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.