Динамика стержневой системы пространственной виброизоляции приборов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.06, кандидат технических наук Шохин, Александр Евгеньевич

• Шохин, Александр Евгеньевич
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шохин, Александр Евгеньевич

Список используемых обозначений.

Введение.

Глава 1. Состояние проблемы, цели и задачи исследования.

1.1. Основные сведения об объекте виброзащиты.

1.2. Особенности динамики кварцевого генератора при действии вибрации.

1.3. Анализ существующих методов и средств виброзащиты радиоэлектронной аппаратуры.

1.4. Цели и постановка задач диссертации.

Глава 2. Конструкция и расчетная схема пространственной системы виброизоляции.

2.1. Обоснование выбора конструкции пространственной подвески.

2.2. Описание конструкции пространственной подвески.

2.3. Расчетная модель движения кварцевого генератора на упругой подвеске.

2.3.1. Внешние нагрузки.

2.3.2. Описание движения кварцевого генератора.

2.3.3. Расчетная модель упругих элементов.

2.3.4. Уравнения движения.

2.4. Краткие выводы по главе.

Глава 3. Расчет пространственной виброизоляции прецизионного кварцевого генератора.

3.1. Общий алгоритм расчета и исходные данные.

3.2. Определение статического положения равновесия подвески при действии постоянных сил.■.

3.3. Определение матрицы жесткости и собственных частот системы.

3.4. Выбор рациональных параметров расположения упругих элементов подвески.

3.5. Определение механических характеристик подвески.

3.5.1. Расчет области возможных перемещений элементов системы

3.5.2. Расчет допустимых нагрузок на систему и напряжений в упругих стержнях.

3.5.3. Расчет упругих характеристик системы.

3.6. Оценка изменения частотных свойств подвески в зависимости от статического положения равновесия.

3.7. Расчет виброизоляции при заданных нагрузках.

3.7.1. Выбор материала и диаметра стержня.

3.7.2. Расчет коэффициентов передачи при виброизоляции.

3.8. Поверочный расчет на прочность.

3.9. Краткие выводы по главе.

Глава 4. Экспериментальное исследование динамических свойств системы пространственной виброзащиты прецизионного кварцевого генератора.

4.1. Цели и задачи экспериментального исследования.

4.2. Экспериментальный макет виброзащитной системы кварцевого генератора.

4.3. Методика проведения эксперимента.

4.3.1. Описание оборудования.

4.3.2. Программа проведения эксперимента.

4.4. Результаты эксперимента и сравнение с данными расчета.

4.5. Краткие выводы по главе.

Глава 5. Оценка эффективности системы пространственной виброзащиты прецизионного кварцевого генератора.

5.1. Методика оценки эффективности виброизоляции кварцевого генератора.

5.2. Анализ результатов.

5.3. Краткие выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Динамика стержневой системы пространственной виброизоляции приборов»

Во введении приводится краткая характеристика работы. Обосновывается актуальность, научная новизна и практическая значимость работы. Формулируются цели и постановки задач настоящей диссертации.

В первой главе приводится анализ состояния проблемы пространственной виброзащиты машин, приборов и аппаратуры. Рассматриваются вопросы влияния внешнего вибрационного возмущения на приборы, содержащие пьезоэлектрические элементы, чувствительные к механическим воздействиям. Рассматриваются конструктивные особенности прецизионных КГ и формулируются основные требования, предъявляемые к системе их виброизоляции. На основе выполненного анализа литературы и особенностей объекта виброзащиты, формулируются цели и постановки задач настоящей диссертации.

Во второй главе приводится обоснование выбора принципиальной схемы системы пространственной виброизоляции и описывается ее конструкция, выполненная на основе системы из шести гибких криволинейных стержней. Формируется расчетная модель системы, и приводятся основные уравнения и соотношения, описывающие ее динамику при внешнем вибрационном воздействии и медленно меняющихся ускорениях.

Третья глава посвящена вопросам исследования виброзащитных свойств и расчету предложенной системы пространственной виброизоляции. Рассматриваются задачи выбора рациональных параметров системы, определения ее предельно допустимых перемещений, предельных нагрузок и напряжений в стержнях, а так же исследуется изменение частотных свойств системы в зависимости от ее положения равновесия. Проводится анализ влияния условий закрепления стержней на виброзащитные и прочностные свойства системы. При заданных функциональных ограничениях и нагрузках определяются конструктивные параметры системы.

В четвертой главе описывается экспериментальное исследование виброзащитных свойств разработанной системы. Приводится описание созданного натурного макета, экспериментальной установки и методики проведения испытаний. Проводится сравнение результатов эксперимента и численного моделирования.

Пятая глава посвящена оценке эффективности разработанной системы пространственной виброизоляции КГ. Приводятся методика и результаты оценки эффективности виброизоляции на основе численного расчета выходного электрического сигнала КГ.

В приложении приведены описание патента РФ на изобретение «Пространственная виброизолирующая подвеска» и акты об использовании результатов диссертационной работы.

Благодарность. Автор выражает благодарность своему научному руководителю доктору технических наук, профессору Г.Я. Пановко, доктору технических наук, профессору A.M. Гуськову за помощь и полезные советы, которые способствовали решению поставленных задач, научному сотруднику лаборатории вибромеханики ИМАШ РАН В.Ф. Сыромятникову за помощь в изготовлении натурного макета, подготовке и проведении экспериментальных исследований, ассистенту кафедры РК-5 «Прикладная механика» МГТУ им. Н.Э. Баумана Е.А.Коровайцевой за помощь при моделировании динамики кварцевого генератора.

Заключение диссертации по теме «Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры», Шохин, Александр Евгеньевич

Основные результаты и выводы по диссертации:

1. Разработана оригинальная пространственная виброизолирующая подвеска на основе системы гибких криволинейных стержней, и ее расчетная модель, учитывающая геометрическую нелинейность упругих элементов, получены основные дифференциальные уравнения и соотношения, описывающие её динамику при кинематическом вибрационном возбуждении и медленно изменяющихся ускорениях.

2. Разработана модель системы «упругая подвеска - кварцевый генератор», описывающая связь между входным механическим воздействием и выходным электрическим сигналом, что позволило оценить нестабильность частоты сигнала, генерируемого КГ в зависимости от условий возбуждения и виброизолирующих свойств подвески.

3. Установлены рациональные значения параметров системы, обеспечивающие минимальные значения ее собственных частот, а так же ее виброзащитные и прочностные свойства.

4. Установлено влияние условий закрепления стержней: шарнирное закрепление стержней на корпусе по сравнению с жестким закреплением приводит: к уменьшению значений собственных частот системы до 38%, к уменьшению относительного разброса собственных частот на 25%, к уменьшению уровней предельных напряжений в упругих стержнях на 40%.

5. Разработан натурный макет предложенной системы.

6. Выполнена верификация расчетной модели на основе результатов экспериментального исследования виброзащитных свойств натурного макета.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шохин, Александр Евгеньевич, 2012 год

1. Авторское свидетельство 328278 СССР, М. Кл. F 16f 15/04. Амортизатор/ A.B. Синев A.B., Б.Г. Трактовенко, Г.Я. Пановко; Государственный научно-исследовательский институт машиноведения. — № 1451139/25-28; Заяв. 11.06.1970; Опубл. 22.03.1972, Бюл. -№6

2. Авдеев H.A., Гуськов A.M., Пановко Г.Я. Рациональное размещение виброизоляторов под рамой технологической машины // Машиностроение и инженерное образование. 2011, №4. С. 56-60

3. Алабужев П. М. Виброзащитные системы с квазинулевой жесткостью / П. М. Алабужев, А. А. Гритчин, И. И. Ким и др. JL: Машиностроение, 1986.-96 с.

4. Асташев В.К., Бабицкий В.И., Вульфсон И.И. и др. Динамика машин и управление машинами: Справочник / Под ред. Г. В. Крейнина. М.: Машиностроение, 1988. - 239 с.

5. Асташев В.К., Бабицкий В.И., Веприк A.M., Крупенин B.JI. Гашение вынужденных колебаний струн и стержней подвижной шайбой // ДАН СССР. 1989, Т. 304, № 1. С. 50-54.

6. Альтшуллер Г.Б., Елфимов H.H., Шакулин В.Г. Кварцевые генераторы: справочное пособие. М.: Радио и связь, 1984. - 232 с.

7. Альтшуллер Г.Б. Кварцевая стабилизация частоты. М.: Связь, 1974. -272 с.

8. Андреева J1.E. Упругие элементы приборов. М.: Машиностроение, 1981. -392 с.

9. Бадиков Р.Н., Сорокин Ф.Д. Приближенное выражение для низшей собственной частоты криволинейного стержня с винтовой осью // Изв. вузов. Машиностроение. 2007. №7. С. 10 -12 .

10. Бадиков Р. Н. Расчётно-экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния и резонансных режимов вращения винтовых пружин в пружинных механизмах: Дисс. канд. техн. наук. -Москва, 2009. 166 с.

11. Бидерман B.JT. Теория механических колебаний. М.: Высш. шк., 1980. -408 с.

12. Боголюбов H.H., Митропольский Ю.А. Асимптотические методы в теории нелинейных колебаний. М: Наука, 1974. - 410 с.

13. Бутенин Н.В., Неймарк Ю.И. Фуфаев H.A. Введение в теорию нелинейных колебаний. М.: Наука, 1976.

14. Вибрации в технике. Справочник в 6-ти томах. Т.1: Колебания линейных систем / под ред. В.В. Болотина. М.: Машиностроение, 1978. - 352 с.

15. Вибрации в технике. Справочник в 6-ти томах. Т.2: Колебания нелинейных механических систем / под ред. И.И. Блехмана. М.: Машиностроение, 1979.-351 с.

16. Вибрации в технике. Справочник в 6-ти томах. Т.6: Защита от вибрации и ударов / под ред. К.В.Фролова. М.: Машиностроение, 1981. - 456 с.

17. Гаврюшин С.С., Барышникова О.О., Борискин О.Ф. Численные методы проектирования гибких упругих элементов. Калуга: ГУП «Облиздат», 2001.-200 с.

18. Гайдайчук В.В. Упругое деформирование и колебания пространственно-искривлённых гибких стержней: Дисс.докт. техн. наук. Киев, 1992. -244 с.

19. Ганиев Р.Ф., Кононенко В.О. Колебания твердых тел. М.: Наука, 1976. -432 с.

20. Генкин М. Д. Елезов В. Г., Яблонский В. В. Методы управляемой виброзащиты машин. М.: Наука, 1985. - 240с.

21. Генкин М.Д., Рябовой В.М. Упругоинерционные виброизолирующие системы. Предельные возможности, оптимальные структуры. М.: Наука, 1988. - 192 с.

22. Глюкман Л.И. Пьезоэлектрические кварцевые резонаторы. М.: Радио и связь, 1981.

23. Гордеев Б.А, Ерофеев В.И., Синев A.B., Мугин О.О. Системы виброзащиты с использованием инерционности и диссипации реологических сред. М.: ФИЗМАТ ЛИТ, 2004. - 176 с.

24. Гребеников Е.А. Метод усреднения в прикладных задачах. М.: Наука, 1986.-256 с.

25. Грибов М.М. Регулируемые амортизаторы РЭА. М.: Сов. Радио, 1974. -142 с.

26. Гринченко В.Т., Улитко А.Ф., Шульга H.A. Механика связанных полей в элементах конструкций. Т. 5. Электроупругость. Киев: Наукова думка, 1989.-277 с.

27. Турецкий В.В. Об оптимизации параметров системы амортизации при стационарных случайных воздействиях // Машиноведение. 1971, №5. С. 23-28.

28. Гуськов A.M., Коровайцева Е.А., Пановко Г.Я., Шохин А.Е. Исследование влияния внешнего вибрационного поля на динамику кварцевого генератора // Машиностроение и инженерное образование. 2011, №3. С. 37-43.

29. Гуськов A.M., Коровайцева Е.А., Шохин А.Е. Особенности численного моделирования собственных колебаний кварцевой пластины // Машиностроение и инженерное образование. 2010, №3. С. 37-43.

30. Гуськов A.M., Пановко Г.Я. Вибрационная стабилизация вертикальной оси гибкого стержня // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2006, №3. С. 13-19.

31. Гуськов A.M., Пановко Г.Я., Шохин А.Е. Расчет стержневой пространственной системы виброизоляции твердого тела при транспортной вибрации // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2012, №2. С. 17-24.

32. Джанелидзе Г.Ю. Соотношения Кирхгофа для естественно скрученных стержней // Труды Ленинградского политехнического института. 1946. -№ 1.

33. Елисеев C.B. Структурная теория виброзащитных систем. Новосибирск: Наука, 1978.-224с.

34. Ерофеев В.И. Пространственные колебания гибкого стержня // Прикладная механика, 1991. Т. 27, № 9. С. 100-106.

35. Жилин П.А., Сергеев А.Д., Товстик Т.П. Нелинейная теория стержней и ее приложения // Труды XXIV Всесоюзной школы-семинара «Анализ и синтез нелинейных механических колебательных систем 1996», С.-Пб., 1997.-С. 313-337.

36. Ивович В.А., Онищенко B.J1. Защита от вибрации в машиностроении. -М: Машиностроение. 1990. -272с.

37. Ильин В.П., Карпов В.В., Масленников A.M. Численные методы решения задач строительной механики: Справ. Пособие. Мн: Выш. Шк., 1990. -349 с.

38. Ильинский B.C. Амортизация приборов и оборудования. М.: Москва. Энергия. 1970.-278 с.

39. Ильинский B.C. Вопросы изоляции вибраций и ударов. М.: Сов. Радио. 1960.-320 с.

40. Ильинский B.C. Защита аппаратов от динамических воздействий. М.: Энергия, 1970.-320 с.

41. Ишлинский А.Ю. Механика относительного движения и силы инерции. -М.: Наука, 1981.-320 с.

42. Кеди У. Пьезоэлектричество и его практическое применение, М., изд-во иностр. лит-ры, 1953.

43. Когаев В.П. Расчеты на прочность при напряжениях переменных во времени. М.: Машиностроение, 1977. - 232 с.

44. Коловский М.З. Автоматическое управление виброзащитными системами. М.:Наука, 1976. - 320 с.

45. Коловский М.З. Нелинейная теория виброзащитных систем. М.: Наука, 1966.-320 с.

46. Красносельский М.А., Бурд В.Ш., Колесов Ю.С. Нелинейные почти периодические колебания. М.: Наука, 1970. - 352 с.

47. Курс теоретической механики: Учебник для вузов / Под общ. ред. К.С. Колесникова. 3-е изд. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. - 736 с.

48. Минаева Т.А., Пановко Г.Я. Расчет на ЭЦВМ свободных колебаний кольцевого стержня с растяжимой осью. // Сборник: Исследование динамических систем на ЭВМ . М.: Наука, 1982. - С. 135-138.

49. Найденко O.K. Петров П.П. Амортизация судовых двигателей и механизмов. Л.: Судпромгиз. 1982. - 288с.

50. Наумов A.M. Нелинейная задача статики винтовых стержней при произвольных нагрузках // Вестник МГТУ. Машиностроение. 1991. №1. С. 21-29.

51. Наумов A.M. Расчет пространственно-криволинейных стержней, нагруженных силами произвольного направления: Дисс. канд. техн. наук.- М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1996.

52. Пановко Г.Я., Синев A.B. Механический фильтр низких частот с нулем передачи в зарезонансной области. // Сборник: Виброизоляция машин и виброзащита человека-оператора. -М.: Наука, 1973. С. 44-47.

53. Пановко Г.Я., Шохин А.Е. Синтез конструкции пространственной стержневой подвески. // В сб. «Управляемые вибрационные технологии и машины» в 2-х ч. 4.2. Курск, КГТУ, 2010. - С.74-79

54. Пановко Я.Г. Введение в теорию механических колебаний. М.: Наука, 1971.-240 с.

55. Пановко Я.Г. Внутреннее трение при колебаниях упругих систем. М.: Физматлит, 1960. - 193 с.

56. Пановко Я.Г., Губанова И.И. Устойчивость и колебания упругих систем.- М.: КомКнига, 2006. 352 с.

57. Патент 2185548 РФ, МПК7 F16F7/14. Цилиндрический тросовый виброизолятор/ М.А. Минасян; Военно-морская академия им. Адмирала Флота Советского Союза Н.Г.Кузнецова. Заявка № 95103295; Заяв. 07.03.1995; Опубл. 20.07.2002.

58. Патент 2340810 РФ, МПК F16F7/14, F16F3/04. Тросовый виброизолятор/ В.В. Рыжов; В.В. Рыжов. Заявка № 2007139354; Заяв. 25.10.2007; Опубл. 10.12.2008.

59. Патент 2447336 РФ, МПК F16F 3/02, F16F 15/00. Пространственная виброизолирующая подвеска / A.M. Гуськов, Г.Я. Пановко, А.Е. Шохин,

60. Е.А. Коровайцева, A.M. Васильев, O.B. Бармина; Учреждение российской академии наук Институт машиноведения им. A.A. Благонравова РАН. -Заявка №2010108319; Заяв. 05.03.2010; Опубл. 10.04.2012, Бюл. № 10.

61. Пономарев С.Д., Андреева JI.E. Расчет упругих элементов машин и приборов. М.: Машиностроение, 1980. - 326 с.

62. Попов Е.П. Нелинейные задачи статики тонких стержней. Гостехиздат, 1948.

63. Прочность, устойчивость, колебания: Справочник. ТЗ. М.: Машиностроение, 1968. - С. 331-346

64. Расчеты на прочность в машиностроении. В 3 т. / Под ред. С.Д. Пономарева. М.: МАШГИЗ, 1959. - Т. 3. - 1120 с.

65. Раус Э. Динамика системы твердых тел: Пер с англ. В 2-х томах. Т. 2 -М.: Наука, 1983.-544 с.

66. Рахштадт А.Г. Пружинные стали и сплавы. 3-е изд. М.: Металлургия, 1982.-400 с.

67. Риле Ф. Стандарты частоты. Принципы и приложения. М.: Физматлит, 2009.-591 с.

68. Рыбак JI.A., Синёв A.B., Пашков А.И. Синтез активных систем виброизоляции на космических объектах. М.: Янус-К, 1997. - 160 с.

69. Светлицкий В.А. Механика стержней. Учебник для втузов. В 2-х ч. 4.1. Статика. М.: Высшая школа, 1987. - 320 с.

70. Светлицкий В.А. Механика стержней. Учебник для втузов. В 2-х ч. 4.2. Динамика. М.: Высшая школа, 1987. - 304 с.

71. Светлицкий В.А.,Нарайкин О.С. Упругие элементы машин. -М.:Машиностроение,1989. 260 с.

72. Серенсен C.B., Когаев В.П., Шнейдерович P.M. Несущая способность и расчет деталей машин на прочность. 3-е изд. М.: Машиностроение, 1975.-488 с.

73. Сорокин Ф.Д. Прямое тензорное представление уравнений больших перемещений гибкого стержня с использованием вектора конечного поворота. //Изв. РАН. МТТ. 1994. - № 1. - С. 164-168.

74. Старжинский В.М. Прикладные методы нелинейных колебаний. М.: Наука, 1977.-256 с.

75. Тимошенко С.П. Колебания в инженерном деле. М.: КомКнига, 2006. — 440 с.

76. Усюкин В.И. Строительная механика конструкций космической техники. М.: Машиностроение, 1988. - 392с.

77. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов: Учебник для вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. - 592 с.

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

79. Хаяси Т. Нелинейные колебания в физических системах. — М.: Мир, 1968. -432 с.

80. Хвингия М.В. Колебания и устойчивость упругих систем машин и приборов. Тбилиси: Мецниерева. - 1964.

81. Черноусько Ф.Л., Акуленко Л.Д., Соколов Б.Н. Управление колебаниями. -М. Наука, 1980.-276 с.

82. Besson R.D., Groslambert J.M., Walls F.L. Quartz crystal resonators and oscillators, resent developments and future trends // Ferroelectrics. 1982. Vol.43, pp. 57-65.

83. Besseling J. Non-linear theory for elastic beams and rods and its finite element representation // Comp.-Meth. in Appl.Mech. and Eng. 1982. - №31. - P. 205-220.

84. Brendel R., Ratier N., Couteleau L., Marianneau G. Guillemot P. Slowly varying function method applied to quartz crystal oscillator transient calculation // IEEE Trans, on UFFC. 1998. - № 2, vol. 45. - P. 520-526.

85. Crede Ch.E. Vibration and isolation // N.Y. John Willy and Sons. 1963. -156c.

86. Danielson D., Hodges D. A beam theory for large global rotation, moderate local rotation, and small strain // ASME Jnl. Apl. Mech. 1988. - №55. - P. 179-184.

87. Gouskov A.M., Korovaytseva E.A., Panovko G.Ya., Shokhin A.E. Parametric synthesis of rod spatial vibroisolation system under arbitrarily directed external disturbance // Journal of Vibroengineering. 2011. - Vol. 13. - Issue 4. - P. 621-628.

88. Kafadar C.B. On the non-linear theory of rods. International Journal of Engineering Science, 1972. - V.10. - №4, - P. 369 - 391.

89. Patent WO 2009/113868 (Al) NO, F16F7/14. Shock and vibration damper/ BORHEN Harald. Filing date 10.03.2009.

90. Roberson R.E. Schwertasser R. Dynamics of multiboby systems. Berlin: Springer. 1988. -460 p.

91. Tiersten H.F., Mindlin R.D. Forced vibrations of piezoelectric crystal plates // Quart. Appl. Math. 1962, №20. - P. 107 - 110.

92. Schmidt G., Tondl A. Nonlinear vibrations. Akademie-Verlag, Berlin, 1986

93. Simo J., Tarnow N., Doblare M. Non-linear dynamics of three dimensional rods. - Int. Jnl. NumMeth. Eng., 1995. - №38. - P. 1431-1473.

94. Whitman A.B., Desilva C.N. Exact solution in a nonlinear-theory of rods.-Journals of Elasticity, 1974. V.4. - P. 265-280.1. НЮШЙСЖАШ #ВД№МРШО1. НА ИЗОБРЕТЕНИЕ2447336

95. ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ВИБРОИЗОЛИРУЮЩАЯ1. ПОДВЕСКА11атентообладатсль(ли): Учреждение Российской академии наук Институт машиноведения и.ч. A.A. Благонравова РАН (RU)1. Автор(ы): см. на обороте1. Заявка №2010108319

96. Приоритет изобретении 05 марта 2010 г. Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 10 апреля 2012 г. Срок действия патента истекает 05 марта 2030 г.

97. Руководитель Федеральной службы по интеллектуальной собственности1. Б.П. Симонов1. РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ19)1. СМг^z>