Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Колебания и устойчивость упругих систем машин и приборов

..pdf
Скачиваний:
6
Добавлен:
24.10.2023
Размер:
8.97 Mб
Скачать

 

 

 

 

 

 

Т а б л и ц а 25

 

 

!

 

 

Б.»

 

 

Г j

fo

«1 j

 

4

Е3

4

 

0,4

0,01

0,9329

0,0051

0,0'75

0 ,0в38

0 ,0S28

 

0,05

0,9362

0,0255

0,0019

0,047

0 ,0517

 

 

0,1

0,9468

0,0512

0,0075

0 ,0337

0,0*27

 

0,5

0,01

0,6744

0,040

0 ,О164

0,0S77

0 ,0839

 

0,05

0,6764

0 ,0653

0,0016

0 ,0798

0 ,0624

 

0.1

0,6831

0 ,042

0,0065

0,0GS1

0 ,0438

0,6

0.01

0,6219

-0,0051

0,0*75

—0,06£8

0 ,0S28

о

0,05

0,0241

—0,0255

0,0019

—0,0*47

0,047

II

 

0,1

0,6312

—0,0512

0,0075

—0,0337

0,0427

о

 

S

 

 

 

 

 

 

 

со

 

0,01

1,0297

0,0051

0,0178

0 ,0842

0 ,0834

 

 

Q

0,4

0,05

1,0335

0,0255

0,0019

0,0*53

0,0S21

 

 

0,1

1,0450

0,0514

0,0078

0 ,0342

0,0*34

00

0,5

0,01

0,7581

—0,048

0 ,0 164

—0,0828

0 ,0838

0,05

0,7005

— 0 ,0:|91

0,0016

—0,0°32

0,0524

о

 

0,1

0,7679

—0,0-18

0,0064

—0,047

0,0438

 

 

0,01

0,7112

—0,0051

0,0“71

—0,0°35

0,0S24

 

0,6

0,05

0,7136

—0,0254

0,0018

—0,0444

0,0515

 

 

0.1

0,7214

—0,0512

0,0072

—0,0334

0,0*22

 

0,4

0,01

0,7980

0,0025

0 ,0*32

0 ,0е19

0,047

 

0,05

0,7993

0,0127

0,0380

0 ,0423

0,041

 

 

0,1

0,8032

0,0258

0,0032

0,0319

0,047

*—н

0,5

0,01

0,6044

—0,0°46

0,0425

0 ,0°15

0,044

0,05

0,6051

—0.0622

0,0363

0,049

0,0687

 

 

0,1

0,6074

—0,0541

0,0025

0,045

0 ,0 4 4

о

 

0,01

0,5320

—0,0025

0 ,04 32

—0,0G19

0,047

1

0,6

0,05

0,5328

—0,0127

0 .0я 80

—0,0423

0,05І1

у

 

0,1

0,5354

-0,0258

0,0032

—0,0319

0,0417

о

 

 

 

 

 

 

 

е

 

 

 

 

 

 

 

со

0.4

0,01

0,8730

0,0023

0,04 30

0,0в16

0,0817

1

0,05

0,8743

0,0113

0,0375

0 ,0420

0,041

а?

 

0,1

0,8783

0,0229

0,0031

0,0316

0,047

 

0,01

0,6803

—0,0328

0,0425

—0,0733

0,044

00

0,5

0,05

0,6811

—0,0014

0,0362

—0,0640

0 ,0687

о

 

0,1

0,6837

—0,0029

0,0026

—0,0433

0,0414

 

0,6

0,01

0,6154

—0,0028

0 ,04 34

—0,0°21

0,047

 

0,05

0,6164

—0,0141

0 ,03 85

—0,0*23

0,040

 

 

0,1

0,6196

—0,0284

0,0034

—0,0321

0,0417

I

179

( 3.69)

Шо пр

В таблице 25 даются значения /г0 и гп при различных тѵ Подобные таблицы составлены с помощью ЭЦВМ для всей гаммы практически встречаемых параметров системы, и определение критических частот и зон неустойчивости не представляет трудности.

6. ДИНАМИЧЕСКАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ МАССЫ, ВОЗБУЖДАЕМОЙ ЧЕРЕЗ ПРУЖИНУ

Рассмотрим упругую систему, возбуждаемую со стороны подвижного конца (рис. -61). В этом случае все характерис­ тики системы будут функциями времени.

Практически равенство геометрических и жесткостных характеристик пружин достигается соответствующим отбором

пружин.

Когда уг= 1 и£о = 0,5,из выражения

(3.55) приведен­

ную жесткость можно

представить в виде

 

2к4

В0,

1-0,0896 ^ ^ + 0 , 0 5 5 2

*

 

 

(3.70)

Т(0 =

ш

г

 

 

~

1+4,29

( ~ ) —1,614т+- 0,6148т2

 

 

 

Приняв т за независимую переменную и разделив числитель на знаменатель, получаем

180

<р(0=

Онз (Z0+ Zxm

Z,m2+ Z3m3

(3.71)

где Z0 = —

1 D ^2 , Z1= 1,6142^-0,0896 & Y z 0.

1+4,29

 

 

Z8= l ,6142^+0,0552

Я

(3.72)

( ^ ) Z0—0,6148 Z^,

Z,= 1,614 Z0Z2—0,6148 Z0Zr

В таблице 26 даются значения Z для жесткого крепления концов. Из таблицы видно, что для практических значений т, которое меньше единицы, ряд (3.71) можно оборвать на четвертом члене, оставаясь в пределах точности проводимых расчетов.

 

 

 

Т а б л и ц а 26

H0/D

.1

2

3

4

2 0

0,18503

0,48250

0,67720

0,78858

 

0,04073

0,20280

0,19411

-0,12680

Z,

0,00089

0,12134

0,26664

0,15330

z 3

—0,00045

0,03443

0,21062

0,25658

Представим т как сумму предварительного /п0 = — и ам

Н 0

плитудного тг—— поджатии,

Но.

т —т0-+ mx cos wt.

Подставим это выражение в (3.71) и сгруппируем члены от­ носительно косинусов одинаковых углов; окончательно по­ лучим

 

(р(1)— 2ТС- Д-0 ”3, (Ao’+AJ cos сo t + h o cos 2wt+...),

(3.73)

 

Щ

 

 

где

h*0 = hQ+ Дх;

Д2; Ла=А 1; й3 = Д2/3.

 

Здесь введены следующие обозначения:

181

hQ—Zf)+Z1m0+Z2ml+Zsml\

hx= Zx-)-2Z2m0+ 3Z3/??o,

Aj.=y- (Z2+3Z3m0),

A2 = A z 3m=.

 

Обычно на практике величина

/пх<СІ,

поэтому значения ко­

эффициентов Дх и Д2

пренебрежимо

малы по

сравнению с

h0 и !іѵ Разложение

(3.73)

принимает .вид

 

 

9,НР

■(fy>+V*i cos ш*)

(3.74)

9>(*)= — г—

Яо

,н дифференциальное уравнение (3.58) приводится к извест­

ному

уравнению Матье

(3.2),

где

Q2 = 2г.4Д0 ИЗ h0,

2в =

 

о д

Ло

.В таблицах 27 и 28 даны значенния коэффициентов Л0 и 2е/т1.

■Найдя из таблиц /г0 и s,

по формуле (3.3) можно определить

ширину

области

неустойчивости.

 

 

 

 

 

 

 

Т а б л и ц а

27

■ \ Я о / 0

1

2

3

 

4

щ

 

 

 

 

 

 

 

 

—0,4

0,1732

0,4186

0,6287

0,8474

—0,3

0,1770

0,4316

0,6373

0,8335

—0,2

0,1809

0,4465

0,6474

0,8180

—0,1

0,1850

0,4334

. 0,3602

0,8028

 

0,0

0,1890

0,4825

0,6772

0,7886

 

0,1

0,1931

0,5040

0,6995

0,7777

 

0,2

0,1972

0,5282

0,7284

0,7714

'

0,3

0,2012

0,5552

0,7651

0.7713

0,4

0.2052

0,5852

0,8109

0,7788

 

 

 

 

Т а б л и ц а

28

щ

 

1

2

3

 

4

 

 

 

 

 

 

—0,4

0,2187

0,2919

0,1302

—0,1490

—0,3

0,2203

0,3226

0,1429

—0,1784

—0,2

0,2202

0,3547

0,1741

—0,1923

—0,1

0,2183

0,3875

0,2728

-0 ,1 8 6 6

 

0,0

0,2154

0,4203

0,2866

—0,1608

 

0,1

0.2111

0,4526

0,3628

—0,1137

 

0,2

0,2057

0,4825

0,4483

—0,0450

 

0,3

0,1991

0,5131

0,5371

0,0447

 

0,4

0,1916

0,5406

0,6270

0,1528

182

На рис. 62 показаны главные области неустойчивости для системы с Hü/D= 3 при различных значениях относитель­ ного поджатая. Зависимость изменения ширины неустойчивых

.областей от величины относительного поджатая при посто­ янном значении амплитудного поджатая ш1 = 0,08 показана на рис. 63.

7. ДИНАМИЧЕСКАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ МАССЫ, ЗАКРЕПЛЕННОЙ

НА КОНСОЛЬНОЙ ПРУЖИНЕ

Приведенная

изгибиая

жесткость консольной пружины

•с массой на конце (рис. 141

выражается следующим образом

г1 _

1,4154 ^

j

2/n+0,8709 j ^ V i 2 1

 

к*В,О ИЗ

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.75)

32 Щ 1+0,326

D

 

 

 

 

 

■1,7114 /7г + 0,6745 т 2'

 

 

 

 

 

н'<

 

 

 

 

 

При колебании

системы

имеем

т тй-\-тх cos wt,

тогда

л4 В0 ,із

(а0+

 

cos ш/ +• а2т\

cos2

(3.76)

<?(*)= ■

32 Щ \bo~\-byniy cos tat + b2mf

X

 

cos2 tüt }

 

где + =1-1,4154

 

\

+ 0,8709

j ' /72Q,

 

 

 

 

 

 

 

\

2

 

 

+ = — 1,4154

^ y + 1 , 7 4 1 8 ^)

2m0,

 

 

a, = 0,8709 (

^

2

 

 

 

 

 

 

 

\D

 

 

 

 

 

 

 

183

Ь0«= 1+0,326 ^ y - l , 7 1 1 4 m 0+ 0,6745 ml,

(3.77)'

Ьг= —1,71144-1,349 m0> й2 —0,6745.

По аналогии с 'пу.нктом 6 (Настоящей плавы раскладыва­ ем .выражение (3.76) в ряд (3.64), который быстро сходится, т. ,к. т х<1. После подстановки в дифференциальное уравне­ ние (3.60) получаем уравнение Хилла тина (3.65).

Для рассматриваемого здесь случая коноолытого креп­ ления адаееы имеем

(3.78)

32МЩ 2haj

Ширина зон неустойчивости определяется по формулам

(3.69).. В консольных системах величина предварительного поджатая зависит только от величины присоединенной массы щ продольной жесткости эквивалентного бруса,

m0 = Mg

СпрН о

■В практике из условий статической прочности и боковой ус­

тойчивости обычно выполняется соотношение

Mg < Cnp X,

 

 

 

 

 

Т а б л и ц а 29

 

 

 

 

HJD

 

 

 

 

"h

0,5

0,8

1

1,2

 

1.5

 

 

 

 

0,01

0,434

0,704

0,756

0,788

 

0,838

К

0.05

0.434

0,704

0,756

0,788

 

0,838

 

0,1

0,435

0,704

0,757

0,787

 

0,834

 

0,01

0 .0 4 9

0 ,0 4 5

—0,0259

—0,02 35

 

—О.О2 87

£1

0,05

0,0298

0,02 76

—0,02 30

- 0 ,0 1 7

 

—0,044

 

0,1

0,019

0,015

—0,03 59

—0,035

 

—0,088

£о

0,01

0,0"“ 53

0,0^20

0,06 52

—0 ,06 55

 

—0,0427

0,05

0 ,0 4 8

0,0‘>51

0 ,0 4 2

—0 ,0 4 2

 

—0,0369

 

0,1

0,0:,53

0,0»20

0 .03 52

—0,0355

—0,0227

а значит т 0<<1. Поэтому в выражении (3.77) с достаточной для практики точностью можно принять т 0~0.

Для облегчения проведения расчетов распространенных на практике соотношений (HJD), в таблице 29 даны значения

hQи е112, при (Возможных значениях относительного возмуще­ ния тѵ

184

8. ПРОДОЛЬНО-КРУТИЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ ВИНТОВОГО СТЕРЖНЯ ПОД ДЕЙСТВИЕМ

ОСЕВОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

Задача динамической устойчивости цилиндрической вин­ новой пружины, как эквивалентного стержня, рассмотрена ідля случая, когда нагружение продольной периодической силой вызывает параметрические 'колебания в поперечном направлении [15, 52, 33]. Однако в пружине, как в тонком прямолинейном стержне некруглого сечения і[94], могут воз­ никнуть продольно-крутильные параметрические резонансы ©следствие наличия геометрической связи между осевой де­ формацией и углом 'Скручивания.

Принципиальное различие между механизмами возбуж­ дения этих резонансов ів прямом стержне и пружине заклю­ чается в том, что изменение знака крутящего момента ,в пер­ вом случае не меняет знака осевой деформации — сжатия, а во втором имеет место растяжение — сжатие. Рассмотрим систему дифференциальных уравнений Кирхгофа—іКлебша, описывающую малые колебания винтового стержня под дей­ ствием продольной периодической силы. Возмущенное состоя­ ние принимаем за начальное, а все параметры, характеризу­ ющие тонкий стержень двоякой кривизны — компоненты кри­ визны и угол подъема .спирали а, — зависящими от време­ ни, т. е. периодически изменяющимися [95].

Пусть продольное вынужденное, например, кинематичес­

кое перемещение подвижного конца

vn = lj(t),

где

f(t)

периодическая

функция, разлагаемая в ряд Фурье. Полная

относительная

деформация m =

где т0 = — ,

тг =

 

 

 

Я 0

 

Я0—свободная высота пружины, А0,

постоянная и

амплитуда переменной составляющей продольного премещения подвижного конца. Углы подъема а0 и а до и после деформа­ ции связаны с V„ соотношением

p,=/(sin а0 sin а),

(3.79)

где I— длина винтовой опирали, а числа витков равны

і= і0.

Из последнего (соотношения получаем

185

 

 

(1 — m) sin art

 

(1— in) sin a0.

(3.80)

 

tg a = £ = |/ 1 _ (1 — m f sin2 a0

Р в

Действующая иа подвижный конец периодическая сила

безразмерном

виде

выражается

так:

 

 

 

PR2 = Ь =

т

 

(3.81)

 

 

Ѵ С ~ ~ С ~ Т = Т п '

 

 

 

где R = D — радиус витка, равный

 

 

 

 

~2

 

 

 

 

 

 

 

R = Ra

 

 

(1+m sin2 a0);

(3.82)

 

cos a0

cos a0

 

 

 

 

C— жесткость сечения на кручение.

 

 

Начальное и

текущее значение

компонентов

кривизны

при

возмущенном

движении

равны

 

 

 

Po= °-

2 cos2 a0

 

sin 2a0

 

 

%=

D

' u

D

(3.83)

 

 

 

 

p = o,

q= 2 cos a

'

 

sin 2a

 

 

 

 

D

 

D

 

 

Для оценки ширин

основных

зон параметрического ре­

зонанса достаточно рассмотреть систему дифференциальных уравнений, суммарный порядок которых относительно произ­ водных по времени или длине равен четырем. При этом в ко­ эффициентах упруго-силовых слагаемых достаточно сохранить постоянные величины, приводящие к характеристикам экви­ валентного бруса, и члены с минимальным порядком малос­ ти относительно е или т1. Тем самым мы будем пренебре­ гать влиянием форм колебаний кольца н поперечных колеба­ ний пружины на продольно-крутильные колебания, т. е. по­

лучим

уравнения,

равносильные системе эквивалентного

/стержня, но с уточненными /коэффициентами.

 

Эти

уравнения

имеют следующий вид:

 

(Лп + Л12£2)£0і! 4- (/4314-Лзаe2)wu ä; ci.21Lx—cinL.2\

(3.84)

(Bll+ Blie?)vl+ (ß41+ ß 42£2)£i2УНä! —ö31L ,-« 32L" ,

 

где

 

 

 

w t a + s v ,

<7o

1 86

V, w — перемещения

по направлениям

бинормали

и

каса­

тельной

трехгранника

Френе;

 

 

 

 

 

 

 

ß — угол поворота сечения вокруг бинормали.

 

 

 

Lx=oF

Ü w—

 

 

,

_ „F <2" T

 

 

 

Ql

 

 

 

(2тсі )2

L'~

F T T

"•

 

 

An — (A+C)(b — 2A),

' Ли = (Ь-2Л)(& + ЗЛ)-2С(Л-&),

ASi =A{AA~C), A32 = A(b— 2Л+С),

BXX= AC\

 

 

 

Blz= bC-A(2C~4A-{-b)1

Bn = A{2C-2A + b),

 

 

 

Bi2= 2(C-A)(b-A)+b(b+A),

an = A + C+(b-C) в2;

 

an = 2(/l + C)s+2Ö£3,

fl3l= —Л—Ьгг,

a32 = Cs2,

<r= .

Для кинематического 'возмущения

решение

системы

g

(3.84)

можно

искать в

 

виде

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГГІ

 

V

w =

T 2 --------sin

v£,

 

 

(3.85)

 

сі = 7 \

------ . sin vg,

 

 

 

 

sin V

 

 

 

sin у

 

 

 

 

 

где

X

;

у= іш

ü)

 

 

 

 

 

 

 

£

 

— ,

 

 

 

 

 

 

 

 

H

 

 

 

w0

 

 

 

 

 

 

 

o)o — собственная частота. Такая форма решения учитывает колебания с основной частотой возмущения со. После под­ становки (3.85) в (3.84) получаем следующую систему урав­ нений:

1- f u ^ + h ^ + h 3^ + /і4П = 0,

2- /зіА + /22^2+/23^1+ /24^,2 —О,

где

/ „ —

*„* Т ,

?„ = 0„ с Л

 

 

 

 

 

/ і 3 7 = И і 1 + ^ 1 2 е 2) 8 ѵ 2>

/ l 4

= ( 24 3i + ^ 3 2 £'2) v 2 '

/ 2 2 — 0 >

 

/ 2 1

= ( - % +

«32 ѴЗ) СТ - Ц - .

/ s 3 = ( ß

U +

5 ia e a )4 e .

/2 4 = ( 5 41+

ß 42e2 )V2 -

 

 

Ql

 

 

 

 

 

 

 

 

При отсутствии переменной

осевой

силы

имеем

mx= О,

т — т0 и

собственные

частоты

 

 

 

 

 

 

ш«.2 = г4-

(Л2±

К Л |—4Л1Л^),

 

(3.87)

187

где Аг /ц /2 2

/21/141

An/ц /2 4 4 - /13/12

/21/14

/23/121

■^з=

/13/24

/23/14 •

 

 

 

 

 

 

 

 

Функция

Гамильтана

(3.86) имеет

следующий вид:

H=Fnp j> -

К

 

-

з

д

-

1

р 2л

( ? - л Л ) л

_

 

 

F,2 1

 

 

 

 

 

 

2

 

 

Fn

F\\РА?

F»zP\Р%

91

92

- /У У Ѵ

 

2P.11

“2P2i

 

 

 

 

 

 

 

 

где

7’i=/5i, ^ 2 =^2 . P\\F—Qu

Pi\F%=9зі

 

 

^i/ — /ij/гзі

^г/ — /2//14*

 

/ —^i

2,

3,

4.

 

Следовательно, неустойчивые-іпараметрически-е колебания бу­ дут иметь место вблизи следующих частот продольного воз­ мущения: а) простые резонансы

 

Ыврит —^0112/^1

Шкрит—2'о01,2/(1 -f-2/г),

(3.88)

б)

-комбинационные резонансы

 

 

 

^крнт —(ш01±и>02) /

(3.89)

В

обоих случаях

/г= 0,± 1,±2,...

 

 

Рассмотрим

уравнения

параметрических

колебаний с

учетом одной степени свободы, представляющие наибольшую опасность для реальных пружин в основной зоне.

Продольные

колебания

 

 

^ + f - F L T ^ O .

(3.90)

 

f21

 

Крутильные

колебания

 

 

T2 ^ i i l r 2 = 0.

(3.91)

 

/12

 

Переменные коэффициенты после упрощения и привиде­ ния их к первому порядку относительно -малых величин тг

имеет

следующий вид:

 

 

 

 

/гз = К Л ( і\

/ 1 4 = K2Fn(t),

(3.92)

 

/21

 

/12

 

где

/Сг=- Сѵ2cos а.

Kn=-

/4ѵ2 cos4 а,

 

 

o’ io Ri

 

Н " 7 ~

 

 

 

 

4-7^

 

188

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ