Демпфирующие устройства и упругогистерезисные элементы, выполненные из тросов или тросовых прядей
В настоящее время разработано большое количество конструкций многослойных виброизоляторов с регулярной структурой на основе металлических тросов.
Тросовые виброизоляторы высокоэффективны, имеют значительный ресурс, их свойства стабильны при наработке. Тросовые упругогистерезисные элементы можно использовать для гашения пространственных колебаний. Расчетная модель прямолинейного отрезка троса проста и достоверна. Все это с учетом изложенных в настоящем разделе принципов конструирования позволило автору создать новые высокоэффективные конструкции тросовых упругодемпферных опор.
Принципиальным отличием разработанной автором и рассматриваемой ниже конструкции является высокая эффективность подавления вибрации за счет комбинации тросового демпфера сухого трения и демпфера вязкого трения. Оригинальная конструктивная
компоновка позволила выполнить опору с высокой технологичностью изготовления и максимальной простотой. Важнейшим преимуществом разработки является простота расчетной модели.
Унругодемнферпая опора ротора (рис. 5.1 и 5.2) включает зигзагообразную тросовую прядь 1, свернутую в кольцо и жестко закрепленную по краям в обоймах, выполненных из стаканов 2, 3 и 4, 3. При этом стакан 2 жестко закреплен в корпусе 5 с помощью болтов 6, а стакан 4 установлен па наружную обойму подшипника 7 ротора 8. Подшипник 7 зафиксирован от осевых перемещений резьбовыми гайками 9 и 10. Демпфер вязкого трения выполнен в виде кольцевой щели 11, ограниченной по краям уплотнительными элементами 12, стаканы 3 и 4 зафиксированы от окружных перемещений штифтами 13 (рис. 5.3), концы 14 и 15 тросовой пряди 1 заведены в радиальные отверстия стаканов 2 и 4 и развальцованы с обратной стороны (рис. 5.4).
Колебания вала гасятся демпфером сухого трения. При этом энергия вибрации переходит в тепло за счет работы сил сухого трения при проскальзывании проволочек друг относительно друга в отрезках тросовой пряди. Одновременно с демпфером сухого трения энергию вибрации поглощает и демпфер вязкого трения. При этом, так как торцы рабочего зазора уплотнены, демпфер вязкого трения (гидродинамический демпфер) работает как длинный демпфер со сдавливаемой пленкой, обеспечивая нормальную работу двигателя на рабочих режимах.
. Б-Б
-> і.
А-А |
1 |
Рис. 5.2. Разрез по А-А |
Совместная работа двух демпферов обеспечивает высокую эффективность подавления вибрации.
Упругая подвеска ротора в опоре выполнена с первоначальным расчетным эксцентриситетом, который компенсирует радиальные смещения стакана 4 относительно корпуса 5 иод действием веса ротора. Это мероприятие предотвращает нарушение коаксилыюсти кольцевой щели гидродинамического демпфера и позволяет ему работать с высокой эффективностью на любых режимах.
Расчетные схемы гидродинамического демпфера [68J и демпфера сухого трения [131, 111] позволяют быстро и с достаточной степенью точности рассчитать параметры вновь проектируемой опоры.
Сборка демпфера осуществляется следующим образом. Тросовая прядь заневоливается в кондукторе, представляющем собой плоскую поверхность с установленными па пей в определенном порядке жесткими пальцами (рис. 5.5). Далее тросовая прядь (рис. 5.6) свертывается в кольцо (рис. 5.7). Затем последовательно заводят сначала левую сторону пряди на стакан 2, завальцовывают концы пряди 14 и 15 (см. рис. 5.6) в радиальных отверстиях стакана 2, зажимают стаканом 3, а затем и правую сторону пряди зажимают между стаканами 3 и 4 (см. рис. 5.1, 5.4). Демпфер готов к установке в опору ротора.
Кольцо 4 устанавливают между наружной обоймой подшипника 7 и корпуса 5, а кольцо 5 кренят с помощью болтов 6 на корпусе 5. Через радиальные отверстия 9 в корпусе 5 (см. рис. 5.1) подают смазку под давлением в гидродинамический демпфер (кольцевую щель 11, ограниченную но торцам уплотнениями 12). Упругодемн — ферная опора готова к работе.
В настоящее время разработка находится в стадии патентования.
Широкое применение тросовых виброизоляторов в народном хозяйстве сдерживает сложность сборки и низкая надежность крепления упругого тросового элемента в обоймах.
Указанных недостатков лишен тросовый виброизолятор, предложенный автором [14, 102J.
Виброизолятор (рис. 5.8 и рис. 5.9) состоит из упругого тросового элемента 1 в виде замкнутого кольца закрепленного в двух диаметрально противоположных местах в двух обоймах и Каждая из обойм в свою очередь состоит из стержня в виде тела вращения 4 с полусферическим, конусным и цилиндрическим резьбовым участками. На конусные участки стержней 4 посажены конусные втулки 5 с ответными по отношению к стержням 4 конусами па их внутренних поверхностях. Полусферическая, конусная и небольшая часть цилиндрического участка стержней 4 выполнены с разрезами вдоль их общих осей. Перпендикулярно осям каждого стержня в плоскости стыковки их полусферического и конусного участков выполнены отверстия диаметром, равным диаметру тросового элемента. В эти отверстия па стержнях обойм установлен тросовый элемент 1. Для его установки предварительно разводят в стороны разрезанные части стержней 4 па расстояние, способное пропустить кольцо троса 1. Для защемления троса в отверстиях па резьбовые части стержней навернуты гайки 6, которые в совокупности с конусными втулками 5, обжимающими при наворачивании гаек разрезные конусные участки стержней, плотно зажимают тросовый элемент 1 в его двух диаметрально противоположных местах. Для предотвращения от
разворачивания гаек 6 между ними и конусными втулками 5 установлены пружинные шайбы 7. Как правило, в виброизоляторах подобного типа оси обойм располагают в одной плоскости, как показано на рис. 5.8 и 5.9. Иногда удобнее располагать оси обойм для крепления объекта иод углом 90°, как показано па рис. 5.10 и 5.11. Конструкция виброизолятора, если это требуется, позволяет располагать обоймы иод любыми углами относительно плоскости упругого элемента.
Упругий тросовый элемент 1 виброизолятора выполнен в виде замкнутого кольца (рис. 5.12), свитого из наружной винтовой пряди троса. Для этого вначале расплетают трос, свитый из нескольких многожильных прядей. При этом получают прядь с винтовой осью. Затем из нее сплетают кольцо необходимого диаметра, причем единственный стык пряди вначале опаивают припоем, а затем защемляют это место кольца в одной из разъемных обойм виброизолятора.
Работа виброизолятора-осуществляется следующим образом. Вибрационная или ударная нагрузка, приходящая от вибрирующего объекта или основания, приводит к изгибной или крутильной деформации участков тросового элемента. Деформируясь, отдельные проволочки троса проскальзывают друг относительно друга с трением в местах их контакта. Взаимное проскальзывание проволочек при
деформировании троса приводит к тому, что нагрузочные характеристики виброизолятора в трех взаимно перпендикулярных направлениях имеют вид гистерезисных петель, площадь которых характеризует рассеянную циклическую энергию. Эта энергия, превращаясь в тепло, рассеивается в окружающем виброизолятор пространстве. Благодаря рассеянию энергии происходит гашение колебаний объекта и снижение нагрузок на пего при ударах.
Как уже указывалось в принципах конструирования, для увеличения демпфирующих свойств необходимо в упругодемнфирующих элементах создавать равномерно распределенную сдавливающую нагрузку.
В тросовых элементах это можно осуществить, например, за счет обмотки троса упругой проволокой с натягом [30, 35, 37].
Однако эти тросовые элементы обладают малой гибкостью в случае плотного прилегания витков проволоки друг к другу. В случае неплотного прилегания витки смещаются в процессе эксплуатации вдоль оси тросового элемента, образуя участки с увеличенным шагом спирали, па которых существует контакт. Разработанная с участием автора конструкция [48] лишена указанных недостатков (рис. 5.13).
Упругогистерезиспый элемент 1 обмотай проволокой 2 и жгутом 3 из резины. При эксплуатации такого элемента витки проволоки 2 не смеща-
Рис. 5.13. Конструкция упру Рис. 5.14. Упругогистерезис- гогистерезисного тросового иый тросовый элемент элемента |
ютея вдоль оси каната, так как их положение фиксируется витками упругоэластичпого жгута 3, закрепленного на одном из концов троса.
Аналогичный эффект обеспечения равномерно распределенной сдавливающей нагрузки, неизменной в процессе эксплуатации достигается и в упругогистерезиспом тросовом элементе [46J (рис. 5.14).
Трос содержит, например, четыре пряди обвитые с натягом элементом 2, шаг навивки которого задается шагом проволочных спиралей 3, уложенных между прядями 1 троса и закрепленных на его концах. Изгиб внутрь участков элемента 2 в местах между прядями осуществляется, например, прокаткой роликами вдоль линии касания прядей 1 троса.
Элемент 1 может быть выполнен из одного или нескольких отрезков тросов или тросовых прядей. Элемент 2 также может быть выполнен как в виде одной проволоки, так и в виде тросовой пряди из нескольких стальных упругих проволочек. Эти мероприятия способствуют увеличению эффективности подавления вибрации.
Высокой эффективностью подавления вибраций отличается виброизолятор [61J. Кроме того, предлагаемая конструкция может обеспечивать настройку готового изделия иод заданные значения параметров |/ и С (коэффициента рассеивания энергии и средиециклической жесткости), а виброизолятор является опорой пространственного нагружения.
На рис. 5.15 изображен предлагаемый виброизолятор в плане, па рис. 5.16 — разрез по А-А, па рис. 5.17 — вариант его исполнения с двумя унругогистерезисиыми элементами.
Виброизолятор содержит две обоймы: внутреннюю 1 и наружную 2 и связывающий их упругий элемент 3 в виде замкнутого контура.
Обоймы и расположены коаксиал ыю. Упругий элемент представляет собой симметричную фигуру, состоящую из двух скрещивающихся пар прямолинейных параллельных и сопряженных участков 4 и 5, заключенных во внутреннюю обойму 1 с возможностью проскальзывания пар одна относительно другой, и соединяющих их концы четырех дугообразных участков 6, связанных с наружной обоймой в точках 7 их касания с помощью скоб 8.
Виброизолятор содержит дополнительный упругий элемент 9, соосно расположенный с основным упругим элементом 3 и выполненный аналогично ему.
Прямолинейные участки 4и 5 основного упругого элемента 3 и дополнительного упругого элемента 9 сопряжены, а угол а между прямой, соединяющей точку 7 касания дугообразного участка 6 с наружной обоймой 2 и точку пересечения плоскости 10 сопряжения упругих элементов 3 и 9 с осью виброизолятора 11, и самой плоскостью 10 сопряжения равен 0…450.
Виброизолятор работает следующим образом. При воздействии на виброизолятор осевой вибрационной нагрузки внутренняя обойма 1 смещается в осевом направлении и прямолинейные участки 4, 5 упругого элемента 3 и дугообразные участки 6 испытывают деформации поперечного изгиба.
При воздействии на виброизолятор поперечной вибрационной нагрузки, например, в направлении, параллельном участкам 4, внут-
ренняя обойма 1 смещается относительно оси виброизолятора 11 в том же направлении. При этом прямолинейные участки 5 упругого элемента 3, расположенные перпендикулярно к направлению действующей силы, работают в процессе всего ее хода, вызывая деформации их поперечного изгиба, а прямолинейные участки 4, совпадающие с направлением действующей силы, смещаются вместе с внутренней обоймой 1 до того момента, пока упругие силы дугообразных участков 6 не превысят суммарные силы трения между скрещивающимися прямолинейными участками 4 и 5 в плоскости их касания и корпусом внутренней обоймы 7.
Дальнейшее смещение обоймы 1 сопровождается взаимным проскальзыванием с трением скрещивающихся прямолинейных участков и 5 упругого элемента 3 с последующим ограничением этого смещения возрастающими упругими силами дугообразных участков 6. Дугообразные участки 6 испытывают при этом деформации изгиба в плоскостях этих участков.
Суммарная работа сил трения, вызванная взаимным проскальзыванием проволочек и прядей в результате деформации поперечного изгиба прямолинейных участков тросового упругого элемента и деформации изгиба его дугообразных участков при действии осевых вибрационных нагрузок, а также суммарная работа сил трения, вызванная относительным проскальзыванием скрещивающихся прямолинейных участков упругого элемента во внутренней обойме и взаимным проскальзыванием проволочек и прядей в результате изгибиых деформаций дугообразных участков при действии поперечных вибрационных нагрузок, обеспечивают высокую демпфирующую способность виброизолятора по всем направлениям действующих нагрузок.
Виброизолятор (см. рис. 5.17) работает аналогично описанному. Кроме того, его конструкция позволяет иметь различные жесткост — ные характеристики в осевом и поперечном направлениях за счет разведения точек касания дугообразных участков 6 обоих упругих элементов 3 и 9 с наружной обоймой 2 в разные стороны относительно плоскости 10 сопряжения их прямолинейных участков 4 и 5.
При увеличении угла а в пределах а = 0…450 жесткость виброизолятора в осевом направлении возрастает, а в поперечном направлении уменьшается, и наоборот, при уменьшении угла а жесткость виброизолятора в осевом направлении уменьшается, а в поперечном возрастает.
При величине а — 45° жесткость виброизолятора одинакова в осевом и поперечном направлениях, что обеспечивает его равиочастотность.
Виброизолятор обеспечивает высокую демпфирующую способность в поперечном и осевом направлениях, обусловленную работой сил трения между скрещивающимися прямолинейными участками упругих элементов во внутренней обойме и работой сил трения между проволочками и прядями при изгибных деформациях прямолинейных и дугообразных участков тросового упругого элемента, что значительно улучшает амплитудно-частотные характеристики виброизолятора по сравнению с прототипом. Кроме того, возмож — ность изменять жесткостные характеристики виброизолятора в осевом и поперечном направлениях дает возможность создания равночастотной конструкции.
Тросовые упругогистерезисные элементы могут быть эффективно использованы и для подавления крутильных колебаний [60].
На рис. 5.18 изображен общий вид предлагаемого гасителя крутильных колебаний. Гаситель содержит барабан 1, установленный внутри него цилиндр 2 с расположенными на нем ограничителями 3—5. На цилиндре закреплены скобы 6—8.
Гаситель колебаний работает следующим образом.
При повороте цилиндра 2 относительно барабана 1 цилиндр 2 увлекает за собой скобы 6—8, которые, перекатываясь по наружной поверхности цилиндра и внутренней поверхности барабана, создают за счет пластической деформации скоб момент сопротивления повороту цилиндра относительно барабана. При этом скоба 6, перекатываясь в наименьшем зазоре Ъ, первой дойдет до упора в ограничитель 3 и, упруго деформируясь, зафиксируется относительно цилиндра 2.
Дальнейшее вращение цилиндра 2 относительно барабана 1 сопровождается скольжением изогнутого по внутреннему радиусу барабана участка скобы по внутреішей поверхности барабана и одновременным обкатыванием но цилиндру и барабану скоб 7 и 8 до упора скобы 7 в ограничитель 4 и так далее. При этом момент сопротивления гасителя возрастает до максимальной величины, при которой обеспечива
ется связь между цилиндром и барабаном за счет суммарных сил трения между каждой скобой и внутренней поверхностью барабана.
Предлагаемая конструкция гасителя крутильных колебаний двухстороннего действия, т. е. ступенчатая характеристика, обеспечивается как при прямом, так и при обратном повороте цилиндра относительно барабана. В зависимости от требуемой характеристики гаситель может содержать различное количество скоб и соответствующих ограничителей.