Динамические характеристики несущих конструкций

Общая тенденция машиностроения и приборостроения к увеличению энергетических показателей, отнесенных к единице массы конструкции, приводит к увеличению вибрации механических систем и возрастанию ее влияния на точность и надежность систем и их элементов. Различают вынужденную и свободную вибрацию механических систем.

Вынужденная вибрация возбуждается колебаниями основания, на котором установлена механическая система.

Свободная (собственная) вибрация – результат относительного перемещения элементов механической системы в процессе ее работы.

Таким образом, частоты вынужденной вибрации механической системы определяются частотами вибрации основания. Частоты собственной вибрации механической системы, возбуждаемой технологическими погрешностями элементов системы, зависят от характера погрешностей и относительной скорости перемещения элементов конструкции.

Снижение надежности механических устройств при вибрации объясняется дополнительным нагружением их элементов динамическими силами и моментами и изменением характера разрушения деталей их усталостным повреждением. Наиболее опасным является резонансный режим работы, при котором частота вибраций совпадает с собственной частотой колебаний механической системы.

Увеличение напряжений при вибрации учитывают коэффициентом динамичности:

              .              (8)

Здесь σ_ст, σ_дин – статические и динамические напряжения, вызванные нагрузкой в случае статического ее приложения Р_ст = Р и изменения во времени, например, по гармоническому закону P = Pcosωt. Особенности расчета на прочность по критерию усталости рассмотрены в многочисленной литературе.

Снижение точности механических систем в условиях вибраций связано с появлением динамической погрешности, обусловленной колебаниями элементов системы.

Исследование динамических погрешностей выполняют с использованием динамических моделей, в которых учитываются инерционные и упруго-диссипативные свойства элементов механизмов. Силы, возбуждающие вибрацию систем, по своей природе могут быть механического, магнитного и аэродинамического происхождения. В соответствии с этим вибрации делят на механические, магнитные и аэродинамические.

Источниками механических вибраций и шума являются неуправляемые вращающиеся или колеблющиеся детали, опоры, зубчатые передачи, токопередающие узлы и другие элементы. Неуравновешенность элементов вызывает колебания с частотами, кратными частоте вращения. Амплитуда вынуждающих сил пропорциональна квадрату частоты и дисбалансу масс вращающихся элементов.Основными причинами колебаний, возбуждаемых опорами и зубчатыми передачами, являются циклические изменения жесткости при движении и допустимые геометрические несовершенства контактирующих и сопрягаемых поверхностей. Колебания токопередающих узлов возникают вследствие ударных и фрикционных взаимодействий, а также неточности изготовления элементов.

Параметры вынуждающих сил зависят от частоты вращения, технологических неточностей изготовления и сборки. Во время переходных процессов разгона, торможения возникают импульсные нагрузки.

Магнитная вибрация и шум возникают вследствие периодического изменения электромагнитных сил в зазорах электромагнитных систем, обусловленных конструктивными особенностями (зубчатым строением ротора, допустимым отклонением формы и расположения элементов). Параметры вынуждающих сил зависят от параметров магнитной системы, частот стационарного движения, технологических дефектов изготовления и сборки магнитных систем.

Источниками вибрации и шума аэродинамического происхождения являются быстродвижущиеся детали механизмов (например, вентиляторы охлаждения или роторы насосов).

Все виды колебаний взаимодействуют между собой, в результате возникает вибрация в широком диапазоне частот (до десятков кГц) с различными амплитудами. Вибрация как колебательный процесс может быть охарактеризована амплитудой, частотой и фазой виброперемещения, виброскорости или виброускорения.

Для оценки вибрации рассчитывают и измеряют амплитудно-частотный спектр и общий уровень вибраций. Амплитудно-частотный спектр представляет собой зависимости амплитуды вибрации от частоты. Расчет вибрации сводится к определению амплитуд и частот дискретных составляющих спектра. Т.к. дискретные составляющие содержат информацию о характере и значении дефекта, в дальнейшем их используют при решении задач обеспечения заданного уровня вибраций системы и вибродиагностики ее состояния.

Общий уровень вибрации является комплексной характеристикой. Расчет общего уровня вибрации производится по формуле:

             ,              (9)

где A_i – амплитуда i-ой дискретной составляющей спектра вибрации.

Итак:

Способность конструкции выполнять свои функции при наличии вибрации в заданном диапазоне частот и ускорений называется виброустойчивостью.

При этом не должно происходить изменений технологических режимов (мощности, фокусирования, частоты, положения луча и т.д.).

В качестве критериев оценки динамического качества несущих систем используют амплитудно-частотные и амплитудно-фазо-частотные характеристики (АЧХ и АЧФХ), которые могут быть рассчитаны и оптимизированы на стадии проектирования. Основой расчета служит математическая модель несущих систем, в которой предварительно анализируется податливость отдельных звеньев, экспериментальные данные о параметрах колебаний.