3.2. Вынужденные колебания

Предположим теперь, что на систему (рис. 3.3, а) действует вертикальная периодическая сила Р sin ωt. Если направление этой силы проходит через центр тяжести, то колебания будут чисто прямолинейными, без поворота массы. Если же Р sin ωt смещена относительно тяжести (рис. 3.3, б), то можно приложить в центре тяжести две равные и противоположно направленные силы Р sin ωt и заменить действие смещенной возбуждающей силы силой Р sin ωt, приложенной в центре тяжести, и моментом Рb sin ωt. В этом случае уравнения (3.10) заменяют неоднородными уравнениями, в правой части которых будет сила Р sin ωt и соответственно момент Рb sin ωt. Поскольку уравнения эти независимы, решение их ничем не отличается от решения уравнения (2.22) и аналогично ему, в которое вместо m входит J и вместо силы Р sin ωt момент Рb sin ωt.

Очевидно, сила, смещенная относительно центра тяжести, будет вызывать сложное движение. Когда частота возбуждения ω станет равной ω_с1, наступит резонанс вертикальных колебаний, и по сравнению с перемещениями K´x_ст, где коэффициент усиления К´ может быть очень велик, далекие от резонансных углы поворота φ будут лишь немного отличаться от φ_ст. Движение будет почти чисто прямолинейным колебанием вверх-вниз. Наоборот, при ω = ω_с2 балка будет практически только качаться на значительный угол K´φ_ст, в то время как центр тяжести останется почти неподвижным. Из этого рассуждения ясно, что выгодно иметь такую систему, в которой частоты различных видов колебаний не связаны между собой [независимые уравнения (3.10)]; даже в том случае, если возбуждающая сила создает колебания обоих видов, при отсутствии связи между ними практически придется бороться с каждым из них в отдельности, избегая резонансов или устраняя их иными мерами в двух сравнительно узких зонах частот возбуждения.

Система на рис. 3.3, а представляет собой грубое подобие кузова автомобиля на рессорах. Вертикальные колебания кузова, кинематически возбужденные проходом колес по неровностям, называют подпрыгиванием, колебания вокруг центра тяжести – галопированием.

Контрольные вопросы

1. Схематично изобразить колеблющиеся системы с двумя массами.

2. Как осуществляется сложение крутильных жесткостей вала с двумя отрезками вала и более?

3. Как осуществляется сложение жесткостей при параллельном расположении упругих элементов?

4. Получить частотное уравнение крутильной системы с двумя массами.

5. Как получить формулы для определения собственных частот колебаний для механических систем с двумя степенями свободы?

ЧАСТЬ ВТОРАЯ

ВИБРАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ТРАНСПОРТНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИНАХ

4. Вибрация и способы ее снижения

4.1. Общие сведения

Необходимо отметить, что в подавляющем большинстве случаев вибрация и шум взаимосвязаны. Виброакустические процессы в машинах, вызывающие повышенные колебания конструкционных элементов, – явление не новое, но лишь с начала второй половины XX столетия при разработке перспективных моделей стали учитывать негативное воздействие виброакустических процессов на окружающую среду и оператора. Эта проблема возникла как результат озабоченности специалистов о поддержании безопасной и надежной работы на сложившемся к этому времени уровне развития средств транспорта и транспортных систем.

К настоящему времени накоплен большой положительный опыт по снижению вибрации на путевых, строительных и дорожных машинах. В частности, значительная работа по снижению вибрации проведена на машиностроительных заводах СССР и России. НПО «ВНИИСтройдормаш» внесло крупный вклад в разработку снижения вибрации и шума различных строительных и дорожных машин. В данном НПО разработаны и внедрены в производство виброзащитные сиденья для операторов, виброизоляторы, звукоизолирующие капоты и другие. В НПО «ВНИИземмаш» разработаны звукоизолирующие кабины мелиоративных машин.

В 60-70-х годах прошлого века рядом институтов: ЛИИЖТ, МИИТ, ВНИИСтройдормаш и других – разработаны и внедрены в практику различные нормативно-технические материалы.

Значительные успехи в теории и практике борьбы с виброакустическими явлениями достигнуты в авиастроении, судостроении, автомобилестроении, промышленном и гражданском строительстве.

Большой опыт по уменьшению вибрации на строительных и дорожных машинах накоплен в Германии, Соединенных Штатах Америки, Франции, Японии и других.

Ведущими фирмами по производству бульдозеров, погрузчиков, автогрейдеров, скреперов, такими, как Катерпиллер, Кейс, Камацу, Фаун Уникеллер и другими, разработаны новые кабины с высокой виброакустической защитой, сиденья для операторов. Ими проведена большая работа по уменьшению вибрации в источниках.

Влияние вибрации на здоровье человека разнообразно. Существует много определений состояния здоровья, но наиболее точным, на наш взгляд, является определение, данное Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ): «Здоровье является состоянием полного физического, психического и социального благополучия, а не просто состоянием отсутствия болезни и слабости».

Известно, что длительное воздействие вибрации может вызвать целый ряд физиологических изменений в организме человека – сердечнососудистые, желудочно-кишечные, костно-мышечные и т.д. Однако нет строгого доказательства того, что только лишь вибрация является причиной этих заболеваний. Присущая методике исследований трудность выделения шума и вибрации на здоровье человека остается.

Но, без сомнения, вибрация является одним из наиболее неблагоприятных факторов условий труда на землеройно-транспортных машинах (ЗТМ). Под влиянием вибрации в организме человека наступают различные органические и функциональные изменения, особенно в кровеносных сосудах, в центральной и вегетативной нервной системах, в мозге, костно-суставной системе и в мышцах.

Воздействие общей вибрации на центральную нервную систему приводит к нарушению равновесия между возбуждением и торможением. Под действием вибрации работники становятся раздражительными, быстро устают, у них появляется сонливость или бессонница, уменьшается трудоспособность, увеличивается время выполнения производственных заданий, возрастает время реакции.

Под влиянием общей вибрации увеличиваются энергетические затраты. Например, при движении автомобиля со скоростью 20 км/ч энергозатраты водителя составляют 57 %, а при скорости 75 км/ч – 75 %. Увеличение энергозатрат зависит от частоты общей вибрации, а также от положения тела (сидя или стоя) исследуемых, находящихся под действием вибрации. Изменение уровня обмена веществ зависит от времени воздействия общей вибрации (стажа работы в этих условиях). В течение первого года уровень обмена веществ снижается на 12,9 % по сравнению с нормой, при стаже работы в условиях общей вибрации от одного до трех лет он увеличивается по сравнению с нормой на 12 %, а при стаже от трех до шести лет – на 22,6 %.

Влияние вибрации зависит от спектрального состава, направления, места приложения и продолжительности действия. Продолжительные колебания с частотой 3-5 ГЦ вредно отражаются на вестибулярном аппарате, сердечнососудистой системе и вызывают синдром укачивания.

Отмечено, что, по данным исследований ФРГ, тракторист тратит до 60 % энергии на управление трактором, 40 % - непроизводительно в процессе сидения. В США на 85 % тракторов водители недоиспользовали 35 % мощности двигателя, чтобы не ухудшать условия работы из-за вибрации. По результатам этих обследований 72 % трактористов страдали дефектами позвоночника.

Социальное значение проблемы борьбы с вибрацией в первую очередь заключается в улучшении условий труда и отдыха. Снижение шума и вибрации до нормы увеличивает производительность труда на 10-15 %.

Уровень вибрации характеризует степень отработанности конструкции и ее потребительские качества.