Помощь студентам в учебе
Расчет и исследование параметров вибрации виброгасителя с квазинулевой жесткостью
|
Введение 12
1 Информационно-аналитический обзор 17
1.1 Обзор патентных конструкций 17
1.1.1 Пружинный виброизолятор с демпфером в маятниковом подвесе 17
1.1.2 Динамический гаситель 19
1.1.3 Вибрационный изолятор технологического оборудования 21
1.1.4 Рукоятка пневматического отбойного молотка 24
1.2 Виброзащитные системы с квазинулевой жесткостью 28
2 Объект и методы исследования 31
2.1 Принципиальная схема и принцип работы устройства 32
2.2 Методика расчета 38
2.3 Характеристики 41
2.4 3D модель виброгасителя с квазинулевой жесткостью 43
3 Расчеты и аналитика 47
3.1 Метод математическое моделирование 47
3.2 Цель исследования 48
3.3 Методика проведения исследования 50
3.4 Подбор и расчет параметров для проведения исследования 51
3.5 Составление математической модели 55
3.6 Структурная схема для расчета одномассовой схемы 57
4 Результаты проведенного математического моделирования 58
4.1 Результаты с предварительным расчетом параметров 58
4.2 Результаты с итоговым расчетом параметров 60
4.3 Спектральный анализ 64
4.4 Амплитудно-фазовые частотные характеристики 65
4.5 Описание результатов математического моделирования 68
5 «ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕСКТИВНОСТЬ И
РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ» 70
5.1 Анализ конкурентных технических решений 71
5.2 SWOT-анализ 73
5.3 Планирование научно-исследовательских работ 75
5.4 Определение трудоемкости выполнения работ 76
5.5 Разработка графика проведения проектирования 77
5.6 Цели и результат исследования 81
5.7 Организационная структура проекта 82
5.8 Бюджет исследовательской работы 83
5.9 Определение ресурсной, финансовой, бюджетной, социальной и
экономической эффективности 88
5.10 Оценка сравнительной эффективности исследования 93
6 «СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ» 97
6.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 100
6.2 Производственная безопасность 102
6.3 Анализ выявленных вредных и опасных факторов 104
6.4 Экологическая безопасность 108
6.5 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 109
Заключение 116
Список используемой литературы 112
ПРИЛОЖЕНИЕ А 116
1 Информационно-аналитический обзор 17
1.1 Обзор патентных конструкций 17
1.1.1 Пружинный виброизолятор с демпфером в маятниковом подвесе 17
1.1.2 Динамический гаситель 19
1.1.3 Вибрационный изолятор технологического оборудования 21
1.1.4 Рукоятка пневматического отбойного молотка 24
1.2 Виброзащитные системы с квазинулевой жесткостью 28
2 Объект и методы исследования 31
2.1 Принципиальная схема и принцип работы устройства 32
2.2 Методика расчета 38
2.3 Характеристики 41
2.4 3D модель виброгасителя с квазинулевой жесткостью 43
3 Расчеты и аналитика 47
3.1 Метод математическое моделирование 47
3.2 Цель исследования 48
3.3 Методика проведения исследования 50
3.4 Подбор и расчет параметров для проведения исследования 51
3.5 Составление математической модели 55
3.6 Структурная схема для расчета одномассовой схемы 57
4 Результаты проведенного математического моделирования 58
4.1 Результаты с предварительным расчетом параметров 58
4.2 Результаты с итоговым расчетом параметров 60
4.3 Спектральный анализ 64
4.4 Амплитудно-фазовые частотные характеристики 65
4.5 Описание результатов математического моделирования 68
5 «ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕСКТИВНОСТЬ И
РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ» 70
5.1 Анализ конкурентных технических решений 71
5.2 SWOT-анализ 73
5.3 Планирование научно-исследовательских работ 75
5.4 Определение трудоемкости выполнения работ 76
5.5 Разработка графика проведения проектирования 77
5.6 Цели и результат исследования 81
5.7 Организационная структура проекта 82
5.8 Бюджет исследовательской работы 83
5.9 Определение ресурсной, финансовой, бюджетной, социальной и
экономической эффективности 88
5.10 Оценка сравнительной эффективности исследования 93
6 «СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ» 97
6.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 100
6.2 Производственная безопасность 102
6.3 Анализ выявленных вредных и опасных факторов 104
6.4 Экологическая безопасность 108
6.5 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 109
Заключение 116
Список используемой литературы 112
ПРИЛОЖЕНИЕ А 116
При эксплуатации механизмов, машин или различного оборудования возникает вибрационное воздействие. Вибрационное воздействие искажает кинематические параметры, описывающие движение машин, различных механизмов и СУ, которые задаются конструктором. Также вибрационное воздействие влияет на устойчивость процессов изготовления деталей и эксплуатацию станков, из-за чего возникают поломки, отказы оборудования или полная расстройка системы [1].
Вибрационное воздействие можно охарактеризовать тремя основными параметрами вибрации, такими как виброскорость, виброускорение, а также виброперемещение.
Виброскорость, это скорость, с которой может колебаться указанная точка на детали (оборудования, машины или станка) при вибрационном воздействии, фиксируемая по оси измерения.
Виброперемещение, амплитудная характеристика вибрационного воздействия, имеющая максимальные значения, в диапазоне которых колеблется исследуемая точка при вибрационном воздействии.
Виброускорение, это производное значение вибрационного воздействия от виброскорости, величина которого зависит от возникающей вибрации. Действующее динамическое взаимосвязанное влияние компонентов в оборудовании представляет собой значение виброускорения, которое возбуждает вибрационное воздействие.
Вибрационное воздействие значительно повышает влияние динамических усилий в соединениях оборудования или станков, за счет этого уменьшается работоспособность деталей, и со временем происходит усталостное разрушение. При обработке деталей на высокоточных станках вибрационное воздействие оказывает серьезное отрицательное влияние на заданную точность обрабатываемой детали, при этом изделие может нагревается неравномерно или даже растрескиваться. В результате влияния повышенного вибрационного воздействия изделие может стать браком.
В таблице (табл.2) [2] приведены основные характеристики вибрационного воздействия для групп объектов, значения которых не рекомендуется превышать.
Таблица 1. Рекомендуемые и максимальные величины характеристик свободных колебаний основания объектов, при вибрационном воздействии различных источников.
Характеристика Номера объектов
I II III I - III
Превалирующая частота виброперемещения,
Гц 4; 7 - 25 2,5 - 28 9,6 - 50 6,5 - 50
Предельное (пиковое) значение виброскорости, мм/с 0,1 - 0,5
(0,05 - 1,0) 0,3
(0,01 - 0,29) 0,04 - 0,3 (0,01 - 0,95) 0,07 - 0,3 (0,02 - 1,2)
Среднеквадратическое
значение
виброскорости, мм/с 0,05 - 0,3 0,02 - 0,03 0,01 - 0,05 0,01 - 0,2
Классификация групп объектов в таблице (табл.1) [2] выполнена следующим образом:
I - это здания, в которых присутствуют, в преобладающем количестве, различные кондиционеры или вентилляторные установки.
II - это такие объекты, на которых происходит вибрационное воздействие, из-за постоянного движения городских транспортных средств по близлежащим улицам;
III - это объекты, расположенные на площади территориально крупных производственных или промышленных предприятий, в составе которых имеется большое количество эксплуатируемого технологического оборудования, различных станков, компрессоров и т.п., а также транспортные средства, эксплуатируемые внутри заводских площадей.
Отсюда возникает потребность снижения вибрационного воздействия до требуемого уровня, для чего и применяются различные системы виброзащиты.
Известны пассивные, а также активные системы для защиты от вибрационного воздействия, при этом основной отличительной функцией активных систем виброзащиты является то, что в них предусмотрено управление параметрами вибрационного воздействия.
Активные системы защиты от вибрационного воздействия предназначаются для лишения объекта подвижности в вертикальном направлении, при том, что основание объекта будет совершать перемещение вдоль вертикальной оси. Рассматриваемые системы виброзащиты представляют собой следящие системы, компенсирующие перемещение, защищаемого от вибрационного воздействия, объекта и его внутренней конструкции в противофазовом направлении относительно основания от которого подается вибрационное воздействие.
Также рассматриваемые активные системы защиты от вибрационного воздействия способны значительно повышать демпфируемость колебаний при работе на низких частотах, при этом изменяя свои свойства, относительно условий эксплуатации. Активные системы защиты от вибрационного воздействия бывают различных типов, которые классифицируются: по внешнему действию, по результатам обратной связи и комбинируемые.
С целью снизить уровень вибрационного воздействия до оптимального уровня защиты различных высокоточных технологических устройств, к которым предъявляют особые требования к низкому вибрационному воздействию, используют активные системы защиты от вибрационного воздействия. В качестве примера можно привести защиту путем виброизоляции высокоточных станков или стартовой платформы для запуска ракеты.
Пассивные системы защиты от вибрационного воздействия имеют в своем составе различные пассивные элементы, которые подразделяются на упругие, диссипативные или инерционные. Основной функцией пассивных систем защиты от вибрационного воздействия является то, что на собственной частоте амплитуда колебаний, и ускорения, которые к ней относятся, во много раз превышает требуемый уровень вибрации на основании.
Повышенная эффективность пассивных систем защиты от вибрационного воздействия заключается в том, что их частоты возмущающего характера в значительной степени превышают резонансную частоту.
Виды пассивных систем защиты от вибрационного воздействия бывают различные: гидравлические, инерционные, резиновые, пневмогидравлические и др.
Пассивные системы защиты от вибрационного воздействия позволяют решать задачи методов борьбы с вибрацией.
Известны различные методы борьбы с вибрационным воздействием, такие как виброизоляция, вибродемфирование, динамическое виброгашение. Пассивные системы широко используются при решении задач методов вибродемпфирование и виброизоляция, а активные системы при методе динамического виброгашения. Рассмотрим подробнее каждый метод защиты от вибрационного воздействия.
Вибродемпфирование, метод защиты от вибрационного воздействия, с помощью которого решают задачи уменьшения колебаний объекта виброзащиты путем того, что энергия, возникающая при механическом движении, быстро исчезает, переходя при этом в тепловую энергию из -за множества деформаций. В зависимости от расстояния до источника вибрации, амплитуда рассеивающихся волн стремительно уменьшается.
Виброизоляция также является одним из методов защиты от вибрационного воздействия, который позволяет уменьшить влияние связи возникающей между источником вибрации и объектом виброзащиты при размещении между ними виброизолятора.
Динамическое виброгашение, это метод защиты от вибрационного воздействия, позволяющий снизить уровень вибрации до оптимального, за счет присоединения к объекту, защищаемому от вибрации, специальных устройств, для изменения характера его вибрации.
Рассмотренные системы защиты от вибрационного воздействия в разной степени демпфируют колебания различных источников вибрации в диапазонах частот и амплитуд, которые представлены в таблице 1.
Известны различные источники вибрации, названия и характеристики которых представлены в таблице (табл.2) [2]
Таблица 2. Названия и характеристики различных источников вибрации.
Название источника вибрации Частота, Гц Амплитуда, мм
Компрессор 5 - 22 0,345
Погрузчик 4 - 55 0,035
Насосы масляные 4 - 24 0,0356
Вибрации от ходьбы человека 0,65 - 7 0,0004
Вибрации шума в воздухе 200 - 20000 0,35 - 0,0054
Прессы для штампов До 15 0,4 - 0,0004
Трансформаторы 50 - 400 0,005 - 0,0005
Лифт До 35 0,026 - 0,00034
Колебания здания в
вертикальной плоскости 46
Н , где Н - высота здания, м. 3,5
Подпор воздуха в здании 1 - 5 0,0003
Рельсовый транспорт 10 - 35 0,25 g
Автомобиль 10 - 95 0,0002 g
Вибрационное воздействие, которое излучают источники вибрации, представленные в таблице (табл.2), эффективно демпфируются до оптимального уровня в результате использования систем защиты от вибрационного воздействия.
Вибрационное воздействие можно охарактеризовать тремя основными параметрами вибрации, такими как виброскорость, виброускорение, а также виброперемещение.
Виброскорость, это скорость, с которой может колебаться указанная точка на детали (оборудования, машины или станка) при вибрационном воздействии, фиксируемая по оси измерения.
Виброперемещение, амплитудная характеристика вибрационного воздействия, имеющая максимальные значения, в диапазоне которых колеблется исследуемая точка при вибрационном воздействии.
Виброускорение, это производное значение вибрационного воздействия от виброскорости, величина которого зависит от возникающей вибрации. Действующее динамическое взаимосвязанное влияние компонентов в оборудовании представляет собой значение виброускорения, которое возбуждает вибрационное воздействие.
Вибрационное воздействие значительно повышает влияние динамических усилий в соединениях оборудования или станков, за счет этого уменьшается работоспособность деталей, и со временем происходит усталостное разрушение. При обработке деталей на высокоточных станках вибрационное воздействие оказывает серьезное отрицательное влияние на заданную точность обрабатываемой детали, при этом изделие может нагревается неравномерно или даже растрескиваться. В результате влияния повышенного вибрационного воздействия изделие может стать браком.
В таблице (табл.2) [2] приведены основные характеристики вибрационного воздействия для групп объектов, значения которых не рекомендуется превышать.
Таблица 1. Рекомендуемые и максимальные величины характеристик свободных колебаний основания объектов, при вибрационном воздействии различных источников.
Характеристика Номера объектов
I II III I - III
Превалирующая частота виброперемещения,
Гц 4; 7 - 25 2,5 - 28 9,6 - 50 6,5 - 50
Предельное (пиковое) значение виброскорости, мм/с 0,1 - 0,5
(0,05 - 1,0) 0,3
(0,01 - 0,29) 0,04 - 0,3 (0,01 - 0,95) 0,07 - 0,3 (0,02 - 1,2)
Среднеквадратическое
значение
виброскорости, мм/с 0,05 - 0,3 0,02 - 0,03 0,01 - 0,05 0,01 - 0,2
Классификация групп объектов в таблице (табл.1) [2] выполнена следующим образом:
I - это здания, в которых присутствуют, в преобладающем количестве, различные кондиционеры или вентилляторные установки.
II - это такие объекты, на которых происходит вибрационное воздействие, из-за постоянного движения городских транспортных средств по близлежащим улицам;
III - это объекты, расположенные на площади территориально крупных производственных или промышленных предприятий, в составе которых имеется большое количество эксплуатируемого технологического оборудования, различных станков, компрессоров и т.п., а также транспортные средства, эксплуатируемые внутри заводских площадей.
Отсюда возникает потребность снижения вибрационного воздействия до требуемого уровня, для чего и применяются различные системы виброзащиты.
Известны пассивные, а также активные системы для защиты от вибрационного воздействия, при этом основной отличительной функцией активных систем виброзащиты является то, что в них предусмотрено управление параметрами вибрационного воздействия.
Активные системы защиты от вибрационного воздействия предназначаются для лишения объекта подвижности в вертикальном направлении, при том, что основание объекта будет совершать перемещение вдоль вертикальной оси. Рассматриваемые системы виброзащиты представляют собой следящие системы, компенсирующие перемещение, защищаемого от вибрационного воздействия, объекта и его внутренней конструкции в противофазовом направлении относительно основания от которого подается вибрационное воздействие.
Также рассматриваемые активные системы защиты от вибрационного воздействия способны значительно повышать демпфируемость колебаний при работе на низких частотах, при этом изменяя свои свойства, относительно условий эксплуатации. Активные системы защиты от вибрационного воздействия бывают различных типов, которые классифицируются: по внешнему действию, по результатам обратной связи и комбинируемые.
С целью снизить уровень вибрационного воздействия до оптимального уровня защиты различных высокоточных технологических устройств, к которым предъявляют особые требования к низкому вибрационному воздействию, используют активные системы защиты от вибрационного воздействия. В качестве примера можно привести защиту путем виброизоляции высокоточных станков или стартовой платформы для запуска ракеты.
Пассивные системы защиты от вибрационного воздействия имеют в своем составе различные пассивные элементы, которые подразделяются на упругие, диссипативные или инерционные. Основной функцией пассивных систем защиты от вибрационного воздействия является то, что на собственной частоте амплитуда колебаний, и ускорения, которые к ней относятся, во много раз превышает требуемый уровень вибрации на основании.
Повышенная эффективность пассивных систем защиты от вибрационного воздействия заключается в том, что их частоты возмущающего характера в значительной степени превышают резонансную частоту.
Виды пассивных систем защиты от вибрационного воздействия бывают различные: гидравлические, инерционные, резиновые, пневмогидравлические и др.
Пассивные системы защиты от вибрационного воздействия позволяют решать задачи методов борьбы с вибрацией.
Известны различные методы борьбы с вибрационным воздействием, такие как виброизоляция, вибродемфирование, динамическое виброгашение. Пассивные системы широко используются при решении задач методов вибродемпфирование и виброизоляция, а активные системы при методе динамического виброгашения. Рассмотрим подробнее каждый метод защиты от вибрационного воздействия.
Вибродемпфирование, метод защиты от вибрационного воздействия, с помощью которого решают задачи уменьшения колебаний объекта виброзащиты путем того, что энергия, возникающая при механическом движении, быстро исчезает, переходя при этом в тепловую энергию из -за множества деформаций. В зависимости от расстояния до источника вибрации, амплитуда рассеивающихся волн стремительно уменьшается.
Виброизоляция также является одним из методов защиты от вибрационного воздействия, который позволяет уменьшить влияние связи возникающей между источником вибрации и объектом виброзащиты при размещении между ними виброизолятора.
Динамическое виброгашение, это метод защиты от вибрационного воздействия, позволяющий снизить уровень вибрации до оптимального, за счет присоединения к объекту, защищаемому от вибрации, специальных устройств, для изменения характера его вибрации.
Рассмотренные системы защиты от вибрационного воздействия в разной степени демпфируют колебания различных источников вибрации в диапазонах частот и амплитуд, которые представлены в таблице 1.
Известны различные источники вибрации, названия и характеристики которых представлены в таблице (табл.2) [2]
Таблица 2. Названия и характеристики различных источников вибрации.
Название источника вибрации Частота, Гц Амплитуда, мм
Компрессор 5 - 22 0,345
Погрузчик 4 - 55 0,035
Насосы масляные 4 - 24 0,0356
Вибрации от ходьбы человека 0,65 - 7 0,0004
Вибрации шума в воздухе 200 - 20000 0,35 - 0,0054
Прессы для штампов До 15 0,4 - 0,0004
Трансформаторы 50 - 400 0,005 - 0,0005
Лифт До 35 0,026 - 0,00034
Колебания здания в
вертикальной плоскости 46
Н , где Н - высота здания, м. 3,5
Подпор воздуха в здании 1 - 5 0,0003
Рельсовый транспорт 10 - 35 0,25 g
Автомобиль 10 - 95 0,0002 g
Вибрационное воздействие, которое излучают источники вибрации, представленные в таблице (табл.2), эффективно демпфируются до оптимального уровня в результате использования систем защиты от вибрационного воздействия.
В конструкторской части были рассмотрены различные виброзащитные системы, их конструкция, расчет параметров и принцип работы. Рассматривая эти системы были обнаружены следующие недостатки большие габариты системы, малый диапазон частот гасимых колебаний, большое количество узлов и деталей системы, а также малая степень надежности на резонансном режиме. Предлагаемая система устраняет эти недостатки, так как имеет нелинейную жесткость. Это позволяет гасить широкий диапазон колебаний.
В результате проведения расчетов параметров вибрации виброгасителя с квазинулевой жесткостью получены параметры вибрации, которые находятся в диапазоне оптимальных значений.
В работе выполнено сравнение результатов математического моделирования процессов воздействия вибрации на технологическое оборудование при использовании виброзащитных устройств:
•Линейный виброизолятор: максимальное значение виброперемещения составило 0,001 м, а виброскорости 0,03 м/с.
•Виброгаситель с квазинулевой жесткостью: максимальное значение виброперемещения составило 0,0002 м, а виброскорости 0,006 м/с.
Сравнивая значения параметров вибрации (виброперемещения и виброускорения) линейного виброизолятора и виброгасителя с квазинулевой жесткостью становится видно, что более эффективно использование виброгасителя с квазинулевой жесткостью.
В ходе выполнения раздела финансового менеджмента определена чистая текущая стоимость, (NPV), равная 297157,19 руб.; индекс доходности PI=2,12, внутренняя ставка доходности IRR=72%, срок окупаемости РРдск=1,13 года.
В результате выполнения раздела диссертационной работы «Социальная ответственность» выявлено, что фактические значения потенциально возможных факторов соответствуют нормативным значениям.
В результате проведения расчетов параметров вибрации виброгасителя с квазинулевой жесткостью получены параметры вибрации, которые находятся в диапазоне оптимальных значений.
В работе выполнено сравнение результатов математического моделирования процессов воздействия вибрации на технологическое оборудование при использовании виброзащитных устройств:
•Линейный виброизолятор: максимальное значение виброперемещения составило 0,001 м, а виброскорости 0,03 м/с.
•Виброгаситель с квазинулевой жесткостью: максимальное значение виброперемещения составило 0,0002 м, а виброскорости 0,006 м/с.
Сравнивая значения параметров вибрации (виброперемещения и виброускорения) линейного виброизолятора и виброгасителя с квазинулевой жесткостью становится видно, что более эффективно использование виброгасителя с квазинулевой жесткостью.
В ходе выполнения раздела финансового менеджмента определена чистая текущая стоимость, (NPV), равная 297157,19 руб.; индекс доходности PI=2,12, внутренняя ставка доходности IRR=72%, срок окупаемости РРдск=1,13 года.
В результате выполнения раздела диссертационной работы «Социальная ответственность» выявлено, что фактические значения потенциально возможных факторов соответствуют нормативным значениям.