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.