Динамика рычажной релаксационной подвески с прерывистым демпфированием

Механические колебания — распространенный и весьма важный вид движений, наблюдаемых в природе и технике. В технических устройствах в большинстве случаев колебания являются нежелательным сопутствующим фактором или формой протекания тех или иных процессов. Исключение составляют некоторые технологические машины, где колебания поддерживаются искусственно для выполнения основной функции.

Интересно отметить, что негативная роль колебаний в наибольшей степени проявляется при взаимодействии техники с природными объектами и средами. В полной мере такое утверждение справедливо для всех видов транспорта, сельскохозяйственных и дорожно-строительных машин.

Совершенствование виброзащиты остается актуальной проблемой транспортного машиностроения на протяжении всей истории его существования. Практически при неизменных схематических решениях, виброзащита улучшается с развитием технологий, определяющих элементную базу подвесок. Например, в некоторых средневековых конструкциях демпфирование реализовано мехами с оливковым маслом.

Рост скоростей движения и повышение требований к условиям работы человека и сложного навесного оборудования обуславливают необходимость совершенствования виброзащитных систем (подвесок) [10, 19, 21, 33] и внедрения новых конструктивных решений на основе новейших технологических достижений [143].

В частности, минимизация допустимой амплитуды колебаний ряда агрегатов, работающих в широком диапазоне частот, предполагает использование в их конструкции безрезонансных подвесок. Наибольшее распространение получили пассивные подвески (виброзащитные системы). Для большинства пассивных схем подвесок математические модели и методики расчета хорошо разработаны [10, 12, 15, 31, 37, 40, 53]. Вместе с тем, успешно применяемые на практике рычажные релаксационные подвески, исследованы не достаточно полно [37, 38, 44, 114, 121, 136], что не позволяет определить на стадии проектирования рациональные значения важных параметров.

Термин «релаксационная» (от английского «relax «— расслабление) отмечает важную особенность таких систем — наличие в конструкции последовательного соединения «демпфер-упругий элемент». Причем, вследствие опоры на демпфер, данный упругий элемент релаксирован (разгружен) в статическом состоянии системы, но оказывает воздействие на динамические характеристики.

Виброзащитные системы релаксационной схемы находят применение в ряде устройств и транспортных средствах, для которых дополнительным критерием плавности хода является минимизация амплитуды колебаний или рабочего хода подвески (например, при транспортировке больших объемов жидкости жидкости, для катков гусеничных машин [121], в подвесках блоков технического зрения роботов и т. п.).

Одним из путей улучшения виброзащитных свойств релаксационных систем (как и многих других) считается [4, 15, 24, 129, 138] управление демпфированием. Эффективное управление демпфированием предполагает отключение демпфера в те моменты времени, когда сила демпфирования отталкивает объект защиты от положения равновесия.

Недавние открытия в области химии [143] привели к появлению существенно нового класса управляемых демпферов на основе «магнитной» рабочей жидкости, меняющей свою вязкость в зависимости от напряженности электромагнитного поля в гидроканале. Такие устройства обеспечивают возможность реализации сколь угодно сложных алгоритмов управления демпфированием посредством электронных систем. Быстрое развитие данной технологии как за рубежом, так и в России [ 3 ] требует соответствующей теоретической базы, позволяющей максимально полно реализовать преимущества пассивного управляемого демпфирования.

К перспективным областям применения подвесок с прерывистым демпфированием относят [53, 86] виброизоляцию отдельных блоков кузова, кабины или сиденья оператора на машинах и агрегатах, не допускающих подрессоривания кузова в целом вследствие требований к выполняемой полезной функции (сельскохозяйственная и дорожно-строительная техника, блоки технического зрения и позиционирования и т. п.).

Представляет практический интерес применение подвесок с прерывистым демпфированием в расширяющейся сфере «беспилотных» транспортных и транспортно-технологических роботов. Современные алгоритмы ориентации на местности, используемые в данной технике, предъявляют жесткие требования к максимальной амплитуде колебаний следящих систем.

Построение безрезонансной пассивной виброзащитной системы, рассматриваемое в данной работе, призвано способствовать решению задач виброзащиты в перечисленных областях.

Основанием для развертывания данных исследований, кроме приведенных выше общих, хотя и важных положений, явилось участие автора в тематических разработках и создании программного обеспечения для ВНИИ Трансмаш (г. С.-Петербург).

Обзор состояния вопроса обеспечения безрезонансной передаточной характеристики виброзащитной системы позволяет считать, что анализ динамики рычажной релаксационной подвески с прерывистым демпфированием, выбор требуемых параметров, обеспечивающих заданную передаточную функцию системы, является актуальной научно-технической проблемой, свидетельствующей о необходимости исследований в данной области.

Работа посвящена синтезу безрезонансной виброзащитной системы релаксационного типа и анализу ее динамических характеристик.

Цель работы:

Синтез безрезонансной релаксационной подвески. Для достижения поставленной цели определены следующие задачи исследования:

— разработать математическую модель рычажной релаксационной подвески с постоянным и прерывистым демпфированием;

— выявить возможности улучшения виброзащитных свойств рычажной релаксационной подвески посредством использования прерывистого демпфирования;

— обосновать выбор основных конструктивных параметров рычажной релаксационной подвески с прерывистым демпфированием;

— проверить полученные результаты экспериментальным путем;

— разработать рекомендации по выбору рациональных параметров и совершенствованию конструкции релаксационной подвески.

Научная новизна.

1. Разработана и исследована математическая модель рычажной релаксационной подвески с постоянным и прерывистым демпфированием.

2. Определены закономерности влияния изменения параметров рычажной релаксационной подвески с постоянным и прерывистым демпфированием на ее динамические свойства.

3. Разработана и экспериментально проверена методика расчета параметров безрезонансной рычажной релаксационной подвески с прерывистым демпфированием.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены на основе классических методов расчета динамических систем с линейными и нелинейными упругодемпфирующими элементами. Натурные испытания рычажной релаксационной подвески выполнены на основе общей методики экспериментальных исследований транспортных подвесок. Лабораторные эксперименты по определению динамических свойств опытного образца рычажной релаксационной подвески проводились по специально разработанной программе.

На защиту выносятся:

— обобщенная математическая модель рычажной релаксационной подвески с постоянным и прерывистым демпфированием;

— методика расчета параметров безрезонансной рычажной релаксационной подвески с прерывистым демпфированием;

— вариант безрезонансной рычажной релаксационной подвески с прерывистым демпфированием;

— рекомендации по выбору рациональных параметров и совершенствованию конструкции релаксационной подвески.

Достоверность результатов обеспечивается соответствующим выбором расчетной модели, использованием современных методов анализа и адекватного математического аппарата, современной вычислительной техники и программного обеспечения, а так же подтверждается соответствием аналитических результатов данным эксперимента.

Практическая ценность работы:

1. Разработана и предложена конструкция безрезонансной рычажной релаксационной подвески с прерывистым демпфированием.

2. Сформулированы рекомендации по проектированию подобных устройств.

Реализация работы. Программное обеспечение и методика расчета параметров рычажной релаксационной подвески с прерывистым демпфированием, используется конструкторским бюро ВНИИ Трансмаш (С.Петербург) на этапе проектирования и анализа аналогичных устройств. Результаты работы использованы также в учебном процессе и при проектировании лабораторных стендов для изучения механических колебаний.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на научно-технических конференциях в ОрелГТУ в 1995.2000 годах, третьем международном симпозиуме «ТгйеЬз» в 1998 году (МГТУ им. Н. Э. Баумана). Работа обсуждалась в ОрелГТУ на заседании кафедры «Теоретическая механика и сопротивление материалов» в 1998 году и научно-методическом семинаре кафедры «Прикладная механика» в 1999, 2000 и 2001 годах.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ.

3.3.3. Выводы по результатам экспериментальных исследований лабораторной модели.

Испытания лабораторной модели рычажной релаксационной подвески с прерывистым демпфированием по алгоритму (1.45) в целом подтвердили теоретические положения, полученные расчетным путем. Выявлено качественное сходство расчетного и экспериментального законов движения элементов рычажной релаксационной подвески. При этом отмечены следующие особенности функционирования модели:

1. В отличие от расчетной схемы в экспериментальном образце зависимость силы демпфирования от скорости линеаризована с погрешностью 10. .20% в пределах рабочего диапазона.

2. Спектральный состав колебаний объекта защиты в ряде случаев незначительно отличается от расчетного (рисунок 33), что объясняется воздействием неучтенных сил сухого трения в подвижных соединениях системы и не идеальностью гидроканалов демпфера. Вследствие чего модель не полностью реализовала виброзащитные возможности схемы (таблица 2):

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Получившие наибольшее распространение в технике пассивные виброзащитные системы не всегда обеспечивают необходимую защиту машин, человека-оператора и навесного оборудования от внешних механических воздействий, поскольку, при кинематическом возмущении, в большинстве случаев увеличивают амплитуду колебаний защищаемого объекта вблизи резонансной частоты и поэтому малоэффективны на низких частотах.

Уменьшение собственной частоты системы с целью эксплуатации в зарезонансном режиме дает положительный эффект только при отсутствии силового возмущения. Силовое возмущение при «мягком» подвесе приводит к недопустимо большим перемещения защищаемого объекта. С другой стороны при случайных возмущениях со сплошным спектром не удается избежать проявления резонансных явлений, а сглаживание резонансных пиков посредством увеличения демпфирования неизбежно ухудшает динамику системы в области высоких частот.

Представляется доказанным, что в классе пассивных виброзащитных систем преодолеть указанные противоречия невозможно. Поэтому синтез безрезонансной схемы подвески рационально выполнять на основе управляемых звеньев.

В настоящей работе решена важная прикладная задача, заключающаяся в анализе влияния прерывистого демпфирования на динамические свойства рычажной релаксационной подвески.

В процессе решения данной задачи разработаны математические модели рычажной релаксационной подвески с постоянным и прерывистым демпфированием, которые позволяют анализировать влияние параметров системы на её динамические свойства. Показано, что алгоритмы переключений демпфирования, связанные со сменой знака следующих компонент состояния системы «объект-рычаг»: у-(у-х) или рс — у) • (>> - х) при определенных сочетаниях основных параметров (еь /V, а) обеспечивают безрезонансную передаточную характеристику. Экспериментальные проверки теоретических положений и расчетных данных проведены в лабораторных условиях на вибростенде с использованием разработанного образца системы. Натурные испытания экспериментального прицепа с опытным образцом подвески, включающей запатентованный гидравлический демпфер, подтвердили ее работоспособность и эффективность.

При изучении динамических свойств подвески установлено, что:

— рычажная релаксационная подвеска в зависимости от значения коэффициента демпфирования проявляет свойства одноили двухмассовой системы;

— значение собственной частоты рычажной релаксационной подвески с включенным демпфером, зависит от частоты возмущения вследствие наличия в системе динамической жесткости;

— при выключении демпфера происходит многократное ослабление влияния релаксационной пружины на объект защиты и, как следствие, существенно изменяется резонансная частота системы;

— вследствие принудительного поддержания в системе переходных процессов, вызываемых многократным изменением коэффициента демпфирования за каждый период возмущающего воздействия, осциллограммы колебаний объекта защиты содержат экспоненциальные слагаемые и гармоники, кратные частоте возмущения (со) и единичной частоте системы (к) — со2, со4, со6, со8, со10 и к2, к4, к6, к8, к10;

— для прерывистого демпфирования по алгоритму (1.45) границы многомерной области рациональных параметров, обеспечивающих безрезонансную динамику системы в диапазоне частот г|е[0,1- 4,0], описываются пересечением сложных поверхностей. На практике целесообразно задать подобласть-параллелепипед, полностью вписывающийся в найденную пространственную фигуру: 81 е [3,0- 3,8], N е [1,5- 1,9], а е [2,3- 3,1], (бо=0,05 и (11=0,05 из конструктивных соображений). Следует отметить возможность существования других областей, удовлетворяющих поставленным требованиям;

— для системы с демпфированием по алгоритму (1.46) в наибольшей степени удовлетворяют критерию безрезонансности параметры внутри области: 8]е[2,4- 3,1], Л^е[6,9- 11], ае[-1,08- -1,15]. При этом резонансные явления подавляются только на частоте Г|>0,8;

— при указанных алгоритмах демпфирования система устойчива во всем диапазоне исследованных частот, что доказывают замкнутые фазовые портреты установившегося движения в координатах «перемещение-скорость»;

— подвеска поглощает ударные воздействия за счет преобразования избыточной энергии удара в потенциальную энергию релаксационной пружины, с последующим рассеиванием на демпфере прерывистого действия, предотвращая перегрузку демпфера.

При изучении предельных возможностей систем данного типа (по критерию виброзащиты) установлено, что:

— с увеличением частоты возмущения суммарная продолжительность рабочих тактов демпфирования сокращается. Для алгоритма (1.45) существует граничная частота возмущения г|г"10, после которой демпфер постоянно выключен;

— запаздывание переключения демпфера на величину, меньшую 1/20 периода возмущающего воздействия, практически не оказывает влияния на динамические свойства рычажной релаксационной подвески.

Полученные новые научные знания в области динамики управляемых виброзащитных систем позволили провести синтез безрезонансной рычажной релаксационной подвески с прерывистым демпфированием, т. е. осуществить качественный переход от классической схемы подвески к более общей схеме релаксационной подвески с введением новых элементов — рычага и демпфера прерывистого действия.