Динамическое моделирование и создание средств снижения виброактивности ручных механизированных машин вращательного действия тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

На правах рук

Изранова Галина Владимировна

005006024

ДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И СОЗДАНИЕ СРЕДСТВ СНИЖЕНИЯ ВИБРОАКТИВНОСТИ РУЧНЫХ МЕХАНИЗИРОВАННЫХ МАШИН ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ

01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

2 2 ДЕК 2011

Самара-2011

005006024

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный университет путей сообщения» (СамГУПС) на кафедре безопасности жизнедеятельности.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Луканенко Владимир Григорьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Самсонов Владимир Николаевич

кандидат технических наук, доцент Кшуманев Сергей Васильевич

Ведущее предприятие: федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научно-производственный ракетно-космический центр «ЦСКБ-Прогресс», г. Самара.

Защита состоится 28 декабря 2011 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.215.02, созданного при ФГБОУВПО «Самарский государственный аэрокосмический университете имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)» (СГАУ) по адресу: 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГАУ.

Автореферат разослан 25 ноября 2011 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета Д 212.215.02, доктор технических наук

А.Н. Головин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Ручной механизированный инструмент вращательного действия (РМИВД), к которому относятся гайковерты, дрели, пневмошлифовальные машины, широко применяется в машиностроении, в строительстве и др. отраслях промышленности. РМИВД используется в литейном производстве для обрубки литника, разделки трещин, в штамповочном производстве при доводке штампов, в лакокрасочных цехах при шлифовке поверхностей и ряде других производств.

Широкое использование РМИВД обеспечивает резкое повышение производительности труда, повышение качества выполняемых работ. Однако эти преимущества могут быть сведены на нет повышенной вибрацией, возникающей при их работе. Это приводит к быстрому износу их подшипников, а следовательно к уменьшению межремонтного ресурса инструмента. Важность исследования по снижению уровня вибрации механизированного инструмента определяется также необходимостью обеспечения условий безопасности труда человека - оператора и повышению межремонтного срока службы РМИВД.

Жёсткие ограничения массы и габаритных размеров РМИВД, высокие значения их удельной мощности требуют особого внимания к мероприятиям по снижению интенсивности вибрации такого инструмента.

Актуальность темы определяется также отсутствием достоверных методик расчета вынужденных колебаний РМИВД с учётом динамических характеристик упру-годемпфирующих элементов и характеристик руки оператора, которые позволили бы существенно снизить вибрацию РМИВД, улучшить условия труда человека -оператора и увеличить межремонтный ресурс.

Цель работы. Повышение эффективности и вибробезопасности ручного механизированного инструмента вращательного действия на базе разработки двухкас-кадной системы виброзащиты и улучшения на этой основе вибрационных характеристик машин.

Для достижения этой цели в работе поставлены следующие задачи:

- проанализировать существующие конструкции и средства виброзащиты РМИВД, их влияние на межремонтный ресурс машины и воздействие на человека -оператора с учётом упругих и демпфирующих характеристик руки человека;

- разработать обобщённую математическую модель и методику расчёта системы «РМИВД - двухкаскадная система виброзащиты - рука оператора», учитывающие вибрационные характеристики средств виброзащиты и упругодемпфирующие свойства руки человека — оператора;

- выявить параметры подобия системы «РМИВД - двухкаскадная система виброзащиты - рука оператора» и провести вычислительный эксперимент по их влиянию на амплитудно-частотную характеристику колебания данной системы:

- создать эффективную систему защиты человека - оператора РМИВД с использованием демпферов сухого трения для внутреннего и внешнего каскадов виброзащиты;

- провести экспериментальные исследования разработанных средств виброзащиты и оценить возможность их использования в РМИВД.

Под термином «рука оператора» подразумевается осреднённые среднестатистические характеристики руки человека (масса руки, коэффициент жёсткости и демпфирования руки) взятые из справочника К.В. Фролова.

Объектом исследования являются динамические процессы, реализуемые при работе ручного механизированного инструмента, упругие и демпфирующие характеристики систем виброзащиты.

Предметом исследования является динамическая система «РМИВД - двух-каскадная система виброзащиты - рука оператора», совершенствование которой позволит снизить виброакгивность ручного инструмента вращательного действия.

Работа выполнялась в соответствии с постановлением Правительства РФ №796 от 17.11.2001г., которым утверждена Федеральная программа «Энергоэффективная экономика на 2002-2005 годы и на перспективу до 2010 года» в рамках ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008г.г.), (код проекта 3.2.2.4770), и в соответствии с постановлением № 964 от 31.08.2007 года, которым утверждена программа «Стратегические направления научно-технического развития ОАО «РЖД» на период до 2015 г. и на перспективу до 2020 г.», договором о творческом содружестве с ЗАО «Нефтегазмаш» г. Самара.

Методы исследований. Теоретические положения построены с учётом теории малых колебаний, теории подобия и размерностей, теории дифференциальных и матричных исчислений и других математических и инженерных методах. Численное решение задач колебаний выполнено с использованием стандартной программы «МаЛСАБ 14 2007». Экспериментальные исследования РМИВД проведены по стандартной методике с использованием аттестованной аппаратуры. Достоверность принятых допущений и полученных результатов подтверждены экспериментами при отработке реальных изделий. Испытания РМИВД выполнены с привлечением аккредитованной санитарно-промышленной лаборатории.

Положения, выносимые на защиту:

- разработана новая обобщённая математическая модель системы «РМИВД -двухкаскадная система виброзащиты - рука оператора», учитывающая влияние ос-реднённых значений динамических характеристик рук человека во взаимодействии со средствами виброзащиты данной системы;

- впервые получены безразмерные параметры подобия динамической системы «РМИВД - двухкаскадная система виброзащиты - рука оператора» учитывающие воздействие оператора на механизированный инструмент с учётом инерционных, жёсткостных и демпфирующих свойств элементов системы и обеспечивающие сокращение объёма вычислительных операций;

- разработана методика расчёта вынужденных колебаний динамической системы «РМИВД - двухкаскадная система виброзащиты - рука оператора», обеспечивающая рациональный выбор отдельных элементов системы при разработки вибробезопасных РМИВД с уровнем вибрации ниже санитарных норм и повышения межремонтного ресурса машины;

- получены новые закономерности обобщённых параметров при одноосном и прецессионном нагружениях для малого числа гофров и волн, равных 6, которые позволяют при циклическом прецессионном нагружении контролировать разброс геометрических характеристик по окружности демпферной опоры. Установлено, что для инженерных расчётов в изучаемых режимах работы РМИВД можно использо-

вать параметры, полученные при одноосном нагружении средств виброзащиты роторов, при прецессионном нагружении.

- результаты экспериментальных исследований динамической системы «РМИВД - двухкаскадная система виброзащиты - рука оператора», и разработанные на их основе практические рекомендации по конструированию высокоэффективных машин с демпферами сухого трения во внутреннем и внешнем каскадах виброзащиты.

Прастическая ценность работы определяется: разработанной методикой расчёта вынужденных колебаний динамической системы «РМИВД - двухкаскадная система виброзащиты - рука оператора», обеспечивающая рациональное сочетание динамических характеристик из условия снижения вибрации до санитарных норм и повышения ресурса подшипников, позволяющая сократить сроки создания систем виброзащиты; рекомендациями по конструированию высокоэффективного РМИВД с двухкаскадной системой виброзащиты, с использованием демпферов сухого трения, обеспечивающими снижение вибрации на 5-7 дБ; новыми запатентованными разработками конструктивных элементов виброзащитных систем, отличающиеся от существующих повышенной эффективностью подавления вибрации и надёжностью.

Реализация результатов работы. Результаты работы были использованы при модернизации серийных пневмошлифовальных машин ИП-2008, ПШТ-2, а также машины с газостатическими опорами ПШМ-1, что подтверждается актами о внедрении в ЗАО «Нефтегазмаш» и актом внедрения в учебный процесс СамГУПС.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на международных и всероссийских научно-технических конференциях: на шестой международной научно-технической конференции (Воронеж: Воронеж.техн.ун.-т. 2005); международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития ж.-д. транспорта» (Самара: СамГАПС, 2006; СамГУПС, 2009); международной научно-технической конференции «Наука, инновации и образование: актуальные проблемы развития транспортного комплекса России» (Екатеринбург: Ур-ГУПС, 2006); международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы динамики и прочности материалов и конструкций» (г.Самара. - г.Орёл: ОрёлГТУ, 2007); международной научной конференции «Современные проблемы математики, механики, информатики». (Тула, ТулГУ, 2007); международной научно-технической конференции «Повышение эффективности функционирования механических и энергетических систем.- Саранск: МГУ им. Огарёва, 2007; международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития дви-гателестроения» (Самара, СГАУ, 2009); IX международная научно-техническая конференция «Вибрация - 2010. Управляемые вибрационные технологии и машины» (Курск: КурскГТУ, 2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 21 научная работа, в том числе статей - 16, из них 5 статей в научных изданиях, рекомендованных ВАК России, патентов РФ на изобретение - 4, патентов РФ на полезную модель - 1.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка и 3 приложений. Общий объём работы 156 страниц. В работе содержится 69 рисунков, 12 таблиц, библиографический список из 112 наименований и 3 приложений.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы задачи исследования и научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дан анализ работ, посвященных снижению виброактивности машин с быстровращающимся ротором на упругодемпферном основании и применяемым средствам виброзащиты. В результате анализа выделено несколько групп вопросов.

Первая группа вопросов касается проектирования роторной части высокооборотных машин (ВМ), включая вопросы создания опор роторов. В этой части проанализированы работы: А.И. Белоусова, Г.А. Лучина, A.C. Кельзона, Ю.В. Пешти, С.А. Шейнберга, Ю.А. Равиковича, Д.Е. Чегодаева, В.Н. Дроздовича, Д. Пауэлла, А. Тондла, Э.Л. Поздняка, ГШ. Бенсэла и др. В работах основное внимание уделено устойчивости ротора, а также вопросам снижения виброактивности машин.

Во второй части обзора рассмотрены вопросы, касающиеся создания средств демпфирования вынужденных колебаний роторов на основе конструкционного демпфирования. Большой вклад в решении этой задачи внесли: В.А. Антипов, А.И. Белоусов, М.А. Мальтеев, Я.Г. Пановко, Ю.К. Пономарёв, С.И. Сергеев, Н.И. Старцев, К.В. Фролов, Д.Е. Чегодаев и др. Наиболее перспективными конструкциями, как показывает проделанный обзор, являются демпферы сухого трения: пластинчатые, тросовые, из материала МР, отвечающие требованиям предъявляемым к устройствам для гашения вибрации в РМИВД (малые габариты и вес, широкий диапазон изменения упругих и диссипативных свойств, надёжность работы, высокая эффективность гашения вибрации).

Третья часть обзора посвящена созданию вибробезопасного инструмента вращательного действия. В этой части обзора рассмотрены работы: И.И. Быховского, Б.Г. Гольдштейна, В.М. Зациорского, В.А. Ивовича, В.Я. Онищенко, В.М. Суханова, А.М. Микулинского, К.В. Фролова и др.

В результате анализа сделан вывод о том, что применение в инструменте упру-годемпфирующих элементов является одним их эффективных средств борьбы с вибрацией. На основании проделанного анализа отечественных и зарубежных работ учёных сформулированы цель и задачи исследования.

Вторая глава посвящена разработке математической модели исследуемой динамической системы «РМИВД - двухкаскадная система виброзащиты - рука оператора». На конструктивные узлы системы оказывают воздействие силы, как статические Рст, усилие нажатия Рн, так и динамические Pd, обусловленные остаточным дисбалансом ротора, а также силы, возникающие при реализации рабочего процесса в машине и технологической операции (рис. 1). При использовании в опорах роторов подшипников скольжения с газовой смазкой возникают газодинамические силы Wn, которые могут снижать уровень вибрации ротора, так и являться причиной возникновения интенсивной вибрации.

Применение ВМ в РМИВД требует учёта динамических характеристик тела человека WP (mp> ср и dp — осредненные динамические характеристики руки).

Реакции Wn, WBB, WHB и Wp представляют собой обратные внутренние связи в динамической системе, обусловленные относительными смещениями элемен-

тов системы; ротора хр,обоймы подшипника хп, корпуса хк и руки человека хч (рис. 2).

Расчётные схемы (рис. 3) и математическая модель динамической системы (1) сформированы на основе аналитического метода с уточнением отдельных параметров на базе экспериментальных исследований. При анализе действительной континуальной системы используется метод сосредоточенных масс, позволяющий получить физическую модель с конечным числом степеней свободы, отражающую наиболее существенные особенности реальной конструкции в определенном диапазоне частот.

—®—[

чПодшшпшк

| у/. -

К-?«*

КОРПУС РМИВД

ВИДРОалЩНТА

Ж

РУКА

шЬшшшшй»

М, е. а"

тшттшш

Рис. 1. Структурная схема Рис. 2. График смещения Рис. 3. Расчётная схема

«РМИВД - рука операто- центров масс динамической системы

ра» «РМИВД — рука оператора»

О - начало координат (неподвижная точка); Оь 02, Оз, О4 - геометрические центры масс системы: руки, корпуса, подшипника и ротора; О5 - смещение относительно оси центра масс; ев - эксцентриситет центра масс ротора; Схг, С1Х. С1Л , - коэффициенты жесткости подшипников; Са, Св. Ср - коэффициенты жесткости демпфера, внешней виброзащиты и руки; с^, dp - коэффициенты демпфирования демпфера, внешней виброзащиты и руки; М„, М„, Мк, Мр - массы ротора, подшипника, корпуса и руки; ш - частота вращения ротора; I - время

При расчёте и моделировании колебаний реальная конструкция упрощенно представляется в виде динамической модели, состоящей из некоторого числа сосредоточенных масс, соединенных безинерционными упругими или упругодемп-фирующими элементами, и из элементов, выражающих силовое взаимодействие между отдельными массами системы. Ряд важных качественных и количественных результатов по исследованию колебаний системы «РМИВД - двухкаскадная система виброзащиты - рука оператора» получено в рамках линейной теории колебаний. Использование линейной теории колебаний позволяет определить критические частоты и амплитуды вынужденных колебаний, области самовозбуждающихся колебаний при использовании газовых опор, а также проанализировать влияние параметров динамической системы на эти виды колебаний. Обобщённая математическая модель рассматриваемой системы представлена в виде системы уравнений:

Мв(х4+х, + х, + х,) + С]П(х4- х,) + С,п(у4-у,) + <3,п(хл-х3) = Мв еваг этоИ;

М[Ду4+ у3 + у; + У,) + Сш(у4- у,) + С,п (х4- х5) + сЗш(у4- у;) = Мв ево" соггаI+ РСТ:

М„(х, + х: +х,) + сй(х3-х,) + <1а(х!-х,) = с|п(х4-хз) + с,п(у4-у,) + <5п(х4-хз);

Мп(у3+у,+ у1) + Са(>',-у,) + йа(у3-уг) = С1П(у4-у!) + С,п(х4-х,) + ап(у4-у!): (1)

Мк(х, + х,) + Св(х,- х,) + <3В (х,- х,) = Са(х;- х,) + <Зл (х3 - х,); Мк(у:+у1) + Св(у3-у,) + ав(у,-у) = Са(у,-у,) + (1|1(у3-у3);

Мрх, + срх1+(3рх1 =Св(х,-х,) + (Зв(х,-х1): Мру,+ Сру^ йгу = Св(уу,) + бв(уу,), где Мв,Мп,Мк,Мр— масса ротора, газового подшипника, корпуса и руки оператора; СШ=СК =С„; С,п = С„; с!ш = <3^ = (!„- характеристики газового подшипника; Сй;с11|;Св;(1в; СР;<1Р- коэффициенты жёсткости и демпфирования демпфера, системы внешней защиты и руки оператора; Рст - статическая нагрузка; ш-частота вращения ротора; х2у2; хгу~; хлул - координаты геометрического центра руки оператора, корпуса, демпфера, подшипника; I - время, е -эксцентриситет центра тяжести ротора.

Расчёты системы (1) выполнены с использованием программы «МаЛСАВ 14 2007». Расчётная модель позволяет с достаточной для инженерной практики точностью выбрать параметры элементов (массу, упругодемпфирующие характеристики, их соотношения), провести исследования и решить задачу по снижению уровня вибрации, воздействующей на оператора и определить диапазоны, в которых изменения параметров может дать существенный результат. В соответствии с теорией подобия и размерностей такая система, описывается с помощью 14 безразмерных параметров подобия (2).

ч

П9=/ = с1р Ор

П„=- и

"•х/с/м,

м - „ м

М ' М

Г

= г тт. Л

П,„=^ = СВ; П„ =

ар

т — П <. -

со.

: <3 „; П„

(2)

Полученные параметры подобия позволяют сократить объёмы вычислений и найти рациональное соотношение инерционных, жёсткостных и демпфирующих характеристик. Для достижения максимальной виброзащиты необходимо стремиться к минимальной величине параметров П5, П6, П8, Пю-

В третьей главе представлена методика расчёта и результаты теоретических исследований вынужденных колебаний системы «РМИВД - двухкаскадная система виброзащиты - рука оператора».

В качестве частных моделей рассмотрены пять видов конструктивных схем: 1

- «инструмент - рука оператора» (стандартная типовая комплектация); 2 - «инструмент - внешняя виброзащита - рука оператора»; 3 - «инструмент - внутренняя виброзащита - рука оператора»; 4 - «инструмент - двухкаскадная система виброзащиты

— рука оператора»; 5 - «инструмент - газовая опора - двухкаскадная система виброзащиты - рука оператора».

Наибольшая амплитуда вынужденных колебаний выявлена при частоте системы й)кр = шр/^1 + Ми . При более легком инструменте опасные режимы работы приближаются к собственным частотам колебания руки. На рис. 4 представлены АЧХ исходной системы - 1, системы с однокаскадной - 2 и двухкаскадной - 3 системой виброзащиты. Применение двухкаскадной системы виброзащиты позволяет снизить вибрацию в районе колебаний собственной частоты руки оператора примерно в 4 раза.

Двухкаскадная система виброзащиты позволяет получить требуемое снижение вибрации (на 5 дБ и более) при больших значениях жёсткости внутренней и внешней виброзашиты, что особенно важно для РМИВД в связи с ограниченностью пространства (рис. 5). В этом случае суммарная жёсткость системы будет равна С,; =С„ Св /С„ + Св, при этом Су<0,5Ср. а коэффициент демпфирования ёу >1,5 с!р.

f \

-> V

-S Л

f1

'3„ - Ю

¿7. = w

3 |

I

¿Г . |

1 -f—

1 1 1

ш о.2

as

is

г c/cj

Рис. 4. АЧХ системы «инструмент - система виброзащиты - рука оператора»

Рис. 5. Зависимость коэффициента виброзашиты EU от систем виброзашиты:

1. Система с внутренней виброзащитой;

2. Система с внешней виброзащитой:

3. Двухкаскадная система виброзащиты (внешняя);

4. Двухкаскадная система виброзащиты (внутренняя)

Применение в РМИВД газовых опор при неустойчивых режимах работы может привести к возникновению опасных самовозбуждающихся колебаний. Вопрос о начале самовозбуждающихся колебаниях решается с помощью критерия Рауса-Гурвица. Показано, что область устойчивости растёт с уменьшением массы подшипника и достигает максимума при относительном коэффициенте жесткости внутренней виброзащиты С» С ¿1С, < 1. При расчёте вынужденных колебаний основное требование к разрабатываемым системам виброзащиты состоит в уменьшении исходного уровня вибрации машины на 5-7 дБ ниже уровня санитарных норм допустимых вибраций (109 дБ), для нормальной эксплуатации инструмента и создании безопасных условий труда человека-оператора.

Разработанная методика позволяет дифференцировано подойти к выбору и оценке параметров системы виброзащиты инструмента при различных конструктивных схемах с опорами качения и на газовых опорах, с целью обеспечения допустимых вибрационных нагрузок на руку человека-оператора. Предложенная методика расчёта характеристик вынужденных колебаний, в отличие от уже известных, позволяет выбрать и конструктивно реализовать элементы систем виброзащиты и найти значения жёсткости и демпфирования отдельных элементов системы. Достоверность методики расчёта вынужденных колебаний данной динамической системы была подтверждена статическими и динамическими испытаниями.

Четвертая глава посвящена расчётно-экспериментальному исследованию элементов виброзащиты и испытанию созданных РМИВД в виброзащищенном исполнении в реальных условиях производства, а также даны рекомендации по конструированию РМИВД с использованием демпферов сухого трения.

В качестве упругодемпфирующих элементов для внутренней и внешней системы виброзащиты были использованы типы демпферов: пластинчатый, тросовый и из материала МР, вулканизированного резиной (рис. 6 - 8). Проведено исследование влияния различных параметров гофров на упругофрикционные свойства демпфера машины ИП-2008. Спроектированная и созданная упругодемпферная опора для роторной РМИВД является уникальной по числу гофрированных лент и волн (т = 6), компоновке (гофр в гофр), натягам, виду нагружения (прецессионное).

Рис. 6. Элементы системы Рис. 7. Тросовый улругодемп- Рис. 8. Упругодемпфирующие виброзащиты из гофриро- фирующий элемент элементы из материала МР (моди-

ванных лент фицированного)

Расчётное исследование формы петлей гистерезиса проведено при одноосном и прецессионном нагружении. На рис. 9,10 гистерезис при А = 0,5 мм и натяге у = 0,6. Проведены расчёты и исследование критериальных характеристик: средне-циклической жёсткости, рассеянной циклической энергии и коэффициента поглощения оказалось, что при прецессионном нагружении суммарный гистерезис разлагается на два гистерезиса в проекциях на координатные оси. Форма гис-терезисных кривых близка к эллипсной. Рассеянная циклическая энергия равна сумме площадей петель в направлениях осей ОХ и ОУ. Жёсткость демпфера при таком виде пространственного нагружения определяется в виде двух компонент на комплексной плоскости {.Гт(С), К.е(С)} и её годограф трансформируется в зависимости от амплитуды нагружения. Модуль комплексной жесткости подсчитывается в виде + 11е(С) и представляет собой вектор, соединяющего точку на годографе комплексной жёсткости с началом координат этой комплексной плоскости (табл. 1).

! \

¿¿Г' О-" * 1 1

-«.«-<ы-йг о «д о.4 о*

V, У«

Рис. 9. Петля гистерезиса демпфера при одноосном нагружении

40 ¿в 0 / /

у у?

40 / / у

-0.4 -02 0 0.2 0.4

У. ЕЩ^

Рис. 10. Петля гистерезиса демпфера при прецессионном нагружении

Таблица 1 - Трансформация вида жёсткости на комплексной плоскости в зависимости от амплитуды смещения вибратора

V

.779 104.391 108.003 Яс(С). хН/мм

¿1.173 54.035 86.897 Яе<С). кН'ым

91.512 93.404

Ке(С), кН/мм

а) б) с)

В табл. 1 представлена трансформация вида жёсткости от амплитуды смещения вибратора при а) А=0,25 мм; б) А= 0,5 мм; с) А=0.75 мм.

Для сравнения комплексной жесткости с жёсткостью, полученной при расчёте характеристики для одноосного нагружения, введено понятие средней жёсткости Сер, определяемой численным способом, как вектор, соединяемый начало комплексной системы координат с центром тяжести годографа комплексной жёсткости. Длина годографа характеризует степень отклонения параметров гофров от идеальных, заданных чертежом данных. Этот параметр можно рекомендовать в качестве критерия качества изготовления гофрированных пакетов (рис. 11).

На рис. 12 приведены графики характеристик пластинчатого демпфера при одноосном и прецессионном нагружении, где видно хорошее качественное и количественное совпадение расчётных характеристик. Это даёт возможность использования полученных характеристик для расчёта динамических процессов в РМИВД в изучаемых режимах работы.

е.; Й.З ю.й з.з 1

Аыкедум. ну

йе^еФ Прецессионное нагружение Одноосное нагруагенке

Рис. 11 Изменение Рис. 12 Сводные графики упругодемпфирующих характеристик пла-длины годографа стинчатого демпфера при радиальном зазоре 8 = 1 мм:

комплексной жестко- а - зависимость среднего модуля комплексной жесткости от амплитуды: сти от допуска на изго- б - зависимость суммарной рассеянной энергии от амплитуды; товления высот гофров в - зависимость среднего коэффициента поглощения демпфера от амплитуды смещения центра вибратора

В ходе экспериментальных исследований были определены параметры демпферов. обеспечивающие потребную жёсткость. Жёсткость исследуемых демпферов (рис. 13, а) убывает с увеличением амплитуды колебаний, при этом, улучшается виброизолирующая способность системы, а коэффициент поглощения падает (рис. 13, б), как и коэффициент демпфирования (рис. 13, в).

0.4 {э.б с я;

СеЛ 0£ 0.20 № 0.1 от

Рнс. 13, а Зависимость коэффициента жесткости от амплитуды колебаний:

1 - тросовый демпфер;

2 - пластинчатый демпфер;

3 - демпфер из материала МР (модифиц.)

Ю 20 ¡1 ж

Рис. 13, б Зависимость коэффициента поглощения от амплитуды колебаний:

1 - тросовый демпфер;

2 - пластинчатый демпфер; 3-демпфер из материала МР (модифиц.)

Рис. 13, в Зависимость коэффициента демпфирования от амплитуды колебаний:

1 - тросовый демпфер;

2 - пластинчатый демпфер;

3 - демпфер из материала МР (модифиц.)

Результаты теоретических и экспериментальных исследований были подтверждены испытаниями на типовых машинах с модернизированной виброзащитой. Совместно с ЗАО «Нефтегазмаш» была проведена работа по модернизации машины ПШТ-2 (рис. 14, а, б), на которой были апробированы все три типа демпферов. В результате были выбраны для внутреннего каскада - тросовый демпфер, а для внешнего - демпфер из упругопористого нетканого проволочного материала (МР).

Вначале были проведены испытания на холостой ходу, которые исключили влияние вставного инструмента и технологического процесса на вибрацию машины.

^Г

ЬдЬ

Рис. 14, а Модернизированная ма- Рис.14, б Вибрация ПШТ-2 на холостом ходу: шина ПШТ-2 с двухкаскадной сис- 1 — расчетные вибрации исходной конструкции; 2 - экс-темой виброзащиты перименталъные данные исходной конструкции; 3 -

нормативное значение; 4 - расчетные вибрации с внутренним тросовым демпфером и внешним демпфером из МР; 5 - экспериментальные данные с двухкаскадной системой виброзащиты

Испытания машины ПШТ-2 проводились в производственных условиях при обработке алюминиевого сплава Д-16 диаметром (1=10 мм.

В целях улучшения виброзащитных характеристик машины ИП-2008 также была проведена работа по её модернизации (рис. 15, а, б).

В машине применена двухкаскадная система виброзащиты: внутренняя -пластинчатый демпфер, внешняя из материала МР (модифицированного). Нспыта-

ния машины ИП-2008 проведены при выполнении операции «Зачистка сварного шва» шлифовальным кругом диаметром с!=15 мм.

ЬдБ

Рис. 15, а - Шлифовальная машина ИП-2008: 1 - ротор; 2 - пластинчатый демпфер (внутренний каскад); 3 - демпфер из модифицированного материала МР - внешний каскад; 4 - подшипник

1 1 1

\ \ > 3

ь

о С * Л \ / N.

Ь £ ч 5, X1 \ 4 /

/ / / г

V / г

у / / 1

£ Т I

Рис. 15. б. Вибрация ИП-2008 на холостом ходу:

I - расчетные вибрации исходной конструкции: 2 - экспериментальные данные исходной конструкции; 3 - нормативное значение; 4 -расчетные вибрации с внутренним пластинчатым демпфером и внешним демпфером из материала МР; 5 - экспериментальные данные с двухкаскадной системой виброзащиты

Испытания машины на газовых опорах ПШМ-1 (рис. 16, а. б) проводились при выполнении операции «Доводка штампа» шлифовальным кругом (1=5 мм.

Была применена двухкаскадная система виброзащиты (внутренний каскад в виде тросового демпфера, а внешний каскад из материала МР.

1 1

\ „ - У

4

А р/ \ ✓

7 /1 N IV \ /

л \ /1 ч, ч /

4 / / У

3 у - 2'

л у ] 1

Рис. 16, а Конструкция машины ПШМ -1 на газовых опорах: 1-ротор; 2 - тросовый демпфер;

3 - радиальный газовый подшипник;

4 - демпфер из материала МР (модифицированного); 5 - наружний кожух;

б - упорный подшипник; 7 - турбина

О 1Е 7-0 50 100 300 1003 £ Гц

Рас. 16, б. Вибрации ПШМ -1 на холостом ходу:

1 - расчетные вибрации исходной конструкция:

2 - экспериментальные данные исходной конструкции; 3 - нормативное значение; 4 - расчетные вибрации с внутренним тросовым демпфером и внешним демпфером из материала МР;

5 - экспериментальные данные с двухкаскадной системой виброзащиты

Повторные испытания РМИВД проводились через 100 часов наработки. Результаты испытаний представлены в табл. 2.

Таблица 2 - Уровни виброскорости (дБ) на рукоятке модернизированных РМИВД с установленной двухкаскадной системой виброзашпты до и после 100 часов наработки

Наименование Среднегеометрические частоты, Гц

16 31,5 63 125 250 500 1000 2000

ИП-2008 86/92 90/97 91/104 96/105 95/105 93/104 93/103 93/102

ПШТ-2 90/98 92/100 86/101 85/100 80/103 80/102 82/101 80/96

ПШМ-1 85/93 "91/98 97/102 99/103 91/103 88/102 91/103 93/100

Испытания РМИВД подтвердили эффективность разработанной двухкаскадной системы виброзащиты с использованием демпферов сухого трения. Установка двухкаскадной системы виброзащиты обеспечивает работу РМИВД с вибрацией ниже санитарных норм, даже после 100 часов наработки.

Рекомендации по проектированию средств виброзащиты РМИВД.

1. Для снижения вибрации РМИВД целесообразно применять двухкаскадную систему виброзащиты, причем суммарная жёсткость системы не должна превышать Сг<0,5Ср жёсткости руки оператора, а жёсткость демпферов 0,8-0,5 Ср. Если применение двухкаскадной системы виброзащиты невозможно, то предпочтение должно отдаваться внутренней системе виброзащиты т.к. в этом случае улучшается работа подшипников, что ведёт к увеличению межремонтного срока службы РМИВД.

2. Для внутренней виброзащиты целесообразнее использовать тросовый демпфер (наиболее технологичен), либо пластинчатый демпфер (методика расчёта более отработана), а для внешней виброзащиты демпфер из материала МР с последующей вулканизацией резиной.

3. В РМИВД с газовыми опорами для расширения области устойчивой работы машины достаточно применение внутреннего каскада виброзащиты.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В результате выполненного комплекса теоретических и экспериментальных исследований решена важная научно-техническая задача повышения ресурса и вибробезопасности РМИВД за счёт разработки методики расчёта вынужденных колебаний машины с учётом влияющих друг на друга, взаимосвязанных динамических характеристик упругодемпфирующих элементов и характеристик руки оператора. Разработаны и экспериментально апробированы новые элементы систем виброзащиты.

Основные результаты работы:

1. В работе выполнен анализ отечественных и зарубежных исследований систем виброзащиты РМИВД, намечены пути повышения их вибробезопасности и ресурса.

2. Разработана новая обобщенная математическая модель системы «РМИВД -двухкаскадная система виброзащиты - рука оператора», учитывающая влияние ос-реднённых значений динамических характеристик рук человека во взаимодействии со средствами виброзащиты данной системы, что позволило сократить сроки создания систем виброзащиты и увеличить межремонтный срок службы РМИВД в 1,5 -2 раза, что подтверждено актами испытаний на ЗАО «Нефтегазмаш».

3. Выявлены безразмерные параметры подобия динамической системы «РМИВД - двухкаскадная система виброзащиты - рука оператора», учитывающие воздействие оператора на механизированный инструмент, позволившие значительно сократить объём вычислительных операций.

4. Получены новые закономерности обобщённых параметров при одноосном и прецессионных нагружениях для малоразмерных гофрированных демпферов. Вы-

явлено, что длина годографа комплексной жёсткости при циклическом прецессионном нагружении позволяет контролировать разброс геометрических характеристик по окружности демпферной опоры. Установлено, что характеристики гофрированных опор при прецессионном нагружении на (8... 10)% ниже аналогичных характеристик при одноосном нагружении. Это обстоятельство даёт возможность использовать в динамических расчетах либо параметры, определенные экспериментально при одноосном нагружении с корректирующим коэффициентом 0,9, либо, - теоретические параметры, полученные расчётным путем по известной методике расчёта Д.Е. Чегодаева - Ю.К. Пономарёва.

5. Разработана методика расчёта вынужденных колебаний системы «РМИВД -двухкаскадная система виброзащиты - рука оператора», обеспечивающая рациональный выбор динамических характеристик из условия снижения вибрации до санитарных норм и повышение вибробезопасности машины.

6. Впервые предложены и конструктивно проработаны технические решения систем виброзащиты с использованием демпферов сухого трения. Введение двух-каскадной системы виброзащиты позволяет снизить уровень вибрации на 5-7 дБ во всем диапазоне частот, обеспечить стабильность эксплуатационных характеристик, повысить эффективность подавления вибрации.

7. Получены результаты опытно-промышленных испытаний модернизированных машин ИП-2008, ПШТ-2 и ПШМ-1, которые подтвердили эффективность конструкций виброзащиты и эксплуатацию РМИВД с низким уровнем вибрации, а также повышение межремонтного срока службы до 200 часов наработки.

8. Даны рекомендации по конструированию высокоэффективных РМИВД с двухкаскадкой системой виброзащиты с использованием демпферов сухого трения, позволяющие выбрать упругие и демпфирующие характеристики элементов виброзащиты, обеспечивающие снижение интенсивности вибрации и создание безопасных условий труда человека - оператора.

Основные научные результаты диссертации изложены в следующих работах: в изданиях, рекомендуемых ВАК России:

1. Изранова, Г.В. Квазигармонические колебания виброзащигиых систем с конструкционным демпфированием / В.А. А »типов, Г.В. Лазуткин, A.JI. Рябков, Г.В. Изранова // Вестник СамГАПС. - Самара: 2007, №8(12) - С. 65-70.

2. Изранова, Г.В. Создание средств виброзащиты для ручного механизированного инструмента вращательного и ударного действия / В.Н. Вякин, Г.В. Изранова, В.Г. Луканенко // Вести. Самар. гос.аэрокосм.ун-та. 2009, №3 (19). 4.1. - С. 357-360.

3. Изранова, Г.В. Метод аппроксимации петель гистерезиса многоконтактных виброизоляторов с сухим трением / Г.В.Изранова [и др.] // Известия Самарского научного центра РАН. 2011, Том 13. №4 (42). - С. 231-234.

4. Изранова, Г.В. Математическая модель системы «Ручной механизированный инструмент вращательного действия - двухкаскадная система виброзащиты - рука оператора» / Г.В. Изранова // Вестник транспорта Поволжья. - Самара: СамГУПС, 2011, Вып. №5(29). - С. 76-82.

5. Изранова, Г.В. Расчётно-эксперименталыюе исследование и отработка систем виброзащиты сухого трения пневмошлифовальных машин / Г.В. Изранова // Известия Самарского научного центра РАН. 2011, том 13, № 4(3)-С. 1056-1058.

другие публикации:

6. Антипов, В.А. Особенности технологического процесса, упругие и диссипативные свойства изделий из материала Меретранс-2 / В.А. Антипов, Г.В. Изранова, В.А. Дулецкий, А.Л. Рябков // Надёжность ж.-д. техники и управление: матер, науч.-практ. конф. - Самара: СамГУПС, 2007. - С. 88-91.

7. Изранова, Г.В. Разработка пневматического ручного инструмента с низким уровнем виброактивности / Е.М. Тарасов, В.Г. Луканенко, Г.В. Изранова, H.H. Ломакина // Надёж-

16 l ■

ность и ремонт машин: матер. 2-й междунар. научно-техн. конф. - Орёл: ОрёлГТУ, 2005. - С. 386-391.

8. Изранова, Г.В. Комбинированная упругогистерезисная опора для транспортных систем / Г.В. Изранова, В.Г. Луканенко // Наука, инновации и образование: актуальные проблемы развития транспортного комплекса России: матер, междунар. научно-техн. конф. - Екатеринбург: УрГУПС, 2006. - С. 155-156.

9. Изранова, Г.В. Расчётная схема и параметры подобия системы «человек - ручной механизированный инструмент вращательного действия» / Г.В. Изранова, В.Г. Лукапенко // Актуальные проблемы развития ж.-д. транспорта: матер, междунар. научно-пракг. конф. - Самара: СамГАПС, 2006. - С. 161-162.

10. Изранова, Г.В. Повышение эффективности использования ручного механизированного инструмента на железнодорожном транспорте ! Г.В. Изранова // Актуальные проблемы динамики и прочности материалов и конструкций: модели, методы, решения: матер, междун. научно-техн. конф. - Орел: ОрелГТУ, 2007. - С. 146-148.

11. Изранова, Г.В. Совершенствование ручного механизированного инструмента вращательного действия / Г.В. Изранова, O.E. Лаврусь, В.Г. Луканенко // Актуальные проблемы динамики и прочности материалов и конструкций: модели, методы, решения: матер, междун. научно-техн. конф. - Орел: ОрелГТУ, 2007. - С. 148-150.

12. Изранова, Г.В Обеспечение вибрационной надежности ручного механизированного инструмента / Г.В. Изранова, В.Г. Луканенко, C.B. Путилин И Вибрация -2010. Управляемые вибрационные технологии и машины: сб. науч. ст.: в 2 ч. - Курск: Курск, гос. техн. ун-т, 2010, 4.2.-С. 131-135.

13. Луканенко, В.Г. Разработка средств виброзащиты человека-оператора ручного инструмента вращательного действия / В.Г. Луканенко, Г.В. Изранова, Е.М. Тарасов, H.H. Ломакина II Акт -2005: Тр. шестой междунар. научно-техн. конф. - Воронеж: Воронеж, техн.ун.-т. 2005, 4.1.-С. 84-89.

14. Луканенко, В.Г. Разработка и создание средств повышения ресурса и вибробезопасности нневмошлифовальных машин / В.Г. Луканенко, Г.В. Изранова, Е.Ф. Лукьянов // Современные проблемы математики, механики, информатики: сб. матер, междун. научн. конф. - Тула: ТулГУ, 2007. - С. 162-165.

15. Луканенко, В.Г. Обеспечение вибробезопасности ручного механизированного инструмента / В.Г. Луканенко, Г.В. Изранова // Повышение эффективности функционирования механических и энергетических систем: сб.науч.тр. междун. научно-техн. конф. — Саранск: МГУ им. HJI. Огарева, 2007. - С. 405-410.

16. Луканенко, В.Г. Экспериментальные исследования упругодемпфирующих элементов виброзащитных систем ! В.Г. Луканенко, Г.В. Изранова, Е.Ф. Лукьянов, В.Л. Береснев // Актуальные проблемы развития транспортного комплекса: матер. V Всероссийской научно-практ. конф - Самара: СамГУПС, 2009. - С. 377-379.

17. Пат. 2239109 Российская Федерация, МКИ F16F. Комбинированная упругодемпфер-ная опора / В.А.Антипов, Г.В. Изранова, Ю.К. Пономарев, А.Н. Носов. Опубл. 27.10.2004. Бюл. №30.

18. Пат. 2244039 Российская Федерация, МКИ F16F. Способ изготовления упругопори-стого проволочного материала и изделий из него / Г.В. Изранова [и др.]. Опубл. 10.01. 2005. Бюл. №1.

19. Пат. 2255830 Российская Федерация, МКИ F16F. Способ изготовления упругопори-стого проволочного материала / Г.В. Изранова [и др.]. Опубл. 10.07. 2005. Бюл. №19.

20. Пат.61374 Российская Федерация, МКИ F16F/14. Тросовый виброизолятор / В.А. Ан-типов, Л.Л. Рябков, Г.В. Изранова. Опубл. 27.02. 2007. Бюл. №6.

21. Пат.2322621 Российская Федерация, MIQ1F16F. Способ изготовления тросового уп-ругогистерезисного элемента / В.А. Антипов, Г.В. Изранова, А.Л. Рябков 0публ.20.04. 2008.

Подписано в печать 25.11.2011. Формат60х90 1/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 275. Отпечатано в Самарском государственном университете путей сообщения. 443022, Самара, Заводское шоссе, 18.

ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ, УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Обзор работ по исследованию динамических характеристик подшипников ручного механизированного инструмента ^ вращательного действия.

1.2 Обзор работ по проектированию роторной части ручного механизированного инструмента вращательного действия ^

1.3 Обзор работ по разработке и исследованию средств повышения ресурса и снижению виброактивности ' ручного ^ механизированного инструмента.

1.4 Обзор работ по созданию средств внешней виброзащиты ручного механизированного инструмента вращательного действия.

1.5 Выводы и постановка задачи исследования.

2. РАСЧЕТНАЯ СХЕМА И МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ ЧЕЛОВЕК - РУЧНОЙ МЕХАНИЗИРОВАННЫЙ ИНСТРУМЕНТ. ПАРАМЕТРЫ ПОДОБИЯ СИСТЕМЫ

2.1 Общая характеристика динамической системы «человек -ручной механизированный инструмент вращательного действия».

2.2 Конструктивные особенности ручного механизированного инструмента вращательного действия и расчетная схема системы «человек - ручной механизированный инструмент вращательного действия».

2.3 Линейная математическая модель динамической системы «человек - ручной механизированный инструмент вращательного действия».

2.4 Параметры подобия и критерии динамического качества системы «человек - ручной механизированный инструмент вращательного действия».

2.5 Выводы.:.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫНУЖДЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ РОТОРА

ПНЕВМОШ ЛИФОВАЛЬНЫХ МАШИН.

3.1 Расчетные схемы и математические модели системы «РМИВД-двухкаскадная - система виброзащиты — рука оператора».

3.2 Анализ результатов расчета вынужденных колебаний. ^

3.3 Анализ устойчивости ротора в пневмошлифовальных машинах с 74 газовыми порами.

3.4 Методика расчета вынужденных колебаний динамической системы.:.

3.5 Выводы.

4. РАСЧЕТНО - ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННАЯ ОТРАБОТКА РАЗРАБОТАННЫХ СИСТЕМ ВИБРОЗАЩИТЫ ПНЕВМОШЛИФОВАЛЬНЫХ МАШИН

4.1 Особенности изготовления цельнометаллических демпферов с ^ сухим трением.

4.1.1 Описание спроектированных упругодемпфирующих ^ элементов

4.1.2 Технология изготовления демпферов.

4.2 Теоретические исследование особенностей упруго фрикционных свойств малоразмерных демпферов пневмошлифовальных ^ ^ машин.

4.2.1 Исследование свойств гофрированного демпфера при одноосном и прецессионном нагружении для ^ пневмошлифовальной машины ИП-2008.

4.2.2 Описание конструкции экспериментального стенда и методики проведения эксперимента.

4.2.3 Экспериментальное исследование демпферов различного типа для одноосного нагружения.

4.3 Опытно-промышленные испытания модернизированных пневмошлифовальных машин ПШТ - 2, ИП-2008 и ГТТТТМ

4.4 Анализ результатов испытаний пневмошлифовальных машин

4.5 Выводы.

Результаты работы были использованы при модернизации серийных пневмошлифовальных машин ИП-2008 и ПШТ -2, а также при внедрении пневмошлифовальной машины ПШМ -1, которые позволили повысить ресурс машин до 200 часов и улучшить условия работы человека-оператора.

Главный инженер ЗАО «Нефтегазмаш»

С. П. Лысов