ЧТО МОЖЕТ ВИБРАЦИЯ?

Об эффекте вибрационного перемещения

Под эффектом вибрационного перемещения понимает­ся возникновение «направленного в среднем» изменения (в частности, движения) за счет ненаправленных в сред­нем (колебательных) воздействий[9]). На этом эффекте основано вибрациопное транспортирование отдельных тел и сыпучих материалов в вибрирующих лотках и сосудах, работа устройств, называемых вибрационными преобра­зователями движения и вибродвигателями, вибрационное погружение свай, шпунта и оболочек, вибрационное раз­деление частиц сыпучего материала по плотности, раз­мерам и некоторым другим параметрам; движение вибра­ционных экипажей, полет и плавание живых организмов. В качестве примера вредного проявления эффекта вибра­ционного перемещения можно указать на возникновение под действием вибрации подвижности номинально непод­вижных деталей машин (в частности, самоотвинчивание гаек).

4.1. Физический механизм и основные виды

асимметрии системы,

обусловливающие вибрационное перемещение

Физический механизм многих процессов вибрационно­го перемещения может быть выяснен на модели, пред­ставляющей собой материальную частицу или плоское тело на вибрирующей шероховатой плоскости. Эта мо­дель, имеющая для исследования процессов вибрацион­ного перемещения фундаментальное значение, позволяет также рассчитывать основную характеристику, интересу­ющую инженера,— среднюю скорость протекания про­цесса. На этой модели мы и выяспим основные физиче­ские принципы возникновения и одновременно техниче­ские способы получения вибрационного перемещения.

В п. 2.3.2 мы уже рассмотрели простейший вариант этой модели и установили, что тело, лежащее иа шерохо­ватой плоскости с неодинаковыми коэффициентами тре­ния при смещении вправо и влево, под действием доста-

точно интепспвпой вибрации движется в направлении наименьшего сопротивления. Ужо на этой простейшей модели усматривается їлавньїй принцип получения (или возникновения) эффекта вибрационного перемещения — необходимость асимметрии, обеспечивающей преимуще­ственное, накапливающееся перемещение системы в оп­ределенном направлении или, как сказал бы наблюда­тель У, обеспечивающей получепие вибрационной силы определенного направления.

На рис. 4.1, а схематически представлены шесть ви­дов такой асимметрии и соответственно шесть способов реализации процесса вибрационного перемещения (в дан­ном случае — вибрационного транспортирования).

Асимметрию вида I назовем силовой. Она может быть обусловлена либо действием постоянной силы Т (вари­ант 2), либо наклоном плоскости по отношению к гори­зонту (вариант 2), что, в сущности, не отличается от варианта 1, либо неодинаковостью модуля силы сопро­тивления движению вправо F+ и влево F - (вариант 3, частный случай которого рассмотрен в п. 2.3.2 — см. рис. 2.2). Стрелками на оси х, имеющими одинаковую длину в обоих направлениях, условно указано, что закон вибрации точек поверхности совершенно симметричен, т. е. представляет собой, например, чисто гармонические колебания [10]). В случае асимметрии вида 1 траектории колебаний, к тому же, симметричны по отношению к ви­брирующей плоскости: они представляют собой отрезки прямых, либо перпендикулярных, либо параллельных плоскости.

Асимметрию вида 11 назовем кинематической. Она обусловлена той или иной асимметрией траектории ви­браций точек плоскости или закона движения вдоль этой траектории. В качестве примеров на рпс. 4.1 показаны гармонические колебания по прямолинейной траектории, наклонной к плоскости под некоторым углом, отличным от нуля и от 90°; продольные негармонические асиммет­ричные колебания — они условно показаны разнонаправ­ленными стрелками различной длины; эллиптические ко­лебания с осями, расположенными несимметрично по от­ношению к вибрирующей плоскости; круговые колебания (асимметрия в этом случае создается определенным на­
правлением обегапия траектории — по пли против часо­вой стрелки).

Асимметрия вида 111 может быть названа структур­ной или конструктивной. На рисунке представлен слу­чай, когда такая асимметрия возникает вследствие нали­чия у тела «внутренней степени свободы»: относительно

осповного тела массы ml может перемещаться тело мас­сы тг, связанное с mt упругим и демпфирующим эле­ментами. Угол, который составляет направление возмож-
ного движения тела с плоскостью, предполагается отлич­ным от нуля и от прямого (именно это и создает асим­метрию) .

Асимметрию вида IV назовем градиентной. В этом случае вибрационное перемещение обусловлено сущест­венной зависимостью от координаты х параметров, опре­деляющих движение тел, например амплитуды Ч', ча­стоты со и фазы е силового вибрацпопного воздействия, силы сухого трения F, траектории и закона вибрации то­чек поверхности, угла наклона поверхности к горизонту, силы Т и т. д. Частный случай такой асимметрии, соот­ветствующий зависимости от х амплитуды силы Т (или, что, в принципе, одно и то же — амплитуды продольных гармонических колебаний плоскости), был подробно рас­смотрен в п. 2.3.3.

Асимметрию вида V можно назвать волновой — тело здесь перемещается в направлении распространения про­дольной или поперечпой бегущей регулярной волны или отдельных волн импульсного характера.

Наконец, асимметрия вида VI может быть названа начальной: в этом случае система сама по себе совер­шенно симметрична, но тело может «предпочесть» дви­жение вправо или влево под влиянием сколь угодно ма­лого начального смещения или толчка. Мы увидим, что такой, казалось бы, маловероятный вид асимметрии встречается при вибрировании одинаковых сообщающих­ся сосудов с сыпучим материалом (см. п. 6.5).

Разумеется, возможно сочетание сразу нескольких, например двух, видов асимметрии (см. ниже).

Вибрационное перемещение (транспортирование) во всех перечисленных случаях может быть трактовано в рамках вибрационной механики: наблюдателю V пред­ставляется, что оно происходит под действием вибраци­онной силы V(X) (рис. 4.1, б).

Поясним вкратце, как возникает эффект вибрацион­ного перемещения тела в различных случаях, представ­ленных на рис. 4.1. Для схемы 3, относящейся к асим­метрии вида 7, механизм образования вибрационной си­лы подробно рассмотрен в п. 2.3.2. Что касается схемы І, то в случае продольных колебаний она сводится к схе­ме 3, если положить F - = F + Т, F+ — F — Т, а схема 2 представляет собой вариант схемы 1, для которого Т = = mg sin а, где mg — вес тела, а а — угол наклона плос­кости к горизонту. При поперечной вибрации плоскости в случае схем 1 и 2 либо в течение одного полуиериода колебаний тело отрывается от плоскости, либо сила при­жатия к ней уменьшается. В обоих случаях сила Т может сдвинуть тело вдоль оси х несмотря па то, что при отсутствии вибрации тело оставалось непо­движным.

Асимметрия вида II является наиболее широко ис­пользуемой в современной вибротехнике. Здесь в случае прямолинейных гармонических колебаний под некоторым углом (} к плоскости, отличным от нуля и от прямого, механизм возникновения вибрационного перемещения со­стоит в следующем. В течение той половины периода, когда сила инерции в относительном движении направ­лена вправо и вверх, она либо отрывает тело от плоско­сти, либо ослабляет давление на нее, уменьшая нормаль­ную реакцию, а 8начит — и силу трения. В другую по­ловину периода, когда сила инерции направлена влево и вниз, эта сила, наоборот, дополнительно прижимает тело к плоскости, увеличивая тем самым силу сухого трепия. В результате и происходит преимущественное движение тела вправо. Аналогичным образом создается преимуще­ственная возможность перемещения тела вправо в опре­деленном полупериоде колебаний в остальных трех случаях.

Значительно сложпее попять механизм возникновения направленного движения тела ml при асимметрии вида III. В этом случае тело тг под влиянием вибрации плос­кости и движения тела пг, само совершает колебания относительно тела т, и воздействует па него через упру­гий и демпфирующий элементы, а также и через направ­ляющие. Это воздействие, складываясь с непосредствен­ным воздействием на тело тл вибраций плоскости, мо­жет, в зависимости от соотношения между параметрами, привести к движению тела ті как в положительном, так и в отрицательном направлении. (Этот эффект будет по­дробнее обсужден в п. 6.2.)

Механизм возникновения вибрационной силы при асимметрии вида IV в частном случае со = const, е = О был подробно выяснен в п. 2.3.2. Не требует особых по­яснений и случай асимметрии вида VI. Что же касается асимметрии вида V, то в этом случае бегущая волпа как бы подталкивает или «несет» тело в направлении своего распространения.