Г л а в а 7

ВИБРОАКТИВНОСТЬ И ВИБРОЗАЩИТА МАШИН

Создание высокопроизводительных машин и скоростных транспорт­ ных средств, форсированных по мощностям, нагрузкам и другим рабо­ чим характеристикам, неизбежно приводит к увеличению интенсивности и расширению спектра вибрационных и виброакустических полей. Этому способствует также широкое использование в промышленности и строи­ тельстве новых высокоэффективных машин, работающих на основе виб­ рационных и виброударных процессов. Вредная вибрация нарушает пла­ нируемые конструктором законы движения машин, механизмов и систем управления, порождает неустойчивость рабочих процессов и может вы­ звать отказ и полную расстройку всей системы. Вибрации приводят к увеличению динамических нагрузок в элементах конструкций (кинемати­ ческих парах механизмов, стыках и др.), в результате чего снижается не­ сущая способность деталей, развиваются трещины, возникают усталост­ ные разрушения. Под действием вибрации могут измениться внутренняя и поверхностная структура материалов, трение и износ на контактных поверхностях деталей машин, что может вызвать нагрев конструкций.

Вибрация порождает шум, являющийся важным экологическим по­ казателем среды обитания человека, оказывает и непосредственное влия­ ние на человека, снижая его функциональные возможности и работоспо­ собность. Поэтому особое значение приобретают методы и средства оцен­ ки виброактивности и уменьшения уровня вибрации. Совокупность таких методов и средств принято называть виброзащитой.

7.1. Источники колебаний и объекты виброзащиты

При постановке задач виброзащиты в исследуемой меха­ нической системе обычно выделяют две подсистемы: И и О (рис. 7.1), соединенные между собой связями С. Подсисте­ му И, в которой непосредственно происходят физические про­ цессы, вызывающие колебания, называют источником коле­ баний. Подсистема О представляет ту часть механической

системы, колебания в которой требуется уменьшить, ее на­ зывают объект ом виброзащи­ ты. Силы, возникающие в свя­

Рис. 7.1 зях С, соединяющих объект с источником колебаний, и вызывающие колебания объекта, на­ зывают силовыми (динамическими) воздействиями. Силовые воздействия характеризуются функциями времени составляю­ щих сил F(t) (рис. 7.2, а) или моментов сил М (/), действующих на объект.

Рассмотрим некоторые характерные примеры: двигатель (турбина, генератор, двигатель внутреннего сгорания, любой роторный двигатель), установленный на фундаменте, имеет неуравновешенный ротор. Здесь источником колебаний явля­ ется ротор, а объектом виброзащиты — корпус двигателя, ди­ намические воздействия представляют собой динамические ре­ акции опор ротора. Основная функция виброзащиты — умень­ шение колебаний корпуса двигателя, вызванных неуравнове­ шенностью ротора. При решении задачи о защите человекаоператора от вибрации, например при его работе на автомо­ биле или тракторе, стремятся уменьшить колебания шасси со всеми установленными на нем агрегатами, кабины водителя или только сиденья. В каждом случае объект, источник и ди­ намические воздействия будут определяться по-разному.

Иногда бывают заданы не динамические воздействия, а перемещения точек крепления связей к источнику. Такие воз­ действия называют кинематическими, и они характерны Для кулачковых механизмов, зубчатых передач и транспортных машин при их движении по неровной поверхности дорог. Ки­ нематические воздействия характеризуются ускорениями я(0

а

Рис. 7.3

точек источника колебаний, связанных с объектом виброзащи­ ты (рис. 7.2, б) их скоростями v(t) и перемещениями s(t).

Силовые и кинематические воздействия часто объединя­ ются общим термином — механические воздействия.

Механические воздействия принято подразделять на три класса: линейные перегрузки; вибрационные воздействия; ударные воздействия.

Линейными перегрузками называют кинематические воз­ действия, возникающие при ускоренном движении источника колебаний. Наиболее значительные линейные перегрузки воз­ никают на транспортных машинах, в особенности на лета­ тельных аппаратах, при увеличении скорости, торможении, а также при различных маневрах (виражи, разворот и т.д.). Основными характеристиками линейных перегрузок являют­ ся постоянное ускорение ао (рис. 7.3) и максимальная скорость изменения ускорения da/dt.

Вибрационные воздейст вия (кинематические и силовые) являются колебательными процессами.

Колебательные процессы можно классифицировать следу­ ющим образом.

Свободные колебания. Колебания, которые соверша­ ются при отсутствии переменного внешнего воздействия и без поступления энергии извне, называют свободными колебания­ ми. Они происходят за счет первоначально накопленной энер­ гии, величина которой определяется перемещениями и скоро­ стями, заданными системе в некоторый начальный момент времени. Свободные колебания могут происходить лишь в ав­ тономных системах.

Вынужденные колебания. Колебания, вызванные пе­ ременным внешним воздействием, называют вынужденными колебаниями. Они характерны для неавтономных систем.

Параметрические колебания. Колебания называют параметрическими, если они вызываются изменением во вре­ мени параметров системы. Такие колебания возможны лишь в нестационарных системах.

Автоколебания (самовозбуждающиеся колебания). Колебания называют самоеозбуждающимися, или автоколе­ баниями, если они возникают и поддерживаются от источни­ ка энергии неколебательной природы, причем этот источник включен в систему. Поступление энергии регулируется дви­ жением системы. Параметры установившихся автоколебаний в существенной степени определяются нелинейными свойства­ ми системы.

В зависимости от того, описываются колебания на основе детерминистической или стохастической (вероятностной) мо­ дели, различают детерминированные, случайные и хаотиче­ ские колебания.

Случайные колебания. Колебания называют случай­ ными, если внешние воздействия и/или параметры системы являются случайными функциями времени (случайными про­ цессами) или случайными величинами.

Детерминированные колебания. Колебания назы­ вают детерминированными, если случайные составляющие внешних сил относительно малы по сравнению с основными, детерминированными составляющими.

Хаотические колебания. Колебания в детерминисти­ ческой системе называют хаотическими, если в результате накопления малых возмущений они приобретают запутанный характер и становятся похожими на случайные колебания.

В колебательных системах возможны процессы смешанно­ го характера, которые представляют собой результат наложе­ ния свободных колебаний, колебаний, возбуждаемых внешни­ ми воздействиями, параметрически возбуждаемых колебаний и колебаний, возбуждаемых внутренними источниками энер­ гии.

*(0i

Вибрационные воздействия подразделяют на стационар-

ные, нестационарные и случайные. Простейшим видом стаци­ онарного вибрационного воздействия является гармоническое. Гармоническими называют периодические процессы, которые могут быть описаны функцией времени:

где Хо — амплитуда; и>о — частота; ф — начальная фаза; t — время.

При анализе гармонического процесса часто пренебрега­ ют начальной фазой и уравнение (7.1) записывают в виде

Выражение (7.2) может быть представлено графически в функции времени (рис. 7.4, а) или в виде амплитудно-частот­ ной характеристики — частотного спектра (рис. 7.4, б). Вре­ мя, в течение которого совершается одно полное колебание материальной точки, называют периодом Т Частота и пе­ риод связаны соотношением Т = 2п/ио- Частотный спектр характеризуется одной составляющей амплитуды на данной частоте. Такой спектр называют еще дискретным или линей­ ным. К числу примеров колебательных систем, находящихся под воздействием гармонических сил, можно отнести вибрации несбалансированного ротора, поршневых машин, неуравнове­ шенных рычажных механизмов, а также вибрации, вызванные электромагнитными полями, и др.

В машинах, содержащих цикловые механизмы, при уста­ новившемся движении возникают периодические механические

Часто в таких системах можно пренебречь влиянием всех гармоник, кроме одной, и считать воздействие гармоническим. Это возможно в тех случаях, когда одна из гармоник (обычно первая) превалирует над остальными или когда одна из гар­ моник является резонансной для данного объекта.

Вибрационные возбуждения, с которыми приходится иметь дело на многих современных технических объектах, обычно являются полигармоническими, что вызвано существо­ ванием большого числа независимых источников вибрации и нерегулярностью некоторых физических процессов (например, процессы горения в реактивном двигателе, обтекание тел тур­ булентным потоком, взрывные и ударные процессы).

Такие вибрационные процессы могут быть представлены в виде суммы бесконечного (или конечного) числа к гармони­

где Х 0 = Х к = yja2k + bj[; фк = arctg(ajt/6jt), к = 1 ,2 ^ ...

Из анализа формулы (7.5) следует, что полигармонический процесс состоит из постоянной компоненты X Q и бесконеч­ ного (или конечного) числа синусоидальных компонент, назы­ ваемых гармоническими, с амплитудами и начальными фа­ зами фк. Частоты всех гармоник кратны основной частоте Как правило, виброизолируемые объекты подвергаются имен­ но полигармоническому возбуждению, и поэтому описание ре­ альных процессов простой гармонической функцией оказыва­ ется недостаточным. В действительности, когда тот или иной процесс относят к типу гармонических, имеют в виду только приближенное представление процесса, который на самом де­ ле является полигармоническим. Так, например, спектры виб­ раций машин наряду с основной рабочей частотой содержат интенсивные гармонические составляющие кратных частот.

Нестационарные вибрационные воздействия возбуждают­ ся чаще всего переходными процессами, происходящими в ис­ точниках. Например, силовое воздействие на корпус двигателя с неуравновешенным ротором, возникающее при разгоне, мо­

где u(t) — закон изменения угловой скорости ротора. Диапазон, в котором располагаются частоты полигармо-

нических воздействий, возникающих в современных техни­ ческих объектах, широк. Полигармонические воздействия, охватывающие диапазон, превышающий несколько октав (^max/^min > Ю), называют широкополосными; если ширина диапазона мала по сравнению со средней частотой процесса, воздействие называют узкополосным. Узкополосные воздей­ ствия проявляются в форме биений. При решении задач вибро­ защиты учет ширины полосы механических воздействий имеет первостепенное значение. В частности, от широкополосности воздействия зависит выбор динамической модели (расчетной схемы) защищаемого объекта; она должна выбираться с таким расчетом, чтобы были учтены собственные частоты объекта, расположенные в полосе спектра воздействия.

Высокочастотные вибрационные воздействия могут пере­ даваться объекту не только через элементы механических со­ единений его с источником, но и через окружающую среду

(воздух, воду). Такие воздействия, называемые акустически­ ми, оказываются особенно интенсивными на современных ре­ активных летательных аппаратах. Интенсивность акустиче­ ских воздействий характеризуется звуковым давлением аку­ стического поля и интенсивностью звука — отношением пада­ ющей звуковой мощности к площади этой поверхности. Связь между абсолютным и относительным звуковым давлением вы­ ражается формулой

р = р0Ю£>/20)

где р — звуковое давление, Па; D — относительное звуко­ вое давление, дБ; ро — пороговое давление, соответствующее D —0; обычно р = 2 10“ 5 Па.

Примерные значения амплитуд отдельных гармоник полигармонических кинематических воздействий, лежащих в различных частотных диапазонах, следующие:

Случайные вибрационные возбуждения зачастую не являются полностью предсказуемыми, подобно гармоническо­ му или полигармоническому возбуждению. Например, такие процессы, как аэродинамический шум струи газа, пульсация жидкости при ее движении в трубопроводе, вибрации плат­ формы, на которой установлено несколько агрегатов, вибра­ ции, обусловленные шероховатостями пар трения, являются по своей природе стохастическими. Эти процессы трудно аппрок­ симировать регулярными функциями. Стохастический сигнал не может быть представлен графически наперед заданным, так как он обусловлен процессом, содержащим элемент случайно­ сти.

Ударными называют кратковременные механические воздействия, в которых максимальные значения сил являются весьма большими. Функцию, выражающую зависимость силы, момента силы или ускорения при ударе от времени, называют формой удара. Основными характеристиками формы являют­ ся длительность удара и его амплитуда — максимальное зна­ чение механического воздействия при ударе.

Возбуждения кинематического ударного типа возникают при резких изменениях скорости движения источника (напри­ мер, при посадке самолета, запуске ракеты, наезде колеса ав­ томобиля на глубокую выбоину, при сопряжении зубьев зубча­ тых колес и т.п.). Часто эти явления сопровождаются возник­ новением колебаний конструкций источника и возбуждением вибрационных воздействий.

В некоторых случаях ударное воздействие можно рассмат­ ривать как классический удар, сводящийся к «мгновенному» изменению скорости движения источника или к приложению «мгновенных» сил и моментов. В этих случаях

x(t) = Aq6(t),

где Aq — приращение скорости, импульс силы или момента силы за время удара. Использование такого представления до­ пустимо лишь в тех случаях, когда продолжительность удара существенно меньше наименьшего из периодов собственных ко­ лебаний объекта. В остальных случаях необходимо учитывать форму удара, которая обычно определяется непосредственны­ ми измерениями в натурных условиях.

7.2. Влияние механических воздействий на технические объекты и человека

Рассмотрим, как влияют механические воздействия на различные технические объекты (машины, приборы, аппара­ ты) и человека.

1.Действие линейных перегрузок эквивалентно статиче­ скому нагружению объекта. В некоторых случаях, главным образом при наличии в объекте соединений с силовым замы­ канием, действие линейной перегрузки может вызвать нару­ шение нормального функционирования системы (размыкание пружины электрических контактов, ложные срабатывания ре­ лейных устройств и т.п.).

2.Наиболее опасными для технических объектов оказы­ ваются вибрационные воздействия. Знакопеременные напря­ жения, вызванные вибрационными воздействиями, приводят

кнакоплению повреждений в материале, что обусловливает

появление усталостных трещин и разрушение. Кроме уста­ лостных напряжений в механических системах наблюдаются и другие явления, вызываемые вибрациями, например посте­ пенное ослабление («разбалтывание») неподвижных соедине­ ний. Вибрационные воздействия вызывают малые относитель­ ные смещения сопряженных поверхностей в соединениях дета­ лей машин, при этом происходит изменение структуры поверх­ ностных слоев сопрягаемых деталей, их износ и, как результат, уменьшение силы трения в соединении, что вызывает измене­ ние диссипативных свойств объекта, смещает его собственные частоты и может вызвать резонансные режимы.

Если в механизме имеются подвижные соединения с зазо­ рами (например, кинематические пары в механизмах), вибра­ ционные воздействия могут вызвать соударения сопрягаемых поверхностей, приводящие к их разрушению и генерированию шума. В большинстве случаев разрушение объекта при виб­ рационных воздействиях связано с возникновением резонанс­ ных явлений. Поэтому при полигармонических воздействиях наибольшую опасность представляют те гармоники, которые могут вызвать резонанс объекта.

3.Ударные воздействия также могут являться причиной разрушения объекта. Часто повреждения, вызываемые уда­ ром, носят характер хрупких разрушений. Однако многократ­ ные удары могут приводить и к усталостным разрушениям, особенно в тех случаях, когда периодическое ударное воздей­ ствие оказывается способным вызвать резонансные колебания объекта.

4.Вибрационные и ударные воздействия, не вызывая раз­

рушений объектов, могут приводить к нарушению их нормаль­ ного функционирования. Например, вибрации металлорежу­ щих станков и другого технологического оборудования, вы­ званные действием различных источников, приводят к сниже­ нию точности и чистоты обработки, а также к другим нару­ шениям технологических процессов.

Механические воздействия существенно влияют на точ­ ность приборов, устанавливаемых в системах управления дви­ жением и служащих для измерения параметров движений. На­ пример, цод действием вибраций и ударов резко увеличивается

«уход» гироскопических приборов, а следовательно, и ошибка измерений; приборы, содержащие измерительное устройство маятникового типа, обнаруживают склонность к смещению ну­ левого положения.

Нарушение функционирования объекта, не связанное с разрушениями или с другими необратимыми изменениями, называют отказом. Способность объекта не разрушаться при механических воздействиях называют вибропрочностъю, а способность нормально функционировать — виброустойчиво­ стью. Цель виброзащиты технических объектов — повышение их вибропрочности и виброустойчивости.

5. Вибрация, возникающая при работе машин различных типов и оборудования, оказывает вредное влияние на людей, находящихся вблизи источника вибрации или в непосредствен­ ном контакте с ним. Вибрация вызывает нарушения физиоло­ гического и функционального состояния человека-оператора. Стойкие физиологические изменения называют вибрационной болезнью. Функциональные нарушения могут выражаться в ухудшении зрения, изменении реакции вестибулярного аппа­ рата (нарушение координации движений; возникновение гал­ люцинаций, относящихся к ориентации тела, и т.п.), а также

кбыстрой утомляемости.

Впервую очередь вибрация оказывает вредное влияние на рабочих, использующих ручные механизированные инструмен­ ты, на персонал, обслуживающий вибрационные машины (ви­ бромолоты, виброштамповки свай, труб и т.п., виброконвей­ еры, виброкатки, виброуплотнители, вибросепараторы, виб­ раторы жидкого металла, средства вибрационной очистки и т.д.), а также многие строительные, дорожные и сельскохозяй­ ственные машины (бульдозеры, грейдеры, скреперы, тракто­ ры, комбайны и т.д.). В несколько меньшей степени действие вибрации обычно испытывает персонал, связанный с работой машин и механизмов, содержащих неуравновешенные движу­ щиеся элементы, а также с работой всех видов транспортных средств. В перечисленных случаях возникает необходимость ограничения вредного воздействия вибрации на человека. До­ пустимые для человека динамические воздействия регламен­ тируются санитарными нормами и правилами. Создание эф­ фективных методов и средств индивидуальной и комплексной