Крутильні коливання. Способи боротьби з ними

У двигунах внутрішнього згорання доводиться стикатися з явищем крутильних коливань валів. Крутильні коливання мають місце в усіх дизелях тепловозів. Якщо ці коливання погрожують міцності колінчастого валу в робочому діапазоні частоти обертання валу, то застосовують антивібратори і демпфери. Їх розміщують на вільному кінці колінчастого валу, т. е. там, де виникають найбільші крутильні коливання. Перш ніж розповісти, як вони працюють, познайомимося з основними поняттями про коливання взагалі.

Це явище спостерігається, коли обурююча сила прикладається до вантажу з частотою, рівної частоти власних коливань вантажу.

В ізьмемо відносно довгий пружний стержень, жорстко укріплений в стіні, з крутнем, що сидить на його протилежному кінці(мал. 60); нехай вал підтримується підшипником. Прикладемо до крутня момент, що обертає, закрутимо пружний стержень(він має невеликий діаметр) поворотом крутня на деякий кут(2-3°), а потім відпустимо його. Крутень почне здійснювати вільні або власні коливальні рухи під дією сил пружності матеріалу стержня і сил інерції крутня подібно до маятника. На відміну від коливань маятника ці коливання називаються крутильными. До крутня прикладатимемо момент, що обертає, зі змінною частотою. Тоді при частоті, рівній частоті власних коливань крутня, настане резонанс. При резонансі навіть порівняно незначна сила може викликати коливання з надзвичайно великою амплітудою.

Мал. 60. Схема маховика на стержні Мал. 61. Резонансна крива

А це вже небезпечно, оскільки деталі випробовуватимуть величезну напругу, що може привести до їх поломки. На мал. 61 представлена так звана резонансна крива, що показує, як зі зміною частоти обурюючої сили змінюється амплітуда коливань, а при збігу частоти обурюючої сили з частотою власних коливань вантажу(крутня) амплітуда вимушених коливань досягає максимуму; при подальшому збільшенні частоти обурюючої сили амплітуда коливань падає.

Ми розглянули коливальні рухи тіла на простих прикладах з маятником і пружним валом з крутнем. Проте характерні закономірності механічних коливань різних пружних деталей, у тому числі і колінчастого валу дизеля, і навіть споруд(наприклад, моста або кузова тепловоза на ресорах) однакові із закономірностями коливань маятника.

Вище вже говорилося, що колінчастий вал дизеля разом з деталями, розташованими на нім, можна розглядати як пружний вал з насадженими на нього крутнями. Такий вал матиме декілька частот власних коливань. Якщо його почати обертати з якоюсь постійною швидкістю і одночасно до крутнів прикладати додаткові моменти, що обертають, то окремі перерізи валу здійснюватимуть крутильні коливання.

Отже, резонансні, критичні коливання можуть виникнути тільки тоді, коли частота зміни однієї із складових моменту, що обертає, співпадає з частотою власних коливань валу.

Частоти складових моменту, що обертає, можуть бути кратні частоті обертання валу. Тому небезпечні коливання спостерігаються як при невеликій частоті обертання валу в хвилину, так і при значній. Наприклад, для дизеля 10Д100 одна з небезпечних частот власних коливань дорівнює 3300 коливань в хвилину. Якби двигун міг працювати з частотою обертання 3300 про/мін, то крутильні коливання були б надзвичайно великі.

Отже, колінчастий вал дизелів типу Д100 в діапазоні частоти обертання, близької до робочого інтервалу(400-850), має п'ять критичних частот обертання (чисел оборотів) : 330, 470, 550, 825 і 1100 про/хв. недивно, що конструктори машин, в яких можливі подібні украй небезпечні коливання, шукають способи уникнути резонансу. Щоб усунути явище резонансу в сучасних дизелях, застосовуються спеціальні облаштування -антивибраторы. Широке поширення отримав один з видів такого пристрою - маятниковий антивібратор. Щоб зрозуміти роботу цього антивібратора, звернемося до принципових схем. Підвісимо до крутня(валу) на роликах(мал. 63) вантаж(типу маятника) так, щоб при обертанні крутня(валу) ролики дозволяли вантажу відхилятися відносно вертикальній осі(радіусу) на деякий кут в ту і іншу сторону подібно до маятника.