Разработка методов создания цельнометаллических многокомпонентных виброизоляторов с конструкционным демпфированием

Современные транспортные системы (ТС) различного назначения, включая двигатели летательных аппаратов (ДЛА) и ракетно-космический техники (РКТ), подвержены воздействию интенсивных динамических нагрузок в широком спектре частот и ускорений, высоких и низких температур, солнечной радиации, повышенной влажности, агрессивных сред и других неблагоприятных факторов. В связи с этим разработка высококачественных ТС неразрывно связана с решениями проблем обеспечения повышенной стойкости, вибрационной прочности и функциональной надёжности их агрегатов, систем управления, входящих в них узлов и деталей. Одним из основных путей решения указанных проблем является создание виброи ударозащитных систем (ВС) на основе цельнометаллических виброизоляторов с конструкционным демпфированием. Упругодемпфирующие элементы (УДЭ) таких виброизоляторов изготавливаются из отрезков тросов, многослойных пластин, тканых и нетканых волокновых (проволочных) материалов.

Начало изучения явления конструкционного гистерезиса в системах конструкционного демпфирования (СКД) было заложено в работах Пиано и Халловела, Гудмана и Клампа за рубежом, ученых бывшего СССР Я.Г. Па-новко, Г. И. Страхова, Ю. А. Лебедева, Н. Г. Калинина (см. обзор литературы в [62]), а также ученых Самарской школы — A.M. Сойфера, Н. Д. Кузнецова, В. П. Филекина, И. Д. Эскина, В. Н. Бузицкого, Н. С. Кондрашева, В. А. Фролова, Ю. К. Пономарева, Е. В. Шахматова и других ученых. Эти работы во многом послужили основой при создании новых эффективных методов и средств виброзащиты. Так, в трудах A.M. Сойфера [117] впервые был описан демпфирующий элемент для трубопроводов, представляющий собой «. стальную проволочную набивку» — прообраз нового проволочного материала MP [6,7].

В 60-е годы, характеризующиеся бурным развитием авиационной и ракетно-космической техники, в КуАУ авторами A.M. Сойфером, В. Н. Бузицким и В. А. Першиным был создан материал МР, получаемый холодным прессованием взаимоперекрещивающихся спиралей [7]. Не преувеличивая, можно утверждать, что созданные в КуАИ (ныне СГАУ) под руководством видных ученых А. М. Сойфера, Н. Д. Кузнецова, А. И. Белоусова виброизолирующие и демпфирующие устройства на основе материала МР явились чуть ли не единственным средством обеспечения вибрационной прочности и надежности ЭУ и ТС в экстремальных условиях их эксплуатации. При этом освоение серийного производства типовых средств виброзащиты на основе материала МР и их масштабное применение во многих отраслях промышленности с целью подавления опасных динамических нагрузок во многом обеспечило повышение качества изделий современной техники.

Вместе с тем, изучение свойств материала МР и создаваемых на его основе цельнометаллических виброизоляторов и демпферов как сложных стохастических систем с конструкционным гистерезисом, во многом определило научную направленность Самарской школы конструкционного демпфирования.

В 90-е годы, благодаря усилиям коллектива единомышленников В. А. Сойфера, Д. Е. Чегодаева и А. Н. Кирилина, серийное производство виброизоляторов из МР при поддержке РКЦ «ЦСКБ Прогресс» было сохранено в единственной организации России — Самарском государственном аэрокосмическом университете. В настоящее время под руководством известного в России ученого Е. В. Шахматова и его соратника А. И. Ермакова серийное производство виброизоляторов из МР непрерывно совершенствуетсяосуществляется разработка новых более перспективных конструкций для народного хозяйства, в частности для Российских железных дорог (РЖД).

Материал МР, обладая двойственной структурой, как материала и как сложной системы конструкционного демпфирования (СКД), состоящей из множества контактирующих витков проволочных спиралей, позволяет получать большое разнообразие конструктивных форм виброизоляторов под различные эксплуатационные требования. Последнее явилось решающим фактором при создании высокоэффективных многокомпонентных виброизоляторов, включающих наборы УДЭ из различных модификаций материала МР или других СКД, а также один или несколько пружинных узлов различного назначения.

Однако, несмотря на богатый опыт применения виброизоляторов с конструкционным демпфированием, теоретические основы их проектирования недостаточно развиты. Это связано, во-первых, с недостаточной развитостью и систематизацией аналитических методов изучения особенностей поведения ВС с конструкционным демпфированием при различных видах их возбуждения (гармоническое и случайное вибровозбуждение, ударное нагружение с учётом постоянно действующей нагрузки и т. п.).

Во-вторых — с ограниченными возможностями существующих методов моделирования и расчёта механических характеристик многокомпонентных виброизоляторов, в том числе, и на основе материала МР.

Совокупность указанных выше проблем и обуславливает актуальность темы диссертационной работы.

Цель диссертационной работы — развитие научных основ и инструментальных средств проектирования цельнометаллических многокомпонентных виброизоляторов с конструкционным демпфированием для современных транспортных средств, машин, приборов и аппаратуры при широком спектре внешних воздействующих факторов.

Научная новизна.

1. Создана обобщённая математическая модель деформирования цельнометаллических многокомпонентных виброизоляторов с конструкционным демпфированием с упругодемпфирующими, пружинными и противоударными элементами, соединёнными между собой по схеме, позволяющей каждой компоненте реализовать в полной мере свои упругодемпфирующие и прочностные свойства.

2. Установлены новые, важные для практики, закономерности формообразования процессов деформирования в зависимости от упругогистерезисных характеристик компонент виброизоляторовразработаны методы и алгоритмы математического описания исходных семейств петель гистерезиса, включая их гармоническую и квазигармоническую линеаризацию, как результаты взаимодействия отдельных компонент.

3. Созданы новые приближённые аналитические методы малого параметра для получения непрерывных и кусочно-непрерывных квазигармонических решений нелинейного дифференциального уравнения движения ВС с конструкционным демпфированием, учитывающих особенности поведения упругих и неупругих составляющих реакции виброизоляторов ВС. В отличие от существующих, предлагаемые методы основаны на построении дополнительных разложений по переменным предыстории деформирования, характерных для виброизоляторов с конструкционным демпфированием, а также на выделении математически строго оптимальной величины малого параметра с помощью гармонических непрерывных и кусочно-непрерывных решений уравнения движения ВС.

4. Разработаны новые приближённые аналитические методы изучения колебаний ВС при гармоническом и случайном вибровозбуждении на основе квазигармонической и гармонической, а также статистической линеаризации для случая несимметричных упругогистерезисных характеристик многокомпонентных виброизоляторов конструкционного демпфирования.

5. Разработаны общие теоретические положения упругопластического деформирования материала МР при его формовании в УДЭ различных форм с учётом полной системы внешних силовых факторов, дополненных условиями деформирования витков спиралей в МР на основе детерминистской модели их уплотнения.

6. Выработан новый подход к определению статической прочности МР на растяжение и сжатие по величинам внутренних и внешних сил трения (предел текучести) и по наименьшему давлению по высоте прессовки (временное сопротивление на сжатие).

Практическая значимость. Созданные методы расчёта динамических, упругогистерезисных и прочностных характеристик многокомпонентных виброизоляторов, в том числе на основе материала МР, существенно расширяют практические диапазоны использования этих виброизоляторов для решения многих современных задач. Они позволяют выполнять проектировочные и поверочные расчёты в соответствии с техническими требованиями, предъявляемыми к системам виброи ударозащиты. В частности, определять амплитудно-частотные характеристики ВС, анализировать динамическую напряженность работы многокомпонентных виброизоляторов и их элементов, выбирать наиболее рациональные конструкторские параметры и технологические процессы производства УДЭ из МР, а также устанавливать необходимость в разработке новых конструкций многокомпонентных виброизоляторов или новых типоразмеров их прототипов.

Созданные и запатентованные конструкции многокомпонентных виброизоляторов обладают широким диапазоном полезных свойств, что позволяет повышать работоспособность и эксплуатационные характеристики систем виброи ударозащиты, сокращать сроки и затраты на освоение новой техники.

Реализация результатов работы. Методология проектирования многокомпонентных виброизоляторов типа ДКУ и двухкомпонентных виброизоляторов втулочного типа внедрены в ФГУП РКЦ «ЦСКБ-Прогресс» (г. Самара) и использовались при создании термоплат на основе высокочастотных втулочных виброизоляторов типа ВП-5, при разработке виброизоляторов типа ДКУ для систем управления бортовыми двигателями. Методы исследования колебаний ВС с конструкционным демпфированием применялись для анализа вибрационной напряжённости конструктивных элементов приборов при их гармоническом и случайном вибровозбуждении.

В ФГУП «Прикладной механики им. М.Ф. Решетнёва» (г. Красноярск) результаты работы использовались при создании систем виброзащиты бортовой аппаратуры, противоударных устройств солнечных батарей, средств виброи ударозащиты космического аппарата, размещаемых в узлах крепления его ферм к носителю.

Методы расчёта упругогистерезисных и динамических характеристик и метод проектирования многокомпонентных низкочастотных виброизоляторов ДКУ с пружинными разгрузочными устройствами и созданные с их помощью виброизоляторы внедрены в ОАО «Красногорский завод им. С.А. Зверева» (г. Красногорск, Московская обл.) при создании комплекса аэ-рофотосъёмочной аппаратуры в рамках международной программы «ОН» и наземной транспортной техники в рамках общероссийской программы «Совершенствование 88».

Разработанная при участии автора комплексная техническая документация позволила организовать серийное производство виброизоляторов из MP в СГАУ (г. Самара) и ОАО «Томский приборный завод» (г. Томск). Результаты работы используются в учебных процессах ФГБОУ ВПО СГАУ и Сам-ГУПС.

По теме диссертации опубликовано 117 работ: 66 статей, в том числе 20 в ведущих рецензируемых журналах и научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ:

1. Лазуткин, Г. В. Универсальный метод решения задачи о колебаниях виброзащитных гистерезисных систем [Текст]/ Г. В. Лазуткин, В. А. Антипов, А. Л. Рябков // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии: Известия Орёл ГТУ. — 2009. — № 2−3 /274(560). -С.99−106.

2. Лазуткин, Г. В. Влияние особенностей конструкционного демпфирования на нелинейные колебания виброзащитных систем [Текст]/ Г. В. Лазуткин, В. А. Антипов, А. Л. Рябков // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2009. том 11, № 3. — С. 301−306.

3. Лазуткин, Г. В. Практические основы построения математических моделей деформирования сложных систем конструкционного демпфирования [Текст] / Г. В. Лазуткин //Вестник Самарской государственной.

1 ¦ ' I I академии путей сообщения. — Самара: СамГУПС, 2009. — Вып. 4 (16). -С. 65−70.

4. Лазуткин, Г. В. Эквивалентное математическое моделирование процессов деформирования сложных систем конструкционного депмфирова-ния [Текст]/ Г. В. Лазуткин //Вестник Самарского государственного университета путей сообщения. -2009. — Вып. 3 (15). — С. 130−138.

5. Лазуткин, Г. В. Колебания виброи ударозащитных систем с конструкционным демпфирование при ударном нагружении [Текст]/ Г. В. Лазуткин // Вестник Самарского государственного университета путей сообщения. -2009. — Вып. 3 (15). — С. 138−145.

6. Лазуткин, Г. В. Метод расчёта демпфирующей способности модифицированных виброизоляторов типа «двойной колокольчик» [Текст]/ Г. В. Лазуткин, В. А. Антипов, М. А. Петухова // Известия ОрёлГТУ. Фундаментальные прикладные и проблемы техники и технологии. -2009. — № 5/277 (576). — С.38−46.

7. Лазуткин, Г. В. Определение виброзащитных характеристик виброизоляторов из волокнового проволочного материала типа двойной колокольчик усиленный с пружинным разгрузочным устройством [Текст]/ Г. В. Лазуткин [и др.] // Вестник Самарского государственного университета путей сообщения. -2009. — Вып.5(17). — Том 1. — С. 129−132.

8. Лазуткин, Г. В. Теория прессования проволочного материала МР [Текст]/ Г. В. Лазуткин // Вестник Самарского государственного университета путей сообщения. — 2009. — Вып. 6 (18). — С. 157−169.

9. Лазуткин, Г. В. Колебания виброзащитных систем с конструкционным демпфированием при случайном нагружении [Текст]/ Г. В. Лазуткин // Вестник Самарского государственного университета путей сообщения. — 2010. — Вып. 2 (20). — С. 106−116.

Ю.Лазуткин, Г. В. Вынужденные установившиеся квазигармонические колебания виброзащитных систем с конструкционным демпфированием.

Текст]/ Г. В. Лазуткин // Вестник Самарского государственного университета путей сообщения. -2010. — Вып. 2 (20). — С. 91−105.

П.Лазуткин, Г. В. Методы расчёта виброзащитных упругогистерезисных характеристик виброизоляторов с сухим трением [Текст]/ Г. В. Лазуткин // Вестник Самарского государственного университета путей сообщения.-2010.-№ 3.-С. 102−111.

12.Лазуткин, Г. В. Исследование упругих и прочностных свойств материала МР [Текст]/ Г. В. Лазуткин // Вестник Самарского государственного университета путей сообщения. -2010. — № 3. — С. 123−131.

13.Лазуткин, Г. В. Формование материала МР в оболочки конической и колоколообразной формы [Текст] / Г. В. Лазуткин // Вестник Самарского государственного университета путей сообщения. -2010. — № 4. — С. 172−179.

14.Лазуткин, Г. В. Создание многокомпонентных цельнометаллических виброизоляторов и разработка их математической модели деформирования [Текст]/ Г. В. Лазуткин // Вестник Самарского государственного университета путей сообщения. — 2010. — № 4. — С. 179−188.

15.Лазуткин, Г. В. Формование изделий из упругодемпфирующего материала МР для агрегатов и систем транспортной техники [Текст]/ Г. В. Лазуткин // Вестник транспорта Поволжья. — 2010. — № 4. — С. 82 — 90.

16.Лазуткин, Г. В. Исследование вынужденных установившихся колебаний виброзащитных систем с помощью гармонической и квазигармонической линеаризации упругогистерезисных характеристик виброизоляторов [Текст]/ Г. В. Лазуткин [и др.] // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии: Известия Орёл ГТУ. — 2011. -№ 2(286).-С.101−107.

17.Лазуткин, Г. В. Неустановившиеся колебания виброзащитных систем с конструкционным демпфированием [Текст]/ Г. В. Лазуткин [и др.] // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии: Известия Орёл ГТУ. — 2011. — № 3(287). — С.60−66.

V/ >

18.Лазуткин, Г. В. Проектирование многокомпонентных втулочных виброизоляторов из проволочного материала МР [Текст] / Г. В. Лазуткин, М. А. Петухова // Вестник транспорта Поволжья. — 2011. — № 3. — С.42−51.

19. Лазуткин, Г. В. Метод аппроксимации петель гистерезиса многоконтактных виброизоляторов с сухим трением [Текст]/ Г. В. Лазуткин [и др.]// Известия Самарского научного центра Российской академии наук.

— 2011. — Т. 13, № 4 (42). — С.231−234.

20. Лазуткин, Г. В. Повышение стабильности виброзащитных свойств и ресурса виброизоляторов сухого трения из материала металлорезина [Текст]/ Г. В. Лазуткин [и др.]// Известия Самарского научного центра Российской академии наук. — 2011. — Т. 13. — № 4(3) — С. 1093−1094.

— в монографиях.

21.Лазуткин, Г. В. Совершенствование конструкций и методов расчёта виброизоляторов на основе проволочного волокнового материала: монография [Текст] / Г. В. Лазуткин, В. А. Антипов, А. Л. Рябков. — Самара: СамГУПС, 2008. — 200 с.

22.Лазуткин, Г. В. Динамика виброзащитных систем с конструкционным демпфированием и разработка виброизоляторов из проволочного материала МР [Текст] / Г. В. Лазуткин. — Самара: СамГУПС, 2010. — 291 с.

Работа докладывалась на 21 Всероссийских и международных научных конференциях, опубликовано 19 тезисов докладов.

Конструктивные разработки защищены 22 авторскими свидетельствами и 9 патентами РФ, 1 патентом США, 1 патентом Франции.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 165 наименований, изложена на 309 страницах и содержит 102 рисунка и 15 таблиц.

5.5. Выводы.

1. Разработаны методы проектирования низкочастотных и противоударных многокомпонентных виброизоляторов, включающих в себя:

— математическое моделирование деформационных характеристик виброизоляторов;

— расчет динамических характеристик систем виброи ударозащиты;

— расчет потребных УГХ виброизоляторов для обеспечения заданных требований по динамическим нагрузкам;

— расчет оптимальных параметров пружинных разгрузочных устройств с учетом особенностей конструкции прототипа.

2. На основе отработанных конструкций прототипов и созданной методологии проектирования многокомпонентных виброизоляторов разработаны высоконадежные конструкции низкочастотных виброизоляторов с повышенной грузоподъемностью и улучшенными противоударными свойствами. Эти свойства обеспечиваются наличием разгрузочных устройств в виде предварительно поджатых цилиндрических пружин и проставок, установленных концентрично относительно оси виброизолятора между УДЭ колоколообраз-ной формы, или поджатых конических пружин, размещенных также соосно на наружной поверхности УДЭ.

Резонансные частоты разработанных низкочастотных виброизоляторов составляют (6−10) Гц. Коэффициент передачи на резонансе не превышает 3,5, причем в течение ресурса работы виброизолятора указанные значения остаются практически неизменными.

3. Разработаны перспективные конструкции низкочастотных и противоударных виброизоляторов на базе виброизоляторов семейства ДК и многослойных пластин, а также втулочных низкочастотных виброизоляторов, работающих по схеме двустороннего упора, при этом втулки поджаты с разными усилиями за счет введения в конструкцию виброизолятора предварительно поджатых пружин между одной из ограничительных шайб, воспринимающей вес ВС, и основанием корпуса, в котором размещены УДЭ.

Это обеспечивает равнопрочность УДЭ и высокую грузоподъемность втулочных виброизоляторов при соответствующем снижении резонансной частоты.

4. Наряду с разработкой новых конструкций виброизоляторов из МР не менее важной оказывается разработка новых конструкций (способов изготовления) заготовок их УДЭ. Это позволяет комплексно решать задачу повышения качества виброизоляторов из материала МР.

Так, введение в конструкцию заготовки УДЭ втулочного типа проволочных жгутов с высокой теплопроводностью позволяет увеличить его теплопроводность в 8−10 раз, а демпфирующую способность на 20−30% при сохранении упругости материала МР. Это позволяет увеличить ресурс втулочных виброизоляторов и параллельно решить задачу теплоотвода от приборов РЭА к холодному основанию.

Включение в массив проволочных спиралей обычной заготовки втулочного УДЭ неперекрещивающихся спиралей с большим диаметром проволоки и диаметром спиралей, оси которых параллельны оси УДЭ, позволяют увеличить упругие возможности материала МР и уменьшить усадку УДЭ при наработке, что увеличивает ресурс работы втулочных виброизоляторов в целом.

5. Эффективным средством повышения надежности виброизоляторов из МР является введение в определенной пропорции антифрикционных материалов и покрытий. Как показали результаты исследований, такие мероприятия увеличивают демпфирующую способность и ресурс работы виброизоляторов в 2−3 раза.

Высокая эффективность применения многокомпонентных виброизоляторов, а также их прототипов, подтверждена многолетним опытом их эксплуатации в системах виброзащиты ЭУ и ТС многими промышленными предприятиями с 1968 г. по настоящее время.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Решена важная научно-техническая проблема развития научных основ и создания инструментальных средств проектирования высокоэффективных цельнометаллических многокомпонентных виброизоляторов с конструкционным демпфированием, в том числе и на основе материала МР, для современных транспортных средств, машин, приборов и аппаратуры. Методологической основой решения проблемы являются разработанные методы создания виброизоляторов данного типа, основанные на фундаментальных исследованиях динамического поведения систем виброи ударозащиты с конструкционным демпфированием, а также упругогистерезисных, упругопласти-ческих и прочностных характеристик изделий из материала МР и их технологических процессов изготовления.

1. На базе всестороннего анализа существующих систем конструкционного демпфирования, конструкций цельнометаллических виброизоляторов и изучения закономерностей поведения их процессов деформирования разработана методология построения полуэмпирических математических моделей деформирования многокомпонентных виброизоляторов, основанная на методах расчёта процессов произвольного нагружения для входящих в конструкцию УДЭ, объединённых рациональной схемой их соединения из условия обеспечения необходимых механических характеристик проектируемой конструкции. Это позволяет создавать методы проектировочных расчётов механических характеристик многокомпонентных виброизоляторов с конструкционным демпфированием.

2. На основе систематизации приближённых аналитических методов и алгоритмов разложения общего решения нелинейного дифференциального уравнения ВС по степеням малого параметра разработаны методы исследования установившихся и неустановившихся квазигармонических колебаний ВС с конструкционным демпфированием, учитывающие разложения по переменным предыстории нагружения виброизоляторов и выделение нелинейных членов малого порядка с помощью гармонического решения уравнения движения ВС. На базе разработанной полиноминальной математической модели деформирования виброизоляторов получены аналитические решения для процессов колебаний, свойственных гармоническому вибрационному и ударному нагружению ВС. Апробация разработанного метода показала, что даже в первом приближении по определению гармонических составляющих в получаемых решениях, он отличается высокой точностью (погрешность менее 2%), в том числе и в условиях, когда известные методы малого параметра, а также и другие, не позволяют получать приближённых аналитических решений вообще.

3. С помощью линеаризации УГХ на основе математической модели деформирования созданы методы расчётов обобщенных динамических и потребных упругогистерезисных характеристик цельнометаллических виброизоляторов при различных видах динамического возбуждения ВС. Показано, что в случае гармонического возбуждения ВС наилучший результат при оценке их резонансных режимов колебаний, взятых за основу определения потребных УГХ виброизоляторов, достигается при гармонической и квазигармонической линеаризации УГХ полиномами Чебышева, при случайном — линеаризацией полиномами Лежандра (погрешности расчетов до 10%). Это позволяет разрабатывать алгоритмы определения потребных УГХ проектируемых типоразмеров различных классов виброизоляторов по их обобщенным математическим моделям деформирования с учётом задаваемых ограничений на резонансных режимах колебаний ВС.

4. На основе анализа работоспособности виброизоляторов из МР в условиях значительных амплитуд возбуждающих виброперемещений, свойственных низким частотам, разработан метод проектирования многокомпонентных низкочастотных цельнометаллических виброизоляторов с прототипом ДКУ. Метод основан на применении обобщённых математических моделей деформирования ДКУ, приближенно подобных проектируемым конструкциям, и включает в себя методики расчёта потребных динамических, упругогистерезисных и прочностных характеристик, а также конструктивнотехнологических параметров пружинных разгрузочных узлов и нового типоразмера виброизолятора-прототипа на основе его САПР. Это позволило предложить ряд перспективных конструкций многокомпонентных виброизоляторов на основе МР с повышенной грузоподъёмностью (в 10−15 раз по сравнению с прототипами) с улучшенными виброзащитными и противоударными свойствами.

5. Полученные закономерности упругого последействия прессовок, составляющего до 55% от высоты УДЭ, в совокупности с созданными методами расчёта процессов упругопластического деформирования, статической прочности МР, оптимальных конструктивно-технологических параметров предзаготовок, заготовок и прессовок УДЭ являются основой для создания новых передовых технологий производства изделий из МР, в том числе, армированных УДЭ проволочными элементами различных типов и различных свойств. Это оказалось незаменимым средством создания многокомпонентных виброизоляторов из МР с повышенной упругостью и демпфированием (до 30%), прочностью и теплопроводностью (до 10 раз по сравнению с виброизоляторами-прототипами).

6. Выполненный комплекс научно-исследовательских работ позволил разработать, внедрить и освоить серийное производство в СГАУ ряда многокомпонентных виброизоляторов из МР с прототипом ДКУ, что доказывает научную и практическую применимость разработанной автором методологической основы для проектирования и создания перспективных средств виброзащиты для систем виброи ударозащиты современных транспортных средств, машин, аппаратуры и приборов.