Динамика виброзащищенного сооружения

МАШИНОС1РОЕНИС И МАШИНОВЕДЕНИЕ

Чш

Теория механизмов и машин

УДК 62-567.5 г. С. АВЕРЬЯНОВ

Р. Н. ХАМИТОВ А. В. ЗУБАРЕВ

Омский государственный технический университет

ФГУП НПП «Прогресс» г. Омск

ДИНАМИКА ВИБРОЗАЩИЩЕННОГО СООРУЖЕНИЯ

В работе описан новый подход к улучшению демпфирующих свойств пневматических амортизаторов за счет введения активного управления процессами перетекания газа между объемами пневматического амортизатора. При исследовании динамики сооружения с системой амортизации при сейсмическом воздействии определено, что устройство обеспечивает перемещения амортизируемого объекта меньше допустимых.

Использование пневматических амортизаторов (ПА) с резинокордными оболочками (РКО) как в системах подрессоривания транспортных средств, так и в системах амортизации (СА) сооружений (рис.1) стимулировало создание нового способа демпфирования колебании амортизируемых объектов (АО), основанного на управлении характеристикой восстанавливающей силы пневмоэлемента. В ПА состояние упругого тела в процессе колебаний непрерывно изменяется и определяет силу упругости амортизатора в любой момент времени.

Если в ПА включить дополнительный объем, то в процессе сжатия некоторая часть газа из рабочего объема будет свободно перемещаться в дополнительный объем, то есть весовые количества газа, находящиеся в различных объемах ПА, постоянно меняются. Происходит внутренний массообмен при постоянном весе термодинамического тела системы. Наличие последнего создает условия, позволяющие регу-

лировать режимы перетекания сжатого газа между полостями рабочего и дополнительного объемов и тем самым изменять силу упругости амортизатора в процессе колебаний АО.

Для этой цели между несущей полостью переменного объема (рабочий объем) и вспомогательной полостью постоятюгообъема (дополнительный объем) устанавливаются клапанные устройства. Э го устройства представляет собой либо дроссель — калиброванное отверстие в перегородке между объемами, либо дроссель и клапан, установленный со стороны дополнительного объема, перекрывающей на ходе отбоя отверстия большого диаметра, либо клапаны разнообразных конструкций, включая электромагни тные, работающие потому или иному алгоритму. Их роль состоит в создании перепада давления между объемами ПА, а процессы, происходящие при перетекании и смешивание газов в полостях, обеспечивают диссипацию энергии колебаний АО.

50

Рис. (.Защитноесооружение

>

Рис. 2. Виброзащитиое устройство

Одним из путей улучшения демпфирующих свойств ПА является введение активного управления процессами перетекания газа между объемами, что является одной из основных задач настоящего исследования.

Управляемые пневматические виброзащитные устройства (ПВУ), как показали предварительные исследования (2|, могут наиболее полно удовлетворять требованиям СА, так как они обеспечивают ре!у-лирование упругодемпфирующих характеристик, хорошую виброзащиту, благодаря чему нет необходимости выполнения отдельных демпфирующих устройств. На рис. 2 приведено ПВУ, включающее паке т пневматических упругих элементов с активным управлением упругодемпфирующими характеристиками, которое может быть использовано в СА ядер-ных реакторов АЭС, а также для активной сейсмозащиты зданий и сооружений.

Платформа АО (рис.1) устанавливается на четырех ПВУ, точки опоры которых выбираются таким образом, чтобы обеспечить наибольшую разгрузку металлоконструкции объекта и наименьший угол перекоса сооружения. Следует отметить, что установленные ПВУ обеспечивают не только вертикальную, но и горизонтальную амортизацию сооружений. Причем ПА, установленные под углом 45°к центральным ПА, еще и решают задачи по повышению грузоподъемности виброзащитного устройства, стабильности положения АО от горизонтальных возмущающих сил и гарантированного возврата АО в исходное положение.

В каждом Г1А виброзащитного устройства, в перегородках между рабочими и дополнительными объемами, установлены управляемые импульсные электродинамические клапаны. Конструкция такого клапана, приведена на рис. 3. Импульсный электроклапан включает направляющий цилиндр 1, перемещающийся в нем возвратно-поступательно запорный клапан 2 с магнитопроводами 3 и 4 и крышку 5. В верхней части внутри цилиндра и в крышке клапанного устройства установлены электромагниты импульсного включения 6 и 7. Со стороны рабочего объема ПА в горце направляющего цилиндра и со стороны дополнительного обьема на крышке клапанного устройства смонтированы эластичные обратные клапаны 8 и 9. В конструкции клапана использован электродинамический принцип преобразования энергии. Необходимый алгоритм срабатывания импульсного электро-клапана обеспечивается системой управления.

Исследование динамики защитного сооружения при внешнем воздействии основывается на совместном решении системы нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих как изменение параметров движения объекта, так и ход газотермодинамических процессов[3], протекающих в объемах каждого пневмоэлемента ПВУ (2].

За основу выбрано виброзащитное устройство (рис. 2) с начальными параметрами: Рр, и Рр2 = = 2,0 Мн/м2; Бэ, = 0,3 м2 -4=1,2 м2; 50.2 = 0,15 м2 -8 = = 2,4 м2; Уд, = 1.88 м3; Уд2 = 3,68 м3; V,., о = 0.47м3 • 4 = = 1.88 м3; ЧПо = 0,23 мл • 16 = 3.68 м3.

Рассматриваются только вертикальные колебания АО.

Первый режим. Объект движется вниз от статического положения. Происходит процесс сжатия газа в рабочих объемах всех упругих элементов, при этом управляемые клапаны закрыты.

Система дифференциальных уравнений, описывающая данный режим работы ПА, будет иметь вид:

5^

с11

кР^эЛ V, ; <п

Рис. 3. Клапанное устройство

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ МСТНИК н. 2 (И, 2007 _МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНО»ЕДИ1И|

Третий режим. Амортизатор разжимается, клапан закрыт і0 >0, Рр< Рд.

Система дифференциальных уравнений, описывающая этот режим работы ПА, будет иметь вид:

ДР,, _ ^Р|И^э,2„ с1Рр2 _ кР^Бэ^

<1( V, ’ сії У2 ;

М г = (Р, - Р4 )В.„ + (Р2 - Р „)5э1сог»а - Мд - К^фч^) >

где V, = У1Мо± 501'Хо - текущий суммарный рабочий объем центральных ПА;

V., = У|„()5.н ,го — текущий суммарный объем боковых ПА;

Ур„, — суммарный рабочий объем центральных ПА в статическом положении АО; .. .

УПи - суммарный рабочий объем боковых ПА в ста- Мг = 1Р' “ Р-Рэ| + <рэ “РЛ)Бэ.2соях - Мд - Яг:

тическом положении АО;

Б.,, — суммарная эффективная площадь центральных ПА;

Ъа — относительное перемещение АО;

Мд — вес амортизированного объекта;

Эуг- суммарная эффективная площадь боковых ПА;

Рр, и Рр2- текущие давления в рабочих объемах ПА;

Уд1 - суммарный дополнительный объем центральных ПА;

Уд2 - суммарный дополнительный объем боковых ПА.

Четвертый режим. Происходит процесс выравнивания давления в объемах ПА, при этом Рл> Рр, £„ = 0, клапан открыт, истечение газа происходит из Улв Ур Система дифференциальных уравнений, описывающая этот режим работы ПА, будет иметь вид:

<*Р>ч= кРАг,, кР,

СІІ Урю+Бэ,^ т

тт \>к"

2к Рр,тр,

1 У,

к-1

р й Гл1

-I

Второй режим. Происходит процесс выравнивания давлення в объемах ПА, при этом = 0, Рр> Рд, клапан открыт, истечение газа происходит из У,, и Уд-Система дифференциальных уравнений, описывающая этот режим работы ПА, будет иметь вид:

СІР,

кРр.Б.,, */.,» кРг.

<И

2кд Рл,тл,

т„

к-1 V.

сЦ

*5*

т..

2кд.РЛ.

к-1 У.

-1

____кРГ^Л^ -кР^ц I

(11 *

т„2

к-1

2кд РАгтр,т Ш' '

к-> V,,

<31 т.

к-і

2кд Рд2тд2 Ш' -

к-1 УА2

М г -

ар,, кРА

1ГВ~^Г

к-і

I 2к Рр,т|м N‘-1

к-1 V,

1

<іі

Ур»'*‘^:ихо 01 і

г- к-і

I 2к РР2т1>2 й‘-

>" і

—*1 = _ —РЫ м Г | 2к РР2т1>^

(11 т..

и

-1

'к-1 Уг

М г - (Рр, - Р, )б;„ + (РР2 - Рл)Бэ2соях - Мд - К^фдп Т\

Расчет пара_м_етр<?в_движения ДО с опорной ,СА при сейсмическом воздействии. Целью дальнейших исследований является проверка эффективности работы виброзащитного устройства с активным управлением упругодемпфирующими характеристиками при сейсмическом воздействии. Расчетная схема динамики АО представлена на рис. 4.

Решения систем уравнений проводились методом Рунге— Кута. По результатам расчета построены графики абсолютных ускорений АО и основания защитного сооружения (рис. 5а), графики относительного перемещения АО и абсолютного перемещения защитного сооружения (рис. 56).

Рис. 4. Расчетная схема динамики АО I - датчики перемещения и скорости; 2 - пневматический амортизатор;

3 - управляемый клапан; 4 - дополнительный объем; 5 — датчики давления

Z. Z tv}

Рис. 5. Абсолютные ускорения АО и сооружения

Кроме того, прооодись расчеты параметров движения ЛО для ПА без демпфирующих устройств и с гидродемпфером. в последнем случае выбран гидро-демпфер с ограничением по усилию, рабочая характеристика которого описывается уравнением:

| n 7.<,sign при | &о | £ 1, 44 м/с;

Рл = 13500 sign z„. при | га \ > 1, 44 м/с.

Такая зависимость рабочей характеристики гидравлического демпфера, применяемого в СА, обеспечивает коэффициент поглощения энергии за период колебания АО nw = 0,7 *0,8. Кривая А - характеризует работу ПВУ с активным управлением упругодемп-фирующими характеристиками. Кривая Г — характеризует работу ПВУ с гидравлическим демпфером.

Анализируя результаты расчетов, необходимо отметить, что разработанное ПВУ с активным управлением упругодемпфирующими характеристиками обеспечивают относительные перемещения АО меньше допустимых (Z„ - ±0.35м ), при этом абсолютные ускорения также не превышают 1,5 д.

Библиографический список

I. Справочник но динамике сооружений. Под редакцией В.Г. Коренена и И.М. Рабиновича. М.: Стройиздат, 1972. — 511 с.

2. Аверьянов Г.С. Активные пневматические виброзащит-ные системы // Ракетно-космическая техника: фундаментальные проблемы механики и теплообмена / Межд. науч. конф.: Тез. докл. - М.: МГТУ нм. Баумана — 1998. — с. 62.

3. Аверьянов Г.С. Исследование процессов и путей повышения эффективности воздушного демпфирования в пневматических амортизаторах виброзащитных систем. - Омск. Омский гос.тех.ун-т, 1999. - 115с. - Доп. в ВИНИТИ 17.06.99, N0 1957 -В99.

АВЕРЬЯНОВ Геннадий Сергеевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Авиа-и ракетостроение» Омского государственного технического университета (ОмГТУ).

ХАМИТОВ Рустам Нуриманович, кандидаттехничес-ких наук, доцент кафедры «Теоретическая и общая электротехника» ОмГТУ.

ЗУБАРЕВ Александр Викторович, генеральный директор ФГУП НПП «Прогресс», г. Омск.

Статья поступила в редакцию 25.06.07 г.

© Г. С. Аверьянов, Р. 11. Хамитов, Л. В. Зубарев

Книжная полка

Максименко, А. Е.

Автоматизация кузнечно-штамповочного производства: учеб. пособие / А. Е. Максименко, Н. Е. Проскуряков; ред.: В. А. Демин. - М.: РИЦ МГИУ, 2006. - 192 с. - ISBN 978-5-276-00935-3.

Изложена последовательность проектирования цикловых механизмов загрузки рабочей зоны технологических машин — шиберных, валковых, револьверных питателей, пневматических приводов подач, роботизированных технологических комплексов и гибких производственных модулей штамповки. Представлены образцы оформления расчета при проектировании средств автоматизации. Приведены расчеты экономической эффективности, технико-экономические показатели проектируемых средств автоматизации.

Для курса «Автоматизация, роботизация и гибкие производственные системы кузнечно-штамповочного производства».

Рекомендовано УМО по образованию в области машиностроения и приборостроения.

Аверьянов, О. И.

Основы инжиниринга в машиностроении: учеб. пособие / О. И. Аверьянов, О. И. Аверьянова. - М.: МГИУ, 2006. - 64 с. - ISBN 5-276-00791-8.

Учебное пособие подготовлено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Технология машиностроения».

Содержание материалов и его изложение предназначено для самостоятельного изучения данного курса.

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК Ні 2 £W) 2007 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОІЕДЕНИЕ