.Многослойные пластинчатые демпферы

Многослойные уїіругодемпферньїе опоры нашли широкое приме­нение для гашения вибрации еще в XIX веке. Впервые демпфер, представляющий собой несколько установленных друг в друга с зазо­ром стальных стаканов, предложен Ч. А. Парсоном. Стремление со­здать совершенные конструкции многослойных упругодемпферных опор, эффективные при разнообразных эксплуатационных условиях, надежные и долговечные, легкие и технологичные привело к разра­ботке большого числа демпфирующих устройств, которые достаточ­но подробно освещены в ряде работ (см., например, [131, 111, 68]).

Проведем анализ существующих конструкций многослойных уп­ругодемпферных опор с целью выявления возможности новых перс­пективных разработок. Основные требования к УД О:

а) высокие демпфирующие свойства опоры (р — 1…3);

б) малая анизотропия упругофрикционных характеристик опоры;

в) наличие устройства для разгрузки демпфера от действия стати­ческих сил;

г) использование для гашения вибрации комбинированного тре­ния (сухого и вязкого);

д) возможность реіулировапия УФХ при настройке УДО для конкретного ротора;

е) способность демпфера гасить осевую вибрацию роторов.

Рассмотрим конструктивные особенности некоторых многослой­ных упругодемпферных опор с повышенными демпфирующими свой­ствами.

Обеспечить конструктивно высокую демпфирующую способность многослойной упругодемпферной опоры можно различными спосо­бами.

Так, в демпферах конструк­ции Пономарева Ю. К. и др. [31, 36], представляющих собой многослойные упругогистере­зисные элементы, составленные из нескольких пакетов гофри­рованных пластин, высокое дем­пфирование достигается путем совмещения зон контактов меж­ду гофрированными пакетами с зонами максимальных проскаль­зываний (рис. 1.14). При этом работа сил трения при распрям­лении гофрированных пакетов

под нагрузкой значительно пре­вышает по величине работу, которая совершалась бы в том случае, если пакеты были бы установлены гофр в гофр.

В США [97] запатентована конструкция упругодемпферной опоры теплообменного диска (рис. 1.15). Одной из особен­ностей данной конструкции яв­ляется профилированный кор­пус опоры. При этом увеличи­вается протяженность контакт­ных зон между упругим гофри­рованным элементом и корпусом опоры, что приводит к возрастанию величины работы сил трения при распрямлении гофров.

В многослойном гофрированном демпфере конструкции Ю. К. По­номарева и др. [34] эффект увеличения демпфирования достигнут вследствие создания оптимального поджатия между слоями в пакете путем обмотки его стальной лентой с натягом (рис. 1.16). В конструк­ции Ю. А. Лебедева [21] увеличение количества рассеиваемой демп­фером энергии достигнуто в результате увеличения количества контактирующих точек и увеличения контактных давлении между ними (рис. 1.17). Демпфер конструкции А. М. Сойфера, И. Д. Эскина и др. [25] состоит из трех пакетов пластин, установленных последо-

вательно (рис. 1.18). Средний пакет набран из чередующихся прямых и гофрированных пластин, а наружные пакеты набраны из гофрированных пла­стин, вложенных гофр в гофр. Гофры внешних пакетов направлены навстре­чу друг другу. После сборки демпфе­ра, в результате прижатия и после­дующего распрямления гофрированных пластин, между слоями возникает сдавливающая нагрузка, близкая к равномерной, что приводит к увели­чению демпфирующих свойств.

Анализируя особенности указан­ных конструкций, можно отметить, что их авторы тем или иным спосо­бом стремятся либо увеличить кон­тактную площадь, либо оптими­зировать контактные давления меж­ду слоями.

И тот и другой способ приводят к увеличению работы сил трения при проскальзывании слоев в пакетах друг относительно друга и, как следствие из этого, к увеличению демпфирования. Поэтому при разра­ботке новых перспективных патентоспособных конструкций много­слойных гофрированных упругодемпферных опор следует использовать следующие принципы:

а) совершенствовать известные способы увеличения работы тре­ния или разработать более эффективные;

б) при сохранении высоких демпфирующих свойств создать конструкции более простые и технологичные.

Указанные принципы использованы в новых конструктивных разработках при непосредственном участии автора данной работы (см. гл. 5).

Из конструкций, главной положительной особенностью которых яв­ляется высокая степень изотропности упругофрикционных характерис­тик, можно выделить демпфирующее устройство по заявке № 48-18966 (Япония) [93]. Данное демпфирующее устройство представляет собой многослойный кольцевой гофрированный элемент, в котором линии вершин гофров расположены в плоскостях, перпендикулярных оси вра­щения ротора (рис. 1.19). Упругофрикционные свойства такой кон­струкции одинаковы но любым радиальным направлениям.

Существенным недостатком данной конструкции является ее боль­шая жесткость, так как, по существу, она представляет собой обо­лочку, а не кольцевую гофрированную ленту. Поэтому, чтобы создать требуемую жесткость в опоре, нужно либо уменьшить многослой — ность пакета, либо уменьшить тол­щину пластин в пакете. В первом случае резко упадет демпфирующая способность, а во втором — несущая способность конструкции.

Других аналогов, целью создания которых являлось бы увеличение изотропности упругофрикционных характеристик многослойных гофри­рованных опор роторов турбомашин, автором не обнаружено. Это объяс­няется, по-видимому, тем, что про­блема влияния изотропности УФХ опоры на амплитудно-частотные ха­
рактеристики (АЧХ) системы ротор—корпус акцентировала внима­ние исследователей лишь в конце семидесятых—начале восьмидеся­тых годов [72,120]. Поэтому их внимание до сих пор сосредоточено на определении степени влияния этого фактора существующих кон­струкций на поведение динамической системы, а не на разработке новых конструкций с изотропными УФХ. Исходя из изложенного, следует обратить серьезное внимание на разработку демпфирующих устройств с изотропными УФХ.

Проблема обеспечения изотропности УФХ опоры тесно связана с применением в демпфирующих устройствах специальных элементов разгрузки демпфера от статических сил, так как и наличие статичес­ких нагрузок, и применение разгрузочных устройств от статических

% ^ ^

сил могут служить причинами существенной анизотропии УФХ конст­рукции.

Разгрузка от статических сил широко применяется в на­стоящее время как в отечествен­ной, так и в зарубежной авиа­ционной промышленности вследствие таких ее несомнен­ных положительных достоинств, как совмещение динамического центра равновесия системы со статическим, создание более оп­тимальных условий работы уп­лотнительных элементов и Т.11. Так, например, в демпфирую­щем устройстве, предложенном В. В. Конгасом (рис. 1.20), раз­грузка от веса демпфера осуществляется размещением параллельно демпферу двухстороннего упругого элемента. В демпфирующем уст-

ройстве английской фирмы «Роллс-Ройс» разгрузочный элемент от веса ротора выполнен в виде пакета тарельчатых пружин, поджатых с натягом к наружному кольцу подшипника ротора.

Однако в известных конструкциях не принимался во внимание тот факт, что разгрузочное устройство вносит значительную анизот­ропию в УФХ опоры. Следует стремиться разработать такие демп­фирующие устройства, в которых влияние разгрузки на УФХ опоры было сведено до минимума. Кроме того, весь эффект разгрузки в

известных устройствах сводится к нулю при эволюциях летательного аппарата. Поэтому желательно создать такое разгрузочное устрой­ство, направление усилия которого соответствовало бы направлению действия силы веса ротора.

При применении упругодемпферных опор в качестве гасителей колебаний роторов высокооборотных турбонасосных агрегатов (ТНА) двигателей возникает потребность в создании специальных разгру­зочных устройств от статических сил с заранее известной величиной и направлением. Создание демпфирующих устройств с разгрузкой от статических сил указанного типа является одним из важных требова­ний для двигателей маневренных летательных аппаратов.

В ряде случаев, например при гашении вибраций высокооборот­ных ТНА, где в качестве рабочей среды используется жидкость с малой вязкостью, например водород, можно применять только мно­гослойные опоры с сухим трением. При использовании жидкостей с достаточно большой вязкостью в качестве гасителей колебаний при­меняются демпферы с выдавливаемой масляной пленкой.

Каждый из указанных типов демпферов имеет свои достоинства и недостатки. Демпфирующее устройство с комбинированным трением (сухим и вязким) соединяет положительные качества указанных выше типов демпферов. По существу, в многослойных кольцевых гофри­рованных упругодемнферных опорах отечественных ГТД (см., на­пример, описание конструкции двигателей НК-8, НК-12 и др.) уиругогистерезисный гофрированный элемент находится в масляной ванне. При воздействии на демпфер нагрузки гофрированный эле­мент распрямляется и, вытесняя из зазоров между гофрами и между гофрами и опорами гофров масло, работает частично как гидрав­лический демпфер. Однако работа сил вязкого трения в такой конструкции значительно меньше работы сил сухого трения. Поэто­му следует создавать оптимальные условия для работы демпфера в двух режимах (сухого и вязкого трения) при минимальном усложне­нии конструкции. При этом необходимо подбирать оптимальную жесткость и демпфирование для каждой конкретной машины, отли­чающейся от других машин по целому ряду параметров, таких как дисбаланс и вес ротора, линейные размеры и т. п.

Желательно также создать достаточно простую конструкцию много­слойной упругодемпферной опоры, в которой можно было бы регулировать в достаточно широких пределах жесткостные и демп­фирующие свойства. Такие попытки предпринимались.

В демпфере, предложенном А. С. Крас­никовым [23] и представляющем со­бой пакет стальных пластин, зазоры между пластинами заполнены маслом (рис. 1.21). Давление нагнетаемого в полости масла можно изменять регу­лятором, связанным с вращающейся деталью, что позволяет автоматичес­ки настраивать демпфер на частоту возмущающей силы. Однако данное демпфирующее устройство отличает­ся сложностью изготовления. Кроме того, вследствие малости влияния

гидравлической составляющей УФХ демпфера по сравнению с жесткостью и демпфированием в многослойном гофрированном элементе на суммар­ные УФХ опоры, указанная настрой­ка демпфера будет недостаточно эф­фективной.

К настоящему времени заставляет обратить на себя серьезное внимание проблема гашения не только поперечных, но и осевых колебаний ротора. До сих пор этому вопро­су не уделялось достаточно внимания. Особенно остро нуждаются в разработках такого типа конструкторы высокооборотных ТНА ракет­ных двигателей.

На наш взгляд, не следует разграничивать функции гасителей по­перечных и осевых колебаний ротора, а следует попытаться совмес­тить указанные функции в одной достаточно простой конструкции, работоспособной как при поперечной, так и при осевой вибрации ротора.

В заключение отметим, что несомненные положительные качества

МКГД доказывают целесообразность создания многослойных гасителей колебаний не только роторов турбомашин, но и других деталей и узлов авиационных и ракетных двигателей, а для подавления вибрации агре­гатов транспортных систем многослойные гофрированные унругодемп — ферные опоры являются наиболее перспективными среди систем с сосре­доточенным демпфированием. Некоторые из патентноспособиых разработок автора в этом направлении приведены в главе 5.