Лабораторна робота № 11

Лабораторна робота № 11

ВИЗНАЧЕННЯ критичної частоти обертання вала

 

Мета роботи: Теоретично та експериментально визначити критичну частоту обертання вала (розрахунок вала на коливання), встановити вплив параметрів системи на значення критичної частоти.

 

1 ВКАЗІВКИ З САМОПІДГОТОВКИ ДО РОБОТИ

 

1.1 Завдання для самостійної підготовки

Під час підготовки до роботи ознайомитись з класифікацією валів і осей, матеріалами, методами механічної і термічної обробки. З’ясувати основні критерії працездатності і розрахунку валів. Явище резонансу, його наслідки, роль і місце розрахунку на коливання в загальноприйнятій системі розрахунків валів.

 

1.2 Питання для самопідготовки

1 У чому фізична суть явища резонансу?

2 В чому небезпека резонансу для вузла або машини? Поняття дорезонансної та післярезонансної зони експлуатації машини.

3 Чи залежить критична швидкість вала від частоти обертання?

4 Чи впливає на критичну швидкість вала його міцність?

5 Чи впливає на критичну швидкість вала його твердість?

6 Чи впливає ексцентриситет маси на критичну швидкість вала?

7 Чи впливає на величину критичної швидкості вала наявність на ньому шпонкового пазу?

8 Чи залежить критична швидкість вала від відстані між його опорами? Чому?

9 Чи залежить критична швидкість вала від симетричності розміщення центра ваги між опорами вала? Чому?

10 Для зменшення небезпеки резонансу швидкохідного вала його треба робити більшого або меншого діаметра? Чому?

11 Для зменшення небезпеки резонансу тихохідного вала його треба робити більшого або меншого діаметра? Чому?

12 За рахунок яких конструктивних заходів можна змінювати критичну швидкість вала?

 

1.3 Рекомендована література

1. Деталі машин: підручник : затверджено МОН України / А. В. Міняйло та ін. – К.: Агроосвіта, 2013. – 448 с.

 

2 ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

 

1 Явище резонансу

Для більшості швидкохідних осей і валів коливання викликаються силами від неврівноваженості встановлених на них деталей, якщо частота дії цих сил дорівнює частоті обертання осей і валів. При збігу або кратності частоти сил збурювання і частоти власних коливань осі або вала наступає резонанс, амплітуда коливань деталі різко зростає і може досягти такого значення при якому ось або вал може зруйнуватися.

Резонанс – явище, що спостерігається в різного типу фізичних системах, які знаходяться під дією зовнішніх, змінних у часі (періодичних) збурень. Під дією таких збурень, у системах виникають коливання, які називають вимушеними. Найчастіше резонанс визначають як зростання амплітуди вимушених коливань в системі при збігу частоти зовнішньої сили з однією із власних частот коливальної системи. Однак, в багатьох випадках це не так. Для виникнення резонансу в системах з багатьма степенями свободи резонанс проявляється лише при певних умовах узгодження в просторі і часі характеристик зовнішніх збурень і внутрішніх властивостей системи. Зовнішні сили мають мати складові, що здатні збуджувати відповідні власні форми коливань.

 

2 Критична частота обертання вала

Обертові вали знаходяться під дією крутильних і поперечних коливань. Найнебезпечніші останні, які можуть призвести до руйнування вала в умовах резонансу. Відповідну резонансу кутову швидкість ωкр і частоту обертання nкр називають критичними.

Розрізняють поперечні або згинальні, кутові або крутильні, а також згинально-крутильні коливання осей і валів.

У курсі деталей машин розглядають поперечні коливання осей і валів. Більш складні коливання таких деталей як ротори турбін, колінчасті вали поршневих машин, шпинделів верстатів з деталями, що обробляються і т.п. розглядаються в спеціальних курсах.

Розрахунок на поперечні коливання полягає у перевірці умови відсутності резонансу при сталому режимі роботи.

Як видно з рисунку 1 на валу встановлений симетрично відносно опор диск вагою G, центр ваги якого зміщений відносно геометричної осі обертання на величину ексцентриситету е. При рівномірному обертанні вала під впливом відцентрової сили Fв, яка діє на диск, вал згинається. При кутовій швидкості ω прогин осі досягає певного значення y (рисунок 1, б). Відцентрова сила без врахування ваги вала при цьому складає

f.11.1.jpg

де m - маса диска;

y + e - радіус обертання центру ваги диска.

 

Відцентрова сила  Fв, що діє на вал викликає зусилля пружного опору деформації вала:

f.11.2.jpg

де F0 - сила, що викликає прогин вала,  який дорівнює одиниці.

r.11.1.jpg

Рисунок 1 – Схема вала з диском

 

При сталому режимі роботи вала виконується умова

Fв = Fпр

f.11.3.jpg

Аналіз формули показує, що при зростанні кутової швидкості зростає і прогин і при  f.11.4.1.jpgпрогин  f.11.4.2.jpg Таким чином, при кутовій швидкості, яку називають критичною, повинне відбутися руйнування вала. Тобто критична кутова швидкість вала f.11.4.jpg 

Після заміни по формулах переходу кутової швидкості частотою обертання і маси диска силою ваги диска одержимо формулу критичної частоти обертання

f.11.5.jpg

f.11.9.jpg

аналізу формули (3) виходить, що коли , то зі збільшенням швидкості у закритичній області прогин вала починає зменшуватися; знак мінус при е означає, що в закритичній області напрямки е і у протилежні, у той час як у докритичній області у відповідності з формулою (1) напрямки е і у однакові. В закритичній області при  значення , таке явище називається самовстановлюванням вала у закритичній області.

Таким чином, для відсутності резонансу кутова швидкість (частота обертання) при усталеному русі повинна бути менша або більша за критичне значення. Про наближення швидкості вала до критичної свідчить поява різкої вібрації. При тривалій роботі в області резонансу руйнування вала неминуче, але при швидкому переході у закритичну область працездатність повністю зберігається.

Більшість осей і валів працює у докритичній області. Для зменшення загрози резонансу їх жорсткість підвищують і швидкість приймають не більш ω = 0,7ωкр.

Вали, що працюють у зарезонансній зоні повинні мати швидкість ω ≥ 1,3ωкр.

 

3 Застосування явища резонансу

Явище резонансу широко використовується в науці й техніці. На ньому ґрунтується робота багатьох радіотехнічних схем та пристроїв, таких як коливні контури. Використовуючи явище резонансу, коли зовнішнє електромагнітне поле збуджує коливання в відповідно налаштованому резонансному контурі приймача, ми обираємо з різноманіття електромагнітних хвиль у просторі навколо нас саме ті, які відповідають нашій улюбленій радіостанції чи телевізійному каналу.

Можливості резонансних систем настільки широко використовуються при створенні машин, приладів, технологій, що задача достатньо повного опису конкретних прикладів є непосильною. Оскільки для опису особливостей резонансу використано механічні системи то можливо вказати певні джерела, знайомство з якими доповнить представлену інформацію і покаже можливості використання знань про коливальні та хвильові процеси при вирішенні інженерних задач. Перш за все вкажемо книгу. Часто коливальні системи використовуються для випромінювання в навколишнє середовище звукових чи ультразвукових сигналів. Прикладами таких систем є гідроакустичні випромінювачі в активних гідроакустичних системах. В умовах резонансу працюють також випромінювачі в системах ультразвукового контролю та діагностики.

Проте не завжди резонанс корисний. Часто можна зустріти посилання на випадки, коли навісні мости ламалися при проходженні по них солдат «в ногу». При цьому посилаються на прояв резонансного ефекту. Ці легенди не мають надійного документального підтвердження. Для виникнення резонансних явищ потрібна не лише збіжність частот, а й певні співвідношення стосовно просторового розподілу зовнішніх зусиль. Швидше за все такі випадки пов'язані з недостатньою міцністю споруд.

7 листопада 1940 року об 11:00 за місцевим часом за вітру швидкістю близько 65 км/год. сталася аварія, що призвела до руйнування центрального прольоту Такомського мосту (рис. 2). Рух у цей момент був дуже слабким, і єдиний водій машини, що опинилась на мосту, встиг покинути її та врятуватися. Процес руйнування був знятий на 16-міліметрову кольорову кіноплівку Kodachrome. На основі зйомки було створено документальний фільм, який згодом дозволив докладно вивчити процес руйнування.

Аварія мосту залишила значний слід в історії науки та техніки. Руйнування мосту сприяло дослідженням у галузі аеродинаміки та аеропружності конструкцій та зміни підходів до проектування всіх прольотних мостів у світі, починаючи з 1940-х років. У багатьох підручниках причиною аварії називається явище вимушеного механічного резонансу, коли зовнішня частота зміни вітрового потоку збігається із внутрішньою частотою коливань конструкцій моста. Проте справжньою причиною став аероупругий флаттер (динамічні крутильні коливання) через недорахування вітрових навантажень під час проєктування споруди.

r.11.2.jpg

Рисунок 2 – Руйнування Такомського моста