Применения кольцевых резинокордовых амортизаторов

Для защиты оборудования от динамических нагрузок широко применяют метод отделения объекта от источника колебаний при помощи амортизаторов, которые можно разделить на два основных вида – пассивные и активные.

В пассивных системах используется принцип частотной трансформации (отстройки в низкочастотную область частоты собственных колебаний объекта защиты от частот максимальных амплитуд источника вибрации) и поглощения и рассеивания энергии колебаний демпфирующими элементами без использования внешних источников энергии.

Активные системы предполагают использование внешних источников энергии для гашения динамических нагрузок объекта. Они содержат силовые элементы, связанные с источником колебаний и защищаемым объектом, а также систему автоматической обратной связи, которая регулирует подачу энергии силовому элементу в противофазе колебаний объекта в зависимости от частоты и амплитуды колебаний. Применение активных систем снижениядинамических нагрузок затруднено из-за большой их стоимости, сложности в эксплуатации и недостаточной надежности. Поэтому они пока не нашли широкого применения.

Учитывая условия эксплуатации горных машин и, ориентируясь на разумную стоимость конструкции, а также надежность устройств, на основании изложенного представляется одним из наиболее рациональных - направление снижения динамических нагрузок оборудования с помощью пассивных амортизаторов. Они нашли самое широкое распространение для различных вариантов динамических нагрузок: гармонических, случайных и ударных.

Принцип действия пассивной виброизоляции основан на противодействии сил инерции защищаемого объекта динамическим нагрузкам, передаваемым через упругие элементы, которыми объект отделен от источника динамических нагрузок, а также рассеяния (диссипации) энергии колебаний в материале амортизатора. Диссипация энергии колебаний может также происходить за счет специальных демпфирующих элементов в конструкции виброзащитной системы, специально устанавливаемых между объектом виброзащиты и вибрирующим основанием источника вибровозбуждения. При этом, как правило, имеет место, сопутствующее демпфирование колебаний сухим трением между сопрягаемыми взаимно подвижными поверхностями объекта и вибрирующего основания (различные шарниры, направляющие типа шток-втулка и т.п.).

В качестве специальных демпферов чаще всего используются гидравлические амортизаторы c силой диссипации, пропорциональной скорости относительного смещения между изолируемым объектом и вибрирующим основанием (вязкое трение).

Выбор варианта демпфирования оказывает весьма существенное влияние на качественные характеристики системы виброизоляции. Оказывая положительное влияние на снижение амплитуд резонансных колебаний объекта виброизоляции на частоте собственных колебаний, все способы демпфирования в той или иной мере ухудшают виброизоляцию в зарезонансном диапазоне частот.

Рассмотрим и сравним различные варианты демпфирования, а также влияние жесткости гидравлические, их качественные характеристики и определим предпосылки обоснования оптимальных структур для систем снижения динамических нагрузок оборудования карьерных экскаваторов.

1. Жесткость амортизатора. Этовесьма важный параметр, существенно влияющий на эффективность и качество системы снижения динамических нагрузок. От величины коэффициента жесткости упругих элементов, отделяющих объект виброизоляции от источника вибрации, зависит собственная частота виброизолирующей подвески: чем меньше собственная частота f₀, тем больше величина отстройки g = f / f₀ (так называемая частотная трансформация) и тем выше эффективность виброизоляции. Однако требование минимальной жесткости вступает в противоречие с повышенной осадкой амортизатора под действием веса объекта виброзащиты и устойчивостью системы (ее способностью возвращаться в исходное положение под действием случайных ударных нагрузок).

Из литературных источников [52, 53, 162] известно, что промышленностью не производятся амортизаторы с показателями жесткости и демпфирования, позволяющими обеспечить виброизоляцию ниже частоты 5 Гц. Разработанные нами КРКВ, позволяют получить минимальную жесткость, обеспечивающую частоту собственных колебаний объекта виброизоляции начиная от 1,5 Гц. Виброизоляция при такой собственной частоте наступает для частот в диапазоне 1,5 > 2,1 Гц.

2. Демпфирование вязким трением. В качестве наиболее наглядного показателя, позволяющего судить о поведении системы снижения динамических нагрузок при различных частотах и амплитудах вибровозбуждения, примем абсолютный коэффициент вибропередачи η, определяемый отношением амплитуды z₀ перемещения виброизолируемого объекта относительно земли к амплитуде y₀ перемещения основания источника вибрации относительно земли, т.е. η = z₀ / y₀. Этот коэффициент еще называют коэффициентом снижения динамической нагрузки.

На рис.6.1. показаны зависимости коэффициентов вибропередачи [1] от частотного отношения g = f / f₀ , где f – частота динамических нагрузок основания, f₀ – собственная частота колебаний объекта виброизоляции массой m (кг) на упругом элементе с коэффициентом жесткости с (Н/м): (Гц).

Анализируя эти графики, можно сделать следующие выводы:

- при отношении частот g < 1 величина h = 1, т.е. идет либо прямая передача динамических нагрузок основания объекту или некоторое увеличение этих нагрузок вблизи резонансной частоты и применение амортизаторов для данного частотного диапазона бесполезно;

- при величине g = 1 собственная частота f₀ близка к частоте вибровозбуждения f, амплитуды объекта виброизоляции z₀ при небольшом демпфировании резко возрастают по сравнению с амплитудами y₀ основания, при этом значительно увеличиваются динамические нагрузки на объект виброизоляции, т.е. наблюдается явление резонанса;

- вязкое трение на резонансной частоте позволяет снизить резонансные динамические нагрузки, передаваемые на объект виброизоляции. Например, для D = 0,2 коэффициент вибропередачи h = 3,0; для D = 0,5 - h = 1,5; для
D = 1,0 - h = 1,2, здесь величина параметра относительного демпфирования D при вязком трении определяется отношением , где с – сила вязкого трения; k – коэффициент жесткости упругого элемента объекта виброизоляции массой – m;

- виброизоляция объекта наступает при величине отстройки γ > , вязкое трение в этом диапазоне оказывает отрицательное влияние, увеличивая коэффициент вибропередачи по сравнению с нулевой диссипацией и особенно для D > 0,5.

3. Демпфирование поглощением энергии в материале амортизаторов. Величина коэффициента потерь ν (относительного параметра демпфирования) определятся выражением . Здесь ψ - коэффициент поглощения, определяемый опытным путем при статических испытаниях амортизаторов из петли гистерезиса, как отношение рассеянной энергии в материале амортизатора к энергии его деформации. В этом случае при различных величинах ν коэффициенты передачи динамических нагрузок h зарезонансного диапазона частот (g> ) мало отличаются друг от дуга, приближаясь к варианту с нулевой диссипацией, т.е. для параметра демпфирования ν ≈ 0.

Сравнивая между собой рассмотренные варианты демпфирования, очевидно, что вариант с поглощением энергии в материале амортизатора явно предпочтительней по сравнению с вязким демпфированием. Например, для вариантов почти одинаковых резонансных пиков, рис.6.1: у вязкого демпфирования величина h = 2,7 при D= 0,2; у демпфирования поглощением энергии в материале амортизатора величина h = 2,3 при ν =0,5. В зарезонансном диапазоне для g = 10 у вязкого демпфирования коэффициент вибропередачи h» 0,045, он в 4

Рис. 6.1. К обоснованию качественных характеристик и структуры амортизаторов для снижения динамических нагрузок оборудования горной машины

раза больше, чем у варианта с рассеиванием энергии в материале амортизатора, где h = 0,011.

Второй вариант демпфирования поглощением энергии в материале амортизатора имеет существенное преимущество для условий и особенностей динамических нагрузок на примере карьерного экскаватора, имеющих практически сплошную спектральную плотность мощности, перекрывающую диапазон максимальной энергии колебаний от 0,2 до 140-160 Гц. При таком низкочастотном и широкополосном возбуждении отстройка собственной частоты системы снижения динамических нагрузок в область низких частот практически невозможна. В этой связи в системах снижения динамических нагрузок, применяемых на экскаваторах, неизбежны резонансные явления, которые и привели к отрицательным результатам во многих случаях при попытках применения пассивных амортизаторов [1].

Несмотря на указанные преимущества, вариант с поглощением энергии в материале амортизаторов имеет сравнительно ограниченные возможности гашения резонансных колебаний. Достаточно прочных однородных изотропных упругодемпфирующих материалов, имеющих коэффициент потерь ν в пределах 0,3-0,5 и, обеспечивающих надежную работу амортизаторов в широком диапазоне окружающих температур, еще не создано. В условиях высоких положительных температур такие упругодемпфирующие элементы “плывут”, у них снижается жесткость и демпфирующая способность, а при низких отрицательных температурах жесткость амортизаторов значительно возрастает, они становятся хрупкими, ломкими и неработоспособными.

4. Демпфирование сухим трением. В этом случае при величине параметра относительного демпфирования h_д = 0,85 коэффициент вибропередачи h = 2,4 на частоте резонанса (g = 1) практически одинаков с вариантом поглощения энергии в материале амортизатора при ν = 0,5. Здесь h_д = F_f / ku_o. Здесь F_f – сила сухого трения; k – коэффициент жесткости упругого элемента объекта виброизоляции; u_o – амплитуда относительного смещения массы объекта виброзащиты и основания-возбудителя вибрации.

В зарезонансном диапазоне частот сухое трение с величиной h_д = 0,85 практически не хуже поглощения энергии в материале амортизатора и, тем более, по сравнению с вязким трением. При этом сухое трение имеет значительные потенциальные возможности эффективного поглощения энергии резонансных колебаний. Так, например, для h_д = 1,2 коэффициент вибропередачи на частоте резонанса становится равным h = 1,2, т.е. таким же, как и у вязкого трения с величиной D= 1,0. В зарезонансном диапазоне и частотной отстройке g = 10 сухое трение обеспечивает коэффициент вибропередачи h = 0,016 по сравнению с вязким трением, у которого h = 0,26. Из приведенных данных видно, что для данной частотной отстройки в зарезонансном диапазоне эффективность виброизоляции при сухом трении более чем в 16 раз выше, чем с вязким трением. Дальнейшее увеличение параметра относительного демпфирования сухим трением h_д > 1,5 приводит к полной ликвидации резонансного пика. При этом в зарезонансном диапазоне сухое трение по-прежнему имеет преимущество по сравнению с вязким трением, для величин D = 0,5 и даже для D = 0,2 при котором значительно хуже гасятся резонансные колебания.

Однако демпферы сухого трения имеют существенные эксплуатационные недостатки: во-первых, износ трущихся поверхностей приводит к нестабильности параметра оросительного демпфирования, во-вторых, сравнительно трудно обеспечить постоянную силу прижима трущихся поверхностей, что усложняет и удорожает конструкцию демпфера сухого трения, в-третьих, на величину силы сухого трения существенное влияние оказывают внешние атмосферные и температурные факторы. Повышение влажности воздуха приводит к снижению силы трения.

5. Комбинированное демпфирование. Как было сказано выше, при создании систем виброизоляции оборудования карьерного экскаватора практически невозможно отстроить собственную частоту системы в область низких частот, поскольку сплошной спектр основной энергии возбуждающих колебаний машины, начинается почти с нуля Гц и доходит до 140-160 Гц. Поэтому для таких систем необходимо применить амортизаторы с высокой демпфирующей способностью собственных резонансных колебаний и максимальной эффективностью виброгашения в зарезонансном диапазоне частот.

Анализ качественных характеристик позволил выбрать рациональное техническое решение и разработать амортизаторов с комбинированным демпфированмем. Предложено [1] применить многослойную анизотропную конструкцию, (рис.6.2). Её особенностью является то, что трение волокон корда (гипотетически сухое) проявляется при больших амплитудах резонансных колебаний объекта виброизоляции, а при малых амплитудах зарезонансного диапазона диссипация энергии колебаний происходит за счет внутреннего трения резиновых слоев. Вулканизация кордовых прослоек внутри резиновых стабилизирует параметры трения волокон и защищает их от изменения условий внешней среды.

В результате выполненных изысканий и опытно-конструкторских проверок созданы кольцевые резинокордовые амортизаторы КРКВ, сочетающие в себе преимущества демпфирования внутренним трением в упругих слоях амортизатора и демпфирования трением в волокнах корда.

Амортизатор (рис.6.2) имеет плиты 1, 2, между которыми загнут в кольцо слоёный упругодемпфирующий элемент. Внутренние 3 и наружные 4 резиновые слои амортизатора выполняются различной толщины. Внутренние слои толще наружных, поэтому тканевые кордовые прослойки 5, включающие нити основы ткани 6 и утка 7, располагаются несимметрично, ближе к наружной поверхности амортизатора.

После сборки и загиба в кольцо слоёной полосы-заготовки стяжками 8 между плитами 1,2 кордовые прослойки 5 оказываются в предварительно напряженном состоянии за счет сил реакции на сжатие толстых внутренних резиновых слоев. Поскольку модуль упругости корда при растяжении на несколько порядков выше модуля упругости резины, то внутренние слои резины, сжимаемые при изгибе, оказываются как бы заключенными в жесткую недеформируемую оболочку. Предварительное натяжение кордовых прослоек увеличивает несущую способность виброизолятора, наподобие ангаров с напряженной пневматической оболочкой.

Трение между волокнами нитей кордовых слоев улучшает поглощение энергии резонансных колебаний. При этом сухое трение в кордовых слоях проявляется только при больших амплитудах резонансных колебаний. А при малых амплитудах зарезонансных колебаний проявляется только поглощение энергии в резиновых слоях виброизолятора.

Рис. 6.2. Структурная схема кольцевого резинокордового амортизатора КРКВ: 1, 2 – основания; 3 – резинокордовое кольцо; 4 – слои упругого материала (резины); 5 – слои тканого материала (корда); 6 – нити основы ткани; 7 – связующие нити утка ткани; 8 – стяжки; 9 – крепежные планки; 10 – нейтральный слой

Таким образом, основными выводами данного раздела является:

• анизотропные резинокордовые амортизаторы КРКВ кольцевой формы с комбинированным демпфированием (сухим трением в волокнах кордовых прослоек и рассеянием энергии в упругих слоях амортизатора) обеспечивают селективное демпфирование колебаний объекта защищаемого от динамических нагрузок;

• селективное демпфирование на частоте собственных колебаний подвески максимально снижает амплитуды резонанса за счет высокого сухого трения в кордовых прослойках;

• при этом анизотропные резинокордовые амортизаторы КРКВ создают минимальную диссипацию в зарезонансном диапазоне частот и эффективно снижают динамические нагрузки, приближаясь к системам с нулевыми потерями за счет внутреннего трения в резиновых прослойках амортизатора.

Такие амортизаторы создают предпосылку эффективного их применения для гашения специфической вибрации горных машин, когда резонанс на частоте собственных колебаний упругой подвески объекта неизбежен, а в зарезонансном диапазоне требуется высокая виброизоляция этого объекта.

Докажем данную предпосылку результатами теоретических и экспериментальных исследований.