СПОСОБ ВИБРОЗАЩИТЫ МАШИН
METHOD OF MACHINE VIBROPROTECTION

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
X
Z
где Ж и Ж - 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.
X
Z
Если упругий элемент расположен под углом φ=90° к раме машины, то он работает только на сдвиг; при этом Ж=1 [3, с.32]. При расположении упругого элемента под углом φ=0° к раме машины он работает только на сжатие; при этом значение Ж 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].
a
Z
Для призматического упругого элемента с размерами а=100 мм и h=68 мм α=/h=100/68=1,47 и по формуле (3) Ж=6.
2
2
2
Пусть площадь поперечного сечения этого упругого элемента S=а=0,1=0,01 м, 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.
-2
-2
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 (м/с). На транспортном режиме виброскорость - не более значения v=1,10*10 (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]
S
-1
где A - максимальное значение амплитуды перемещения (Р); ω - угловая частота колебаний основания, с; 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].
S
Принимаем для примера A=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, 10<sup>3</sup>, 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.