Совершенствование металлорезиновых втулочных виброизоляторов и методики их проектирования для систем виброзащиты современного транспорта тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

На правах рукописи

БРЫЛЕВА МАРИЯ АЛЕКСАНДРОВНА

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТАЛЛОРЕЗИНОВЫХ ВТУЛОЧНЫХ ВПБРОИЗОЛЯТОРОВ II МЕТОДИКИ ИХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДЛЯ СИСТЕМ ВИБРОЗАЩИТЫ СОВРЕМЕННОГО ТРАНСПОРТА

01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Самара-2014

2 4 ИЮЛ 2014

005550892

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)» (СГАУ) на кафедре конструкции и проектирования двигателей летательных аппаратов и в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образовании «Самарский государственный университет путей сообщения» (СамГУПС) на кафедре инженерной графики.

Научный руководитель: Лазуткин Геннадий Васильевич, доктор технических наук, с.н.с.

Официальные оппоненты: Громаковский Дмитрий Григорьевич, доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет», директор научно-технического центра надежности технологических, энергетических и транспортных машин (НТЦ НТЭТМ);

Иванов Борис Георгиевич, доктор технических наук, доцент, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный архитектурно-строительный университет», профессор кафедры технологии и организации строительного производства» (СГАСУ)

Ведущее предприятие: Федеральное государственное бюджетное образова-

тельное учреждение высшего профессионального образования «Государственный университет — учебно - научно - производственный комплекс» (Госуниверситет — УНПК), г. Орел

Защита состоится 18 сентября 2014 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.215.02, созданного на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университете имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)» по адресу: 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34, ауд.209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Самарский государственный аэрокосмический университете имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)»

Автореферат разослан 7 июля 2014 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета Д 212.215.02

Д.Л. Скуратов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Рост скоростей и объёмов перевозок, интенсификация рабочих процессов энергетических установок (ЭУ), ужесточение требований по работоспособности, охране труда и технике безопасности предопределяют важность и актуальность разработки средств снижения вибрации на железнодорожном транспорте. Отличительными особенностями вибрационной нагрузки современным транспортных средств являются:

- широкий (от 1 до 1000 Гц) спектр возбуждающей нагрузки;

- разное по направлениям и интенсивности воздействие вибрации и т.п.

В настоящее время виброизоляторы из упругопористого проволочного материала, получившего название металлорезина (МР), широко применяются в авиационной технике, судостроении, железнодорожном транспорте и др. для снижения вибронагруженности систем виброзащиты агрегатов и узлов ЭУ. Особое место среди виброизоляторов с упругогистерезисными элементами (УГЭ) из материала МР занимают втулочные виброизоляторы. Они имеют малые габариты, вес, высокую статическую прочность, широкий диапазон резонансных частот и массовых нагрузок. Упругие и диссипативные свойства втулочных виброизоляторов можно изменять в широком диапазоне, изменяя как параметры материала МР (соотношение геометрических характеристик спирали, упругие свойства проволоки, плотность заготовки и др.), так и конструктивное исполнение виброизоляторов. Втулочные виброизоляторы отличаются существенной дешевизной, простотой и технологичностью, что чрезвычайно важно при массовом производстве. В то же время при использовании втулочных виброизоляторов на современном транспорте необходимо увеличить их грузоподъёмность, работоспособность, снизить резонансную частоту и т.д. Указанные задачи можно решить путём создания многоэлементных втулочных виброизоляторов, сочетающих в себе УГЭ из материала МР и пружинные разгрузочные устройства, а также с помощью разработки методики проектирования виброизоляторов. Все это предопределяет важность и актуальность темы исследования.

Степень разработанности темы исследования. Работы по созданию конструкций подобного типа ведутся в настоящее время как в России (СГАУ), так и в Китае, Германии, Франции и некоторых других странах. Однако до сих пор исследователям не удалось разработать низкочастотные втулочные виброизоляторы из материала МР с высокими демпфирующими свойствами для большегрузных объектов (от 500 Н и выше), обладающих высокой работоспособностью и воспринимающих вибрационные нагрузки широкого спектра. Кроме того, существующие методики проектирования несовершенны, так как не учитывают в полной мере связь динамических и упругогнстерезисных характеристик с потребными конструктивно-технологическими параметрами многоэлементных виброизоляторов. Данная работа посвящена комплексному решению указанных проблем.

Целью работы является создание на базе материала МР низкочастотных многоэлементных втулочных виброизоляторов с повышенной несущей способностью и методики их проектирования.

Задачи исследовании:

1 На базе анализа конструкций и технологии производства виброизоляторов с УГЭ из материала МР разработать классификацию виброизоляторов, орнентирован-

3

V

ную на объекты железнодорожного транспорта и на ее основе создать новые перспективные конструкции.

2 Проанализировать и обобщить результаты исследования объёмного упругого последействия прессовок втулочного типа и получить основные зависимости влияния конструктивно-технологических параметров.

3 Усовершенствовать математическую модель деформирования многоэлементных виброизоляторов с учетом совместной работы втулочных УГЭ и пружинных разгрузочных устройств, а также получить аналитическое решение уравнения движения для определения параметров вынужденных установившихся колебаний виброзащитных систем (ВС).

4 Создать методику проектирования многоэлементных виброизоляторов из МР втулочного типа с пружинными разгрузочными устройствами для нужд современного транспорта.

Научная новизна.

1 Усовершенствована обобщенная математическая модель деформирования втулочных виброизоляторов из материала МР, представленная в безразмерном виде и построенная с помощью коэффициентов подобных преобразований в форме сочетания степенных и показательных функций, путем преобразования трансцендентных функций в полиномы Чебышева и учета реакций пружинных разгрузочных устройств. Линеаризация упругогистерезисных характеристик многоэлементных виброизоляторов позволила получить аналитическое решение уравнения движения вибразащитной системы и связать коэффициенты подобных преобразований с параметрами резонансных режимов ее колебаний.

2 Обобщены результаты исследования объемного упругого последействия прессовок втулочного типа, позволившие получить основные зависимости для определения рациональных конструктивно-технологических параметров упругогистерезисных элементов и использовать полученные результаты для построения методики проектирования виброизоляторов.

3 Разработана методика проектирования многоэлементных виброизоляторов втулочного типа, объединяющая методики и алгоритмы расчёта потребных упругогистерезисных характеристик с рациональными конструктивно-технологическими параметрами с элементами из материала МР и пружинными разгрузочными устройствами.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Теоретическая значимость работы заключается в усовершенствовании обобщённой математической модели деформирования многоэлементных втулочных виброизоляторов из материала МР с последующим использованием полученных результатов при аналитическом решении динамических задач, обобщении наиболее важных результатов объёмного упругого последействия прессовок из материала МР и теоретической связки в аналитически замкнутом виде конструктивно-технологических параметров виброизоляторов с техническим заданием.

Практическая значимость работы состоит в создании и програмнон реализации методики проектирования многоэлементных металлорезиновых втулочных виброизоляторов под заданные технические требования к системам виброзащиты современного транспорта.

Разработанные многоэлементные втулочные виброизоляторы и новые технологии их производства использованы в ремонтных депо Куйбышевской железной дороги - филиал ОАО «РЖД». Усовершенствованная на базе математической модели методика проектирования, включающая методики расчёта потребных упруго-гистерезисных и конструктивно-технологических параметров виброизоляторов для систем виброзащиты, использованы в учебном процессе СамГУПС.

Методы исследования. Математическая модель виброизолятора разработана на базе использования полиномов Чебышева, теории подобия и размерностей с реализацией промежуточного приближения петель гистерезиса методами гармонической линеаризации. Метод расчёта потребных упругогистерезисных характеристик в соответствии с заданными техническими требованиями основан на решении задачи о колебаниях ВС при гармоническом кинематическом возбуждении и последующей связки в аналитически замкнутой форме требуемых резонансных характеристик ВС с конструктивно-технологическими параметрами виброизоляторов.

Положения, выносимые на защиту.

1 Усовершенствованная путём преобразования степенных и показательных функций в полиномы Чебышева обобщённая математическая модель деформирования виброизоляторов втулочного типа из материала МР, построенная с учётом совместной работы упругогистерезисных элементов и пружинных разгрузочных устройств и полученное с её помощью аналитическое решение уравнения движения ВС, связывающее технические требования по параметрам резонансных режимов с коэффициентами подобных преобразований многоэлементных виброизоляторов.

2 Выявленные путем обобщения экспериментальных данных зависимости по влиянию конструктивно-технологических параметров на объёмное упругое последействие прессовок втулочного типа из материала МР.

3 Методика проектирования многоэлементных виброизоляторов, включающая методики расчетов их потребных упругогистерезисных характеристик, рациональных конструктивно-технологических параметров упругогистерезисных элементов из МР и пружин, по заданным техническим требованиям к резонансным характеристикам и вибрационным нагрузкам гармонического типа.

Степень достоверности полученных результатов обеспечена использованием в работе научно-обоснованных гипотез и допущений, применением апробированных математических методов аппроксимации и решения дифференциальных уравнений, количественным и качественным согласованием полученных результатов с экспериментальными данными, полученными как самим автором, так и другими исследователями (СГАУ). Адекватность усовершенствованной автором математической модели деформирования виброизоляторов и полученных с ее помощью динамических решений для ВС обусловлена использованием в работе фундаментальных положений механики и систематическим сопоставлением полученных результатов с результатами, описанными в опубликованных работах других исследователей.

Апробация результатов. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях:

- на международных научно-технических конференциях: «Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика», Санкт-Петербург, 2008 г.; «Проблемы исследования и проектирования машин», г. Пенза, 2008 г; «Проблемы и пер-

спективы развития двигателестроения, г. Самара, 2009 г.; «Управляемые вибрационные процессы, технологии и машины», г. Курск, 2010 г.;

- на региональной науч.- практ. конф. «ИНЖИНИРИНГ-2009», г. Орел, 2009 г.

- на международных научно-практических конференциях: «Актуальные проблемы развития транспортного комплекса», г. Самара, 2008, 2009, 2010 г.; «Наука и образование транспорту», г. Самара, 2010 г., 2011 г., 2012 г.; г. Оренбург, 2012 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 27 работ, в том числе 8 работ в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ, 4 патента на полезные модели.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 161 наименования, изложена на 158 страницах и содержит 46 рисунков, 1 таблицу и три приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель исследования, представлены научная новизна, теоретическая и практическая значимость работы, изложены методы исследования, степень достоверности и апробации результатов.

В первой главе приведен обзор работ посвященных исследованию систем виброзащиты, включающих виброизоляторы с УГЭ из материала МР или его аналогов. Проанализированы основные особенности технологического процесса производства изделий из материала МР втулочного типа. В настоящее время виброизоляторы из МР широко применяются в промышленности. Этому во многом способствовали работы ученых Самарской школы конструкционного демпфирования: А.М. Сойфера, В.П. Филекина, Н.Д. Кузнецова, В.Н. Бузицкого, И.Д. Эскина, Ю.К. Пономарёва, Л.Г. Шайморданова, А.И. Ермакова, В.А. Фролова, А.И. Белоусова, Г.В. Лазуткина, В.А. Борисова, А.М. Уланова, A.A. Тройникова, Ф.В. Паровая, Е.В. Шахматова, В.П. Шорина и др.

На основе анализа литературы для объектов железнодорожного транспорта, выбран втулочный виброизолятор, отличающийся простотой, дешевизной и технологичностью. Выявлен ряд направлений, по которым необходимо следовать для усовершенствования конструкции втулочных виброизоляторов и методов их расчёта. В частности, необходимо разработать цельнометаллические многоэлементные виброизоляторы втулочного типа с разгрузочными устройствами, имеющие резо-нанскую частоту (7-14 Гц), высокую несущую способность и диссипативные свойства (у = 1,5...3,0). При этом необходимо разработать их методику проектирования, так как существующие методики Л.Г. Шайморданова, А.И. Белоусова, A.A. Тройникова и др., требовали уточнения и доработки при расчёте потребных УГХ и конструктивно-технологических параметров многоэлементных виброизоляторов. Показана необходимость усовершенствования обобщенной математической модели с целью получения решения задачи о вынужденных колебаниях ВС и выявления связей параметров внброизоляторов с предъявляемыми к ним техническими требованиями. При этом можно упростить решение дифференциального уравнения движения ВС, применив гармоническую линеаризацию УГХ с достаточной для практики получения достоверностью результатов. В ходе анализа результатов работ предыдущих исследователей сформированы задачи настоящей работы.

В главе 2 приведена классификация многоэлементных цельнометаллических виброизоляторов с УГЭ из материала МР, в которой конструкции втулочных и ком-

бннированных виброизоляторов выделены в отдельные группы. Отличительной особенностью новой классификации является, во-первых, ее ориентированность на виброизоляцию объектов железнодорожного транспорта, во-вторых, учёт в классификационных группах многоэлементности и многофункциональности конструкций и их классификационных отличий, связанные с резонансными частотами виброизоляторов, типами их УГХ и назначением при использовании в современной транспортной технике. Кроме того, разработанная классификация является стимулятором новых перспективных разработок.

Созданные на основе предложенной классификации новые усовершенствованные разработки втулочных многоэлементных виброизоляторов и перспективные технологии их изготовления защищены патентами на полезные модели. Улучшенные конструктивно-технологические параметры виброизоляторов достигнуты, в частности, включением в массив взанмоперекрещивающихся проволочных спиралей обычной заготовки втулочного УГЭ неперекрещивающихся спиралей двойной и тройной свивки из тросовых прядей. Это позволило улучшить упругие и прочностные возможности материала МР, уменьшить усадку УГЭ при наработке, что повысило работоспособность виброизоляторов в целом. Вместе с тем эффективным средством повышения работоспособности виброизоляторов явилось введение в структуру МР проволочных материалов с антифрикционным покрытием, что позволило увеличить демпфирующую способность виброизоляторов в 1,5-2 раза. В технологические процессы производства многоэлементных виброизоляторов включен ряд мероприятий, позволяющих снизить их резонансную частоту, улучшить демпфирующую способность и теплопроводность, в частности, путем армирования заготовок специальными проволочными жгутами и т.п. Разгрузочные устройства, совмещенные в конструкцией виброизоляторов-прототипов, должны незначительно влиять на резонансные частоты и диссипативные свойства многоэлементных виброизоляторов, что обеспечивается выбором существенно меньшей (10.. 15%) жесткости пружин по сравнению с жесткостью УГЭ.

Повышение работоспособности виброизоляторов предложено обеспечить также

введением в их конструкцию армирующих элементов из тросов или тросовых прядей.

Для примера на рисунке 1 представлен один из разработанных виброизоляторов.

В главе 3 обобщены результаты исследования упругого последействия прессовок из МР, определяющие УГХ готовых УГЭ. На базе анализа экспериментальных данных, полученных в СГАУ A.A. Тройниковым, А.И. Белоусовым, Г.В. Лазуткиным и другими исследователями выявлены параметры, определяющие свойства готовых УГЭ и построены эмпирические зависимости, позволяющие оценить объёмное упругое последействие прессовок для основных параметров материала во всех практических диапазонах их изменения.

Существующая математическая модель описания процессов нагружения и раз-гружения УГЭ из материала МР, разработанная A.A. Тройниковым и А.И. Белоусо-

Рисунок 1 - Виброизолятор втулочного типа с разгрузочным устройством

ф /77

г. л

Рисунок 2 - Построение промежуточного приближения петель гистерезиса с помощью гармонической линеаризации эквивалентными по площади эллипсами

вым и представленная в безразмерном виде с помощью коэффициентов подобных у преобразований Тп и а„ в фор-

ме сочетания степенных и показательных функций, может быть преобразована к размерному виду (рисунок 2).

При этом аналитическое описание процессов нагрузки и разгрузки петель гистерезиса имеет достаточно сложную структуру (комбинация смешанных и показательных функций) и может быть использовано лишь при численных методах решения динамических задач о колебаниях ВС. Причем с помощью разработанных Г.В. Лазуткиным и А.М. Улановым методики и программы для ЭВМ был осуществлен переход к размерным координатам с помощью значений коэффициентов Т, и а, , взятых для контрольного образца втулки из материала МР.

В результате была получена исходная совокупность процессов деформирования семейств петель гистерезиса (ИС) (рисунок 3). В общем случае для к-ой петли гистерезиса, принадлежащей семейству уравнения исходных процессов деформирования могут быть записаны в виде:

где * = х/А- - абсцисса соответствующих отрезков переменной.

При математическом описании ИС, заданной множеством семейств петель, строятся приближения полиномами для каждого семейства петель гистерезиса с различными амплитудами А и геометрическим местом их центров , а затем и всей ИС. Вариант построения промежуточного приближения полигонами показан на рисунке 2, а.

Фс = 0,5(Ф„ + Фр); Фт = 0,5(Ф„ - Фр) . (3)

1,2- ограничивающие процессы; 3 - лиши центров семейств петель

Рисунок 3 - ИС в форме множества семейства петель гистерезиса

(1) (2)

При этом определяются также дополнительные математические условия, необходимые при построении произвольных процессов нагружения. Показано, что с их помощью можно построить любое множество процессов нагрузки и разгрузки.

Получено решение в классе непрерывных функций:

Ч' = (4)

1л;.о I. J

где Р^ - коэффициенты полиномов Чебышева. |Л| = Х1+Л2+Я} + Я4

а, = 2,52<хюЯД1Д + 0,2ДС - 0,9 Д;, XI), 64 - рс)(0,2 - р,)(20 - йи); (5)

Г„ = 13,3-10"5 ат 5(0,8-2,ЗД0 + 3,4^ Хрс- 0,03)^ + 0,2X23 -1И), (6)

где Д0 = До /Уд - относительный натяг; Д. - плотность УГЭ в свободном состоянии; р,- относительная плотность заготовки; <7/; = <1,, / 8„ - относительный диаметр спирали; 1„ - диаметр спирали; о„ - диаметр проволоки; Д0- относительная размерная величина натяга; УД- допустимая деформация УГЭ. С помощью коэффициентов аппроксимации, зависящих от параметров материала МР и конструкции виброизоляторов-прототипов окончательно получаем их математическую модель деформирования. Учитывая, что механические свойства цилиндрических пружин (рисунок 1) в рабочем диапазоне деформаций многоэлементных виброизоляторов близки к линейным, запишем:

Рц =Счх + Сн -сг^А2 - х2 ; Р, = Сух±Ско^Лг-х~, (7)

где Рч и Рк — усилия развиваемые пружинами при деформации х; С'ю Сч - их коэффициенты жёсткости. При больших деформациях виброизолятора, необходимо учитывать нелинейность пружин. Для многоэлементного виброизолятора в безразмерном виде относительно положения статического равновесия виброизолятора-прототипа можно записать

4л4, + т,' ■ (8)

«Г' = №-4,?°

»,

л-о

С помощью выражения (8), отображающего аналитическое описание ИС, и с использованием принципа Мазинга, можно описать любые процессы нагружения виброизоляторов.

Для гармонической линеаризации гистерезиса коэффициенты полиномов имеют вид:

□(-«)_ рМ , р р(") _ р(») , рМ сдч

МО — "МО > 1 С1 —-*01 01 • У^/

Здесь = № = № =

СЯ=СГЫ,); роГ) = 1оГКИл'4,) " коэффициенты гармонической линеаризации УГХ виброизолятора (индекс (л/)), виброизолятора-прототипа (индекс (л)) и разгрузочного устройства (индекс (/>>'))•

При этом для многоэлементных виброизоляторов можно записать

Ф^М+гА, (10)

¿71

р(*) р(р>)

где у/ = 2тгу/^ - 2тс~— соответственно коэффициенты поглощения виброизолятора—прототипа и разгрузочного устройства из пружин.

е2 -4л

(12)

УГХ, получаемые для виброизоляторов при их циклическом деформировании, можно записать

=р!№л)? + |, (11)

или же в ввде, предложенном Я.Г. Пановко и Е.С. Сорокиным

Аппроксимация полученных и имеющихся данных по УГХ на единичных интервалах по позволила получить следующие зависимости для виброизоляторов-прототипов

4Л) = 1,13У°'87, ^6[0,7;5]; (13)

у = 2,59-0,27^, е [0,5;5,0]; (14)

(д)_ 0,36 + 0,43^-0,048^

Ьл

Как показано в работе Г.В. Лазуткина и В.А. Антипова на первом этапе проектирования многоэлементных виброизоляторов с пружинными разгрузочными устройствами можно принять у/ру е [0,4...0,6]. На основании зависимостей (9), (10), (13), (14), (15) получим выражения для определения линеаризованных коэффициентов упругого и неупругого сопротивления многоэлементного виброизолятора с пружинами:

4.)>3 + С^+0,87. (16)

р(„) _ 0,36 + (0,43+ М,рД)^-0,048^ .

^01--: > V1О

1л _

ш - + + Ь ~ ] ЛЙЧ

(1,13+ 0,87 • (18)

В главе 4 изложена методика проектирования многоэлементных виброизоляторов втулочного типа с УГЭ из материала МР, содержащая методики расчетов потребных УГХ, конструктивно-технологических параметров УГЭ и пружин.

Гармоническое решение уравнения колебаний ВС при гармоническом кинематическом возбуждении УГХ виброизоляторов, заданных в форме (12), можно представить для относительного перемещения в виде уравнения

= 0, (19)

где = — - безразмерная, постоянная по величине амплитуда возбуждения; V = —

С1п ш

_ '6

тГ

- безразмерная частота возбуждающей нагрузки; <лп =

V с,м

собственных колебаний ВС; М - масса ВС.

На резонансных режимах колебаний ВС из уравнения (19) получим:

базовая частота

ыю

-По р(М)

\Г01 у

=л+

2л

1 + ( рМ 1 •Пи г _ |р(")

^-По [ и«;]

(20) (21)

где ^ и Ар - соответственно безразмерная и размерная резонансные амплитуды.

Методика расчета потребных УГХ заключается в определении коэффициентов подобных преобразований с помощью выражений (16)...(18) и (20), (21)

а„

для виброизоляторов с пружинами

Т =

р« По

к

1,13Л +0,87ал

-1+. I2

0,048ц>0Уц2р-1

(22)

(23)

где иЗ(^у4.1)-0,43л/^Т

2 одару+1)-о,зб^1)'

Для виброизоляторов без пружин:

С. 1-

2л

л/^Й

^ 4т12/>2-1)Л/-С„ц2

^ 4тг2/;л/(ц2-1)

Р(л)' и2 По Нр

а. „ = -А, +

0,048

0,87-1 0,36 + ^7^7

(24)

где

I. =

_ цра0 1,13-0,43^

0,87- 0,36-^ ЦцН

Методика расчета, применяемых в разгрузочных устройствах цилиндрических пружин, по определению их основных конструктивных параметров заключается в нахождении диаметра проволоки и жесткости пружины, исходя из технических требований по нагрузкам и допускаемым напряжений в материале проволоки:

0,25С„У^

для диаметра проволоки

5 =5,6 1 +

(25)

„ Го,57-Ю" ДхГ 0,25У Т' для жесткости пружины С = —- ,1--- I . (26)

I, ° )

С помощью этих выражений определяется внутренний диаметр щшиндрических пружин, равный наружнему диаметру УГЭ.

Методика расчета рациональных конструктивно-технологических параметров УГЭ включает в себя следующие этапы и основные зависимости.

Для рациональной величины относительной средней плотности получено:

1 + -

2 d„

i + j2 d

s0,93-10~2(l,64-rfu).

(27)

Тогда величина среднего диаметра проволочной спирали при изготовлении материала МР с учетом формул (5), (6), (27) представляется в виде:

= 104

8,7-2,45 —-4,22 —

В. вт

1,78-0,38 —+ 0,42 — В. Вт

(28)

а величина средней плотности МР в УГЭ

= 0,64 +

1-. 1+

2,44 TL,

(29)

, Д„

2Т„ 4

где с учетом принятых выше наиболее рациональных значений ато, Е^, а вспомогательные величины и L2 вычисляются по формулам:

Ц = 0Д25(р3ч, +0,2X23-0; (30)

Ьг = 3,78 ■ 10-5 (0,2 - р3_ср У (20 + d.„ )2 _ (31)

Для нахождения параметров du, р3 и рс первоначально следует воспользоваться выражениями (28) и определить значение du cp = du. Впоследствии с его помощью и выражения (27) можно вычислить значение р}ср = р3, а затем с учётом выражений (29)...(31), значение величины pCi4, = p„. Разработка технологического процесса производства УГЭ и пружины проектируемого виброизолятора легко осуществляется с применением разработанных технологий.

На заключительном этапе расчёта технологических параметров проектируемых УГЭ определяется критическая нагрузка Р,ф, которая является стабилизирующей для структуры материала МР Ржр =0,66о{"р)д1, где ст^'"-1 определяется с помощью соотношений, представленных в работах A.A. Тройни-кова.

Рассмотренные методики, определяющие методику проектирования многоэлементных виброизоляторов на основе материала МР, позволяют создавать различные типоразмеры виброизоляторов в зависимости от их функций и целей, определяемых из анализа требований технических заданий к системам виброзащиты и их виброизоляторам.

Рисунок 4 - Алгоритм расчета втулочных виброизоляторов

На рисунке 4 приведена блок-схема программы расчетов при проектировании втулочных виброизоляторов по приведенным выше методикам с использованием пакета «МаИтсас! 15.0». Для примера в работе были выполнены расчёты конструк-

Р.Н/мм

600

500

(00

300

200

хю

р

х я

>

V-

V

го

1.0

о ю го ю 4.о а. мм

А - спроектированного; О - прототипа

Рисунок 5 - УГХ виброизоляторов зонах деформации отличаются незначительно.

тивных и технологических параметров, с их помощью изготовлен многоэлементный виброизолятор. На рисунке 5 представлены УГХ спроектированного виброизолятора и прототипа в виде зависимостей коэффициента поглощения и жёсткости Р от амплитуды деформации А.

На рисунке 6 представлены сравнительные испытания амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) спроектированного виброизолятора при статической нагрузке О = 700 Н и прототипа при в = 50 II. По результатам экспериментальных проверок УГХ спроектированного многоэлементного виброизолятора втулочного типа и его прототипа в рабочих

Виброзащитные же свойства спроектированного виброизолятора оказываются намного лучше (до 10 раз). Сравнение АЧХ виброизоляторов показывает, что при практически одинаковых коэффициентах усиления на резонансе спроектированный виброизолятор имеет существенно (в 4 раза) сниженную резонансную и увеличенную (в 10 раз) несущую способность, причем расхождение экспериментальных и расчётных данных для математической модели деформирования спроектированного и изготовленного многоэлементного виброизолятора не превышает 6%.

Это подтверждает высокую эффективность усовершенствованной модели деформирования, а следовательно и расчета потребных УГХ.

На рисунке 7 представлены спроектированные многоэлементные втулочные виброизоляторы.

Рисунок 6 - АЧХ виброизоляторов

Рисунок 7 - Спроею-ированные виброизоляторы 13

Заключение

В результате проведенных исследований решена актуальная научно-техническая задача, имеющая существенное значение для повышения вибрационной прочности и надежности объектов железнодорожного транспорта за счет совершенствования конструкции и технологий производства металлорезиновых многоэлементных виброизоляторов с пружинными разгрузочными устройствами, а также создания методики их проектирования, включающая методики расчета потребных упругогистерезисных характеристик, величин конструктивно-технологических параметров упругогистерезисных элементов и пружин.

По итогам работы можно сделать следующие выводы и обобщения:

1 На базе анализа современных средств виброзащиты агрегатов и узлов машин и механизмов транспортных систем выявлено, что для условий работы, реализуемых на железнодорожном транспорте и технических требований к разрабатываемым виброизоляторам одним из наиболее перспективных направлений является создание многоэлементных втулочных виброизоляторов с упругогистерезисными элементами из материала МР. С помощью предложенной классификации созданы и запатентованы новые конструкции втулочных многоэлементных виброизоляторов и технологии производства их УГЭ, заключающейся в армировании материала МР непере-крещивающимися спиралями и введении в МР проволочных материалов с антифрикционным покрытием. Сравнение амплитудно-частотных характеристик разработанной конструкции виброизолятора и виброизолятора-прототипа показало, что при практически одинаковых коэффициентах усиления на резонансе несущая способность возросла от 50 Н до 700 Н, а резонансная частота снижена в 3,5 раза.

2 Обобщены результаты исследования объёмного упругого последействия прессовок втулочного типа, позволившие получить основные зависимости для определения рациональных конструктивно-технологических параметров упругогистерезисных элементов. Это дало возможность оценивать объёмное упругое последействие прессовок для основных параметров материала МР во всех практических диапазонах их изменения, необходимых для построения методики проектирования виброизоляторов. Анализ и обобщение результатов исследования упругого последействия прессовок втулочного типа в направлении силы прессования показало, что его относительная величина АН составляет от 5 до 15% в зависимости от плотности упругогистерезисных характеристик. Боковое последействие до относительно АН составляет от 4 до 10 %. С увеличением упругой константы, равной отношению предела текучести на сжатие МР к модулю упругости материала проволоки, упругое последействие возрастает, что позволяет увеличивать работоспособность и расширять область допустимых значений деформации виброизоляторов.

3 Усовершенствована обобщенная математическая модель деформирования втулочных виброизоляторов из материала МР, представленная в безразмерном виде и построенная с помощью коэффициентов подобных преобразований в форме сочетания степенных и показательных функций, путем преобразования трансцендентных функций в полиномы Чебышева с учётом реакции пружинных разгрузочных устройств. Линеаризация упругогистерезисных характеристик на основе усовершенствованной полиномиальной модели деформирования позволила получить аналитическое решение дифференциального уравнения движения систем виброзащиты с многоэлементными виброизоляторами и на базе этого решения связать коэффициен-

ты подобных преобразований с параметрами резонансных режимов. При этом расхождение не превышает 6%.

4 Разработана методика проектирования многоэлементных виброизоляторов втулочного типа, позволяющая в аналитически замкнутом виде связать технические требования по резонансным режимам колебаний систем виброзащиты с потребными конструктивно-технологическими параметрами многоэлементных виброизоляторов втулочного типа. Созданы и апробированы алгоритм и программа расчёта для определения конструктивных и технологических параметров.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ: в ведущих рецензируемых научных изданиях, определённых ВАК России:

1 Лазуткин Г.В. Определение виброзащнтных характеристик виброизоляторов из волокнового проволочного материала типа двойной колокольчик усиленный с пружинным разгрузочным устройством / Г.В. Лазуткин, В.А. Антипов, М.А. Пету-хова, С.Ф. Родионов, Е.Ф. Лукьянов // Вестник Самарского государственного университета путей сообщения, - 2009. - Вып. 5(17). - Том 1. — С. 129-131.

2 Лазуткин, Г.В. Математическая модель деформирования и метод расчета виброзащнтных характеристик модернизированных виброизоляторов из материала МР типа ДКУ /Г.В. Лазуткин, В.А. Антипов, М.А. Петухова //Известия Самарского научного центра РАН. Спец. выпуск: Актуальные проблемы машиностроения. - 2009. -С. 164-168.

3 Лазуткин, Г.В. Метод аппроксимации петель гистерезиса многоконтактных виброизоляторов с сухим трением / Г.В. Лазуткин, В.А. Антипов, М.А. Петухова, Г.В. Изранова, Т.Ю. Зиновьева // Известия Самарского научного центра РАН. -2011,- Том 13,- №4(42). - С. 231-234.

4 Лазуткин, Г.В. Повышение стабильности виброзащитных свойств и ресурса виброизоляторов сухого трения из материала металлорезина / Г.В. Лазуткин, В.А. Антипов, М.А. Петухова, А.М. Ахметов, М.И. Борзенков //Известия Самарского научного центра РАН. - 2011. - №4. - Ч.З. - С. 255-259.

5 Лазуткин, Г.В. Особенности технологии производства втулочных виброизоляторов сухого трения из материала металлорезина / Г.В. Лазуткин, В.А. Антипов, М.А. Петухова, А.М. Ахметов, М.И. Борзенков // Известия Самарского научного центра РАН. - 2011. - №4. - Ч.З. - С. 259-264.

6 Лазуткин, Г.В. Расчет основных параметров пружинных разгрузочных и противоударных устройств цельнометаллических многокомпонентных виброизоляторов на основе материала МР / Г.В. Лазуткин, Ф.В. Паровай, М.А. Петухова, A.A. Тройников // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. - 2011,- №3 (27). - Часть 4. - С. 291-296.

7 Лазуткин Г.В. Проектирование многокомпонентных втулочных виброизоляторов из проволочного материала МР /Г.В. Лазуткин, М.А. Петухова // Вестник транспорта Поволжья. - 2011. - № 3. — С. 42-51.

8 Брылева,* М.А. Некоторые особенности объемного упругого последействия прессовок из волокнового проволочного материала // Вестник транспорта Поволжья. - 2013.-Вып. 6 (42).-С. 47-51.

- в других изданиях (19 наименований, наиболее важные приведены ниже):

9 Лазуткин, Г.В. Неустановившиеся колебания виброзащитных систем с конструкционным демпфированием /Г.В. Лазуткин, В.А. Антипов, М.А. Петухова, М.И. Борзепков , Г.В. Изранова //Известия ОрелГТУ. «Фундаментальные прикладные и проблемы техники и технологии». 2009. - №3/287. - С. 60-65.

10 Лазуткин Г.В. Квазигармонические колебания виброзашитных систем с сухим трением при гармоническом возбуждении / Г.В. Лазуткин, В.А. Антипов, М.А. Петухова // Гидравлические машины, гидроприводы и гидроавтоматика. Современное состояние и перспективы развития: труды междунар. науч.-технич. конф. -СПб.: 2008.-С. 231-232.

11 Лазуткин, Г.В. Влияние пружинных разгрузочных устройств на демпфирующую способность модифицированных виброизоляторов типа ДКУ / Г.В. Лазуткин, В.А. Антипов, М.А. Петухова //Проблемы и перспективы развития двигателе-строения: матер, докладов междунар. науч.-технич. конф. - Самара: СГАУ, 2009. -4.1 - С. 122-123.

12 Лазуткин, Г.В. Высокоэффективные низкочастотные виброизоляторы с разгрузкой от веса для железнодорожного транспорта / Г.В. Лазуткин, В.А. Антипов, М.А. Петухова, А.Л. Рябков //Управляемые вибрационные процессы, технологии и машины: матер, междунар. науч.-технич. конф. «Вибрация-2010». - Курск: Курск-ГТУ, 2010. - С. 125-131.

13 Петухова, М.А. Виброизоляторы из проволочного волокнового материала втулочного типа для транспортного машиностроения / М.А. Петухова // Наука и образование транспорту: матер, междунар. науч.-практ. конф. - Самара-Саратов: Сам-ГУПС, 2010.-С. 142-143.

14 Патент 86953 Российская Федерация, МПК7 О 07 В 1/10. Трос /Г.В. Лазуткин, В.А. Антипов, М.А. Петухова, И.А. Изранов; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Самарский государственный университет путей сообщения. - № 2009102702; - заявл. 27.01.2009; опубл. 20.09.2009. Бюл. № 26. - 2 с.

15 Патент 86989 Российская Федерация, МПК МПК7 Г16 Р 3/08. Виброизолятор /Г.В. Лазуткин, В.А. Антипов, М.А. Петухова; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Самарский государственный университет путей сообщения. -№2009104724; заявл. 11.02.2009; опубл. 20.09.2009. Бюл. № 26. - 2 с.

16 Патент 95048 Российская Федерация, МПК7 Р16Г 3/08. Виброизолятор втулочный /Г.В. Лазуткин, В.А. Антипов, М.А. Петухова; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Самарский государственный университет путей сообщения.- № 2010100044 - заявл. 11.01.2010; опубл. 10.06.2010. Бюл. № 16. -2 с.

17 Патент 95049 Российская Федерация, МПК7 Р16Р 3/08. Виброизолятор /Г.В. Лазуткин, В.А. Антипов, М.А. Петухова; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Самарский государственный университет путей сообщения. № 2010100219 - заявл. 11.01.2010; опубл. 10.06.2010. Бюл. № 16.-2 с.

Подписано в печать 01.07.2014. Формат 60x90 1/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 146.

Отпечатано в Самарском государственном университете путей сообщения. 443022, Самара, Заводское шоссе, 18.

Фамилия автора изменена с Петуховой М.А. на Брылеву М.А. в соответствии со свидетельством о регистрации брака П-ЕР№ 557208 от20.10.2012 г.