Файл: Решетов, Д. Н. Работоспособность и надежность деталей машин учебное пособие.pdf

Демпферы колебаний — это устройства, рассеивающие энергию колебаний. Рассеяние энергии может осуществляться внутренним трением, внешним сухим трением, вязким трением, электромагнитным демпфированием. В демпферах создается’ сила трения, направленная противоположно скорости вредных колебаний и вызывающая рассея­ ние энергии колебаний. Демпферы устанавливают между колеблю­ щимся телом и корпусной деталью или сейсмически неподвижной

массой в местах максимальных амплитуд и возможно ближе к источникам возмущения.

Классическим примером демп­ фера сухого трения является демпфер Ланчестера для кру­ тильных колебаний (рис. 9, а). Демпфер состоит из диска, наса­ женного на колеблющийся вал, и маховика, состоящего из двух половин и притягиваемого к диску пружинами. При колеба­ ниях вала маховик не успевает следовать за валом и на поверх­ ностях контакта возникают пе­ риодические силы трения, демп­ фирующие колебания. Сущест­ вует оптимальная сила затяжки демпфера. При отсутствии за­ тяжки силы трения очень малы.

При излишне большой силе затяжки маховик колеблется вместе с ва-. лом и силы рассеивания энергии колебаний в демпфере пропадают.

Демпферы сухого трения применяют также при поперечных колеба­ ниях, например, в виде одной или нескольких цилиндрических масс, вставляемых с зазором в отверстие и сжимаемых регулируемой пру­ жиной между фрикционными дисками, установленными без зазора.

Успешно применяют демпферы сухого трения в виде пакетов из тарельчатых пружин, которые в результате скольжения по кониче­ ским поверхностям контакта рассеивают значительную энергию.

В демпферах вязкого трения обычно используют силы сопротивле­ ния жидкости при протекании ее через узкие щели или отверстия.

Для демпфирования поступательно перемещаемых деталей исполь­ зуют демпфер поршневого типа (рис. 9, б). Поршень, связанный с колеб­ лющейся деталью, заставляет жидкость перетекать из одной поло­ сти в другую через трубку с дросселем или отверстие в поршне. При этом возникают силы сопротивления. Трубка с дросселем благодаря своей податливости и увеличению объема воздуха в масляной системе снижает эффективность демпфирования, но позволяет регулировку. При необходимости демпфирования колебаний с малыми амплитудами целесообразно применять гидравлические демпферы с мембранами или сильфонами, исключающими перетекание масла по кольцевому зазору между поршнем и цилиндром.

18

Демпферы вязкого трения для крутильных колебаний выполняют в виде крыльчаток—дисков с радиальными лопастями, которые при колебаниях заставляют масло перетекать из одной полости камер в дру­ гую. Чтобы уменьшить влияние изменения температуры на работу демпфера, применяют силиконовые жидкости.

Динамический гаситель колебаний представляет собой массу т,

присоединенную к колеблющейся системе М с помощью упругого эле­ мента или маятникового подвеса (рис. 10, а). В гасителях без демпфи­ рования, применяемых при постоянной частоте возбуждения, собст­ венная частота гасителя должна быть равна или весьма близка к час­ тоте возмущающей силы. Тогда гаситель получает резонансные коле­

a) i

т

Рис. 10

бания и передает на систему гармоническую силу, которая уравнове­ шивает силу возбуждения. Масса гасителя может составлять неболь­ шую долю от основной массы. С. П. Тимошенко привел пример сни­ жения в три раза амплитуд колебаний опорного подшипника турбоге­ нератора на 30 тыс. кет двумя антивибраторами с грузами по 11 кГ.

В поршневых двигателях успешно применяют на коленчатых валах маятниковые гасители, в которых дополнительная масса на пружине заменена маятником (рис. 10, б).

Основное распространение имеют динамические гасители с демп­ фированием, которые эффективны в значительно большем диапазоне частот. Применяют динамические гасители с упругими элементами

В последнее время появились динамические гасители с настройкой по частоте с помощью специальных устройств автоматического регу­ лирования.

Довольно широко применяют гасители ударного действия, эффект которых основан на рассмотренном выше динамическом взаимодейст­ вии и на рассеянии энергии при ударах.

19

Наиболее известен гаситель в виде цилиндрической массы, поме­ щенной свободно с небольшим зазором в цилиндрическом отверстии колеблющейся детали, или в виде кольца, охватывающего шейку вала. Масса гасителя должна быть по возможности не меньше х/3 приведенной массы системы. Оптимальный зазор равен лх, где х — амплитуда колебаний. При малых амплитудах масса работает как маятник. Гаситель эффективен при работе в зоне резонанса для систем с малым внутренним трением. Он, в частности, довольно широко при­ меняется в оправках алмазно-расточных станков.

Новым способом устранения колебаний в прецизионных машинах является применение устройств активного воздействия с переменным магнитным полем, управляемым от специальных датчиков.

Предохранительные устройства применяют в машинах, подвер­ гающихся перегрузкам. Постановка этих устройств особо ак­ туальна:

вмашинах ударного действия, так как силу удара трудно регла­ ментировать и эти машины обычно имеют маховики. В кузнечно-прес­ совых машинах перегрузки могут вызываться переохлаждением или завышенными размерами заготовок;

вмашинах, обрабатывающих неоднородную среду, в которой опас­ ны твердые включения (горные, землеройные, почвообрабатывающие, дробильные и аналогичные машины). Так, в угольных комбайнах вклю­

чение камней в пласт создает перегрузки в приводе в 5—10 раз;

вавтоматических машинах и устройствах из-за отсутствия непре­ рывного наблюдения за их работой;

вответвляющихся кинематических цепях, передающих небольшую часть мощности приводного двигателя (например, в приводах подачи металлорежущих станков).

Расположение предохранительных муфт при ударных нагрузках должно быть возможно ближе к месту приложения нагрузки, а при плавно нарастающих перегрузках оно безразлично; обычно муфты

ния, являющегося источником возмущения, от передачи его на осно­

Всвязи с непрерывным повышением требований к точности машин

иразвитием прецизионного машиностроения рассмотрим вопросы пассивной ьиброизоляции более подробнр [12, 17].

Основания под машинами подвергаются колебаниям, вызываемым работой соседнего оборудования (машин ударного действия, с неурав­ новешенными массами, с возвратно-поступательно перемещаемыми

массами) и работой проходящего транспорта. Колебания существенно зависят от динамических характеристик грунтов и перекрытий зда­ ний. Колебания в машиностроительных цехах имеют очень широкий частотный спектр. В диапазоне 2—25 гц амплитуда обычно мало зави­ сит от частоты, причем максимальные амплитуды вертикальных коле­ баний равны примерно 2,5—3 мкм, а горизонтальных — 1,5—2 мкм. При больших частотах амплитуда существенно меньше.

20

Для уменьшения влияния колебаний оснований на работу преци­ зионных металлорежущих станков и другого прецизионного обору­ дования применяют виброизоляцию.

Машины с жесткими станинами, не имеющие мощных внутренних источников колебаний, устанавливают непосредственно на упругие опоры или прокладкш_Машины с нежесткими станинами и машины, подверженные мощным внутренним источникам колебаний, ставят на бетонные блоки, в свою очередь помещаемые на упругие опоры или прокладки. Уникальные прецизионные машины устанавливают на пружинные фундаменты.

Задача виброизоляции заключается в сведении к минимуму отно­ сительных перемещений рабочих органов, в частности инструмента

иизделия в станках.

Вусловиях широкого частотного спектра колебаний оснований при­ менение упругих опор приводит к тому, что на станину передаются низкочастотные колебания, близкие по частоте к собственным колеба­ ниям машины ш опорах, а опасные высокочастотные колебания с час­ тотами, близкими к частотам fp собственных колебаний рабочих ор­ ганов, не передаются.

Эффективность виброизоляции можно характеризовать коэффициентом пе­ редачи колебаний, равным отношению амплитуды оотн относительных колеба­ ний рабочих органов к амплитуде а колебаний основания. Этот коэффициент

можно представить в виде произведения коэффициентов передачи от основания

кстанине Р и от станины к рабочим органам у.

Всвязи с тем что станина колеблется с частотой /0 собственных колебаний на опорах, то Р = я/6, где б — логарифмический декремент колебаний. В свою очередь п р и > f0 у = cf%. Экспериментально определив коэффициенту, пе­

редачи колебаний на частоте (например, соответствующей установке станка на жестких опорах), можно принять с —

Окончательно амплитуды относительных колебаний рабочих органов на частоте виброизоляции (0

я

а0тн=аРу = а — (Д |= ал сФ \

О

где Ф = ^0/>Уб — критерий виброизоляции. Чем меньше допустимая амп­ литуда относительных колебаний, тем меньше должен быть критерий виброизоляции.

При проектировании виброизоляции нужно уменьшать связанность коле­ баний в системе, чтобы колебания по отдельным (линейным или угловым) ко­ ординатам не вызывали значимых колебаний по другим координатам. Это преж­ де всего достигается обеспечением одной или двух плоскостей симметрии си­ стемы. В большинстве случаев машины имеют плоскость симметрии, причем вер­ тикальные колебания могут рассматриваться независимыми, а горизонтальные

иугловые в плоскости симметрии — связанными.

Вкачестве виброизолирующих опор наиболее удобны так называемые равночастотные опоры с нелинейной характеристикой, обеспечиваю­ щие почти одинаковую частоту собственных колебаний машин разных масс (в определенных пределах). Нелинейность характеристики обес­ печивается тем, что свободное сжатие резинового упругого элемента постепенно превращается в стесненное сжатие. В СССР в централизо­ ванном порядке изготовляется гамма равночастотных резинометал­

лических опор на частоты 15, 20 и 35 гц (рис. 11). Для большинства

21