ГЛАВА 7. Проектирование по динамическим критериям

Проектирование машин по динамическим критериям включает рассмотрение возможности их виброактивности путём балансировки роторов и статического уравновешивания механизмов, которое производится методом заменяющих масс, и виброзащиты основания. Возникающие при работе колебания увеличивают динамические нагрузки в деталях машин. Применение маховика позволяет снизить амплитуду крутильных колебаний в месте его установки, эффективным способом гашения колебаний в широком диапазое частот является применение динамических гасителей и демпферов.

7.1. Динамическое воздействие машины на фундамент и основные методы виброзащиты

Динамические критерии отражают изменение сил, действующих при движении механизма. Для расчёта усилий, передающихся машиной на фундамент, выделяют внешние и внутренние силы, под последними понимаются силы взаимодействия в кинематических парах и силы инерции звеньев. Поскольку сумма усилий в кинематических парах равна нулю, то их определени не требуется. Главный вектор сил инерции i – того звена приложен в центре масс звена

где m_i – масса звена; a_Si – ускорение центра масс.

Главный момент сил инерции равен

где J_iS – момент инерции звена относительно центра масс S; – угловое ускорение i – того звена.

В результате для звеньев, находящихся в динамическом равновесии под действием внешних сил и сил инерции можно записать

где – векторная сумма внешних сил, действующих на i - тое звено ; – сумма моментов пар и реальных сил;– момент главного вектора сил инерции;– сумма моментов внешних сил.

Суммарное усилие, передающееся машиной на фундамент равно

где – сумма сил тяжести звеньев машины,– сумм сил инерции звеньев. Таким образом, воздействие машины на фундамент можно разложить на две составляющие:

1. статистическую, определяемую силами тяжести и моментом внешних сил;

2. динамическую, связанную с силами инерции при движении звеньев.

Динамическое воздействие машины на основание вызывает вибрации, которые могут восприниматься другими машинами и человеком. Вредными последствиями вибрации могут быть:

• Увеличение динамических нагрузок на звенья и кинематические пары, вызывающие повышенный износ или усталостные поломки;

• Нарушение закона движения звеньев, устойчивости движения и протекания рабочего процесса машины;

• Повышенный шум, оказывающий непосредственное влияние на работоспособность и здоровье человека.

Суммарное воздействие машины на основание, т.е. главный вектор сил инерции всех подвижных звеньев механизма, равен:

,

где m_Σ – суммарная масса подвижных звеньев; a_s – ускорение центра масс механизма. Поэтому условие будет выполнено только при условии. Таким образом, при полном статическом уравновешивании механизма центр масс его должен быть неподвижным. Например, можно провести статическое уравновешивание, размещая на подвижных звеньях механизмов корректирующие массы, усилия которых действуют в противоположном направлении силам инерции звеньев. По этой причине их часто называют противовесами. Целью уравновешивания машины является снижение или полное исключение динамического воздействия машины на основание. При выбранной конструкции машины и способа управления можно снизить интенсивность колебаний ее следующими способами:

1. Снижение интенсивности источника колебаний в машине, (уменьшение виброактивности). С этой целью производят как балансировку отдельных деталей так и уравновешивание всего механизма. Применение пружинных разгружающих устройств в машине с целью перераспределения усилий в течение цикла и снижения амплитуды силового воздействия на главный вал машины;

2. Устранение резонансных явлений в машине, снижение частоты периодического движения по сравнению с собственными частотами, увеличение диссипации энергии колебаний в машине, демпфирование их.

3. Формирование дополнительных динамических воздействий с помощью динамических гасителей колебаний.

4. Виброизоляция машины от основания с помощью виброзащитного устройства, например, пневматическая подвеска в автомобиле.

Оценка эффективности виброзащитных устройств – демпферов, динамических гасителей и виброизоляторов принято производить на критериальной основе коэффициентом эффективности, представляющим отношение параметров колебаний (например, амплитуды) с виброзащитным устройством к значению этого параметра без виброзащиты. Для оценки воздействия эффективности виброизоляции основания часто применяют обратное отношение – коэффициент динамичности, представляющий собой отношение усилия, передаваемого на основание, к максимальному значению динамических усилий и т.п. Эти коэффициенты могут быть выбраны в качестве динамических критериев оптимизации при проектировании машин.