ВВЕДЕНИЕ

Усиливающаяся тенденция к увеличению скоростей современных машин и механизмов приводит к неизбежному росту вредных вибраций и шумов, повышению опасности разрушения деталей при прохождении колебаний системы через резонанс вследствие обычной и акустической усталости, понижению надежности работы механизмов и ухудшению условий труда.

Борьба с вибрациями и шумами является в настоящее время одной из актуальных проблем, важной практически для всех отраслей народного хозяйства и в первую очередь, для машиностроения, приборостроения и судостроения.

Эффективным, а в ряде случаев и единственно приемлемым способам уменьшения вредных вибраций и шумов, препятствия их распространению и снижения резонансных пиковых напряжений, является использование для деталей машин и конструкций, работающих в динамическом режиме, сплавов с большим внутренним трением, так называемых сплавов высокого демпфирования. Последними, на наш взгляд, следует считать сплавы с относительным рассеянием энергии в диапазоне рабочих амплитуд более чем 1%, т е. не меньше, чем в таком известном материале, как сером чугуне.

Принято различать демпфирование (внутреннее трение), обусловленное релаксационными процессами, независимое от уровня амплитуд колебаний и характеризуемое зависимостью с экстремумом от температуры и частоты колебаний; и демпфирование, вызванное нерелаксационными процессами, независимое от частоты колебаний в достаточно широком для практики диапазоне последних и зависимое от величин амплитуд колебаний Обычно в сплавах при повышенных амплитудах одновременно проявляются оба вида внутреннего трения, но с различной интенсивностью; так как в сплавах высокого демпфирования основную роль играет нерелаксационное демпфирование, в дальнейшем будем рассматривать только его.

Нерелаксационное демпфирование отличается от релаксационного или от амплитуднонезависимого демпфирования как по своему механизму, так и по техническому значению при решении инженерных задач. Релаксационное внутреннее трение в последнее время стало тонким инструментом в руках исследователей, занятых изучением структурных превращений в металлах и сплавах в результате различных внешних воздействий. Нерелаксационное внутреннее трение, обусловливающее демпфирующие свойства металлов, величину демпфирования или степень рассеяния энергии, сообщенной телу извне в результате ориложения знакопеременной нагрузки, является сейчас важным самостоятельным свойством материала.

Демпфирующую способность материалов необходимо учитывать при проектировании многих деталей узлов и механизм о, работающих в сложных вибрационных условиях, наряду с такими общепринятыми характеристиками, как пределы прочности, текучести, выносливости и т. д. При прочих равных условиях деталь из сплава, обладающего высоким демпфированием, окажется более надежной при значительной вибрационной нагрузке и ударе, чем та же деталь, изготовленная из сплава, не обладающего этим свойствам. Благодаря высокому внутреннему трению свободные колебания конструкций быстро затухают, значительно снижаются амплитуды вынужденных колебаний в резонансном режиме, резко снижаются напряжения от импульсов и ударов в конструкциях с большим числом степеней свободы и происходит выравнивание динамических напряжений в местах их концентраций. Чем больше внутреннее трение в конструкции, тем она надежнее в работе при динамических воздействиях.

По мнению многих исследователей, амплитуднозависимое или микропластическое внутреннее грение наилучшим образом характеризует степень надежности конструкций и деталей машин, испытывающих вибрационные нагрузки.

Сплавы высокого демпфирования при условии, что они обладают удовлетворительным комплексом других физико-механических характеристик следует рекомендовать для изготовления большой номенклатуры деталей, работающих в режиме циклического нагружения, во многих отраслях промышленности.

Преимуществами гашения колебаний с помощью сплавов высокого демпфирования являются простота (отпадает надобность в специальных, порою довольно сложных виброгасящих устройствах), практическая независимость эффекта демпфирования от частоты и, как правило, более широкая, чем у пластмасс, область рабочих температур.

Использование сплавов для изготовления станин и других корпусных деталей значительно повышает вибростойкость и надежность работы станков или другого оборудования, снижает общий уровень шумов [1—12].

Большое преимущество перед сложными демпферными устройствами в подвесках, амортизаторах и т. п. имеют различного типа пружины, изготовленные из сплавов высокого демпфирования.

Дальнейшее улучшение качества обрабатываемой поверхности и повышение скорости резания возможно «при применении резцов с державками из сплавов высокого демпфирования.

В результате использования сплавов высокого демпфирования для изготовления колес и шестерен значительно снижаются шумы и вибрация в различных зубчатых /передачах, причем наибольший эффект отмечается в передачах Новикова. Практика эксплуатации шестерен из марганцевомедного сплава с содержанием 65—66% Мn и 1—1,5% Рb показала также их хорошую износостойкость и удовлетворительную коррозионную стойкость [9].

Исключительно большую роль сплавы высокого демпфирования играют в развитии современного турбостроения, где их применяют для изготовления лопаток. Благодаря разработанным в последнее время ставам высокого демпфирования на никелевой основе стало возможным повышение температуры пара на первых ступенях до 600—700оС и увеличение длины лопаток на последних ступенях до одного метра [4,13].

Как показали наши эксперименты, проведенные в заводских условиях, некоторые корпусные детали генераторов, изготовленные из марганцевомедного сплава высокого демпфирования, излучают в 5—6 раз меньше энергии колебаний, чем идентичные крышки из стали. Отмечено [7], что использование сплавов высокого демпфирования для отдельных деталей отбойных молотков снизило общий шум «а 8 дб и полностью устранило «звон» с частотой 80000 гц. Изготовление из сплавов высокого демпфирования некоторых деталей текстильных машин значительно уменьшило шум в ткацких цехах.

Демпфирующая способность имеет важное значение для материалов, применяемых для изготовления коленчатых валов двигателей внутренного сгорания. Специальные исследования установили, что в коленчатых валах при переходе через резонанс 60—65% энергии рассеивается за счет демпфирующей способности материала валов и только 35—40% за счет конструкционного демпфирования (трение в подшипниках, поршневом узле и т.д ) [14].

Весьма перспективно использование сплавав высокого демпфирования в судостроении. При эксплуатации судов вибрация и шумы зачастую затрудняют нормальную работу экипажа, нарушают работу оборудования акустической локации. В значительной мере от успехов борьбы с шумами и вибрациями зависят комфортабельность, надежность, а в итоге и серийность производства быстроходных судов на подводных крыльях и воздушной подушке.

Случаи резонансного разрушения крыльев самолетов, лопастей пропеллеров, большой шум в кабине и салонах являются в определенной степени следствием того, что применяемые в авиации сплавы обладают весьма малым демпфированием. Повышение уровня демпфирования последних позволило бы в основном разрешить эти трудности и резко увеличить надежность и комфортабельность летательных аппаратов.

Вследствие большой мощности реактивных двигателей увеличились случаи акустической усталости. Последняя является следствием высоких акустических давлений, передаваемых от двигателя через воздух, причем звуковые колебания имеют достаточно широкий спектр частот, охватывающий большинство собственных частот колебаний узлов конструкции. Опасность акустической усталости можно в значительной степени уменьшить, используя для отдельных деталей конструкций сплавы высокого демпфирования.

Применение сплавов высокого демпфирования для корпуоных деталей и деталей крепления в системе наведения повышает надежность работы системы и увеличивает точность полета ракет [7].

В последнее время заклепочные соединения почти повсеместно заменяются сварными. При этом часто забывают, что первые за счет небольших перемещений между склепываемыми поверхностями имеют гораздо большее в два — пять раз) демпфирование, чем вторые, что заметно увеличивает надежность их работы [10, 14]. Использование сплавов с повышенным демпфированием устранило бы этот весьма существенный недостаток сварных конструкций.

Весьма перспективно применение сплавов высокого демпфирования для плакирования стального или цветного проката.

Актуальна задача повышения демпфирующей способности и в строительных сталях, используемых для изготовления каркасов высотных сооружений и мачт. Высокое демпфирование в силовых канатах и тросах должно значительно повысить надежность подвесных мостов и других аналогичных конструкций.

Сплавы высокого демпфирования можно рекомендовать также для изготовления деталей высококачественных адаптеров и микрофонов.

Использование сплавов высокого демпфирования для изготовления деталей пишущих и других конторских машин значительно снижает шум работы последних.

Несмотря на большую важность для промышленности сплавов высокого демпфирования, их только начали использовать. Разработка и исследование сплавов высокого демпфирования, обладающих хорошими прочностными и другими физико-механическими характеристиками, является одной из актуальнейших задач для металлургов и металловедов. В монографии авторы поставили своей целью обобщить опубликованные материалы по изучению наиболее распространенных сплавов высокого демпфирования и привести результаты собственных исследований по указанной проблеме.

Назад, на страницу описания