РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТРОСОВОГО ВИБРОИЗОЛЯТОРА ПРОСТРАНСТВЕННОГО НАГРУЖЕНИЯ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОБОРУДОВАНИЯ ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ

 

Медников Н.В., Пономарев Ю.К., Ермаков А.И., Калакутский В.И.,   Котов А.С., Шатров В.Г., Евсигнеев А.Е. (СГАУ, г. Самара, РФ)

 

The results of development of a design and settlement model loading steel rope vibroinsulator with structural damping for protection of information-measuring systems exploited in severe constraints of vibration and impacts on transport are resulted.

 

В настоящее время в различных областях техники для защиты приборов и оборудования от вибрации и ударов широко применяются тросовые виброизоляторы цилиндрического типа с винтовым расположением троса между двух разъемных планок. Разработкой таких виброизоляторов в разное время занимались: Карло Камосси, Хей, Лекуч, Керлей, Лоуренс в США, а также ряд авторов в нашей стране [1]. Исследование данного типа виброизоляторов показало, что они обладают различными упругодемпфирующими характеристиками по трем взаимно – перпендикулярным направлениям. Разными авторами предпринимались попытки конструктивного исправления анизотропии характеристик виброизоляторов путем установки специальных ограничителей деформации, профилированных дефлекторов, специальной навивки троса между обоймами. Однако в большинстве случаев данные конструктивные усовершенствования не приводили к созданию изотропных виброизоляторов.

 

В настоящей работе делается попытка создания на базе исходной конструкции изотропного тросового виброизолятора пространственного нагружения и построение методики расчета его упругодемпфирующих характеристик. Суть идеи состоит в объединении двух цилиндрических виброизоляторов под углом 90^о в единое средство виброзащиты (рис. 1) [2]. Как видно из рис.1, виброизолятор выполнен в виде двух крестообразных разъемных обойм, сцентрированных между собой по центральным прямоугольным пазам и скрепленных заклепками. По границам разъема каждой из обойм в них просверлены отверстия для защемления тросового элемента причем навивка троса в каждом из оппозитно расположенных лучей противоположно направлена. По замыслу разработчиков в таком виброизоляторе анизотропия упругодемпфирующих характеристик должна быть минимальной.

С целью исследования анизотропии характеристик виброизолятора проделана работа по изучению свойств отдельного кольца из троса с заданными средним радиусом упругой линии R = D/2 и компоновкой ансамбля проволочек в поперечном сечении показанной на рис. 2.

Рисунок 2 – Расчетная схема витка виброизолятора нагружаемого в трех взаимно перпендикулярных направлениях

 

В расчетах использовано поперечное сечение троса состоящего из 49 проволочек (рис.2.б), диаметром поперечного сечения d=25×10^{-4 м, диаметром средней линии кольца} D=25×10^{-3 м, модулем упругости} E=2×10¹¹ Па, коэффициентом Пуассона µ=0,3.

      Момент инерции и площадь поперечного сечения троса определялись по формулам:

                                                               (1)

                                                                                           (2)                                             

 

Расчеты характеристик тросового кольца выполнены с помощью конечно - элементного комплекса ANSYS с использованием конечного элемента Beam 4 .

Созданная модель в виде упругого кольца с граничными условиями в виде жесткой заделки в точке 1 (рис 2,а) и с запретом угловых или линейных перемещений относительно некоторых осей координат в точке 2 (рис 2,а), была подвергнута виртуальному нагружению силами в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Прикладываемая нагрузка, деформировала элемент на одном этапе в сторону растяжения кольца, а на другом - в сторону его сжатия (рис 3,а). Аналогично нагружалось кольцо и в двух других направлениях по осям х и z.

По каждому направлению были получены зависимости силы от деформации, которые были сведены в таблицы и обработаны в инженерных пакетах MathCad и Excel. В дальнейшем, используя теорию подобия и размерностей, были получены  нагрузочные характеристики кольца в безразмерном виде:

                                            (3)

где u_i – перемещение точки 2 тросового элемента в направлении i – той оси.

Полученные зависимости безразмерной нагрузки от безразмерного перемещения с помощью пакета TABLE CURVE 2D были аппроксимированы аналитическими выражениями в виде полиномов третьей степени без свободного члена:

                                                             (4)

Графическая визуализация полученных зависимостей  представлена на     рис 4.

 

Используя полученные аналитические выражения, удалось найти нагрузочные характеристики для исследуемого виброизолятора в целом:

                                          (5)

На основе полученных аналитических зависимостей в сферических координатах (рис.5) было получено выражение нагрузочной характеристики виброизолятора в направлении вектора ρ,  связанного с координатами х,у,z следующими зависимостями:   

       Установленные зависимости позволяют расчетным путем получать силу сопротивления виброизолятора в направлении вектора ρ произвольного направления в пространстве:

 

                        (6)

Исследование показало (рис.6), что при амплитудах вибрации менее 5 мм созданный виброизолятор обладает практически изотропными жесткостными характеристиками в горизонтальной плоскости.

 

При амплитудах, бóльших 5 мм наблюдается небольшая анизотропность жесткостных свойств с циклической симметрией четвертого порядка.

В вертикальной плоскости анизотропия имеет место с коэффициентом симметрии равным двум. Величина анизотропии жесткости при этом зависит от статического нагружения силами веса прибора. На рис.7 в качестве примера показан типичный вид нагрузочной упруго – гистерезисной характеристики виброизолятора в направлении оси ОУ.

Литература

1.    Д.Е.Чегодаев, Ю.К.Пономарев. Демпфирование. – Самара: изд-во СГАУ, 1997. - 334 с.

2.    Патент РФ 50619, МПК F16F 7/14. Тросовый виброизолятор/ В.А. Гунин, А.И. Ермаков, Ю.К. Пономарев и др. // БИ.- 2006.-  № 2.