4.3.4 Виброзащита машин

Механические колебания часто меша­ют правильной работе машин, могут вы­звать повреждения машин или конструк­ций и неприятны для людей. Примерами таких колебаний могут быть: дрожание токарного резца, ведущее к ухудшению качества поверхности; колебания клапан­ных пружин, нарушающие моменты газорасрас­пределения в двигателе; дрожание пола и дребезжание оконных стекол вследствие работы двигателя неподалеку от здания и т. п. Нередко эти колебания становятся разрушительными; от крутильных колеба­ний ломаются коленчатые валы, сильные колебания разрушают клапанные пружи­ны, в стенах зданий от распространяю­щихся через грунт сотрясений образуют­ся трещины.

Вибрационная защита — это совокупность средств и методов уменьшения вибрации, воспринимаемой защищаемыми объектами. Защищаемыми объектами могут быть люди, управляю­щие машинами; обслуживающий персо­нал, находящийся в зоне действия вибра­ции; здания или иные сооружения; маши­ны, аппараты, приборы, находящиеся в зоне действия вибрации; детали, узлы, механизмы и устройства, входящие в со­став машины, работа которой порождает вибрацию.

В соответствии с этим методы вибра­ционной защиты включают как расчетно-теоретические, так и конструкторско-экспериментальные решения, причем оба ви­да решений, как правило, взаимосвязаны

К основным методам виброзащиты от­носятся следующие.

1. Снижение интенсивности источников вибрации. К источникам вибрации относятся трансмиссии, двигатели, подшипники, зазоры в сочленениях деталей. Эти факторы усиливаются с увеличением износа деталей. Способы снижения интенсивности вибрации специфичны для каждого частного случая. При проектировании конструкции движущиеся массы машины или механизма должны быть уравновешены.

2. Снижение частоты периодического движения механизма, в том числе за пре­дел диапазона частот нормируемой вибрации, связанное с изменением конструкции объекта.

3. Динамическое гашение колебаний, достигаемое с помощью специального динамического виброгасителя, устанавливаемого в систему объекта.

4. Виброизоляция, которая сводится к ослаблению связей между источником и объектом. Демпфирующие элементы и устройства, устанавливаемые между вибрирующей деталью и защищенным объек­том, называют виброизоляторами. Определяющим параметром виброизолятора является его жесткость. Виброизоляторы в известной мере обладают и демпфирую­щими свойствами. Для повышения этих свойств вводят в систему виброизоляции специальные демпферы — гасители коле­баний.

По принципу действия демпферы де­лятся на три группы:

а) собственно демпферы, т.е. устрой­ства, поглощающие энергию колебаний и уменьшающие амплитуду колебаний; к ним относятся демпферы сухого трения, гидравлические и ударные;

б) устройства, уравновешивающие возбуждающий момент или изменяющие частоту системы без рассеяния энергии; к ним относятся добавочные массы на пружине (динамический демпфер), нелинейные муфты и маятниковые демпферы;

в) смешанные устройства, действие которых основано на изменении системы или уравновешивании возбуждающего момента и частично на рассеянии энер­гии; к этому типу относятся демпферы резиновые, динамические с рессорными пружинами и др.

На рис.36 приведен пример дейст­вия простейшего динамического демпфе­ра с рессорой или пружиной в двухмассо­вой системе (рис.36,а), имеющей ре­зонанс с частотой ω_С в рабочем диапазо­не оборотов (рис.36,б).

Действие динамического демпфера эквивалентно до­бавлению к системе через соединение с жесткостью С₁₂ третьей массы с моментом инерции J₁, (рис.36,в). Новая трехмассовая систе-ма имеет две собственные частоты ω_C1<ω_C и ω_C2>ω_C (рис.36, г).

Если частоты ω_C1 и ω_C2 не совпадают на рабо-чих режимах с частотами сильно возбуждающих гар-моник, то новые резонансы не существенны и задачу можно счи­тать решенной.

Демпфер трения по принципу действия основан на рассеянии энергии коле-баний. При этом использу-ется сухое или жидкостное трение. Демпферы ставят на тот участок вала системы, который имеет максималь-ную крутильную деформа-цию.

На рис.37, приведены простейшие конструкции демпферов сухого (рис.37,а) и жидкостного (рис.37,б,в) трения. В демпфере с сухим трением (рис.37,а) ступица 1, жестко соединенная с валом 2, вовлекает во вращение через фрикционные дис­ки 3 маховик 4, свободно поса-женный на вал. С помощью пружины 5 регулируется сила сухого трения. При колебаниях вала происхо-дит относительное проска-льзыва­ние маховика и сту-пицы, приводящее к расе-янию энергии вследствие трения на фрикционных поверхностях. В схеме, изо­браженной на рис.37,б, демпфирую­щий эффект создается при колебаниях жестко насаженной на вал 3 ступицы 1 с лопатками, прокручивающейся относи­тельно маховика 2; внутренние камеры заполнены вязкой жидкостью. В демпфе­ре, изображенном на рис.37,в, демпфирующая сила возникает при перетека­нии масла через малые отверстия при колебаниях диафрагмы 1 относительно заполненного масла и свободно насажен­ного кожуха 2.

Рис.37. Демпферы трения: а — сухого; б и в — жидкостного

Динамические демпферы с внутрен­ним трением (рис.38) часто используют для предотвращения одноузловои формы крутильных колебаний коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания с узлом колебаний у маховика. Подбор момента инерции колеблющейся части демпфера и жесткости резинового слоя позволяет получить один резонанс на оборотах, расположенных значительно ниже рабочих, а другой резонанс — на оборотах, выходящих за рабочий диапа­зон оборотов коленчатого вала. Такие демпферы допускают настройку на две и более частоты колебаний.

В конструкциях получили применение и другие типы демпферов.

Виброизоляторы (амортизато­ры) являются элементами виброзащитной системы. Основной частью виброизолято­ра является упругий элемент. В ряде кон­струкций виброизоляторов применяют специальные демпфирующие устройства для рассеяния энергии колебаний. В за­висимости от обстоятельств демпфирова­ние может либо ухудшать, либо улучшать виброизоляцию.

При изоляции многочастотной вибра­ции наиболее сильно передается защища­емому объекту самая низкочастотная составляющая и полнее отфильтровывается высокочастотная.

Виброизоляторы с нелинейной жес­ткостью соответствующего типа могут оказаться полезными при сравнительно медленном протекании переходного про­цесса (запуска и остановки), когда систе­ма недостаточно быстро переходит через резонанс на виброизоляторах.

Нелинейность характеристик виброи­золятора обусловлена Нели-нейными свой­ствами упругого элемента, внутренним трением в упругом элементе и т.д. На рис.39 изображены различные вибро­изоляторы и их силовые характеристики (по оси абсцисс – перемещения, по оси ординат – реакции): а – резинометаллический; 6 – сетчатый; в – с упругими ограничителями хода; г – демпферный; д – с конической пружиной.

Рис. 39. Виброизоляторы и их силовые характеристики:

а– резинометаллический;б– сетчатый;в – с упругими ограничителями хода;г – демпферный;д – с конической пружиной

Вибрация и шум машин взаимосвяза­ны. Колебания валов, роторов, корпусных деталей машин и др. вызывают шум. Имеется много источников, одновременно порождающих как вибрацию, так и шум. Шум, в свою очередь, может возбуждать вибрацию элементов машины. Если в спектре шума имеются частоты, близкие к собственным частотам конструктивных элементов, происходит значительное уси­ление первоначального шума. Поэтому снижение уровня амплитуд колебаний де­талей и узлов машин может одновремен­но уменьшать шум.

Шумом считают звуки, мешающие восприятию полезных звуков, нарушаю­щие требуемую тишину или оказывающие вредное или раздражающее действие на организм человека. Звук — это волновой процесс, представляющий собой распро­странение в упругой среде вибраций в ди­апазоне воспринимаемых ухом человека частот от 16 до 20000 Гц.

В качестве величины, характеризую­щей силу звука, обычно берут звуковое давление, которое представляет собой ко­леблющуюся составляющую давления воздуха в точке измерения. Диапазон воспринимаемых ухом человека звуковых давлений очень велик. Поэтому принято вместо значений звукового давления опе­рировать логарифмическими уровнями звукового давления в децибелах (дБ). Предельные уровни звукового давления регламентированы госстандартом.