Защита технических систем от динамических воздействий

УДК 531.3:681.2.08

ЗАЩИТА ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ОТ ДИНАМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

О. Ш. Хади, А. Н. Литвинов

PROTECTION OF TECHNICAL SYSTEM FROM DYNAMIC INFLUENCES

A. S. Hadi, A. N. Litvinov

Аннотация. Представлен обзор существующих методов и средств защиты технических систем от внешних динамических воздействий. Дана классификация виброзащитных систем и методов, а также кратко описаны основные методы виброизоляции. Основное внимание уделено моделям виброизоляторов, методам динамического гашения колебаний и моделям внутренней виброзащиты.

Ключевые слова: техническая система, виброизоляция, методы, модели, виброизоляторы, виброгаситель, слоистые покрытия.

Abstract. An overview of existing methods and means of protection technical systems from external dynamic influences is presented. Classification of vibroinsulation systems and methods, the short description of the basic methods of vibroinsulation are given. The basic attention is given to models of vibroinsulators, to methods of dynamic absorbing of vibration and models of interior vibroprotection.

Key words: technical system, vibroinsulation, methods, models, vibroinsulator, vi-broextinguisher, layered coatings.

Введение

Современные приборы и их элементы подвержены динамическим воздействиям в широком частотном диапазоне внешних вибраций.

В большинстве случаев не удается спроектировать безрезонансные конструкции приборов, что вынуждает прибегать к различным способам защиты технических систем от динамических воздействий [1].

Рассмотрим существующие современные способы защиты технических систем различного назначения от внешних динамических воздействий.

1. Классификация методов виброзащиты технических систем

Вопросы теории, проектирования, экспериментальных исследований, оптимизации и применения различных виброзащитных систем рассмотрены в монографиях [2-4]. Эффективным средством снижения уровня вибрации являются вибродемпфирующие покрытия, в общем случае состоящие из нескольких слоев, выполненных из материалов с развитыми диссипативными характеристиками. Примеры практического применения вибродемпфирую-щих покрытий можно найти в работах [5, 6]. Таким образом, вибродемпфирующие покрытия также можно отнести к виброзащитной системе.

Обобщая известные способы виброзащиты, остановимся более подробно на методах защиты технических объектов различного назначения от вибраций. Основные методы виброзащиты представлены на рис. 1.

Рис. 1. Классификация виброзащитных систем и методов

2. Модели и средства виброизоляции

2.1. Назначение и типы виброизоляторов

Метод виброизоляции заключается в установке между объектом защиты и источником колебаний дополнительной системы, защищающей объект от механических воздействий. Устройства, устанавливаемые между источником и объектом, называются виброизоляторами. Под термином «виброизоляция» понимается способность препятствовать передаче колебаний от источника на защищаемый от вибрации объект или его часть.

Необходимо отметить, что ослабление связей обычно сопровождается возникновением некоторых нежелательных явлений в системе, а именно увеличением статических смещений объекта относительно источника, амплитуды относительных колебаний объекта при воздействии низкочастотной вибрации и ударов, веса и габаритов системы за счет применения виброизоляторов. В связи с этим применение виброизоляции как метода виброзащиты зачастую связано с нахождением компромиссного решения, удовлетворяющего всей совокупности требований, предъявляемых к основному объекту. Чаще всего виброизоляция применяется не к элементам объекта, а к объекту в целом или к его составным частям или блокам (радиоэлектронная аппаратура и ее отдельные блоки, приборы специального назначения и блоки, механизмы различного назначения и их составные части).

В зависимости от используемого в них упругого элемента применяемые виброизоляторы подразделяются на типы, указанные на рис. 1: резино-металлические, пневматические, магнитожидкостные, металлические.

Металлические виброизоляторы имеют несколько неоспоримых преимуществ перед другими типами амортизирующих конструкций: их характеристики практически не зависят от температурных режимов эксплуатации; они пожаробезопасны; инертны к агрессивным средам; они способны работать в зонах повышенной и жесткой радиации. Такая нечувствительность к агрессивным средам и условиям эксплуатации позволяет до минимума сократить трудозатраты на их техническое обслуживание при длительном сроке эксплуатации в сложных условиях. Это определяет их широкое применение для защиты различных объектов в судостроении, в авиационной, ракетной, автомобильной и другой технике [1, 7, 8].

Наиболее распространены следующие типы металлических виброизоляторов:

- виброизоляторы пружинного типа (АКПО); пакетные и пластинчатые виброизоляторы;

- виброизоляторы с упругими металловолоконными и сетчатыми элементами, обеспечивающие собственные частоты в осевом направлении от 3 до 25 Гц; они работоспособны в диапазоне температур от -50 до +200 °С, коррозионно-стойки при относительной влажности воздуха 95-100 % и температуре до 40 °С;

- тросовые виброизоляторы различного конструктивного исполнения: Г-образные (АТГ); петлевого типа; тросовые цилиндрические; спирально-тросовые; дисковые (СТВД); рядные (СТВР); сборные (СТВС).

Среди тросовых виброизоляторов перспективными являются спиральные виброизоляторы, так как они рассчитаны на широкий диапазон статических нагрузок (от 1 до 50 000 Н) при высокой динамической податливости, обеспечивающей низкие собственные частоты.

Наиболее сложной проблемой, с которой сталкиваются создатели спиральных тросовых виброизоляторов (ВЦК), является создание стабильных во времени характеристик виброизолятора. Ее решение состоит в обеспечении высокой технологичности и стабильного качества при изготовлении троса, основных элементов виброизолятора и при его сборке [9].

Эффективность практического применения ВЦК подтверждена их испытаниями по обеспечению виброударозащиты пульта управления, монитора и электронных модулей приборов системы управления в процессе их работы на подвижном объекте при сложном спектре механических воздействий [10]. С целью увеличения демпфирующей способности тросовых виброизоляторов предложена усовершенствованная конструкция ВЦК [11].

2.2. Методы динамического гашения колебаний

Метод динамического гашения колебаний состоит в том, что к объекту присоединяется одна или несколько дополнительных механических систем, изменяющих характер его колебаний. Такая система называется динамическим виброгасителем. Его работа основана на формировании силовых воздействий, передаваемых на объект. Изменение состояния объекта при присоединении к нему виброгасителей может осуществляться путем перераспределения колебательной энергии как от объекта к виброгасителям, так и в направлении увеличения диссипации энергии колебаний в системе в целом. Такие виброгасители

применяются чаще всего для подавления моногармонических или узкополосных колебаний в резонансных зонах основного объекта [1].

При действии вибрационных нагрузок более широкого частотного спектра предпочтителен второй способ, основанный на повышении диссипа-тивных свойств системы путем присоединения к объекту дополнительных специально демпфируемых элементов динамических виброгасителей дисси-пативного типа, которые получили название поглотителей колебаний или динамических гасителей колебаний (ДГК) различного типа. В последнее время весьма перспективным стало применение виброгасителей, состоящих из дискретных сред, которые помещаются в отдельный контейнер или засыпаются непосредственно в виброзащищаемый блок [1]. Существенным достоинством этого способа является то, что блоки аппаратуры в этом случае являются ремонтопригодными.

2.3. Модели внутренней виброзащиты

Методы внутренней виброзащиты заключаются в изменении конструкции объекта, при котором действующие механические воздействия будут вызывать менее интенсивные колебания объекта или его отдельных частей и элементов. Можно указать два способа снижения уровня колебаний, общих для всех технических устройств.

Первый способ состоит в устранении резонансных явлений за счет соответствующего изменения собственных частот системы в сторону их уменьшения или увеличения для вывода конструкции или ее элементов из резонансных зон. К сожалению, конструктивно это не всегда удается выполнить. Тем не менее в некоторых случаях, например в контактных системах приборов, за счет конструктивных решений удается существенным образом управлять величиной собственных частот для обеспечения динамической устойчивости системы [1].

Второй способ заключается в увеличении диссипации механической энергии в конструкции за счет применения материалов с повышенными дис-сипативными свойствами или введения в конструкцию демпфирующих устройств различного типа, например конструкций, состоящих из нескольких слоев, часть из которых обладает повышенными диссипативными свойствами. Это достигается за счет применения вибропоглощающих сплавов, вибро-поглощающих полимерных композиционных материалов, дискретных рабочих сред, слоистых вибродемпфирующих покрытий.

Эффективным средством снижения вибрации и шума являются вибро-демпфирующие покрытия, выполненные из материалов с высокими показателями внутреннего рассеяния [1]. На рис. 2 приведены результаты испытаний, иллюстрирующие эффективность применения покрытий для демпфирования изгибных колебаний несущей панели электронной системы. Сплошная линия соответствует коэффициенту динамичности в панели без покрытия, штриховая линия - панели с покрытием.

В связи с широким практическим применением вибродемпфирующих покрытий актуальной проблемой является разработка методов их расчета.

Покрытия конструктивно могут выполняться однослойными и многослойными.

Рис. 2. Коэффициент динамичности

Первые методы расчета однослойных вибродемпфирующих покрытий дали в своих работах Ленард [12] и Оберст [13], которые исследовали демпфирование прямых стержней однородными слоями вязкоупругих материалов. Расчет сводится к тому, что покрытие рассматривается как часть составной балки, деформации которой подчиняются гипотезе плоских сечений. Материал покрытия характеризуется комплексным динамическим модулем. Считается, что рассеяние энергии происходит только в вязкоупругом слое, а эффективность покрытия характеризуется нормализованной мнимой частью комплексной изгибной жесткости составной балки.

Высокая эффективность покрытий типа «сэндвич» привела к созданию весьма перспективных вибродемпфирующих лент, которые могут изготавливаться в удобном для практического применения виде, обеспечивать эффективное демпфирование при незначительном увеличении веса конструкции, а в специальных случаях могут сочетать в себе вибродемпфирующие, теплоизоляционные и другие свойства. Дальнейшее развитие теории расчета покрытий типа «сэндвич» представлено в работе [1] для несущих конструкций типа балок, пластин оболочек и панелей различной геометрии.

Заключение

Проведенный анализ существующих методов и средств виброзащиты технических систем показал, что все методы являются весьма эффективными, имеют практическую направленность и требуют дальнейших теоретических разработок для математического моделирования динамических процессов на стадии проектирования технических систем различного назначения, работающих в условиях виброударного нагружения.

Список литературы

1. Литвинов, А. Н. Моделирование динамических процессов в изделиях приборостроения / А. Н. Литвинов. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. - 198 с.

2. Виброзащита радиоэлектронной аппаратуры полимерными компаундами / под ред. Ю. В. Зеленева. - М. : Радио и связь, 1984. - 129 с.

3. Ионов, А. В. Средства снижения вибрации и шума на судах / А. В. Ионов. -СПб. : ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова, 2000. - 348 с.

4. Фролов, К. В. Прикладная теория виброзащитных систем / К. В. Фролов, Ф. А. Фурман. - М. : Машиностроение, 1980. - 276 с.

5. Уголев, А. А. Использование вязкоупругого демпфирования в конструкциях оборудования летательных аппаратов: обзор опыта США / А. А. Уголев // Вибрационная техника. - М. : Наука, 1969. - Вып. 2. - С. 56-60.

6. Poizat. Amortissment viscoeiastigue / Poizat, Vialatoux, Vedreune, Cochery // АегопаШ: et astronaut. - 1976. - № 58. - Р. 63-78.

7. Ильинский, В. С. Защита РЭА и прецизионного оборудования от динамических воздействий / В. С. Ильинский. - М. : Радио и связь, 1982. - 206 с.

8. Пат. 2301924 РФ Виброизолятор / Минасян М. А., Минасян А. М. - Опубл. 27.06.2007, Бюл. № 18.

9. Литвинов, М. А. Разработка виброизоляторов для обеспечения вибро- и удароза-щиты аппаратуры, установленной на подвижных объектах в широком диапазоне внешних механических воздействий / М. А. Литвинов, А. Н. Литвинов // Современные проблемы машиноведения и высоких технологий : тр. Междунар. науч. конф. : в 2 т. - Ростов н/Д : Изд-во Донск. гос. ун-та, 2005. - Т. 1. - С. 46-50.

10. Исследование ударопрочности конструкций пульта управления / М. А. Литвинов, А. И Москалев, В. В. Сухов [и др.] // Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации : тр. XIII Междунар. науч.-техн. семинара. - М. : Изд-во МГУ, 2004. - С. 199-201.

11. Пат. 39926 РФ, U1 7F16F7/14. Витой спиральный виброизолятор из стального каната / Ахрамович И. Л., Кудрявцев О. М., Литвинов М. А., Остроухов М. А., Сухов В. В. - Опубл. 20.08.2004, Бюл. № 23.

12. Lienard, Р. Etude dune inethode de mesure du frottement interieur de revetements plasticues travaillant an flexion / Р. Lienard // Rech. Aeronaut. - 1951. - V. 20. -Р. 11-22.

13. Oberst, Н. Über die Dämpfung der Biegeschwingungen dünner Вк^ durch festhaftende Deläge / Н. Oberst // Acustica. - 1952. - Heft 4. - Р. 181-194.

Хади Одей Шакер аспирант,

Пензенский государственный университет; ассистент,

Технологический университет, г. Багдад

E-mail: fzo@pnzgu.ru

Литвинов Александр Николаевич

доктор технических наук, профессор, кафедра теоретической и прикладной механики, Пензенский государственный университет E-mail: Lma-79@mail.ru

Hadi Odej Shaker graduate student, Penza State University; assistant,

University of Technology, Baghdad

Litvinov Alexander Nikolaevich doctor of engineering sciences, professor, sub-department of theoretical and applied mechanics, Penza State University

УДК 531.3:681.2.08 Хади, О. Ш.

Защита технических систем от динамических воздействий / О. Ш. Хади, А. Н. Литвинов // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. -2013. - № 4 (8). - С. 201-206.