Приложение А (справочное). Элементы системы виброизоляции

Приложение А
(справочное)

Элементы системы виброизоляции

А.1 Общие положения

Цель настоящего приложения - помочь заказчику разобраться в назначении систем виброизоляции. Оно, однако, не содержит полного обзора существующих систем виброизоляции и в связи с этим не может служить руководством по выбору таких систем.

А.2 Пружины

А.2.1 Общие положения

Пружины используют для обеспечения машины упругой опорой, предотвращающей передачу вибрации и ударов. Таким образом, они представляют собой устройства, подвергающиеся предварительной упругой деформации. Идеальных пружин, которые определяли бы только жесткость колебательной системы, в реальности не существует, поскольку каждая пружина обладает определенными массой и демпфированием. Тем не менее для расчетов вибрации в диапазоне частот работы систем виброизоляции, на которые распространяется настоящий стандарт, массой пружины можно пренебречь, а ее демпфирующие свойства в значительной степени зависят от материала пружины.

А.2.2 Пружины из эластомерных материалов

Вследствие упругой деформируемости и малого значения модуля Юнга эластомеры являются подходящим материалом для пружин. Однако пружины из эластомеров обладают большим демпфированием по сравнению с металлическими пружинами.

Характеристики деформации пружины, такие как жесткость и демпфирование, зависят от основного материала эластомера, от внесенных добавок, а также от формы пружины. Влияние оказывают также факторы окружающей среды, напри мер, температура. Эластомер обладает вязкоупругими свойствами, а его ползучесть в большой степени зависит от состава материала.

Обычно статическая и динамическая жесткость эластомерных пружин различаются между собой - динамическая жесткость больше, чем статическая. Для расчета собственных частот системы виброизоляции используют характеристику динамической жесткости. Для пружин из эластомерного материала собственные частоты колебаний в направлении прилагаемой нагрузки находятся в диапазоне от 6 до 20 Гц.

Обычно кривая зависимости деформации от нагрузки для эластомерных пружин нелинейна, но в практических расчетах используют ее идеализацию линейной зависимостью в области рабочей нагрузки.

При оценке несущей способности и срока службы эластомерных пружин следует принимать во внимание следующие факторы:

a) материал с добавками, его жесткость;

b) форму пружины;

c) статическую и динамическую нагрузки;

d) амплитудно-частотные свойства вибрирующей системы.

Гибкость эластомера обеспечивает его удобное соединение с металлически ми и иными частями машины, что объясняет широкое применение эластомерных пружин в разных приложениях.

Эластомерные пружины могут рассматриваться как элементы с сосредоточенными либо распределенными характеристиками. В последнем случае эластомерная конструкция имеет форму пластины (сплошной опоры).

Конструкция применяемой эластомерной пружины зависит от типа нагрузки (силы сжатия, силы сдвига, крутящие и изгибные моменты, их сочетание). Некоторые примеры пружин из эластомерного материала показаны на рисунке А.1.

Рисунок А.1 - Примеры пружин из эластомерных материалов

Для больших распределенных нагрузок чаще используют эластомерные пружины в форме сплошных пластин (плит). Для таких устройств частота собственных колебаний в направлении приложения нагрузки обычно превышает 12 Гц.

А.2.3 Металлические пружины

Металлические пружины малочувствительны к большим изменениям температуры и устойчивы к воздействию большинства органических веществ.

В целях виброизоляции предпочтительно использовать металлические пружины специального назначения, изготовленные из пружинной стали в форме прутка, пластины или струны. Для металлических пружин разность между их статической и динамической жесткостью незначительна. В зависимости от типа и конструкции пружины кривая зависимости деформации от нагрузки может быть линейной, выпуклой вверх или выпуклой вниз. Собственные частоты колебаний таких пружин находятся в диапазоне от 1,5 до 8 Гц. Металлические пружины обладают способностью сохранять высокую потенциальную энергию при больших деформациях. Их характеристики не изменяются со временем.

Примеры металлических пружин различных типов вместе с кривыми зависимости деформации от нагрузки показаны на рисунке А.2.

Для виброизоляции машин чаще всего используют цилиндрические винтовые пружины сжатия. Благодаря линейности их характеристики (кривой "нагрузка - деформация") в широком диапазоне деформаций и возможности выбора требуемой жесткости по любому из направлений движения данный вид пружин хорошо подходит для применения в качестве упругой опоры машин большинства типов.

Отношение жесткостей цилиндрической винтовой пружины в вертикальном и горизонтальном направлении можно варьировать в широком диапазоне значений выбором размеров пружины. На рисунке А.3 показан пример упругой подвески из цилиндрических винтовых пружин сжатия.

Рисунок А.2 - Металлические пружины и их характеристики (кривые "нагрузка - деформация")

Рисунок А.3 - Типичная подвеска из цилиндрических винтовых пружин сжатия

А.2.4 Пневматические пружины

Пневматические пружины представляют собой оболочку с гибкими боковыми стенками, заполненную газом (см. рисунок А.4). При приложении нагрузки деформация боковых стенок вызывает изменение объема оболочки и, соответственно, давления внутри нее. Тот же принцип применим к движению поршня в цилиндре и работе сильфона. Кривые "нагрузка - деформация" пневматических пружин определяются условием равенства приложенной внешней нагрузки произведению разности между внутренним и внешним (обычно атмосферным) давлением на эффективную площадь нагрузки (зависит от используемого газа). Статическая и динамическая жесткости пневматических пружин могут различаться между собой.

Пневматические пружины могут быть выполнены в вариантах без управления или с управлением положения поверхности, на которую опирается машина.

Рисунок А.4 - Примеры пневматических пружин

А.3 Демпферы

Демпферы используют для ограничения колебаний упругих опор при прохождении через резонанс в случае периодического, случайного или ударного возбуждения за счет преобразования механической энергии колебаний в тепловую энергию. Демпферы устанавливают параллельно упругой подвеске машины.

Различают демпферы, работающие по принципу взаимодействия жестких тел [фрикционные демпферы - см. рисунок А.5 а)] и преобразующие механическую энергию в энергию жидкости [жидкостные демпферы - см. рисунок А.5 b)] или газа. Зависимость нагрузки от скорости движения демпфера может быть постоянной величиной, линейной, выпуклой вверх или вниз. При выборе фрикционных демпферов следует обращать внимание на производимый ими шум.

Для виброизоляции машин наиболее часто используемыми вместе с пружинной подвеской демпферами являются гидравлические амортизаторы. Они хорошо подходят для ослабления вибрации с большими амплитудами на низких и средних частотах. Их конструкция состоит из корпуса, демпфирующей жидкости и поршня. Поршень, погруженный в демпфирующую жидкость, может двигаться во всех направлениях до соприкосновения с корпусом. Поэтому такие демпферы удобны для гашения колебаний повеем шести степеням свободы.

Рисунок А.5 - Конструкции фрикционного и жидкостного демпферов

А.4 Сочетание демпферов и пружин

Демпфирование колебаний является важной составной частью работы системы виброизоляции, реализуется в виде демпфирования колебаний в материале или в конструкции системы (см. рисунок А.6) и применяется:

a) во всех случаях, когда необходимо избежать роста вибрации при прохождении через резонансные частоты;

b) для большинства машин вращательного действия, вибрация которых может возрастать вследствие увеличивающегося дисбаланса ротора;

c) для ослабления крутильных колебаний валов электрических машин в условиях короткого замыкания;

d) для стабилизации работы машин и агрегатов, которые по техническим или экономическим причинам устанавливают на упругие опоры на легких фундаментах;

e) для обеспечения быстрого затухания ударных процессов.

Рисунок А.6 - Сочетание демпферов и пружин в системе виброизоляции

А.5 Другие способы ослабления вибрации

Настоящий стандарт распространяется только на пассивные системы виброизоляции, состоящие из пружин и демпферов. Однако в особых случаях для ослабления передаваемой вибрации могут быть использованы иные конструктивные решения, например, с использованием динамических виброгасителей.