ЧТО МОЖЕТ ВИБРАЦИЯ?

ВИБРАЦИЯ РАСШАТЫВАЕТ КОНСТРУКЦИИ II ВЫЗЫВАЕТ НЕПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЕ ЭНЕРГОЗАТРАТЫ

В машинах часто встречаются разъемные соединения деталей, относительная неподвижность которых обеспечи­вается в расчете на силы сухого трения. К их числу отно­сятся разнообразные резьбовые соединения, соединения, обеспечиваемые посадками с натягом, и мпогие другие. Механики-эксплуатационники давно заметили, что, если машина работает в условиях ударов и вибрации, эти «но­минально неподвижные» соединения в действительности обладают определенной микроподвижпостью — с течением времени гайки отвинчиваются, контактирующие поверхно­сти деталей притираются и даже изнашиваются, что ведет к нежелательным последствиям, а иногда и к авариям.

Исходя из сказанного выше об эффекте вибрационного перемещения, в частности о видах асимметрии системы, вызывающих этот эффект и о принципах работы вибро­двигателей (п. 4.2 и 4.3, рис. 4.1 и 4.10), а также об эф­фективных коэффициентах трепия при вибрации и о виб­рационном преобразовании силы сухого трепия (п. 6.2 и 6.3, рис. 6.2 и 2.2), эти факты нетрудно предвидеть,

Рис. 16.1. При вибрации и ударах снижаются эффективные коэффициен­ты трения и возникает микроподвижность контактирующих деталей в номинально неподвижных соединениях (фланцевых, прессовых, шлице­вых, резьбовых, заклепочных и т. п.), что приводит к рассеянию энергии и износу соприкасающихся поверхностей; а) простейшая модель, учи­тывающая упругие и инерционные свойства зоны контакта: эффектив­ный коэффициент тренин при вибрации /|^ снижается и может обра­титься в нуль [196); б) тот же эффект имеет место при соударении стержня s с составным стержнем 1 — 2; в) система, экспериментально изученная в работе 1213]: при падении шарика массой 0,45 г на «пол­зун» массой 1176 г с высоты 4 см коэффициент /^уменьшился на 25%!;

г) жесткий штамп на упругом основании под действием переменной про­дольной силы F и нормальной силы N0 с переменной точкой приложе­ния; и в этом случае коэффициент /]^ снижается и может обратиться в нуль [221]; д) соединения с микропроскальзыванием, обусловленным де­формируемостью контактирующих деталей: I — схема защемления рессор резонансной электровибрационной машины (і — рессоры, 2 — прокладки, 8 — затяжной болт); II — схема деформации системы (4 — зоны проскаль - вывания); III — усовершенствованные («безгистерезисные») прокладки

[97, 99]

в связи с чем не будем здесь повторяться. Рассмотрим лишь несколько более конкретизированные модели упомя­нутых соединений (рис. 16.1). Во всех представленных на этом рисунке случаях действие удара или вибрации при­водит либо к значительному снижению сопротивления от­носительному смещению деталей (снижению эффектив­ных коэффициентов сухого трения), либо даже к полному его исчезновению (вибрационному преобразованию сухого трения в вязкое — кажущемуся эффекту, но приводяще­му к реальным последствиям). Важными факторами при этом являются деформируемость контактирующих дета­лей, а в ряде случаев — тот или иной вид асимметрии си­стемы.

Несколько удивительно, что связанные с рассматривае­мыми эффектами ошибки при проектировании машин иногда допускаются даже опытными конструкторами. Со­вершенно необходимо иметь в виду следующие правила:

1) в конструкциях, работающих в условиях ударов и виб­рации, следует с большой осторожностью рассчитывать на действие сил сухого трения, даже при наличии специаль­но создаваемого натяга - 2) в таких конструкциях жела­тельно не допускать конструктивной асимметрии системы, за исключением случаев, когда такая асимметрия гаран­тированно способствует так называемому самозатягу сое­динения.

Вместе с тем вибрацию и удар успешно используют в специальных устройствах для завинчивания гаек — в так называемых гайковертах.

Особо следует сказать об эффекте при работе соеди­нений рассматриваемого типа, который называют кон­струкционным демпфированием или конструкционным гистерезисом. Этот эффект также обусловлен деформируе­мостью соединяемых деталей, но может быть пе связан с динамическим характером нагрузок. Рис. 16.2 поясня­ет, о чем идет речь: даже при медленном (статическом) характере изменения нагрузки илп задаваемой деформа­ции детали на части поверхности контакта может проис­ходить микропроскальзывание деталей, которое вызывает их износ, приводит к непроизводительным затратам энер­гии, а иногда к преждевременному выходу деталей из строя вследствие местпого разогрева и усталостного раз­рушения — последнему может способствовать и возникаю­щая вследствие трения коррозия (см., например, [217]). В ряде конструкций резонансных вибрационных машпп потери энергии на конструкционное демпфирование зна - читсльно превосходят потерп па внутреннее трение в ма­териале упругих элементов.

В настоящее время в распоряжении конструктора име­ется ряд надежных средств, позволяющих предотвратить или существенно уменьшить влияние рассматриваемых не­желательных явлений. Общеизвестны, например, специаль­ные крепежные детали для машип, работающих в усло­виях ударов и вибрации. Появляются и новые интересные предложения и эффективные решения. В качестве при­мера на рис. 16.1, д изображена так называемая малоги - стерезисная упругая система для резонансных вибрацион­ных машин [97, 99], позволившая получить значитель­ный экономический эффект.

Нет особой надобности говорить о том, что в конструк­циях, подверженных ударам и вибрации, особенно неже - лательпы и опасны соединения деталей с зазорами. Поми­мо потерь энергии, разогрева и преждевременного разру­шения в этом случае могут возникнуть своеобразные ре­жимы работы, которые нарушают нормальное функцио­нирование устройства. Поэтому к приведенным выше двум правилам добавим еще одно: 3) в конструкциях, работаю­щих в условиях ударов и вибрации, крайне нежелательны соединения деталей с зазорами, особенно в случаях, когда через соединение передаются значительные знакоперемен­ные усилия.

Следует отметить, что в определенных случаях кон­струкционный гистерезис и соединения с зазорами по­лезны. Речь идет, папример, о ситуациях, когда для сни­жения амплитуд возможных резонансных колебаний необ­ходимо повысить демпфирующие свойства системы.

Модели относительной микроподвпжностп деталей номинально неподвижных соединений, представленные на рис. 16.1, рассмот­рены К. М. Рыспековым и автором [196]. Обстоятельная теория конструкционного демпфирования разработана Я. Г. Паповко и его учениками и последователями [61, т. 6; 169]. Особенности работы машин с зазорами в сочленениях деталей исследованы А. Е. Коб - рипским и А. А. Кобринским [61, т. 2; 120, 121]. Модель, изобра­женная па рис. 16.1, г, изучена Н. 13. Флориной [221].