Способ виброзащиты машин
Владельцы патента RU 2453746:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Воронежский государственный архитектурно-строительный университет (ГОУВПО ВГАСУ) (RU)
Изобретение относится к транспортному машиностроению. Способ включает соединение защищаемых объектов с рамой машины посредством типовых резино-металлических виброизоляторов. Каждый виброизолятор состоит из двух косоразмещенных призматических упругих элементов, наклоненных к раме объекта и привулканизированных к верхним и нижним металлическим пластинам. При выполнении технологических операций с изменением режима работы машины принудительно плавно изменяют жесткость виброизоляторов. Для этого одновременно поворачивают на одинаковый угол по отношению к защищаемому объекту верхние и нижние металлические пластины и привулканизированные к ним упругие призматические элементы. Достигается снижение вибрации защищаемых объектов машины. 4 ил., 2 табл.
Изобретение относится к транспортному машиностроению и может быть использовано в других областях техники для повышения звукоизоляционных и виброизоляционных качеств кабин и других объектов.
Известен способ виброзащиты машин, называемый виброизоляцией, и состоящий в соединении защищаемых объектов машины с ее рамой посредством виброизоляторов [1, с.334]. Виброизоляторы могут быть различного типа.
Наиболее близким к предлагаемому является способ виброзащиты машин, заключающийся в соединении защищаемого объекта (двигателя, кабины, других агрегатов и механизмов) с ее рамой посредством типовых составных резино-металлических виброизоляторов, состоящих из двух косоразмещенных призматических упругих элементов, работающих на сжатие-сдвиг [2, с.211, рис.24; 3, с.32, рис.2.1, м].
Недостатком этого способа виброзащиты является то, что при изменении режима работы машины, состоящего в изменении линейных или угловых скоростей ее подвижных звеньев, изменении действующих сил и моментов сил, изменении мощностей силовых установок или рабочих органов, изменяются вибрационные характеристики в опорных связях защищаемого объекта, однако жесткость упругих элементов виброизоляторов остается неизменной.
Задачей настоящего изобретения является снижение вибрации защищаемых объектов машины при выполнении технологических операций с изменением режима ее работы.
Поставленная задача достигается тем, что в способе виброзащиты машин, включающем соединения защищаемых объектов с ее рамой посредством типовых резино-металлических виброизоляторов, состоящих из двух косоразмещенных упругих элементов, отличительным от прототипа признаком является то, что в соответствии с изменением режима работы машины принудительно плавно изменяют жесткость виброизоляторов путем изменения угла наклона косоразмещенных упругих элементов.
Известно, что упругие свойства резин характеризуются большим различием модулей объемного сжатия и чистого сдвига, при этом их отношение лежит в пределах от 500 до 5000 [3, с.21]. Косоразмещенные упругие элементы виброизолятора работают одновременно на сжатие и сдвиг. При угле наклона φ=0° эти элементы работают только на сжатие, а при угле наклона φ=90° они работают только на сдвиг.
При принудительном плавном изменении угла наклона косоразмещенных упругих резиновых элементов виброизолятора будет изменяться и его жесткость. На фиг.1 представлена схема реализации способа виброзащиты машин; на фиг.2 - зависимость жесткости (с) виброизолятора от угла наклона его косоразмещенных упругих элементов (φ); на фиг.3 - принципиальная схема установки кабины на раме мобильной машины; на фиг.4 - диаграмма необходимой суммарной жесткости (с) виброизоляторов кабины виброкатка от частоты колебаний при кинематическом возбуждении.
Защищаемый объект 1 (фиг.1), являющийся вибрирующим агрегатом при силовом возбуждении или кабиной машины при кинематическом возбуждении, соединен шарнирами В и С с верхними металлическими пластинами 2 и 3 виброизолятора.
Виброизолятор состоит из двух косоразмещенных призматических упругих элементов 4 и 5, привулканизированных к верхним 2 и 3 и нижним 6 и 7 металлическим пластинам, наклоненных под углами φ к раме 8 машины.
Нижние металлические пластины 6 и 7 с одной стороны в шарнирах D и Е соединены с ползунами 9 и 10, входящими в поступательные пары К и L с рамой 8. С другой стороны, нижние металлические пластины 6 и 7 в шарнирах М и N соединены со штоками 11 и 12 гидроцилиндров 13 и 14, соединенных в шарнирах А и Р с рамой машины.
Описанные элементы крепления защищаемого объекта 1 на раме 8 машины расположены по разные стороны от оси У-У защищаемого объекта 1 симметрично.
В соответствии с изменением режима работы машины принудительно плавно изменяют жесткость виброизоляторов путем изменения углов φ наклона косоразмещенных упругих элементов 4 и 5 в интервале значений от 0 до 90° путем одновременного согласованного перемещения штоков 11 и 12 гидроцилиндров 13 и 14.
При этом поворачиваются по отношению к защищаемому объекту 1 верхние 2 и 3 и нижние 6 и 7 металлические пластины и привулканизированные к ним упругие призматические элементы 4 и 5, ползуны 9 и 10 поступательно движутся относительно рамы машины 8, а ось симметрии У-У защищаемого объекта 1 по отношению к раме 8 машины своего положения не меняет.
Жесткость принятого виброизолятора определяется выражением [3, с.38]
где Ж - безразмерная жесткость упругого элемента (резины), зависящая от его формы;
G - модуль сдвига резины, МПа;
S - площадь поперечного сечения упругого элемента, м;
h - высота упругого элемента, м (фиг.1).
Для наклонного упругого элемента при сжимающей нагрузке со стороны колеблющегося защищаемого объекта 1 безразмерная жесткость Ж определяется формулой
где ЖX и ЖZ - соответственно безразмерная жесткость упругого элемента в направлении осей Х и Z (фиг.1), φ - угол наклона косоразмещенного упругого элемента виброизолятора к раме.
В направлении оси Х упругий элемент работает на сдвиг, а в направлении оси Z - на сжатие.
Если упругий элемент расположен под углом φ=90° к раме машины, то он работает только на сдвиг; при этом ЖX=1 [3, с.32]. При расположении упругого элемента под углом φ=0° к раме машины он работает только на сжатие; при этом значение ЖZ может быть найдено по формуле [3, с.31]
где α=a/h, a - длина призматического упругого элемента (фиг.1),
если 0,4≤α≤6 [3, с.31].
Для призматического упругого элемента с размерами а=100 мм и h=68 мм α=a/h=100/68=1,47 и по формуле (3) ЖZ=6.
Пусть площадь поперечного сечения этого упругого элемента S=а2=0,12=0,01 м2, его резина - марки 278-4, модуль сдвига которой G=6 МПа [3, с.24].
Используя формулы (2) и (1) при значениях φ=0, 30, 60, 90°, получаем значения безразмерной жесткости Ж и расчетной жесткости С виброизолятора с одним упругим элементом. Результаты расчетов приведены в табл.1.
| Таблица 1 | ||
| Значения безразмерной и расчетной жесткости виброизолятора с одним призматическим упругим элементом из резины марки 278-4 | ||
| Угол наклона упругого элемента φ° | Безразмерная жесткость Ж | Расчетная жесткость С, кН/м |
| 0 | 6,000 | 5,29 |
| 30 | 2,670 | 2,35 |
| 60 | 1,263 | 1,11 |
| 90 | 1,000 | 0,88 |
По данным табл.1 построен график зависимости расчетной жесткости виброизолятора от угла наклона φ его упругого элемента (фиг.2). Из графика видно, что при изменении угла наклона виброизолятора от 0 до 90° жесткость его изменяется в 6 раз (от 0,88 до 5,29 кН/м). При этом расчетная жесткость изменяется плавно и в широком диапазоне.
Например, устанавливаемый режим работы виброкатков типа ДУ98 и ДУ99 зависит от вида уплотняемой среды. При уплотнении грунта задаваемая частота колебаний вибровальца f=40 Гц, а при уплотнении асфальтобетона f=50 Гц [4, с.6]. На транспортном режиме источником вибрации является двигатель. При номинальной частоте вращения коленчатого вала двигателя этих виброкатков частота колебаний f=80 Гц.
При транспортно-технологической вибрации виброскорость на рабочем месте оператора (пола кабины) при средних геометрических частотах колебаний в октавных полосах f≥16 Гц не должна превышать установленной нормы v=0,56*10-2 (м/с). На транспортном режиме виброскорость - не более значения v=1,10*10-2 (м/c) [5, с.20, табл.1.4].
Расчет необходимой жесткости виброизоляторов выполняется по формуле [6, 278].
Таким образом, при изменении режима работы машины, когда изменяются частота и амплитуда колебаний рамы машины, возникает возможность изменения жесткости в опорных связях защищаемого объекта с целью снижения вибрационных характеристик до нормативных значений.
При кинематическом возбуждении массы m (кабина) со стороны основания Р (рама машины, на которой установлены источники вибрации) при слабом демпфировании колебаний (b≈0) и с/m<ω имеем абсолютное перемещение z защищаемого объекта (массы m) как сумму перемещения основания S и относительного перемещения у в соответствии с фиг.3 [1, стр.278]
где AS - максимальное значение амплитуды перемещения (Р); ω - угловая частота колебаний основания, с-1; с - приведенный коэффициент жесткости упругого элемента, далее просто жесткость, кН/м.
Известно, что угловая частота ω может быть выражена через частоту колебаний f в герцах, т.е.
Дифференцируя выражение (4), получим виброскорость
Наибольшее значение виброскорости будет при cosωt=1, тогда
Из полученного выражения определяем с учетом (5) необходимое значение жесткости упругого элемента виброизолятора, обеспечивающее виброскорость защищаемого объекта (кабины) не более допустимого значения при установленной частоте колебаний f вибровальца виброкатка
Нормативное значение виброскорости на частотах более 16 Гц в октавных полосах не должно превышать 0,11 м/с [2, стр.20].
Принимаем для примера AS=0,001, а массу кабины виброкатка ДУ-99 с учетом массы оператора m=375 кг [4, стр.6].
Определяем требуемую суммарную жесткость виброизоляторов кабины при различных частотах колебаний рамы, данные заносим в таблицу и строим график фиг.4.
| Таблица 2 | ||||
| Суммарная жесткость виброизоляторов | ||||
| Суммарная жесткость виброизоляторов, 103, кН/м | ||||
| Частота колебаний рамки, Гц | ||||
| 20 | 40 | 50 | 60 | 80 |
| 10,7 | 22,6 | 27,7 | 32,8 | 42,8 |
Как видно из графика фиг.4, суммарная жесткость виброизоляторов кабины при увеличении частоты колебаний рамки существенно возрастает. Таким образом, при изменении режима работы машины, когда имеет место и изменение частоты колебаний рамы, необходимо изменять жесткость виброизоляторов в опорных связях кабины. Это и рекомендует сделать предлагаемый способ изменения жесткости виброизоляторов в опорных связях защищаемого объекта.
Источники информации
1. Левитский Н.И. Теория механизмов и машин. - М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы. 1970, - 334 с.
2. Вибрации в технике. Справочник. Том 4. /Под ред. Э.Э.Лавендела. - М.: Машиностроение, 1981.
3. Ляпунов В.Т., Лавендел Э.Э., Шляпочников С.А. Резиновые виброизоляторы. Справочник - Л.: Судостроение, 1988, - 216 с.
4. Руководство по эксплуатации и формуляр катков ДУ-98, ДУ-99, ДУ-100. ЗАО «Раскат» 152934, Россия, Ярославская область, г.Рыбинск, ул. Труда, д.2. www.packat.ru
5. Ивович В.А., Онищенко В.Я. Защита от вибраций в машиностроении. - М.: Машиностроение, 1990. - 272 с.
6. Левитский Н.И. Колебания в механизмах: Учеб. пособие для втузов. - М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. - 336 с.
Способ виброзащиты машин, включающий соединение защищаемых объектов с ее рамой посредством типовых резинометаллических виброизоляторов, состоящих из двух косоразмещенных призматических упругих элементов, привулканизированных к верхним и нижним металлическим пластинам, наклоненных к раме объекта, отличающийся тем, что, с целью снижения вибрации защищаемых объектов машины при выполнении технологических операций с изменением режима ее работы, соответственно принудительно плавно изменяют жесткость виброизоляторов путем одновременного поворота на одинаковый угол по отношению к защищаемому объекту верхних и нижних металлических пластин и привулканизированных к ним упругих призматических элементов.
