2.3 Возбуждение и распространение колебаний в машинах и механизмах

Для получения достаточно полной информации о машине как источнике вибрации и причинах, ее вызывающих, необходим широкий комплекс исследований различных параметров: вибрационных, энергетических, конструктивно-технологических, инерционно - жесткостных и эксплуатационных. Необходимо не только выявить источники колебаний, но и изучить характер распространения их по конструкциям.

Генераторами возбуждения виброакустического поля работающей машины являются дисбаланс ротора, турбулентность потока газа или жидкости, обтекающей объект, кинематические погрешности изготовления и сборки, зазоры, изменения параметров механической системы во времени, нарушение чистоты и геометрии контактирующих поверхностей, удары и бесконечное множество других причин. Уровень виброактивности машин и механизмов закладывается еще на этапе конструирования, он определяется технологией изготовления узлов машины, технологией сборки, а также организацией эксплуатации.

Сложность виброакустических процессов, генерируемых машинами и механизмами, различие физических моделей и методов их математического описания на различных участках частотного диапазона послужили основанием для разбиения его на три поддиапазона:

-диапазон низких частот (от 0 до 200-300 Гц);

-диапазон средних частот (от 200-300 Гц до 1- 2 кГц);

-диапазон высоких частот (от 1- 2 кГц до 10- 20 кГц).

При рассмотрении диагностических моделей целесообразно ввести еще один поддиапазон: диапазон сверхвысоких частот, т.е. от 10-20 кГц до 100-500 кГц, область акусто-эмиссионной диагностики. Полезность такого деления объясняется тем, что каждому диапазону свойственны свои возмущающие силы, своя физическая модель машины как колебательной упругой системы и своя диагностическая модель. Низкочастотная вибрация носит преимущественно гармонический характер, так как одной из характерных причин ее является неуравновешенность вращающихся масс. Наиболее вероятными причинами низкочастотных колебаний являются: неуравновешенность; отклонение от соосности валов; нарушение геометрии узлов; периодические силы, создаваемые рабочим процессом.

Динамическая модель машины в области низкочастотных колебаний представляет собой комбинацию сосредоточенных масс, связанных упругими безынерционными элементами.

Силы в этих моделях обычно носят детерминированный характер. Вся машина рассматривается как единая упругая система, исследование которой проводится методами прикладной теории колебаний.

Колебания среднечастотного диапазона обычно обусловлены:

• высшими гармониками сил неуравновешенности ротора, обусловленных наличием нелинейных элементов в системе;

• нарушением геометрии кинематических пар;

• динамическим взаимодействием элементов машины между собой и с окружающей средой.

Анализ динамического состояния машины в этом диапазоне обычно проводится разбиением системы на ряд подсистем со связями, характеризуемыми параметрами типа динамической жесткости, импеданса, податливости. В этом диапазоне колебания вызываются рабочими процессами и носят квазиполигармонический характер. Наличие параметрического и нелинейного взаимодействия деталей приводит к существенному усложнению физической и математической модели. Для этого диапазона характерно также наличие случайного возбуждения, являющегося результатом воздействия технологических, кинематических, регулировочных и других случайных факторов.

В диапазоне высоких частот колебания машин и механизмов представляют собой упругие волны, распространяющиеся по неоднородным конструкциям. Их расчет следует вести акусто - эмиссионными методами,

развитыми для сложных по геометрии и структуре сплошных сред. Для колебаний этих частот характерным является то, что они несут небольшую часть колебательной энергии всего спектра и при распространении хорошо

демпфируются.

Помимо перечисленных выше источников вынужденных колебаний в машинах и механизмах возбуждаются колебания на собственных частотах, спектр которых уплотняется с ростом частоты. К источникам колебаний механизма на резонансных частотах следует отнести непериодическое, случайное и импульсное возмущения.

В двигателях внутреннего сгорания основными возмущающими силами являются силы давления газов, силы инерции возвратно-поступательно движущихся и вращающихся частей, моменты этих сил, неуравновешенность нагрузок по цилиндрам и другие причины, вызывающие ударное возмущение поршней о цилиндровые втулки, клапанов о седла, шум всасывания и выхлопа газов и пр. К этому следует добавить возбуждение колебаний в подшипниках качения и скольжения.

Это далеко неполный перечень источников возбуждения колебаний в машинах и механизмах, его можно также дополнить информацией о колебаниях на собственных частотах, суб- и супергармониках, комбинационных частотах основных частот возбуждения при нелинейных и параметрических колебаниях и, таким образом, получить некоторое представление о частотном составе спектров возбуждения и отклика механической системы диагностируемого объекта. Однако эта информация не является диагностической даже если известен амплитудно - частотный состав колебаний. Это своего рода помеха, на фоне которой развиваются изменения свойств виброакустического сигнала при появлении неисправности.

Такие изменения и являются поставщиками диагностической информации. Качественное представление о влиянии некоторых дефектов на изменение колебательных свойств системы в ряде случаев можно получить динамическим моделированием. Основную же количественную информацию

можно почерпнуть из диагностического эксперимента под направленном изменении параметров технического состояния или в процессе ресурсных

испытаний механизма. При этом оказывается, что информативными составляющим виброакустического сигнала чаще всего являются не амплитуды основных частот возбуждения, а их «окраска», т. е. глубина фазовой или амплитудной модуляции соотношение между амплитудами гармоник, фазовые соотношения характеристик случайных выбросов в резонансных зонах и другие параметры виброакустического сигнала, слабо связанные с энергетическим балансом сигнала в целом.

Для лучшего понимания существа вопроса предлагается сделать небольшой экскурс в область теории распространения упругих волн по неоднородным конструкциям. Конструкции машин и механизмов, с точки зрения передачи по ним звуковых колебаний представляют собой совокупность пластин и стержней, определенным образом соединенных между собой. Звуковые волны, возникающие в машинах и механизмах под воздействием динамических усилий со стороны взаимодействующих деталей, распространяются от места возникновения в виде упругих волн.

В отличие от таких сред, как воздух и вода, где возможны волны лишь одного типа (волны сжатия), в твердых телах могут возникать и распространяться упругие волны нескольких типов. В бесконечно твердом теле существует два типа волн: волны сжатия со скоростью распространения

C1=[E(1-σ)/ρ(1+ σ)(1-2 σ)] ^½ (2.6)

и волны сдвига со скоростью распространения C2 = [μ/ ρ] ^1/2

где Е-модуль Юнга ; σ - коэффициент Пуассона; р - плотность ; μ - модуль сдвига.