3.3.23. Динамическое уравновешивание вращающихся масс

После выполнения анализа возможных мер виброзащиты объекта путем воздействия на источник оценивается эффективность применения виброизоляции и демпфирования в связях, осуществляющих прохождение к нему вибрационной энергии.

Виброизоляция – классический метод виброзащиты – осуществляется путем установки в связях между источником и объектом виброизоляторов – упругих элементов, обычно заключенных в корпус. Таким способом достигаются ослабление этих связей и уменьшение потока притекающей с объекту энергии за счет изменения амплитудно-частотных характеристик системы.

Собственная частота (₀) колебаний объекта на виброизоляторах выбирается такой, чтобы частоты основных гармонических составляющих процесса вибровозбуждения () лежали в зарезонансной области ( > ₀), где амплитудно-частотные характеристики имеют наименьшие значения и обеспечивается значительное снижение вибрационного возбуждения объекта.

Наряду с применением упругих элементов в виде пружин здесь для демпфирования колебаний используются резиновые прокладки и поглотители сухого трения.

Вибропоглощение колебаний в связях, осуществляемое в целях демпфирования колебательной энергии, позволяет существенно уменьшать поток энергии вибровозбуждения на частотах, близких к резонансным (₁ = ₀). В этой области частот амплитудно-частотные характеристики имеют наивысшие значения, и при увеличении коэффициента затухания колебаний () их значения существенно уменьшаются, что обеспечивает значительное снижение вибрационного возбуждения объекта.

Демпфирование в этом случае совмещается с виброизоляцией, т. е. сам упругий элемент (например, из резины c высоким коэффициентом потерь) обеспечивает высокий коэффициент затухания вследствие больших потерь энергии на внутреннее трение в материале (рис. 3.3.24, а). При этом в виброизолятор встраивается специальное устройство, например демпфер сухого трения в виде соприкасающихся рессор (рис. 3.3.24, б) либо пневматический демпфер в виде резиновой оболочки с калиброванными отверстиями вокруг пружины (рис. 3.3.24, в). В рессорном демпфере энергия колебаний поглощается трением на соприкасающихся поверхностях рессорных пружин, а в пневматическом – сопротивлением потоков воздуха в отверстиях резиновой оболочки пружины.

Рис. 3.3.24. Конструкция типовых виброизоляторов:

а – с резиновым упругим элементом; б – рессорный с сухим трением; в – с конической пружиной нелинейной жесткости

Когда применение описанных выше методов виброзащиты оказывается недостаточным для решения поставленной задачи, прибегают к дополнительному воздействию на объект виброзащиты в целях подавления его колебаний.

Динамическое гашение колебаний осуществляется путем присоединения к объекту специального устройства, поглощающего вибрационную энергию за счет действия на объект динамической нагрузки в противофазе с вибрационным возбуждением. При этом возможна автоматическая настройка системы объект – гаситель в требуемом диапазоне частот вибрационного возбуждения.

Пассивными называются устройства виброгашения, включающие дополнительную массу т₁, упругие и диссипативные элементы. При настройке на определенную рабочую частоту, они служат для подавления гармонических или узкополосных колебаний на частоте настройки.

Для понимания сущности действия динамического виброгасителя рассмотрим объект массой т со связью жесткости с под действием гармонической силы F(t) = F₀sint постоянной частоты , которая вызывает интенсивные колебания вблизи резонанса. Чтобы устранить или уменьшить эти колебания, нужно устранить возбуждающую силу или отстроить систему от резонанса, что зачастую сделать невозможно. Тогда возникает третья возможность – использовать динамический гаситель колебаний.

Динамический гаситель колебаний состоит из малой по сравнению с объектом массы (m  m_г), связанной с основной массой (m) связью жесткости (с). Собственная частота гасителя подбирается так, чтобы она была равна частоте гармонического возбуждения . Можно показать, что в этом случае сила упругости R(t) в связи поглотителя в любой момент времени равна и противоположно направлена действующей на объект гармонической силе F(t):

R₀ sint = – F₀ sin t.

В результате объект будет полностью освобожден от действия возбуждающей нагрузки на частоте .

Расширение частотного диапазона воздействия динамического виброгасителя достигается увеличением затухания путем демпфирования упругой связи (рис. 3.3.25). Для поглощения энергии колебаний в качестве упругого элемента в гасителе использована резиновая втулка, которая разделяет объект с моментом инерции (J) и гаситель с моментом инерции (J_г).

Рис. 3.3.25. Динамический гаситель крутильных колебаний с трением:

а – расчетная схема; б – конструкция; в – амплитудно-частотная характеристика

А ктивные динамические гасители колебаний, кроме перечисленных выше элементов, включают элементы немеханической природы с независимым источником энергии. В простейшем случае (рис. 3.3.26) это управляемый электромагнитный виброгаситель 1, в котором изменение характеристик колебательной системы 2 осуществляется посредством управления электромагнитными элементами по сигналам обратной связи от вибродатчика 3. Его амплитудно-частотная характеристика изображена на рис. 3.3.27. Существует большое разнообразие типов сложных активных систем виброгашения, в том числе пневматических и гидравлических, в которых широкополосное динамическое воздействие на объект формируется в реальном времени с учетом его вибрационных характеристик на основе поступающего по обратной связи сигнала.

Демпферы (поглотители колебаний) с вязким и сухим трением, в которых вибрационная энергия присоединенного объекта преобразуется в работу сил трения, широко используются для гашения как продольных, так и крутильных колебаний любой зависимости от времени и любой частоты.

Н а рис. 3.3.28 показана конструктивная схема демпфера вязкого трения для крутильных колебаний. Втулка 1, жестко связанная с кожухом 2 поглотителя, насажена на вал 5, крутильные колебания которого необходимо погасить. Внутри кожуха находится маховик 3, могущий проскальзывать на подшипнике скольжения 4 относительно втулки 1. Небольшой зазор между кожухом и маховиком заполнен вязкой жидкостью. Энергия колебаний вала поглощается силами трением маховика в подшипнике скольжения и в вязкой жидкости. Амплитудно-частотная характеристика демпфера приведена на рис. 3.3.29.

Д емпферы с сухим трением имеют наибольшее распространение вследствие простоты конструкции и малых габаритов. На рис. 3.3.30 показана конструктивная схема демпфера крутильных колебаний с сухим трением. Ступица 4, установленная неподвижно на валу 5, жестко связана с фрикционными дисками 3, прижатыми к маховику 1 пружинами 2. Регулировка величины сил сухого трения между фрикционными дисками и маховиком осуществляется с помощью пружин. При крутильных колебаниях вала маховик проскальзывает относительно ступицы, что приводит к поглощению энергии силами трения на фрикционных поверхностях.

Оптимальный момент сил сухого трения, обеспечивающий максимальное поглощение энергии за цикл, в этом случае равен

,

где J_m – момент инерции маховика, кгм²;

 – круговая частота колебаний, с^–1;

₀ – амплитуда угловых колебаний без демпфера, рад.