^Пружин*
V
Г	>зина		А=15(
Л	Про		бка h	=20см	[
		15 см
			11см
		Л	s 7,5	см
					..войлок — f 1
					п=	:эсм

10 15

20 25 30 Частота, Гц

7? 77 R Рис. 11.40. Зависимость между статиче­ским прогибом и собственной частотой некоторых виброизолирующих материалов: h — толщина материала

в

Рис. 11.41. Поперечное сече­ние дисковой пружины (а) и соединения дисковых виброи­золяторов — параллельное (б) и последовательное (в)

Резина имеет малую плотность, хорошо крепится к деталям, ей легко придать любую форму и она обычно используется для виб­роизоляции машин малой и средней массы (ДВС, электродвигателей и др.). В виброизоляторах резина работает на сдвиг и (или) сжатие. Жесткость резиновой подушки, работающей на сжатие, зависит от ее размеров и конструктивных особенностей, направленных на предот­вращение распучивания резины в стороны при действии нагрузки.

Металлические пружины применяют обычно тогда, когда требу­ется большой статический прогиб или когда рабочие условия (напри­мер, температура, агрессивность среды) делают невозможным при­менение резины. Конструктивно пружинные виброизоляторы можно выполнить для работы практически на любой частоте. Однако метал­лические пружины имеют тот недостаток, что, будучи спроектирова­ны на низкую частоту (например, 15 Гц для ДВС), они пропускают более высокие частоты.

Большое применение находят конические дисковые пружины (рис. 11.41, а). Изменяя отношение h/t, получают необходимый про­гиб. Конструктивно отдельные дисковые пружины можно соединят^ параллельно (см. рис. 11.41, б) или последовательно (см. рис. 11.41, в).

При параллельном соединении нагрузка при заданном прогибе воз­растает пропорционально числу дисков, при последовательном — прогиб при заданной нагрузке увеличивается пропорционально их числу. Отношение диаметров 2R/B в большинстве случаев выбирают равным 1,5...3,5.

Пробку используют при нагрузке 50... 150 кПа, отвечающей реко­мендованному диапазону упругости. Обычно установку сначала уста­навливают на бетонные блоки и уже последние отделяют от фунда­мента с помощью нескольких слоев пробковой плитки толщиной 2... 15 см. Увеличение толщины будет понижать частоту, выше кото­рой виброизоляция эффективна, но при большой толщине возникает проблема устойчивости. Поэтому пробку не применяют в области низких частот. Нефть, вода, умеренные температуры оказывают не­значительный эффект на рабочие характеристики пробки, но с тече­нием времени от нагрузки пробка сжимается.

Войлок толщиной 1...2,5 см, занимающий площадь 5 % общей площади основания машины,— весьма распространенный изоли­рующий материал. Он имеет относительно большой коэффициент потерь (л «0,13) и поэтому эффективен на резонансных частотах. Обычно войлок применяют в частотном диапазоне свыше 40 Гц.

Динамическое виброгашение. Защита от вибраций методами по­глощения, основанная на общих принципах, изложенных ранее, осу­ществляется в виде динамического гашения и вибропоглощения.

При динамическом гашении виброэнергия поглощается ЗУ. Это устройство, отбирающее виброэнергию от источника — объекта за­щиты — на себя, называют инерционным динамическим виброгасите­лем. Его применяют для подавления моногармонических узкополос­ных колебаний. Инерционный динамический виброгаситель 2 про­стейшего типа выполняют в виде твердого тела, упруго присоединяе­мого к объекту защиты 1 в точке, колебания которой требуется погасить (рис. 11.42, а). Защитное устройство, увеличивающее рас­сеяние энергии в результате повышения диссипативных свойств сис­темы, называют поглотителем вибраций. На рис. 11.42, бпоказана схе­ма простейшего поглотителя вибраций 3 вязкого типа, включающего твердые тела и демпфирующий элемент. Возможно применение ком­бинированных защитных устройств, использующих одновременно коррекцию упругоинерционных и диссипативных свойств системы. В этом случае говорят о динамических виброгасителях с трением 4 (см. рис. 11.42, в).

///////////////// ///////////////// /////////////////

fl

Рис. 11.42. Динамические виброгасители: а — инерционный; б — поглотитель; в — с трением

Рассмотрим принцип динамического гашения на простейшем примере. Для инер­ционного динамического гасителя (см. рис. 11.42, а) можно записать систему двух уравнений, описывающую вибрации:

Уже из второго уравнения видно, что при v* * 0 виброскорость v объекта защиты будет равна нулю, если массу М* и жесткость G* динамического гасителя выбрать из ус­ловия / М* = со, где со — частота вынуждающей силы F_r Если это условие не вы­полняется (например, из-за некоторого отклонения частоты со вынуждающей силы от номинального значения, на которое настроен гаситель), то динамический гаситель мо­жет оказаться вредным. Поэтому инерционные динамические гасители применяют только в тех случаях, когда частота вынуждающей силы строго фиксирована в условиях эксплуатации (например, для гашения колебаний опор генераторов переменного тока). При возможном непостоянстве частоты вынуждающей силы необходимо вво­дить демпфирование.

Вибропоглощение. Вибропоглощение — метод снижения вибраций путем усиления в конструкции процессов внутреннего трения, рас­сеивающих виброэнергию в результате необратимого преобразова­ния ее в теплоту при деформациях, возникающих в материалах, из ко­торых изготовлена конструкция, и в местах сочленения ее элементов (заклепочных, резьбовых, прессовых и др.).

Количество рассеянной энергии принято характеризовать коэф­фициентом потерь г|. С увеличением коэффициента г| эллипс у петли гистерезиса (см. рис. 11.37) становится шире и все большая часть энергии переходит в тепловую. Если же г| = 0, то механическая энер-* гия не переходит в тепловую: энергия, передаваемая системе от ис-

точника в течение одного полупериода, возвращается к источнику за время второго полупериода. Можно показать, что коэффициент по­терь связан с коэффициентом демпфирования соотношением 8 = tig>o/2. Подстановка этого выражения в формулу (11.47) наглядно показывает, что с увеличением коэффициента потерь вибрации пре­кращаются быстрее; метод вибропоглощения нацелен на получение повышенных значений коэффициента потерь в конструкции. В табл. 11.21 приведены ориентировочные значения коэффициента потерь некоторых материалов.

Механические конструкции из небольшого числа разнородных де­талей относительно большой толщины (например, корпус судна) име­ют коэффициент г| « 3 • 10~³ при/< 500 Гц и г| « 10~³ при/> 1000 Гц; металлические конструкции из относительно большого числа разно­родных толстостенных деталей (например, двигатель) или малого числа тонкостенных деталей (например, корпус автомобиля) имеют коэффициент г| « 10~², металлические конструкции из относительно большого числа разнородных деталей малой толщины (небольшие сложные агрегаты) имеют г| « 5 • 10~² при / < 500 Гц и г| « 10~² при /> 1000 Гц.

Таблица 11.21. Механические свойства и коэффициенты потерь некоторых материалов

Материал	Модуль упруго­сти, кН/мм2	Модуль сдвига, кН/мм2	Коэффициент Пуассона	Коэффициент потерь .
Алюминий	72	27	0,36	< 10~4
Сталь	200	77	0,31	10'4...10"3
Свинец	17	6	0,43	10~3...10~2
Медь	125	45	0,35	2 • 10~3
Латунь	95	36	0,33	« ю-3
Цинк	13	5	0,33	« Ю-3
Оргстекло	5,6	—	—	2- 10~2

В настоящее время вибропоглощение осуществляется преимуще­ственно путем применения конструкционных материалов с повы­шенным значением коэффициента потерь и вибропоглощающих по­крытий.

Конструкционные материалы с большим внутренним трением обычно создаются искусственно. В специальных сплавах коэффици­ент потерь может достигать значений Ю^-1...2 • 10~²: сплавы маг­ния — 0,3; сплавы меди — 0,2; хайдаметы (сплавы Ni — Со, Со — Ti, Си — Ni) — 0,15; сплавы марганца — 0,01 — 0,06; у капрона и тексто­лита коэффициент потерь соответственно равен 0,4 и 0,35. В качестве конструкционных материалов используют также высокомолекуляр­ные соединения, у которых коэффициент потерь имеет порядок 10~². Для полимеров типична сильная зависимость коэффициента потерь от температуры и частоты.

Перспективным в вибропоглощении является нанесение на ко­леблющиеся поверхности элементов конструкции высокоэффектив­ных вибропоглощающих материалов. Они могут изготовляться на ос­нове меди, свинца, олова, битумов и других материалов. Большое распространение получила многокомпонентная система на основе полимера, способного рассеивать механическую энергию в большом количестве при основных деформациях: растяжении, изгибе, сдвиге. Из других компонентов полимерной системы главными являются пластификаторы и наполнители. Пластификаторы (низкомолеку­лярные труднолетучие вещества, например сложные эфиры, некото­рые парафины и масла) придают полимеру требуемое сочетание свойств эластичности и пластичности. Наполнители (сажа, графит, слюда и др.) сообщают материалу необходимые эксплуатационные свойства; они могут, например, повысить его прочность, облегчить обработку, снизить стоимость и т. д. Вибропоглощающий материал выпускается промышленностью в отвержденном в виде листов и мас­тичном состояниях.

Листовой материал приклеивается к вибрирующей поверхности; мастику наносят методом штапелирования или напыления. В боль­шинстве случаев вибропоглощающим материалом демпфируют из- гибные колебания конструкций типа пластин. При жестком наруж­ном покрытии (рис. 11.43, а) поверхность 1 пластины накрывается слоем жесткого вибропоглощающего материала 2. Такое покрытие рассеивает энергию колебаний при своих продольных деформациях, имеющих характер растяжений — сжатий. Коэффициент потерь кон­струкций, демпфированной жестким покрытием:

E_2Xh_2l(3+6E_2l +4 Е²_2{ +2 E\_xh_{lx +} ² (l+E_2X)[l+2h_2X(2E_2X +3E²_2l +2Е_2Х) + E_2Xh_2X ]'

где Е₂₁ = Е₂/Е₁ и h_2X = h₂/h_x — отношения соответственно модулей уп­ругости и толщины (см. рис. 11.43, а), г|₂ — коэффициент потерь ма­териала покрытия.

Жесткое наружное покрытие с прокладкой имеет повышенный по сравнению с предыдущим коэффициент потерь, так как между слоем вибропоглощающего материала и пластиной расположен слой легко­го жесткого полимера (например, пенопласта) (см. рис. 11.43, б). Он удаляет вибропоглощающий материал от нейтральной плоскости (не испытывающей деформаций при изгибе), при этом увеличивается его

Рис. 11.43. Наружные покрытия:

а — жесткое; б — жесткое с прокладкой; 1 — вибрирующая пластина; 2 — вибро­поглощающий материал; 3 — прокладка

2 } 3

Л

виброскорость, возрастает деформация растяжения и, следовательно, увеличиваются потери энергии в покрытии. С увеличением частоты покрытие эффективно работает до тех пор, пока в прокладке не воз­никнут деформации сдвига. При возникновении последних проклад­ка перестает эффективно передавать на вибропоглощающий слой растягивающие усилия от изгибов пластины.

Кроме жестких покрытий, применяют также: армированные по­крытия, когда на слой вибропоглощающего материала наносится тонкий слой другого материала (обычно металла), который упрочня­ет, усиливает или защищает вибропоглощающий слой; слоистые по­крытия, когда толщина упрочняющего металлического слоя близка к толщине пластины; и мягкие наружные покрытия, которые представ­ляют собой слой вибропоглощающего материала, легко сжимаемого по толщине и рассеивающего энергию изгибных колебаний в резуль­тате деформаций в поперечном направлении. В рассмотренных жест­ких покрытиях коэффициент потерь зависит от частоты. При этом его наибольшие значения приходятся на область низких — средних час­тот.

Эффективность вибропоглощения

е = Ь_ц+ - Ь_ц- = 101gr|⁺Af,

где L - и Ь_ц+ — уровни рассеиваемой энергии до и после осуществле­ния вибропоглощающих мероприятий.

Чтобы учесть рассеивание энергии вследствие применения кон­струкционных материалов, введем сквозную нумерацию слоев: материал, на который наносится вибропоглощающий слой, назовем нулевым слоем; над нулевым слоем располагается первый слой, над первым — второй и т. д. Тогда, пользуясь формулой (11.38), запишем

' п Л п

ХЛ/6, /X⁸/ ,

/=0

У

где е, и г|_/ — соответственно максимальная потенциальная энергия и коэффициент потерь /-го слоя; п — число слоев.

Л =