СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК МНОГОСЛОЙНЫХ АМОРТИЗАТОРОВ ПРИ ВИБРАЦИОННОМ ВОЗДЕЙСТВИИ
METHOD TO DETERMINE PROPERTIES OF MULTI-LAYER DAMPERS AT VIBRATION EFFECTS

Изобретение относится к области испытаний амортизаторов и может быть использовано при проектировании вибрационной защиты различных технических систем и устройств. Широкое использование в последнее время различных материалов и конструктивных решений при создании устройств защиты от вибрационных воздействий требует получения характеристик амортизатора, позволяющих оценивать эффективность его работы.
В настоящее время известны различные способы определения характеристик амортизаторов. Например, испытания, проводимые по авторским свидетельствам СССР SU 1026032 A, SU 624135, SU 911170 А и другие, которые заключаются в возбуждении колебаний в исследуемом устройстве, регистрации колебаний в различных частотных диапазонах параметров и вычислении по ним характеристик демпфирования.
Определение коэффициентов поглощения по анализу петли гистерезиса изложено, например в книге: И.М.Бабаков «Теория колебаний, стр.153-154, М.: Наука, 1968.
Наиболее близким к заявляемому решению является «Способ определения характеристик амортизаторов при вибрационном воздействии», патент РФ №2323426.
Способ определения характеристик амортизаторов при вибрационном воздействии, заключающийся в проведении вибрационных испытаний амортизаторов по методу изменяющейся частоты и вибрацией на фиксированных частотах в несколько этапов, при этом амплитуды ускорений на каждом этапе изменяют от минимальных значений, воспроизводимых испытательным оборудованием, до эксплуатационных уровней, а сами испытания проводят на всех этапах с заменой одного из демпфирующих элементов вкладышами одного конструктивного исполнения и плотности с демпфирующими элементами, получают статические и динамические петли гистерезиса, сравнивают полученные характеристики.
Недостатком способа является неполный анализ механизма работы амортизатора.
Это особенно актуально при разработке конечно-элементных моделей (КЭМ) различных систем с многослойными амортизаторами, т.к. использование современных пакетов компьютерного моделирования требует создания корректных математических моделей во всем амплитудно-частотном диапазоне работы амортизатора. Рассмотренный выше способ не позволяет учесть одновременное влияние нескольких слоев амортизации, что вызывает трудности при построении КЭМ амортизаторов.
Целью данного технического решения является устранение указанных выше недостатков, что позволит более качественно исследовать работу амортизаторов при вибрационном воздействии и строить более корректные модели для численного моделирования.
Предлагаемый способ отличается от известных решений тем, что проводят дополнительные этапы испытаний, при которых демпфирующие элементы последовательно заменяют вкладышами, поэтапно увеличивая количество заменяемых демпфирующих элементов, и по данным по всем испытаниям анализируют амплитудно-частотные характеристики амортизаторов с демпфирующими элементами и вкладышами, а также частоты колебаний, на которых петли гистерезиса амортизатора с вкладышами совпадают с динамической петлей гистерезиса амортизатора с демпфирующими элементами, устанавливают амплитудно-частотный диапазон эффективной работы амортизаторов.
Суть заявляемого изобретения может быть пояснена следующим образом.
У большинства многоуровневых амортизаторов с высоконелинейными демпфирующими элементами, имеющими гистерезисное демпфирование, с увеличением частоты воздействия петля гистерезиса сужается и, начиная с некоторого значения частоты, практически вырождается в кривую линию. При этом меняется физика работы амортизатора: он перестает рассеивать энергию внешнего воздействия. Такая информация о работе амортизатора является необходимой как для выбора амортизатора при создании виброзащиты оборудования, так и для конечно-элементного моделирования работы амортизаторов в различных системах. Кроме того, набор из нелинейных демпфирующих элементов для многоуровневых амортизаторов обладает также эффектом нелинейности при определении суммарного демпфирования. Например, при использовании в составе амортизатора демпфирующих элементов различного типа (разной плотности, размеров и т.д.) одни из демпфирующих элементов могут уже перестать рассеивать энергию внешнего воздействия, а другие еще будут работать. Поэтому становится необходимым проведение испытаний, при которых демпфирующие элементы последовательно заменяют вкладышами, поэтапно увеличивая количество заменяемых демпфирующих элементов.
Причем простейшие модели демпфирования не дают необходимой точности при численном моделировании вибрационного и ударного нагружения (разделение внешних воздействий на ударные и вибрационные достаточно условно при необходимости защиты оборудования, т.к. ударное воздействие, как правило, вызывает возникновение вторичной вибрации).
Демпфирующие свойства амортизатора складываются из нескольких составляющих: как минимум, конструкционное демпфирование и рассеяние энергии в каждом из демпфирующих элементах, а также особенность нелинейного взаимодействия набора демпфирующих элементов. При общепринятых подходах разделить эти составляющие не представляется возможным, так как оценивается только общее изменение амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) до и после амортизатора. Предлагаемая же методика позволяет выполнить такую процедуру.
В начале проводят испытания в соответствии с технологией, изложенной в патенте РФ №2323426. Дополнительно проводят испытания, поэтапно увеличивая количество заменяемых демпфирующих элементов,
До начала проведения вибрационных испытаний получают статическую петлю гистерезиса, которая показывает максимально возможное рассеяние энергии (внутренняя площадь петли). Затем амортизатор нагружают гармонической вибрацией изменяющейся частоты, что позволяет при сравнении АЧХ (амплитудных спектров Фурье) до и после амортизатора получить его резонансные частоты, а изменения амплитуды воздействия позволяют, сравнивая АЧХ с разными уровнями воздействий, оценивать смещение пиков амплитуд по частоте. Затем проводятся испытания на фиксированных частотах с изменением амплитуды воздействий от минимальных значений до значений, соответствующих максимальному уровню нагружения амортизатора. Это позволяет получать динамические петли гистерезиса с разными уровнями воздействий. Количество фиксированных частот, на которых должны проводиться испытания, определяются по анализу АЧХ, полученной по результатам испытаний в диапазоне частот. Процедура их установления относится к "ноу-хау" данного изобретения и в материалах заявки не рассматривается. Можно лишь отметить, что с увеличением частоты и сужением петли гистерезиса относительная плотность частот на октаву увеличивается, а сами испытания прекращаются, когда петли гистерезиса "вырождаются" в кривую.
Полная или частичная замена демпфирующих элементов вкладышами позволяет более точно получать частоту, на которой происходит "вырождение" петли гистерезиса с учетом нелинейного взаимодействия различного количества демпфирующих элементов. Получение статической петли гистерезиса (или кривой деформации) в амортизаторе с вкладышами дает вид предельной кривой, при которой демпфирующие элементы практически не работают. Сравнение всех предельных петель гистерезиса (вырожденных в кривую линию или близкую к ней петлю) и дает необходимую частоту колебаний, а также величину люфта, связанную с инерционными свойствами материала демпфера. Анализ по всем испытаниям амплитудно-частотных характеристик амортизаторов с демпфирующими элементами и вкладышами, а также частоты колебаний, на которых петли гистерезиса амортизатора с вкладышами совпадают с динамической петлей гистерезиса амортизатора с демпфирующими элементами, позволяет установить амплитудно-частотный диапазон эффективной работы амортизаторов и разработать для многослойных амортизаторов более корректные численные модели.
Пример практического исполнения.
Для виброизоляции одного из блоков космического аппарата был применен четырехуровневый амортизатор типа 7Я АЦВ.50.20.000(4), представляющий собой практически два последовательно соединенных амортизатора 7Я АЦВ.50.20.000.
Использование технологии построения КЭМ в виде двух последовательно соединенных моделей амортизатора 7Я АЦВ.50.20.000 (которые были получены ранее) выявило недостатки такого подхода (не удалось получить совпадение расчетных и экспериментальных значений нагружения прибора). Для разработки более точной модели были проведены дополнительные этапы испытаний, при которых использовался рассмотренный выше способ определения характеристик амортизатора.
Дополнительные испытания проводились следующим образом. Для статического и вибрационного нагружения (до 200 Гц) амортизатора использовался силовозбудитель HL-25 фирмы "Шенк". Для испытаний свыше 200 Гц использовался вибростенд фирмы LDS V8-440.
Деформации амортизатора регистрировались внутренними средствами испытательной системы через перемещения штока силовозбудителя. Задание и контроль режима проводился по силе.
Схема экспериментальной установки (см.чертеж) включает в себя оснастку 1 для стыковки амортизатора 2 с вибрационным стендом 3. В состав средств формирования режимов и обработки входят: усилитель-3, генератор 4, магнитофон 5, источник питания 6, усилитель заряда 7, цифровой регистратор 8, графопостроитель 9, PC 10.
Нагружение амортизатора проводилось методом плавного изменения усилия от -8 кН до +8 кН (за положительное принималось сжимающее усилие), а сам диапазон усилий разбивался на 10 подуровней с выдержкой 20-25 с на каждом из них для регистрации смещения.
Статическая петля гистерезиса снималась перед вибрационными испытаниями и после них. Затем в диапазоне частот до 500 Гц по октавам проводилось вибрационное нагружение амортизатора приблизительно с теми же уровнями, что и при статическом нагружении. После чего вибрационные испытания проводились по методу плавного изменения частоты в диапазоне до 2 кГц (с изменением амплитудных уровней). Контроль и задание режима нагружения как и при статических испытаниях проводился по силе, дополнительно регистрировались помимо усилий и перемещений еще и ускорения. Погрешность задания частоты до 50 Гц составляла 0,5 Гц, а свыше 50 Гц не более 2% от максимального значения частотного диапазона. Нагружение проводилось, начиная с октавы 5-10 Гц (использовались граничные частоты 5 и 10 Гц, а также центральная частота октавы -7.5 Гц). Аналогично и в других октавных диапазонах, кроме последнего, где за фиксированные частоты принимались значения частот 320 Гц и 500 Гц.
По результатам испытаний для использования при конечно-элементном моделировании модель амортизаторами в виде нелинейной пружины с гистерезисным демпфированием в области частот до 500 Гц и в виде нелинейной пружины CSPR1 (пакет DYTRAN) с логарифмическим декрементом колебаний ~0,05 в диапазоне частот выше 500 Гц была уточнена следующим образом:
- в виде нелинейной пружины с гистерезисным демпфированием в области частот до 320 Гц;
- в виде нелинейной пружины CSPR1 с коэффициентом демпфирования VDAMP=0,00002, квадратичной псевдовязкостью BULKQ=3 и линейной псевдовязкостью BULKL=0,7. В диапазоне частот 320-800 Гц;
- в виде нелинейной пружины CSPR1 с коэффициентом демпфирования VDAMP=0,00001, квадратичной псевдовязкостью BULKQ=4 и линейной псевдовязкостью BULKL=1. В диапазоне частот выше 800 Гц.
Из известных авторам источников информации и патентных материалов не известна совокупность признаков, сходных с совокупностью признаков заявленных объектов.