Основы виброзащиты механизмов и машин

Виды механических колебаний

Поскольку при работе механизма нагрузки на звенья непрерывно меняются, то из-за упругости материала звенья испытывают изменяющиеся деформации, вызывающие их колебания. Эти колебания необходимо учитывать при динамических расчетах, так как они оказывают определенное влияние на работоспособность машин. Механические колебания могут играть как полезную, так и вредную роль. Колебания подвижных систем вызывают вибрации, нарушающие нормальную работу механизмов, машин и приборов, а в ряде случаев приводят к поломке деталей. В определенных случаях колебания деталей и узлов возбуждают специально, что связано с принципом работы механизмов и приборов (в механизмах прерывистого действия — виброуплотнителях, в испытательных устройствах — вибростендах для испытания изделий, виброустановках для определения механических характеристик материалов, в измерительных приборах).

Механические колебания в зависимости от причин, их вызывающих, можно разделить на четыре группы: свободные, вынужденные, параметрические автоколебания и хаотичные.

К свободным относятся колебания, возникающие в механических системах в результате импульсного внешнего воздействия — толчка. Особенностью этих колебаний является то, что их характер после воздействия толчка определяется восстанавливающими силами.

К вынужденным относятся колебания, вызываемые действием внешних сил, изменяющихся по определенному закону. Вынужденные колебания, вследствие упругости механических систем, всегда сопровождаются свободными.

Параметрические колебания вызываются изменением параметров механических систем (масс, моментов инерции). В отличие от вынужденных колебаний параметрические поддерживаются внешними силами косвенно — через изменение параметров системы.

Автоколебания возникают в системе, находящейся под действием сил, не обладающих колебательными свойствами. Энергия, вызывающая колебания, передается от источника постоянного действия (с постоянным моментом, силой и т. п.) через специальное клапанное устройство, управляющее колебаниями за счет дозирования энергии. В системах с автоколебаниями имеется обратная связь, через которую колебательная система управляет этим устройством. Поэтому в автоколебательной системе могут возникнуть устойчивые периодические незатухающие колебания. Во многих случаях в механизмах и сооружениях, находящихся в автоколебательном движении, трудно четко выделить источник энергии, клапанное устройство, колебательную систему и обратную связь.

Хаотичные колебания кратковременного действия с большой амплитудой вызывают соударения деталей. Такие колебания возникают при резком изменении нагрузок в процессе транспортировки и эксплуатации.

Рис. 8.1. Графики, характеризующие различные виды колебаний.

Динамические нагрузки при вибрациях и ударах зависят от ускорения объектов, поэтому перегрузки, воспринимаемые механизмами и приборами, обычно характеризуются величинами ускорений, выраженными в долях ускорения свободного падения g (например, говорят, что при вибрации перегрузка прибора составила 5g).

Характер колебаний.

Колебания можно разделить на простые, или гармонические, затухающие и резонансные. В первых амплитуда колебаний через определенный период времени Т имеет одинаковую величину (рис. 8.1, а), при затухающих колебаниях амплитуда со временем уменьшается (рис. 8.1, б), а при резонансных — возрастает (рис. 8.1, в). Колебательные движения механических систем описываются уравнениями движения — линейными и нелинейными.

На характер колебаний оказывает влияние степень свободы колебательных систем. Число степеней свободы соответствует количеству координат, определяющих положение механической системы в пространстве. В большинстве случаев степень свободы действительных колебательных систем больше единицы. Изучать колебательное движение таких систем довольно сложно, поэтому на практике используют приближенные методы решений, основанные на замене действительных колебательных систем упрощенными эквивалентными.

Механические колебания в технике часто называют вибрациями.

Вибрации оказывают как полезное, так и вредное действие на работу механизмов. В машинах и приборах, где механические колебания используют для выполнения основных функций (виброконвейеры, вибробункеры и т. п.) вибрации полезны. В противном случае они вызывают нагружение деталей механизмов и приборов дополнительными инерционными силами, а при больших амплитудах приводят, в конечном счете, к разрушению деталей.