OPERATION MODES OF A DOUBLE CHAMBER PNEUMOSHOCK ABSORBER WITH INCREASED DAMPING

Full Text

Использование пневматических амортизаторов (ПА) с резинокордными оболочками (РКО) в качестве упруго-демпфирующих элементов систем амортизации амортизируемых объектов (АО), в том числе стартовых ракетных комплексов, стимулировало создание нового способа демпфирования колебаний, за счет введенияуправления упругодемпфирующими характеристиками ПА. Применение пассивных ПА однокамерного типа обеспечивает коэффициент поглощения энергии колебаний порядка = 0,1... 0,15 в зависимости от типа ПА и РКО, использование пассивных ПА многокамерного типа с дросселированием обеспечивает коэффициент поглощения энергии колебаний порядка = 0,4...0,6, что является недостаточным для амортизируемых крупногабаритных объектов [1]. Анализ демпфирования колебаний в ПА с позиции термодинамики необратимых процессов показывает, чтокаждый объем ПА может рассматриваться как открытая система с точки зрения обмена массой и внутренней энергией с другим объемом. Такой обмен, в случае применения дроссельных устройств, происходит непрерывно, а в случае применения клапанных устройств - только в определенные промежутки времени периода колебаний АО. Для таких систем теплота dQ, подведенная к газу любого объема ПА из внешней среды, может быть определена следующим образом: dQ = dU - dL - Idm, (1) где U - общая внутренняя энергия объема ПА; L = PdV - обратимая работа деформации рабочего объема ПА; I - удельная энтальпия газа в объеме ПА; dm - бесконечно малое увеличение массы газа в объеме ПА. При любом изменении термодинамического состояния газа в объемах ПА энтропию газа можно разделить на две части: dS = dS1 + dS2, (2) где dS1 - изменение энтропии газа в объемах ПА вследствие массообмена между объемами ПА и теплообмена с окружающей средой; dS2 - приращение энтропии за счет процессов перетеканияи смешивания газов в объемах ПА. Последнее уравнение можно переписать в виде баланса энтропии: dS/dt =dS1/dt + dS2/dt, (3) где dSJdt - поток энтропии; dS2/dt - производство энтропии. Используя для каждого объема ПА обобщенное уравнение Гиббса TdS = dU + PdV - Jdm, (4) где j - термодинамический потенциал газа, после преобразования можно получить выражение для производства энтропии: dS2/dt = [(dQ1/dt + Jdm/dt) (1/Tj, - 1/Ta) - - dm/dt (Jр/Tр - Ja/Ta)], (5) где dQ1 - тепловой поток между объемами ПА; Тр, Тд - абсолютные температуры газов в рабочем и дополнительном объемах ПА. Согласно уравнению (5), для производства энтропии в объемах ПА за счет необратимых внутренних процессов перетекания и смешивания газов, необходимо создать наибольшую разность отношений термодинамических потенциалов к абсолютным температурам. Таким образом, улучшение демпфирующих свойств ПА можно достичь соединением объемов ПА в моменты времени, соответствующие наибольшей разности термодинамических потенциалов газов, отнесенных к их абсолютным температурам. Сформулированным требованиям наиболее полно удовлетворяет ПА с электроклапаном, установленным в перегородке между рабочим и дополнительным объемами [2-5]. Данные ПА относится к устройствам пассивного типа с управляемыми параметрами полуактивного типа. Рассмотрим физические процессы, обуславливающиедиссипацию энергии в ПА с РКО полуактивного типа с управлением процессами перетекания газа между объемами ПА с коммутацией электроклапана только на ходе отбоя за один период свободных колебаний АО (рис. 1, кривая 1). Управление работой электроклапана ПА осуществляется системой управления, содержащей преобразователь линейных перемещений [6]. Схемы ПА (рис. 2 и 3) показаны при статическом положении и в крайних положениях первого периода колебаний АО, имеющих наибольшие амплитуды колебаний (ниже даны термодинамические параметры газа при каждом положе 104 Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева нии АО за первый период колебаний АО при экспериментальных исследованиях варианта ПА с в = 1,5 и АО с массой m = 150 кг). Экспериментальные исследования проводились на специально разработанном стенде [7], исследовался ПА на базе РКО И-10. Рис. 1. Кривые свободных колебаний: 1 - режим коммутации электроклапана на ходе отбоя, 2 - режим коммутации электроклапана на ходах сжатия и отбоя , V Коэффициент р* = —^ равен отношению объемов ^р0 ПА при статическом положении АО: постоянного объема дополнительного пневмоэлемента Уд и переменного объема рабочего пневмоэлемента Vf0. Значение температуры газа Т = Т0 (рис. 2, положение 1). При движении АО вниз объемы ПА сообщены, при этом рабочий объем уменьшается. Состояние термодинамической системы изменяется (рис. 2, положение 2), при этом повышаются давление в объемах ПА до значения Р2 и температура - до значения Т2. Подведенная работа равна площади под кривой 1-2 на рабочей диаграмме (рис. 4). Величина работы сжатия определяется из следующего выражения [8]: Хсж = RM (T2 - ВДк - 1). (6) АО останавливается (рис. 2, положение 2), и за счет накопленной энергии сжатого газа ПУЭ начинается ход отбоя, при этом дополнительный объем закрывается, и часть массы газа изолируется (рис. 2, положение 2'). При движении АО до положения 3 (рис. 2) работу над АО совершает сжатый газ, при этом рабочий объем увеличивается, давление газа в нем падает до значения Р3, что приводит к уменьшению температуры до значения Т3. Подведенная к АО работа равна площади под кривой 2-3 на рабочей диаграмме (рис. 5). Величина работы расширения определяется по следующему выражению [8]: £расш = Rm3* (T'2 - Гз)/(к - 1). (7) В начале следующего хода сжатия (рис. 2, положение 3') объемы ПА снова сообщаются, происходит перемешивание газа с различными параметрами, что ведет к росту давления до значения Р'3 и температуры до значения Т'3, увеличению упругой силы, направ ленной против движения АО. Следующий ход сжатия за счет этого снижается (рис. 1, кривая 1). Диссипация энергии за первый период колебаний АО будет равна разности работ сжатия Хсж1 и расширенИЯ Храсш1: AW1 = Хсж1 - ^расшЪ (8) Полная энергия диссипации за все время работы ПА в режиме затухающих колебаний равна сумме потерь энергии всех колебаний и потерь энергии в РКО: AWZ = AW + AW2 + AW3+ АЖрК. (9) Потери энергии в РКО за время свободных колебаний определялось по методике [9] и равны в нашем случае АЖрк = 20 Дж. Значение работ сжатия и расширения, потери энергии на первом периоде колебаний составляют Хсж1 = RM (Т2 - Гх)1(к - 1) = = 287 0,088 (295,5 - 293)/ 0,41 = 154 Дж; Храсш! = Rm3* (T2 - T3)/(k - 1) = = 287 0,025 (295,5 - 293)/ 0,41 = 44 Дж; AW1 = £сж1 - ^расш1= 154 - 44 = 110 .Цж. Значение этих параметров других периодов колебаний (2-м и 3-м) определялись аналогично. Полная энергия диссипации за все время работы ПА в режиме затухающих колебаний: AWZ = AW1 + AW2 + AW3+ AWw = = 110 + 7,2 + 3,25 + 20 = 140,45 Дж. (10) Рассчитаем изменения потенциальной энергии АО за время работы ПА: AWn = Mg (Z1 - ДзСТ) = =150-9,81- (0,1 - 0,004) = 141,3 Дж. (11) Таким образом, полная энергия диссипации в ПА соответствует изменению потенциальной энергии системы, что подтверждает точность расчетов термодинамических параметров. Значение коэффициента поглощения энергии колебаний ПА определяется как энергия затухания за один цикл колебаний AW1 к максимальному значению потенциальной энергии системы W [10] и равно = AW1/ W = AW1/MgZj = = 110 /150-9,81-0,1 = 110/147 = 0, 75. (12) Улучшить демпфирующие свойства ПА можно при создании перепада давления между объемами ПА не только на ходе отбоя, но и на ходе сжатия. При таком управлении дополнительный объем включается в работу кратковременно в начале каждого хода сжатия и отбоя. Рассмотрим физические процессы, обуславливающие диссипацию энергии в ПА полуактивного типа с управлением процессами перетекания газа между объемами ПА с коммутацией электроклапана на ходах сжатия и отбоя за один период свободных колебаний АО (рис. 1, кривая 2). Схемы ПА (рис. 6 и 7) показаны при статическом положении и в крайних положениях первого периода колебаний АО, имеющих наибольшие амплитуды колебаний (ниже даны термодинамические параметры газа при каждом положении АО за первый период колебаний АО при экспериментальных исследованиях варианта ПА и АО с массой m = 150 кг). 105 Авиационная и ракетно-космическая техника о Статическое положение АО Исходное положение АО tig Сжатие АО tig ,-jV О 1 2 Vpo +VR = 12,510-3 м3 V = 15,5 10-3 м3 V2 = 11,410-3 м3 Ppo = 0,59 МН/м2 Pi = 0,47 МН/м2 Р2 = 0,67 МН/м2 k0 = 20 оС kj = k0 = 20 оС k2 = 22,5 оС me = 0,088 кг m1 = 0,088 кг m2 = 0,088 кг Рис. 2. Положение АО за первый полупериод свободных колебаний Отбой Открытие клапана 3скрытие клапана V'2 = 3,910-3 м3 P2 = 0,67 МН/м2 г2 = k2 = 22,5 оС m'2 = 0,025 кг Рис. 3. Положение АО за второй полупериод свободных колебаний Рис. 4. Рабочая диаграмма ПА на ходе сжатия 106 Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева 08 0.7 0.6 0.5 ОА 0.3 0.2 0.1 Р.мн/м' 2 l\ От 5ой cm :: h : / 1 ш 1 ...... 12 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 % 15 16 V-10~W Рис. 5. Рабочая диаграмма ПА на ходе отбоя Vpo +V, = 12,510-3 м3 V = 810-3 м3 V2 = 4,52 10-3 м3 Ppo = 0,59 МН/м2 Pi = 0,47 МН/м2 Р2 = 0,82 МН/м2 Т0 = 20 оС T = Т0 = 20 оС Т2 = 24,2 оС m0 = 0,088 кг m1 = 0,056 кг m2 = 0,056 кг Рис. 6. Положение АО за первый полупериод свободных колебаний V'2 + Vд = 1210-3 м3 V''2 = 4,52 10-3 м3 V3 = 5,54 10-3 м3 Р'2 = 0,53 МН/м2 Р''2 = 0,53 МН/м2 Р3 = 0,4 МН/м2 T'2 = 22,6 оС T''2 = 22,6 оС Т3 = 20,8 оС m'2 = 0,088 кг m''2 = 0,032 кг m3 = 0,032 кг Рис. 7. Положение АО за второй полупериод свободных колебаний 107 Авиационная и ракетно-космическая техника Рабочие диаграммы для данного периода представлены на рис. 8 и 9. Подъем АО в исходное положение (рис. 6, положение 1) осуществлялся с сообщающимися объемами ПА. Рис. 8. Рабочая диаграмма ПА на ходе сжатия Р,мн/м! / L Ыо и 'em - 3 <-< - / 1 1 2 3 k 5 6 7 8 9 10 11 12 13 П 15 16 V-10~3,n' Рис. 9. Рабочая диаграмма ПА на ходе отбоя В начале движения объекта вниз от исходного положения (ход сжатия) дополнительный объем ПА закрывается. Отсечка дополнительного объема ПА и уменьшение на ходе сжатия рабочего объема (рис. 8) приводит к резкому возрастанию давления в рабочем объеме от Р1 до Р2 и температуры от Т1 до Т2 . Резкое возрастание давления в рабочем объеме ПА уменьшает ход сжатия (рис. 1, кривая 2). В начале хода отбоя при dz/dt = 0 дополнительный объем на короткий отрезок времени (по экспериментальным данным - = 0,1 с) сообщается с рабочим объемом (рис. 7, положение 2') и снова отсекается (рис. 7, положение 2"). Выравнивание давления в объемах ПА от Р2 до Р2" приводит к уменьшению упругой силы, действующей на АО в конце хода сжатия, и к диссипации энергии за счет разгона потока воздуха, торможения и интенсивного перемешивания. Работа, совершаемая АО над газом, будет равна площади под кривой 1-2 на рабочей диаграмме (рис. 8). В начале хода отбоя дополнительный объем закрывается. Работа расширения будет равна площади под кривой 2" -3 на рабочей диаграмме (рис. 9). Диссипация энергии в ПА за первый период колебаний АО равна разности этих работ: Ьсж1 = RM (Т2 - Т0/(* - 1) = =287 0,056 (297,2 - 293)/ 0,41 = 164,64 Дж; (13) £расш1 = Rm3* (Т2 - T3 )/(k - 1) = =287 0,032 (295,6 - 293,8)/ 0,41 = 40,3 Дж; (14) AWi = £сж1 - £расш1 = 164,64 - 40,3 = 124,34 Дж. (15) Максимальный коэффициент поглощения энергии ПА за период колебаний [10] примерно составляет: = AW1/ W = AW1/MgZx = = 124,34 /150-9,81-0,1 = 124,34 /147 = 0,85. (16) За счет создания перепада давления между объемами ПА на ходе сжатия и отбоя с последующим выравниванием давления в объемах в начале каждого хода обеспечивается увеличение коэффициента поглощения энергии ПА по сравнению с ранее рассмотренным способом управления ПА примерно на « 10 %. Расхождение между экспериментальными и расчетными значениями коэффициента поглощения энергии исследуемого ПА (рис. 2), выполненными по математической модели [11], не превышают 10-15 %. Таким образом, путем управления процессами перетекания газа между объемами двухкамерного ПА в крайних положениях на периоде колебаний АО, имеющих наибольшие амплитуды колебаний, можно существенно улучшить его демпфирующие свойства (^w = 0,75...0,85) по сравнению с пассивными ПА (^w = 0,1.0,15). Данный подход служит методологией создания ПА с улучшенными параметрами демпфирования колебаний, что может являться основой модернизации штатных неуправляемых систем амортизации крупногабаритных объектов без использования дополнительных отдельных демпферов.

About the authors

R. N. Khamitov

Email: apple_27@ mail.ru

G. S. Averyanov

A. A. Perchun

References

Supplementary files