ВВЕДЕНИЕ

Научно-техническая революция приводит ко все большим масштабам применения машин и механизмов. При этом для современного машиностроения характерно развитие противоречия между двумя основными и прогрессивными тенденциями:
а) уменьшение веса, объема, занимаемой площади;
б) улучшение качества, в частности увеличение надежности и долговечности машин и механизмов.

Статистические данные для различных машин и механизмов показывают, что с годами уменьшаются их удельные веса, но одновременно интенсивно растет динамическая напряженность машин, характеризуемая общей вибрацией. Эти объективные закономерности превратили борьбу с шумом и вибрацией машин в одну из «проблем века», связанную с борьбой за очищение среды, в которой существует человек.

В каждой отрасли машиностроения (стационарные машины, судостроение, авиация и пр.) зарождаются свои нормы на вибрацию машин и механизмов.

Кроме отрицательного воздействия вибрации машин на надежность, долговечность, к. п. д. и пр. она оказывает вредное влияние еще и на следующее:
1) на окружающую среду;
2) на сооружения, аппараты, в которых установлены машины; на оборудование, установленное в этих объектах, особенно на системы автоматического управления;
3) на производительность труда и здоровье человека.

Статистические данные показывают, что большое число поломок и аварий в машиностроении порождено повышенной вибрацией.

Вредное действие вибрации на здоровье человека состоит в следующем: изменение в нервной и костно-сосудиетой системах, повышение артериального давления, ослабление памяти, спазмы сосудов сердца, нарушение остроты зрения, падение мышечной силы, падение веса и др. У людей, работающих в условиях повышенного шума, развивается гипертоническая болезнь и невралгия. Исследования показывают, что под действием длительного шума производительность труда падает до 60%, а число ошибок 9 расчетах увеличивается более чем на 50%. Шум не допустим не только на производстве, но и в средствах транспорта, на улице, в зоне отдыха и в быту».

Таким образом, снижение виброактивности машин является одной из актуальных задач современности, в связи с этим можно утверждать, что машины будущего — малошумные машины и сейчас необходимо закладывать научный фундамент проектирования и технологии изготовления таких машин. Виброакустическая активность машин является их важнейшим качеством и уже сейчас заводы-изготовители все у большего числа типов машин контролируют этот параметр и отбраковывают по нему продукцию.

Уровень виброактивности машин и механизмов закладывается, прежде всего, в процессе ее конструирования, при этом будет велика роль виброакустического расчета машины, если его сделать обязательным; заложенный же в машину конструктором уровень виброактивности обеспечивается технологией изготовления узлов машины, технологией ее сборки и научной организацией ее эксплуатации. Сейчас, как правило, машины, в том числе и малошумные, проектируются в соответствии со своими традиционными формами, которые не всегда являются оптимальными с точки зрения малой виброактивности. Это приводит к тому, что доводка Уровней виброактивности машин занимает много времени и требует больших материальных затрат, а иногда такая доводка просто и невозможна без коренной переделки машины или создания совсем нового образца. При этом у конструктора нет уверенности, что в новом образце будут решены поставленные задачи по обеспечению нужного уровня виброактивности. Это проистекает, по нашему мнению, прежде всего из-за того, что до сих пор не были четко сформулированы и систематизированы принципы и правила конструирования малошумных машин и механизмов и не были на их базе разработаны научно обоснованные технические требования к малошумным машинам.

Указанные принципы и правила должны быть ядром развивающейся сейчас новой науки — виброакустики машин и механизмов, т. е. науки о генерировании колебаний в машинах, распространении этих колебаний в машинах и о методах борьбы с ними.

Предлагаемая читателю книга содержит некоторые основные положения этой новой науки, которая должна помочь конструкторам проектировать малошумные машины.

Особенно актуальными эти задачи являются сейчас для сложных многомашинных агрегатов. Одной из целей предлагаемой книги и является формулирование указанных задач и оказание помощи читателю в их решении.

В соответствии с широко распространенным мнением считаем, что колебания, генерируемые машинами и механизмами, целесообразно рассматривать по отдельным диапазонам: диапазон низких частот (от единиц до 200—300 Гц), диапазон средних частот (от 200—300 до 1000—2000 Гц); диапазон высоких частот (свыше 1000—2000 Гц).

Полезность такого деления объясняется тем, что каждому диапазону свойственны свои возмущающие силы, для каждого диапазона характерны своя физическая модель машины как колебательной упругой системы и соответствующие ей математические методы описания колебательных процессов. Более того, для каждого диапазона можно выделить и свои характерные методы борьбы с колебаниями в источнике и на путях распространения. Наиболее вероятными причинами низкочастотных колебаний являются.
1. Неуравновешенность вращающихся масс.
2. Несоосности приводов отдельных агрегатов (в совокупности с соединительными муфтами).
3. Нарушение геометрии узлов шип—подшипник.
4. Периодические силы, создаваемые рабочим процессом.

Следует отметить, что гармоники колебаний именно этого диапазона определяют динамическую прочность элементов машин и несут с собой подавляющую долю колебательной энергии; более того, эти колебания хорошо распространяются на большие расстояния из-за слабого демпфирования. Эти обстоятельства делают данный диапазон наиболее важным, и ему в книге уделено наибольшее внимание.

Динамическая модель машины для исследования колебаний низкочастотного диапазона представляет собой комбинацию пластинчатых, балочных элементов, а также точечных масс, сосредоточенных или распределенных упругодемпферных элементов. Наиболее простые модели состоят из сосредоточенных масс, связанных между собой упругими безынерционными элементами.

Силы в этих моделях носят обычно детерминированный характер. Вся машина рассматривается как единая упругая системат исследование свойств которой производится обычно методами прикладной теории колебаний.

Колебания средиечастотного диапазона обычно генерируются:
1) высшими гармониками сил, порожденных неуравновешенностью ротора и обусловленных наличием нелинейных элементов в системе ротор—статор;
2) нарушением геометрии кинематических пар;
3) динамическим взаимодействием элементов ротора и статора (типа «зубцовой» частоты в электромашинах, «лопаточной» — в насосах). Эти возмущения часто вызывают резонансные колебания элементов корпуса, деталей амортизации и фундаментов.

В этом диапазоне частот машина описывается совокупностью каналов распространения колебаний («вибропроводов») от точек приложения сил к выбранным точкам наблюдения. Конкретный анализ динамического состояния машины производится обычно с помощью рассечения общей системы на ряд независимых подсистем и описания их свойств в точках взаимодействия этих подсистем обобщенными динамическими характеристиками типа динамической жесткости, импеданса, механической проводимости и т п.

Характеризуя этот метод описания среднечастотных колебаний, следует отметить, что он, во-первых, достаточно громоздок (каждый полюс описывается многими параметрами); во-вторых, применим для расчета виброактивности уже построенных конструкцией, так как характеристики полюсов определяются большей частью экспериментально, и, в-третьих, он не позволяет учитывать всегда имеющиеся в машине нелинейные элементы, часто влияющие кардинальным образом на поведение системы в диапазоне не только низких, но еще более в диапазоне средних частот, где этот метод и должен получить наибольшее применение. Отметим, что, например, нелинейность соединения шип—подшипник в подшипнике скольжения порождает высокие гармоники, создаваемые дисбалансом, т. е. имеет место возникновение «пучка» гармоник. Если бы соединение было линейным, то дисбаланс мог бы создавать только первую («оборотную») гармонику.

Несмотря на отмеченные недостатки, другого метода описания колебаний машин в среднечастотном диапазоне сейчас не предлагается.

В диапазоне высоких частот механические колебания машин представляют собой упругие волны, распространяющиеся по элементам конструкции. Их расчет следует вести обычными акустическими 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.

Назад, на страницу описания