

 

 

 

Введение

Вибрации присутствуют повсюду. В большинстве случаев эти вибрации являются нежелательными, или вредными. В первую очередь можно назвать вибрации и колебания авто- и железнодорожного транспорта, моторов и станков, нефтяных и газовых платформ, зданий и сооружений, нежелательные вибрации лабораторных столов, установок и т.д. Во всех этих случаях стоит задача изолировать полезную нагрузку от источника вибраций или изолировать источник вибраций. Для этих целей используются амортизаторы.

Амортизаторы бывают фрикционные и гидравлические. В фрикционных амортизаторах накопленная пружиной энергия рассеивается, превращаясь в тепловую за счёт действия сил трения. А гидравлический амортизатор сочетает твёрдые и жидкие механизмы. В таких амортизаторах отсутствует какое-либо трение. Подвижные полости изменяются за счёт упругой деформации верхней оболочки. В роли амортизации  выступают структурное трение и гидравлическое сопротивление жидкости, благодаря им происходит амортизация. Разложение колебаний в амортизаторах происходит за счёт реологических свойств жидкости, заполняющей внутреннюю часть полости конструкции, и выполнения работы в течение перемещения жидкости из одной камеры в другую. Тепловая энергия рассевается в окружающую среду через металлическую крышку амортизатора. Обычно, верхняя часть системы амортизатора прикреплена к двигателю, в то время как нижняя опирается на устройство. Когда гидравлический амортизатор перегружается, скажем, вращением двигателя объём верхней камеры меняется и заставляет жидкость протекать через отверстия в нижней камере. Для повышения эффективности поглощения можно предложить несколько иную конструкцию гидравлических амортизаторов, которую в целом можно отнести к одной из текущих типичных идей, а именно, простое открывание клапана и включение активного контроля, который улучшает инертные свойства.

Схема простейшего амортизатора, предназначенного для поглощения вибраций в среднем диапазоне мощностей показан на рисунке 1: 1 – герметично закрытую рабочую камеру; 2 –резиновая обечайка; 3 – опорной платой; 4 – корпус; 5 – перегородка; 6 –кольцо; 7 –мембрана; 8 – поддон; 9 –компенсационная камера; 10 – клапан; 11 – отверстие; 12a – клапан резонатора в поршневой полости в отверстии; 12b –обратный клапан.

Рисунок 1 - Амортизатор

В ходе данной работы будут рассмотрены: гашение вредных вибраций, температурные эффекты, а также устройство гидравлической вибрационной опоры, её частотно-амплитудная характеристика.

 

О вибрациях

В системах со многими источниками вибраций всегда возможна синхронизация на одной или нескольких частотах [1, 2]. Вследствие этого эффекта уровень виброактивности может резко возрасти. В нелинейных механических системах высокочастотные гармонические составляющие могут приводить к разрушению функциональных связей между узлами конструкции [3].

Вредная вибрация передается основанию станков или механизмов и вызывает вынужденную вибрацию всего расположенного вблизи оборудования и аппаратуры. Вследствие многократно повторяющегося воздействия вибрации приводят к разрушению, износу и нарушению нормальной работы конструкций. Из-за усталостных разрушений могут происходить поломки валов двигателей, разрушение мелких деталей механизмов, обрывы проводов и трубопроводов. Вибрации циферблатов и стрелок приводят к тому, что затрудняется или делается невозможным чтение показаний приборов [4].

Для гашения повышенной вибрации необходимо, прежде всего, развязать между собою источники вибрации. Широко применяемые в настоящее время для гашения вибрации обычные резинометаллические демпферы не всегда удовлетворяют требованиям, предъявляемым к системам с повышенной виброактивностью. Поэтому усилия исследователей и разработчиков виброзащитных устройств в последнее время направлены на изыскание способов гашения вибрации, основанных на иных физических принципах и на разработку соответствующих систем виброзащиты. Принцип действия гидравлической виброопоры основан на эффекте поглощения энергии колебаний в вязкоупругих средах с реологическими свойствами, путем создания в рабочих камерах турбулентных потоков жидкости в заданных направлениях [5].

 

Гидравлическая вибрационная опора

Гидравлическая вибрационная опора (рис. 2) предназначена для демпфирования колебаний силовых агрегатов транспортных средств, стационарных энергетических установок, снижения уровней шума и вибрации в производственных и жилых помещениях.

Рисунок 2 - Гидравлическая виброопора

Гидравлическая виброопора состоит из герметично закрытой рабочей камеры 1, ограниченной эластичной обечайкой 2 и опорной платой 3. Эта камера заполнена рабочей жидкостью. Рабочая камера посредством дроссельных каналов 4а и 4б, не являющихся продолжением друг, а также каналов 5а и 5б расположенных, соответственно, в периферийной и средней  частях разделительной перегородки 6, установленной в корпусе 7, сообщена с компенсационной камерой 8, ограниченной снизу эластичной мембраной 9, отделяющей демпфирующую жидкость от воздушной полости 10 и уплотненную в корпусе 7 посредством поддона 11, предохраняющего мембрану 9 от механических повреждений. Разделительная перегородка 6 содержит кольцевую полость 12, выполненную в периферийной части перегородки частично выходящую в корпус 7 и  примыкающую к дроссельным каналам 4а и 4б. Перемычка с капиллярами 13 соединяющими рабочую и компенсационную камеры,  составляет часть разделительной перегородки 6 в которой выполнена  промежуточная камера 14 с эллиптическим сечением, соединенная дроссельными каналами 15а и 15б с кольцевой полостью. Компенсационная камера 8 состоит из центральной 8а и периферийной сферообразной 8б частей. Металлическая перегородка 6 снабжена двумя соленоидами 16, расположенными на ее противоположных сторонах, которые через усилитель мощности 20 последовательно соединены с фазовращателем 19, согласующимся с усилителем 18 и акселерометром 17. Выход согласующего усилителя соединен с осциллографом 23 и блоком 24 управления, который в свою очередь, соединен с фазовращателем и источником 21 питания, второй выход которого соединен с усилителем мощности.

Гидравлическая вибрационная опора работает по следующему принципу. При стационарной работе любого источника вибрации на гидроопору действует знакопеременное давление. Пусть в первом полупериоде входного периодического вибросигнала динамическая нагрузка совпадает со статической. Тогда давление, с учетом несжимаемости  жидкости в рабочей и компенсационной камерах резко возрастает, что приводит к растяжению гибкой мембраны 9. Возникший перепад давлений приводит к движению жидкости из рабочей камеры через дроссельные каналы 4а и 5а в кольцевую 12 и промежуточную 14 камеры, где поступившие потоки приобретают вращательное движение и возбуждают все слои жидкости в этих полостях. Так как в промежуточной камере 14 движущаяся магнитореологическая жидкость подвергается действию магнитного поля, создаваемого соленоидами 16, то ее движение может ускоряться, или затормаживаться в зависимости от фазовых соотношений между питающим соленоиды током и внешним вибрационным сигналом. Следовательно, управляя фазовращателем 19 можно подобрать оптимальный фазовый сдвиг между этими сигналами, при котором происходит наиболее эффективное демпфирование. Степень демпфирования вибрации на данной частоте вибростенда контролируется по осциллографу 23, который подключен к выходу согласующего усилителя 18 вибросигнала. Одновременно, через дроссельные каналы 4б и 5б, жидкость в виде вихревых шнуров выбрасывается в компенсационную камеру.

Во втором полупериоде воздействия на виброопору входного вибросигнала давление в камерах понижается и все описанные процессы проходят в обратном порядке. Благодаря разности давлений в рабочей и компенсационной камерах  через дроссельные каналы 4а и 4б жидкость поступает из кольцевой и промежуточной полостей в рабочую камеру. При поступлении рабочей жидкости из компенсационной камеры через дроссельные каналы 4б и 5б в кольцеобразную и промежуточную камеры в последних, благодаря тангенциальным вводам каналов, создаются встречные спиралеобразные потоки, как и в первом полупериоде.

 

Динамическая жесткость гасителей колебаний

Динамическая жесткость механической системы определяется как соотношение между амплитудой внешней гармонической силы и комплексной амплитуды колебаний. Это понятие вводится по аналогии со статической жесткостью, как отношение силы к смещению. Это реальная величина для вынужденных незатухающих систем. Вблизи резонанса любая система имеет минимальную динамическую жесткость. В частности, для незатухающих систем динамическая жесткость равна нулю в резонансном случае. Внешние силы, вызывают деформацию корпуса, а затем создают поток жидкости в камере. Задача состоит в определении реакции системы на внешнее воздействие как соответствующие функции, которые зависят, как правило, по крайней мере, от упругих деформаций, которая математически обозначается как x(t), скорость деформации , и температура T(t). Если предположить, эта функция должна быть гладкой, то первые слагаемые в серии обеспечивают линейную колебательную модель, которая верна в бесконечно малых перемещениях:

;

,

где - приведенная масса; - приведенный коэффициент затухания; - жесткость, для взаимодействия между мембраной и нижней камерой через жидкость; это объем в зависимости от динамических напряжений; - сокращение тепловой мощности, G -теплопроводность; и выступают за постоянную и переменную части контролируемой силы.

Пусть объем рабочей камеры имеет форму усеченного конуса с размерами, указанными на рис. 1, что составляет . Можно также получить хорошую оценку массы, , однако, не так легко оценить жесткость, но предположим, что . Коэффициент затухания будет оценен любым способом, , при условии, что жидкость несжимаема. Предположим, что и при частоте . Таким образом, множество (1) может быть решено аналитически в плане показательной функции. Используя программный продукт Maple, сделаем это.

Сделаем замену и решим первое уравнение. Получим:

С1 и С2 будем считать равными нулю:

 

Подставляем во второе уравнение и решаем. Получаем:

 Ниже представлены графики построения, полученных решений:

Рисунок 3 – Изменение температуры со временем

Из рисунка 3 видно, что сначала температура резко достигает высокого значения, а затем понижается и выравнивается.

На рисунке 4 представлен график зависимости деформации от времени. Как видно, за первое время происходит резкое возрастание, а затем выравнивается и продолжается равномерно.

Рисунок 4 – Деформация со временем

Как видно из графика на рисунке 5 скорость деформации за первое время достигает максимума своего, а затем спадает и выравнивается.

Рисунок 5 – Скорость деформации

 

Вывод

 

 

Список литературы

1. Блехман И. И., Синхронизация в природе и технике / И. И. Блехман. - М. : Наука. - стр. 352.
2. Кононенко В. О., Нелинейные колебания механических систем / В. О. Кононенко. -Киев : Наук. думка, 1980. - стр. 382.
3. Нагаев Р. Ф., Квазиконсервативные синхронизирующиеся системы / Р. Ф. Нагаев. - СПб. : Наука, 1996. - стр. 252.
4. Имаева Э.Ш., Определение параметров амортизатора для бурильной колонны при воздействии случайных колебаний , 2002. - стр. 7.
5. Пат. 2104424 Российская Федерация. Гидравлическая виброопора / Б. А. Гордеев, А. И. Весницкий, В. И. Марков, Е. И. Аббакумов. - № 96100147/28 ; заявл. 03.01.96 ; опубл. 10.02.98, Бюл. № 4.

6. ГОСТ 7.32-2001. Отчет о научно-исследовательской работе. Структура и правила оформления.

7. ГОСТ  19.701-90. Схемы алгоритмов, программ, данных из систем. Обозначения условные и правила выполнения.