Введение

Механические колебания (вибрация) используют во многих областях строительства, промышленности, транспортно-технологических работах и других. Существуют вибрационные транспортеры для перемещения сыпучих тел, вибраторы для погружения свай, специальные катки и вибраторы для уплотнения грунта, основания, фундаментов, уложенного бетона, вибрационные грохоты для просеивания различных материалов и т.д. Но механические колебания постоянно возникают и там, где они мешают правильной работе машин, неприятны для людей и даже опасны, так как могут вызвать различные заболевания человека и повреждения машин или конструкций. Примеры таких колебаний каждый специалист наблюдал в своей области: колебания клапанных пружин, нарушающие моменты газораспределения в двигателе; дрожание пола и дребезжание оконных стекол вследствие работы двигателя неподалеку от здания; тряска на сидении транспортно-технологических машин, когда двигатель работает на малых оборотах. Нередко эти колебания становятся разрушительными: от крутильных колебаний ломаются коленчатые валы, сильные колебания разрушают клапанные пружины, в стенах зданий от распространяющихся через грунт сотрясений образуются трещины.

Специалисты по шуму и вибрации приходят на помощь с измерительными приборами, записывают колебания и шум, анализируют полученные данные и после расчетов колеблющейся системы дают рекомендации, как устранить вибрацию, шум и неприятные или вызывающие поломки колебания. Часто эти рекомендации оказываются легко выполнимыми, но иногда требуется коренная переделка конструкции. Чтобы произвести такие расчеты, нужно гораздо больше материала, чем можно поместить в этой небольшой книге, но чтобы найти общий язык со специалистами по шуму и вибрации, научиться понимать требования к конструкции, а иногда и к производству и эксплуатации, достаточно знать основы теории и уметь вместе со специалистом читать записи шума и колебаний. Этот минимум теоретических знаний о механических колебаниях и шуме, а также описание ряда пояснительных примеров из практики и составляют содержание учебного пособия.

В основе представленного учебного пособия лежат классические труды известных советских и российский ученых в области борьбы с вибрацией и шумом транспортно-технологических машин Н.И. Иванова, А.Е. Колесникова, Н.И. Левитского, А.С. Никифорова, Г.Л. Осипова, К.В. Фролова, Е.Я. Юдина и других.

Материал учебного пособия разделен на четыре части: 1. Общие методы динамики механизмов; 2. Вибрационные процессы в транспортно-технологических машинах; 3. Инженерная акустика; 4. Прогнозирование виброакустических характеристик машин с использованием метода конечных элементов. Нумерация разделов и подразделов сквозная, так обозначены 21 раздел и 87 подразделов. Пособие содержит заключение, библиографический список, контрольные вопросы, три приложения и краткие сведения об авторе.

Материал подобран таким образом, чтобы по мере освоения более простых терминов, определений и закономерностей можно было бы осваивать более углубленные понятия, теории и рекомендации для использования их на практике в борьбе с вибрацией и шумом транспортно-технологических машин.

Для улучшения освоения материала в пособии приведено достаточное количество расчетных схем, графиков, диаграмм, фрагментов векторной анимации и таблиц.

В соответствии с учебными планами и рабочими программами по дисциплинам «Снижение виброакустических характеристик подъемно-транпортных, строительных и дорожных машин» для магистрантов, обучающихся по направлению 23.04.03 (190100) «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов»; «Теория колебаний машин и механизмов», для студентов, обучающихся по направлению 190109.65 «Наземные транспортно-технологические средства», поставлена цель обобщить и систематизировать известные материалы, необходимые обучающимся для освоения компетенций, связанных с созданием новых, модернизацией существующих и эксплуатацией виброшумобезопасных транспортно-технологических, строительных и дорожных машин, а также для аспирантов, обучающихся по направлению 05.05.04 «Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины»; «Теория колебаний и виброакустическая защита транспортно-технологических систем».

ПРОБЛЕМЫ СНИЖЕНИЯ НЕГАТИВНОГО ВЛИЯНИЯ

ВИБРОАКУСТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ НА СИСТЕМУ

ЧЕЛОВЕК – МАШИНА – СРЕДА

Открывая в 1974 г. II Всероссийский симпозиум, посвященный влиянию вибрации на организм человека и проблемам виброзащиты, академик А.А. Благонравов отметил, что чем более совершенными становятся технические средства, с помощью которых человек всё полнее и многообразнее использует силы и явления природы, тем всё более острыми становятся вопросы, порожденные неизбежным появлением отрицательных сторон влияния технических средств на природу и человека.

В процессе создания новых и совершенствования существующих машин внедряются всё новые достижения науки, что кардинально изменяет свойства машин, повышает и интенсифицирует их характеристики.

Процесс создания новых видов техники с форсифицированными рабочими параметрами по скорости, мощности, нагрузкам неизбежно приводит к росту интенсивности вибрационных и акустических полей. Темпы этого роста опережают темпы создания новых методов и средств, обеспечивающих снижение уровней вибрации до безопасных значений.

Несмотря на значительные успехи, достигнутые в последние десятилетия в деле устранения опасных и вредных вибраций, действующих как на человека, так и на элементы конструкций машин, и в настоящее время эта проблема остается одной из наиболее острых, важных и актуальных.

В агрегатах, механизмах и узлах транспортно-технологических машин амплитуды и частоты действующих сил носят периодический, непериодический, импульсный, ударный и случайный характер. Уход от опасных резонансных режимов и снижение уровня колебаний в реальных конструкциях представляют важную научную проблему.

Взаимодействие человека – оператора с новейшими высокопроизводительными и быстроходными машинами с учетом воздействия вибрационных и акустических полей связано со здоровьем людей, с нормализацией условий трудовой деятельности человека, разработками рационального развития труда и отдыха, что имеет большое социально-экономическое значение. В этой связи Институтом машиноведения им. А.А. Благонравова ещё в конце XX века были определены задачи:

во-первых, исследования биотехнических систем «человек – машина» с точки зрения возрастающих вибрационных воздействий;

во-вторых, исследования в области виброакустической динамики машин;

в-третьих, решения теоретических и практических вопросов, связанных с созданием робототехнических систем.

Дальнейшее изучение и развитие проблем вибрации в различных аспектах позволит решить задачи оптимизации виброакустической защиты систем «человек – машина – среда» и ряд существенных проблем виброакустической диагностики машин и механизмов, использования вибрации в технологических процессах и других.

ЧАСТЬ ПЕРВАЯ

ОБЩИЕ МЕТОДЫ ДИНАМИКИ МЕХАНИЗМОВ