ВИБРАЦИИ

В данной главе представлены перспективные конструкции и но­вые способы подавления вибрации, разработанные с участием автора настоящей работы. Все разработки запатентованы.

5.1. Анализ конструкций и классификация методов и средств подавления вибрации

Разработки выполнены с использованием следующих основных принципов конструирования.

Предлагаемая разработка должна иметь малую (< 0,1) поворот­ную циклическую анизотропию свойств, в противном случае воз­можно появление субгармонических резонансов динамической сис­темы. Реализация указанного принципа, например, для многослойного гофрированного демпфера опор роторов ГТД дает значение парамет­ра т > 8, где т — число пролетов (гофров) демпфера.

Одновременное действие статических сил (например, веса рото­ра) и вращающейся нагрузки от дисбаланса приводят к смещению центра траекторий, вектор которого отстает от вектора статической силы на угол, зависящий от веса ротора, нагрузки от дисбаланса и параметров опоры. При разгрузке ротора от веса этот фактор необхо­димо учитывать, иначе разгрузка от веса только увеличит анизотро­пию упругодиссипативиых характеристик опоры.

Для обеспечения высокой эффективности демпфирования и износо­стойкости трущихся элементов необходимо добиться оптимального сочетания твердости и шероховатости трущихся пар, например за счет применения специальных покрытий и термообработки.

Средства виброзащиты должны работать в зоне малого изменения коэффициента рассеивания энергии |f от параметров опоры, напри­мер, в зоне асимптотического изменения функции |г(г) и с большим градиентом относительной жесткости. В этом случае определяющие параметры слабо влияют на уровень и стабильность упругодиссипа­тивных характеристик опоры.

Там, где это возможно, следует создавать демпфирующее устрой­ство со слабо изменяющимися за цикл нагружения силами трения, в противном случае следует создавать дву — и многостороннюю упруго­гистерезисную связь. При этом ослабляется влияние на свойства опоры трудно контролируемых в производстве параметров и проще описание гистерезиса (упрощается математическая модель).

При создании новой высокоэффективной УДО необходимо стре­миться использовать упругогистерезисиые элементы с распределенным по поверхности контакта фрикционных пар демпфированием. И только, если это не удается, использовать фрикционные пары с линейным или точечным контактом. Это связано с ростом местных контактных давлений и снижением долговечности и стабильности упругодисси­пативных свойств опоры.

Для обеспечения высоких значений коэффициента рассеивания энергии следует стремиться обеспечивать оптимальную и равномер­ную сдавливающую нагрузку по контактным поверхностям трущихся пар, а сами нары создавать из материалов с одинаковым модулем

г

упругости.

При разработке математической модели демпфирующего устрой­ства следует учитывать значительность влияния допусков на изго­товление деталей демпфера на свойства готового изделия. Желатель­но промоделировать и разработать соответствующие рекомендации для конструкторов-разработчиков.

Контактирующие детали демпферов должны быть неактивными в электрохимическом отношении парами.

С целью увеличения ресурса опоры следует избегать концентра­ции напряжений в местах крепления упругогистерезисных элементов (заделке).

Созданию новых патентоспособных методов и средств подавле­ния вибрации способствовала разработанная автором специальная виброизоляторная классификация (СВК).

В работах [131, 111, 68] значительное внимание уделено анализу существующих методов и средств виброизоляции агрегатов транспортных систем. Однако объем анализируемой информации в указанных ис­точниках ограничен рамками объема работ в целом. Поэтому ряд важ­ных для анализа методов и средств виброизоляции не были освещены при анализе. В этой связи возникает задача сконцентрировать инфор­мацию и при анализе использовать ее в сжатом виде.

В работах [131, 111, 68] приведены классификации методов и средств виброизоляции. Однако в этих работах дано графическое представление информации, что, во-первых, затрудняет решение по­ставленной задачи (анализ существующих методов и средств подав­ления вибрации), а во-вторых, допускает пересечение дискретных формальных признаков, причем это пересечение отрицательно влия­ет на восприятие информации об отражении отношений между слож­ными категориями комплексов.

Прежде чем приступить к разработке новой классификации, сформулируем требования, которым должна удовлетворять разраба­тываемая нами система, и рассмотрим некоторые аспекты теории классификации (см. [103, 2, 79]), которые помогут нам решить по­ставленные задачи.

Классификацией называется метод описания содержания доку­мента (в частности, конструкторского документа), но не с помощью элементов, выбираемых из документов, а посредством анализа содер­жания документов в целом.

Классификация может быть специальной (для ограниченной об­ласти человеческих знаний) и универсальной — для всего объема человеческих знаний.

В данном случае имеет место термин «специальная».

Для подавления вибрации в технике в настоящее время использу­ют демпферы, амортизаторы, демпфирующие устройства, виброизо­ляторы, вибропоглотители и т. п. ЕСКД рекомендует использовать во всех случаях термин «виброизоляторы».

С учетом вышеизложенного сформулируем название и аббревиа­туру разрабатываемой классификации: «специальная вибролизоля — ториая классификация (СВК)».

• Основные требования, которым должна удовлетворять разрабаты­ваемая система следующие:

— информация должна быть сконцентрирована в малом объеме, в форме удобной для анализа;

— при сжатии информации не должно искажаться содержание документа;

— в каждом блоке (комплексе) может иметь место пересечение или квази-пересечение индивидуальных признаков, однако это пе­ресечение не должно нарушать структуру подчинения сложных ка­тегорий;

— комплекс должен быть построен по тезаурусному принципу, т. е. быть иерархическим;

— необходимо заранее учесть и выделить все категории, которые могут составлять комплексы и свести их в классификационный ряд;

— для отражения отношения между сложными категориями долж­ны быть установлены специальные правила типа «а также», «и» и т. п.

В значительной мере этим требованиям отвечает линейное пред­ставление информации в виде комплексов. При этом будем исполь­зовать следующие принципы.

Формула классификации составляет комплекс, который должен отражать взаимосвязь понятий. При образовании комплексов нельзя

допускать, чтобы изменение порядка расположения терминов иска-

“ #■

жало содержание документа (имеется разница между «слепым вене­цианцем и венецианским слепым»).

Существует взгляд, что классификация не обязательно должна быть иерархической, но тогда это будет уже не классификация, а простая индексация, хотя иерархия не всегда может быть строгой.

Несмотря на то что среди требований к разрабатываемой системе отсутствует релевантность, при индексировании следует учесть и выде­лить все категории, обеспечивающие при необходимости релевант­ность поиска любой потребной для анализа информации.

В основу формулы комплекса должен быть заложен принцип: об­щее перед частным, обобщение в направлении от конца к началу.

Цель исследования состоит в том, чтобы определить, что мы мо­жем игнорировать. Эта задача решается с помощью умозаключений. Следует учитывать, что категоризация — это субъективный метод оценки объективных знаний. Поэтому вся разработанная система, в какой-то мере, будет субъективной.

При образовании комплекса следует использовать принцип A>B>C>D>E, т. е. каждый последующий термин, добавляемый к преды­дущему термину, видоизменяет все предшествующее сочетание терминов.

Сложный комплекс может быть образован от нескольких простых индексов и определителей, расположенных в строго линейной после­довательности, исключающей возможность неточного их прочтения.

При образовании комплексов могут быть использованы следую­щие знаки:

— знак отношения п:п, коныокция «произведение» — может свя­зывать два или более понятий;

— знак распространения п/п

—знак присоединения п+п, дизъюнкция, «сумма»;

—апостроф или знак синтеза п’п

— квадратные скобки [п…п, субординаитная (соподчиненная) конъ­юнкция;

— дополнительный аспект я;

— указатель подкласса [ ];

— форма, место (я) и др.

При их применении осуществляется связь между отдельными индексами. Эти синтаксические средства являются логическими функ­торами. Аргументами здесь будут индексы.

В практике знаки [я:я] используются для объединения понятия типа a:bc]. Определитель (я) не должен приводить к изменению смыслового значения стоящего впереди него смыслового индекса и может быть использовал, например, для фиксации, источника ин­формации (научно-технический отчет, патент и тле).

Индекс «6» означает, что данная категория в определении опреде­лителями я:я и я+я близки к связкам типа -«и» и «или».

*

В соответствии с изложенным, в иерархической последовательно­сти нами выделены следующие категории виброизоляторов.

I. Основным классификационным признаком является принцип действия демпфирующего устройства:

1 — гидродинамические демпферы, в которых демпфирование возникает при перемещении жидкости (газа) по кольцевому демп­ферному зазору (зазорам) между вибратором и корпусом;

2 — дроссельные демпферы, в которых демпфирование реализует­ся при продавливании жидкости (газа) через специальные дроссели­рующие отверстия, канавки и т. д.;

3 — демпферы «сухого» трения, рассеивание энергии вибрации в них происходит за счет реализации работы сил трения одного эле­мента о другой, при этом контактные поверхности могут быть смо­ченными маслом, но смазка, в основном, влияет лишь на величину коэффициента трения между контактирующими поверхностями. От­личительной особенностью данной группы является точечный кон­такт трущихся поверхностей;

4 — демпферы «сухого» трения с линейным контактом между трущимися поверхностями (они более эффективны, чем демпферы группы 3);

5 — демпферы «сухого» трения с поверхностным контактом меж­ду соприкасающимися поверхностями;

6 — демпферы комбинированного трения: работа сил «сухого» трения соизмерима с работой сил гидродинамического или дрос­сельного демпфера, установленных параллельно или последовательно демпферу «сухого» трения;

II. Важнейшим классификационным признаком является назначение демпфирующего устройства. При этом выделяем следующие критерии:

1 — демпферы опор роторов машин и механизмов;

2 — упругодемпферные опоры (УДО) приборов, оборудования, транспортируемых грузов и т. д.;

3 — виброизоляторы, УДО, амортизаторы и тл., основным назначе­нием которых является отстройка колебательной системы от резонанса. При этом виброизолятор может иметь достаточно высокие демпфиру­ющие свойства, так как, например, отстройка от основного резонанса для сложной машины не исключает возникновение ««дополнительных» резонансов, демпфирование которых также весьма желательно;

4 — УДО трубопроводов также выделяются в отдельную группу, так как они имеют существенные конструктивные отличия и отли­чия в условиях работы от других групп;

5 — демпферы лопаток турбомашин, осевых и радиальных ком­прессоров и прочих лопаточных машин;

6 — средства виброзащиты корпусных элементов (стенок, ребер жесткости, фланцев и т. д.);

7 — межвальиые демпферы многовальных лопаточных машин.

III. По основополагающим конструктивным признакам, опреде­ляющим эффективность и качество разработки, все многообразие демпферов можно разделить на следующие категории:

1 — многослойные пластинчатые демпферы, упругогистерезисный элемент представляет собой пакет пластин, прижатых друг к другу. Рассеивание энергии вибрации происходит при его изгибной дефор­мации;

2 — то же, что и в группе 1, но пакет пластин (или часть пластин в пакете) предварительно гофрированы. Такие демпферы имеют бо­лее высокую эффективность по сравнению с демпферами группы 1;

3 — демпфирующие устройства, в которых упругогистерезисные элементы выполнены из отрезков тросов;

4 — изделия из материала металлорезина (МР);

5 — упругогистерезисные элементы, в которых реализовано соче­тание пакетов пластин, отрезков тросов и нетканого проволочного материала;

6 — гидродинамический «длинный» демпфер, в котором, при колебаниях вибратора жидкость перетекает по демпферному зазору,

в основном, в окружном направлении

7 — гидродинамический «короткий» демпфер, в котором жид­кость по демпферному зазору перетекает, в основном, в осевом на-

L N, где L — ширина демпфера, R — радиус щели;

о Ч “ )

о — гидродинамические демпферы, в которых контактно или бесконтактно уплотнен кольцевой зазор между вибратором и кор­пусом;

9 — гидродинамические демпферы с контактными или бесконтакт­ными уплотнениями.

IV. По характеру воспринимаемой нагрузки демпфирующие устрой­ства можно выделить в следующие группы:

1 — демпферы для подавления осевой вибрации роторов машин;

2 — демпферы для подавления радиальной вибрации роторов машин;

3 — демпферы опор роторов, воспринимающие как радиальную, так и осевую вибрацию;

4 — демпфирующие устройства, работающие в режиме односто­роннего упругогистерезисного упора;

5 — демпфирующие устройства, работающие в режиме двусто­роннего упругогистерезисного упора;

6 — упругодемпферные опоры пространственного нагружения.

V. По виду деформации УДЭ и характеру его связей с окружаю­щей средой демпферы разделяются на следующие группы:

1 — УДЭ работает на сжатие;

2 — УДЭ работает на растяжение-сжатие;

3 — УДЭ работает на изгиб;

4 — УДЭ работает на кручение;

5 — УДЭ работает на сдвиг;

6 — УДЭ с комбинированной деформацией;

7 — УДЭ связан с опорой заделкой;

8 — УДЭ связан с опорой пространственным шарниром;

9 — УДЭ связан с опорой плоским шарниром.

VI. Важными характеристиками демпфирующего устройства яв­ляется анизотропия и управляемость его упругофрикционных харак­теристик. По этому признаку выделены следующие категории:

1 — демпферы с близкими к изотропным УФХ (коэффициент анизотропии УФХ (Ха < 10 %) [ см. п. 2.1.1 ]);

2 — демпферы с малой степенью анизотропии (К = 10—30 %);

3 — демпферы с анизотропными УФХ > 30 %);

4 — демпферы с активным регулированием УФХ;

5 — адаптивные демпферы (самонастраивающиеся);

6 — демпферы с неуправляемыми УФХ.

VII. При больших статических нагрузках вибратор совершает ко­лебания не относительно центрального положения, а с некоторым смещением. При этом резко возрастает анизотропия его УФХ и из­меняются его характеристики (как правило, ухудшаются). Поэтому важной характеристикой демпфирующего устройства является его способность воспринимать статические нагрузки. По этому признаку демпфирующие устройства классифицируем так:

1 — демпферы с параллельно установленными упругими элемен­тами типа «беличье колесо». Они применяются при весе ротора до 150 кг. Основными недостатками являются: большие осевые габари­ты и сложность изготовления. Большое распространение получили, так называемые, компенсационные или разгрузочные устройства;

2 — разгрузочное устройство, выполненное в виде пакета тарель­чатых пружин (пружина Бельвилля);

3 — разгрузочное устройство, выполненное в виде многослойного пакета гофрированных пластин;

4 — компенсационный элемент выполнен в виде цилиндрической пружины и регулирующего жесткость пружины элемента типа экс­центриковой втулки;

5 — демпферы без разгрузочных устройств от статических сил со слабым влиянием статической нагрузки (< 10 %) на их УФХ;

6 — демпферы без разгрузки от статических сил;

7 — разгрузочное устройство отслеживает направление статичес­кой нагрузки.

VIII. По типу упругой характеристики демпфера и его эффектив­ности, определяемой коэффициентом рассеивания энергии (vmax = 8) выделены следующие категории:

1 — демпфер малой эффективности (у < 1);

2 — эффективные демпферы (|/ = 1…4);

3 — высокоэффективные демпферы (у >4);

4 — виброизоляторы с линейной характеристикой;

5 — виброизоляторы с жесткой характеристикой;

6 — виброизоляторы с мягкой характеристикой;

7 — устройства со смешанной, например, линейно-мягкой харак­теристикой.

IX. Внедрение демпфирующих устройств в промышленное произ­водство часто определяет наличие или отсутствие расчетной модели,

а также стадии внедрения. По этому признаку можно выделить дем­пферы, для которых:

1 — имеется расчетная модель;

2 — отсутствует расчетная модель;

3 — имеется простая и достоверная расчетная модель;

4 — опытный образец изготовлен и испытан;

5 — демпфирующее устройство внедрено в серийное производство;

6 — конструкция существует только на бумаге;

7 — предложен новый способ (метод) демпфирования.

X. По источнику информации о характеризуемой разработке вы­деляем следующие категории:

1 — авторское свидетельство СССР или РФ;

2 — патент РФ;

3 — иностранный патент;

4 — литературный источник;

5 — научно-технический отчет;

6 — свидетельство об интеллектуальной собственности;

7 — полезная модель.

Разработанная автором СВК не претендует на абсолютную полноту и законченность в связи с тем, что «конструкторская мысль» находит­ся в постоянном развитии и совершенствовании и новые разработки уже в ближайшие годы дадут непредсказуемые классификационные категории и трансформируют приведенные выше. Однако, на данном этапе развития науки и техники СВК является, пожалуй, единствен­ной системой, дающей достаточно полную информацию о свойствах, качествах и эффективности и т. п. конструктивных разработок данного класса и сконцентрированной в одной строке.

Для подтверждения эффективности предлагаемой классификации автором исследована информация о демпфирующих устройствах, отра­женная в работах [131, 111, 68]. Отметим для сравнения, что инфор­мация, которая в первоисточниках была отражена более чем на 130 страницах текста с применением предложенной классификации скон­центрирована в виде комплектов, типа: 4 : 2/3 : 3. 4/5/6. 3/7 [1+6]. 5 [2+6] (1+4) (2) — патент РФ № 2179667 на нескольких страницах. Читается этот линейный комплекс следующим образом.

Демпфер (виброизолятор) сухого трения с линейным контактом между трущимися поверхностями (тросовый). Рекомендуется к применению в качестве упругодемпферных опор приборов, обору­дования, транспортируемых грузов и т. п. Применяется в качестве

виброизолятора, но имеет и высокие демпфирующие свойства (подав­ляет основной и дополнительные резонансы). Унругогистерезисные элементы выполнены в виде отрезков тросов. Может работать в ре­жиме одностороннего или двустороннего упругогистерезисного упора и является опорой пространственного нагружения, т. е. воспринимает и подавляет продольные и боковые вибрации. УДЭ (отрезок троса) работает на изгиб и связан с опорой заделкой. Обладает близкими к изотропным УФХ (коэффициент анизотропии менее 10 %) и явля­ется демпфером с неуправляемыми УФХ. Выполнен без разгрузоч­ного устройства, но способен сам воспринимать вес амортизируемой конструкции. Имеет высокие демпфирующие свойства (|/ = 1…4) и является виброизолятором с мягкой характеристикой. По данному виброизолятору имеется расчетная модель, опытный образец изго­товлен и испытан. Защищен патентом РФ.

Для специалиста, на наш взгляд, это достаточно полная информация.

Отметим, что иерархический подход к описанию изобретений в виде линейных комплексов позволяет взаимоперестановкой нижеле­жащих по иерархии категорий эффективно использовать полезные идеи одной ветви в других ветвях, т. е. способствует созданию новых изобретений.