книги из ГПНТБ / Колесник Н.В. Устранение вибрации машин

ГЛАВА IV

ИССЛЕДОВАНИЕ ВИБРАЦИИ МАШИН

18. Причины вибрации

Причинами вибраций машин могут быть: переменные силы,

возникающие в самой машине, колебания, распространяющиеся

из внешнего источника, или взаимодействие тех и других.

В подавляющем большинстве случаев колебания машин являются вынужденными колебаниями, вызываемыми действием периоди­

ческих сил. Наиболее часто встречающимся возбудителем колебаний

являются инерционные силы движущихся частей машин, и, в частно­

где со — угловая скорость вращения;

г— расстояние от оси вращения до центра тяжести неуравно­

вешенной массы Мн (см. фиг. 56).

Вусловиях современных скоростей вращения механизмов незна­

чительная неуравновешенная масса способна вызвать весьма боль­

шую неуравновешенную центробежную силу. Например, неуравно­

вешенная масса весом 100 г, расположенная на расстоянии 0,5 м от оси вращения, при скорости вращения 10 000 об/мин. вызывает

неуравновешенную центробежную силу более 5 т.

Такая сила, действуя в плоскости, перпендикулярной оси враще­

ния, попеременно во всех направлениях вызывает вибрацию. При различной жесткости конструкции в разных направлениях вибра­

ция в одном из них может иметь наибольшее значение, а при равно­

мерной жесткости она одинакова во всех направлениях действия

неурановешенной центробежной силы. Частота таких колебаний

равна угловой скорости вращения детали, имеющей неуравнове­

шенную массу.

Размах колебания зависит от величины неуравновешенной

центробежной силы и отношения частоты вращения детали к час­ тоте собственных колебаний конструкции. В условиях, близких

89

к резонансу, даже небольшая неуравновешенная центробежная сила

может вызвать весьма интенсивные и опасные колебания.

Так как действие неуравновешенной центробежной силы по отно­ шению к какому-либо произвольно выбранному направлению имеет

синусоидальный характер, то вызываемое таким возбудителем коле­

бание является простым гармоническим колебанием.

Главными признаками, по которым можно судить о том, что источ­

ником колебания является неуравновешенная центробежная сила,

служит частота вибрации, равная частоте вращения детали, и форма

Фиг. 56. Вибрация роторных машин.

колебаний, близкая к синусоидальной (фиг. 56, а). Последний при­ знак не совсем надежен ввиду того, что на данное гармоническое

колебание могут накладываться колебания от других источников.

Следует также учитывать, что в некоторых случаях, даже когда посторонние колебания не оказывают влияния, гармоническое коле­

бание, вызываемое неуравновешенной центробежной силой, может

искажаться наложением затухающих свободных колебаний машины

вследствие ударов вала ротора о подшипник. Последнее имеет место при значительной неуравновешенности и больших зазорах между

шейкой вала и подшипником.

Другим источником колебаний может быть овальная или гра­ неная форма шейки вала. Подобные дефекты вызывают вибрацию, форма которой также близка к гармонической, но частота в два

или несколько раз превышает частоту вращения вала (фиг. 56, б).

Такое колебание, складываясь с колебанием а, вызванным неурав­

новешенной центробежной силой, в сумме дает колебание типа в или г, в зависимости от фазовых отношений слагаемых. Как видно,

форма этих колебаний весьма далека от гармонической.

В машине может быть не один вращающийся неуравновешенный

вал, а несколько, причем с различными скоростями. В этом случае колебание также представляет собой сумму гармонических колеба­

ний и в зависимости от частоты, размаха и положения фаз слагаемых

90

принимает ту или иную форму. Если частоты слагаемых некратны, то в результате сложения может быть получено колебание формы д,

в котором на первый взгляд совершенно отсутствует периодичность.

При наличии в механизме машины зубчатых колес, шариковых

или роликовых подшипников образуются высокочастотные колеба­ ния, частота которых определяется условиями работы этих деталей.

При работе зубчатых колес возникают колебания, основная частота которых равна частоте вращения колеса, умноженной

Фиг. 57. Вибрация поршневых машин.

на количество зубьев. Основная частота колебания пк, создаваемая шариковыми или роликовыми подшипниками, может быть определена

по следующей приближенной формуле:

основной частоты, создают дальнейшее искажение формы суммарного

колебания (фиг. 56, е).

Силы инерции деталей машин, совершающих возвратно-поступа­

тельные движения, также являются источником возбуждения вибра­

ции. Примером такой машины может служить поршневой двигатель,

схематически показанный на фиг. 57. Здесь неуравновешенная масса Л41 кривошипа и части шатуна вращается с угловой скоростью со.

Она вызывает неуравновешенную центробежную силу Сь Масса М

поршня и части шатуна совершает возвратно - поступательное

91

порядка. Эта сила имеет в два раза большую частоту колебания.

Вследствие наличия множителя X, который всегда меньше единицы, сила инерции 2-го порядка намного меньше силы инерции 1-го порядка. Последняя является обычно главным возбудителем вибра­ ции.

Форма колебания, создаваемая возвратно-поступательным дви­

жением поршня, имеет негармонический характер (фиг. 57, а) и

является результатом сложения гармонического колебания частоты вращения кривошипа с гармоническими колебаниями высших частот.

В рассматриваемом механизме поршневого двигателя может иметь место неуравновешенность коленчатого вала, которая в свою оче­ редь создает гармонические колебания (фиг. 57, б). Сложение коле­

баний а и б в зависимости от положения фаз приводит к иному виду колебаний в, г. Если к тому же в машине имеются чрезмерные зазоры в подшипниках, то создаваемые в таких случаях толчки

образуют дальнейшее искажение формы колебаний (фиг. 57, д).

Характерным для колебаний, возбуждаемых силами инерции

при возвратно-поступательном движении, является то, что наиболь­

шая вибрация наблюдается в направлении этого движения и что наряду с колебаниями, имеющими частоту периодических движений,

Часто причиной вибрации является неправильная центровка

соединяемых валов машин. Следует иметь в виду, что упругие муфты,

гибкие сочленения и т. п. только уменьшают вредное влияние неточ­

ной центровки, но не уничтожают его. При неправильной центровке,

92

имеют место колебания подшипников 1 и 2 в осевом и поперечном направлениях. Частота этих колебаний равна частоте вращения

валов. Другим отличительным признаком такого возбудителя коле­

баний является значительный размах осевых колебаний по сравнению

с размахом поперечных. Осевые колебания подшипников имеют

противоположные фазы, а поперечные синфазны.

Если неправильность центровки заключается в параллельном смещении валов (фиг. 58, б), то также имеет место колебание подшип-

У

в) /

7777777777777777777777777777777777777777777777

Фиг. 58. Дефекты центровки машин.

ников с частотой, равной частоте вращения вала. Особенность коле­

баний заключается в том, что 1) поперечные колебания имеют проти­ воположные фазы и 2) осевые колебания имеют незначительный раз­ мах по сравнению с поперечными колебаниями.

Наконец, на фиг. 59, в показано искривление вала, которое также может вызывать вибрацию подшипников 1 и 2 с частотой,

равной частоте вращения вала. Отличительным признаком такого

возбудителя колебания является значительный размах осевых колебаний и то, что эти колебания находятся в противоположной друг другу фазе.

Общим отличительным признаком для всех трех приведенных

случаев является то, что размах колебания подшипников в значи­

тельно меньшей степени зависит от изменения частоты вращения

вала, чем при наличии неуравновешенной центробежной силы (вели­ чина которой растет пропорционально квадрату скорости), так как

в приведенных случаях вызывающая колебание сила сохраняет

постоянное значение.

В электрических машинах источником вибрации может быть

неравномерность магнитного поля, вызываемая либо смещением

93

ротора, либо обрывом обмотки отдельных секций. Частота этих коле*

баний равна частоте периодов переменного тока.

Вынужденные колебания могут вызываться производственным

процессом машины. Например, при фрезеровании возникает коле­

бание фрезерного станка с частотой, равной частоте-вращении фрезы,

умноженной на число ее зубьев. При точении ребристых деталей

возникает аналогичное колебание токарного станка. Примерно такой же характер действия возмущающей силы имеет место при вращении колеса вентилятора, если на пути лопастей встречается газовое

уплотнение, создаваемое какой-либо расположенной вблизи де­

талью. В этом случае частота колебания равна частоте вращения, умноженной на число лопастей вентилятора. Если лопасти имеют

неравные площади или углы атаки, то этим создается возмущающая

сила, по частоте равная частоте вращения. Такие же колебания

могут вызываться также работой судовых винтов, рабочим колесом гидротурбины и пр.

Работа кузнечных молотов и прессов сопровождается толчками, вызывающими затухающее колебание с частотой, равной частоте собственных колебаний фундамента. Аналогичные колебания со­ здаются при работе ткацких станков.

Выше приведен краткий перечень основных причин, вызываю­ щих вынужденные колебания стационарных машин, однако нередки случаи возникновения автоколебаний.

Автоколебания часто имеют место при скоростных производ­

ственных процессах, в частности, при скоростном точении. Появле­

ние автоколебаний при резании металла объясняется переменным

трением между инструментом и материалом обрабатываемого изде­

лия, а также особыми условиями стружкообразования.

В практике эксплуатации машин при неправильных зазорах

подшипников и несоответствующем режиме смазки нередко возни­

кает вибрация масляного клина, являющаяся одним из видов авто­ колебания.

Отличительным признаком автоколебаний является то, что их

частота, обычно постоянная, не совпадает с частотой периодических

движений деталей машин и находится в некоторой зависимости

от частоты собственных колебаний отдельных элементов конструк­

ции машины. Характерно для этого вида колебания и то, что при изменении режима работы машины автоколебания обыкновенно исчезают.

постоянную амплитуду и частоту. На практике нередко встречается

вибрация другого вида — с затухающими амплитудами. Такая

вибрация вызывается различного рода неисправностями машины:

задеванием подвижных деталей, изъянами зубьев шестерен, выкраши­

ванием дорожек шарикоподшипников, разрушением шариков

ит. п. Такие колебания легко определяются на слух.

Взаключение следует указать, что в транспортных машинах:

поездах, автомобилях, кораблях, самолетах и пр., помимо вибрации,

94

создаваемой механизмами этих машин, имеют место колебания, вы­ зываемые неровностями пути, волнами или воздушными течениями.

В результате образуется сложное колебание (фиг. 59, а), являю­

щееся результатом сложения колебаний б, создаваемого работой

механизмов, с колебаниями в, создаваемыми неровностями пути.

При этом может иметь место также образование автоколебаний.

Как видно из изложенного, каждая из причин, вызывающих виб­ рацию машин, имеет свои особенности, проявляющиеся в амплитуд­

Фиг. 59. Вибрация транспортных машин.

ной характеристике, частоте и фазовых отношениях элементарных

слагаемых сложного колебания. Поэтому разобраться в причинах

той или иной вибрации можно лишь на основе разложения сложного колебания на элементарные составляющие и определения их харак­ теристики.

19. Способы исследования вибрации

Общей методики исследования вибрации машин не существует.

Разнообразие конструкций, назначения и специфических особен­

ностей машин не позволяет осуществить единый подход в решении

вопросов, связанных с вибрацией. Само исследование, кроме того,

может иметь также различные назначения.

Целью исследования может быть: определение механизма слож­

ной машины, либо одной машины в группе машин, создающих неже­

лательную вибрацию; определение составляющей сложного колеба­

ния, которая вредит данному технологическому процессу; опреде­ ление степени эффективности амортизации или причины недостаточ­

ной эффективности вибрации при интенсификации производственных

процессов и пр. Могут иметь место и общие задачи, например, иссле-

дойание вибрационного состояния машины (турбины, электровоза,

самолета и т. п.) при различных режимах работы.

Способы проведения работ определяются как особенностями

самой машины, так и назначением исследования.

Исследование вибрации машин в основном включает следующие

4) обработка полученных данных; 5) составление выводов, заклю­

чений и рекомендаций.

95

Успех проведения работ в большой мере зависит от степени соот­

ветствия выбранной аппаратуры характеру предстоящего исследо­

вания.

Для исследования могут быть применёны механические, оптиче­

ские и электрические вибрографы, с помощью которых записываются

на ленту исследуемые процессы (т. е. составляются виброграммы).

Затем виброграммы подвергаются расшифровке, в результате кото­

рой определяются основные характеристики исследуемых колебаний:

амплитуда, частота и фазовые отношения.

Сам процесс исследования с помощью таких приборов громоздок,

трудоемок и неточен. В работе Ю. И. Иориша [3] приводятся сле­ дующие данные о погрешностях при такого рода измерениях:

Погрешность амплитудной калибровки с учетом несоответствия условий

Следует заметить, что подобная точность может быть получена

лишь при весьма высоком качестве аппаратуры, тщательной ее

наладке и высокой квалификации обслуживающего персонала.

Для исследования вибрации машин могут быть применены ана­

лизирующие приборы, в частности, виброскоп. С помощью таких

приборов необходимые величины составляющих сложного колеба­

ния — амплитуда, частота, фаза — определяются непосредственным

измерением, минуя запись и кропотливую расшифровку виброграмм.

Прибор сам по себе прост, обслуживание его не требует высокой

квалификации оператора, а точность непосредственного измерения

оказывается значительно более высокой, а именно +5%, а при недо­ статочной квалификации оператора + 10%.

Существуют приборы, занимающие по точности измерения про­

межуточное место, с помощью которых также можно производить некоторые исследования вибрации. Это двухкомпонентный вибро­

метр (фиг. 27) и электровиброметр с катодно-лучевой трубкой БИП-4

(фиг. 37).

С помощью этих приборов представляется возможным воспроиз­

водить фигуры Лиссажу или (с помощью БИП-4) наблюдать развертку

сложного колебания на экране. Следует указать, что отчетливое

изображение фигур Лиссажу и развертки процесса на экране можно

наблюдать лишь .в том случае, если составляющие исследуемого

колебания находятся в следующих простых частотных отношениях

~~~ ~ , "Д' ’ • ПРИ ДР-УГИХ> хотя и ПРОСТЫХ> соотношениях частот элементарных слагаемых сложного колебания, как например:

96

чески невозможно, не говоря уже о более сложных возможных сочё-

таниях частот элементарных слагаемых.

Таким образом, если отбросить возможные частные случаи исполь­

зования при исследовании вибрации приборов, то остается произ­

вести выбор между вибрографом и анализатором.

Основной успех решения задачи зависит от выбора наиболее

простых методов и аппаратуры. Применять усложненный метод и аппаратуру следует лишь в том случае, если с помощью простых

рацию стационарного характера (турбины, турбокомпрессора, станка,

центрифуги и т. п.), эта задача наиболее просто решается с помощью

анализирующего прибора — виброскопа. Применение вибрографов только усложняет решение и делает его менее точным и определенным.

Наоборот, если необходимо, например, установить степень эффек­

тивности амортизации вагона, то применение виброскопа для этой цели не будет целесообразным. Исчерпывающие сведения для дан­ ного случая дает установка двух датчиков: одного на оси колес, а другого непосредственно в вагоне, с одновременной записью коле­ баний на общей ленте.

Виброскоп нельзя применить для детального исследования виб­

рации самолета и тем более его частей, в которых невозможно произ­

вести непосредственное измерение и наблюдение. Этот же прибор вполне себя оправдывает при определении степени влияния вибрации

двигателей на корпус и отдельные части транспортных машин: судов, электровозов, самолетов.

При выборе аппаратуры следует иметь в виду, что приборы непо­

средственного анализа пригодны в тех случаях, когда вибрация или,

вернее, исследуемые компоненты вибрации имеют достаточно стацио­ нарный по амплитуде, частоте и фазе характер. При этом следует подразумевать возможность наличия таких изменений указанных величин за время измерения (30—40 сек.), которыми можно пре­

небречь.

При явно нестационарном характере исследуемых колебаний применение приборов непосредственного анализа не дает нужных результатов, и в таких случаях возникает необходимость в приме­

нении более сложных методов и аппаратуры.

20. Вибрация станков

При современном широком внедрении скоростных производствен­

ных процессов исследование и устранение вибрации станков приоб­

ретает чрезвычайно важное значение.

Причин, вызывающих вибрацию станков, много. Тут могут иметь место и вынужденные колебания, появляющиеся вследствие неурав­

новешенности вращающихся деталей, автоколебания, колебания, распространяющиеся от соседних станков и механизмов.

При исследовании колебаний станков лучше всего применять

способ исключения, заключающийся в определении состояния виб-

рации при различных режимах. Прежде всего нужно установить,

не является ли вибрация результатом внешнего воздействия. Такое исследование следует произвести при неработающем станке.

Если при этом обнаружена нежелательная вибрация станка,

то определение ее источника легче всего производить по частоте обна­

руженных колебаний. Для этого, установив виброметр виброскопа на станину станка, регулируют частоту собственных колебаний при­

бора в пределах всего диапазона и отмечают частоты обнаруженных

Фиг. 60. Вибрация токарного станка.

На одном инструментальном заводе вибрация координатно-расточ­

ного станка вызвала повышенный брак при обработке сложных деталей.

При неработающем станке были обнаружены колебания с часто­

той П2(У'кол/мин. и размахом 0,02 мм, хотя в цехе не было меха­ низмов, вращающихся с такой скоростью. При измерении колебаний данной частоты отдельных частей здания по направлению усиления

колебания было обнаружено, что возбудителем колебаний является вентилятор, установленный в соседнем цехе. Размах колебаний фун­

дамента вентилятора составлял 0,12 мм. Так как частота колебаний совпадала с частотой вращения ротора вентилятора, то было уста­

новлено, что возбудителем колебаний является наличие неуравно­

вешенных масс в рабочем колесе ротора. Вибрация станка прекра­

тилась после того, как ротор был отбалансирован.

Наличие вибрации, вызываемой неуравновешенными центробеж­

ными силами вращающихся деталей станка, следует определять при

различных режимах холостого хода. Для этого виброметр вибро­ скопа устанавливается на исследуемую часть станка, и производится регулировка частоты собственных колебаний прибора в пределах

его диапазона частот и при ориентировке прибора в трех взаимно­ перпендикулярных направлениях.

Выбор места измерения всецело зависит от конструкции и назна­

чения станка. Если исследованию подвергается токарный станок (фиг. 60), то измерение вибрации следует производить на передней

бабке 1, суппорте 2 и задней бабке 3.

98