содержание   ..  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  ..

КРУТИЛЬНЫЕ КОЛЕБАНИЯ ДИЗЕЛЯ ТЕПЛОВОЗА. МЕРЫ БОРЬБЫ

В двигателях внутреннего сгорания приходится сталкиваться с явлением крутильных колебаний валов. Крутильные колебания имеют место во всех тепловозных дизелях. Если эти колебания угрожают прочности коленчатого вала в рабочем диапазоне частоты вращения вала, то применяют антивибраторы и демпферы. Их размещают на свободном конце коленчатого вала, т. е. там, где возникают наибольшие крутильные колебания. Прежде чем рассказать, как они работают, познакомимся с основными понятиями о колебаниях вообще.

На рис. 59 изображен груз, висящий на проволоке, — это маятник. Пока к маятнику не приложена сила, выводящая его из равновесия, он сохраняет вертикальное положение. Теперь ударим по грузу. От толчка маятник отклонится, скажем, в левую сторону от вертикального положения и будет двигаться, пока скорость его не станет равной нулю. После этого маятник начнет двигаться в правую сторону и будет стремиться занять первоначальное положение равновесия. Однако благодаря приобретенной энергии он «проскочит» первоначальное вертикальное положение и отклонится от него теперь уже

в правую сторону. Такие колебания груза, в данном случае маятника, называются свободными или собственными.
 

Рис. 59. Маятник. Изменение его положения при колебаниях

Почему им дали такие названия? Свободными их назвали потому, что маятник, выведенный из положения равновесия внешним толчком, качается свободно предоставленный самому себе. Собственными их называют потому, что частота колебаний маятника определяется самим маятником, его длиной и массой. Поясним это так. До начала колебаний отведем нижний конец маятника, например, на 10 мм, отпустим его и подсчитаем число колебаний маятника в секунду.

Вследствие сопротивления воздуха и трения в точке подвеса отклонения маятника будут постепенно уменьшаться, затухать, и маятник перестанет качаться. Однако в течение секунды он сделает, предположим, 10 полных колебаний. Полное колебание — это колебание маятника от одного крайнего положения до другого крайнего положения и обратно.

Отклонение от положения равновесия до одного из крайних положений называется амплитудой колебания. Число колебаний в единицу времени называется частотой колебаний.

Снова выведем маятник из положения равновесия, но теперь отведем свободный конец маятника ©е на 10, а на 30 мм. Изменится ли в этом случае число полных колебаний маятника? Оказывается нет! Он по-прежнему будет совершать 10 полных колебаний в секунду: изменились

максимальные отклонения маятника от положения равновесия (т. е. амплитуда колебаний, см. рис. 59), а
число полных колебаний в секунду (частота колебаний) для данного маятника совершенно не изменилось, т. е. частота колебаний остается для него постоянной величиной.

Иными словами, изменение амплитуды не изменяет частоты колебаний, т. е. частота колебаний от амплитуды не зависит. Поэтому частоту колебаний называют собственной частотой колебаний, зависящей только от размеров и массы маятника; для нашего маятника она равна 10 колебаниям в секунду. Если же увеличить массу маятника, то частота его колебаний уменьшится; при уменьшении длины частота его увеличится.

Вполне определенную частоту собственных колебаний, как мы увидим дальше, имеет и коленчатый вал дизеля вместе с присоединенными к нему массами (поршнями, шатунами и т. п.). Но в отличие от простого маятника коленчатый вал будет иметь не одну, а несколько частот собственных колебаний. Однако прежде чем перейти к изучению его колебаний, познакомимся с понятием о вынужденных колебаниях.

Снова выведем маятник из положения равновесия, но в отличие от рассмотренных выше примеров к грузу во время колебания будем прикладывать силу так, чтобы амплитуда колебаний маятника поддерживалась на одном уровне. Под влиянием такой внешней силы колебания маятника яе затухнут, вынуждены будут совершаться до тех пор, пока на маятник будет действовать внешняя сила. Такие колебания называются вынужденными колебаниями, а сила, приложенная к грузу, — возмущающей силой. Ясно, что частота этих вынужденных колебаний может быть разной, поскольку она зависит от частоты, с которой действует внешняя сила. А внешняя сила (например, электромагнит) может колебать свободный конец маятника с разной частотой: 5, 10, 20 колебаний в секунду в зависимости от частоты размыкания цепи питания. А что произойдет, если возмущающую силу прикладывать к маятнику с частотой колебаний, одинаковой частоте собственных колебаний маятника?

В технике часто приходится сталкиваться с очень интересным, а иногда и опасным явлением—резонансом колебаний, которое характеризуется сильным возрастанием амплитуды колебаний. Это явление наблюдается, когда возмущающая сила прикладывается к грузу с частотой, равной частоте собственных колебаний груза.

Возьмем относительно длинный упругий стержень, жестко укрепленный в стене, с маховиком, сидящим на его противоположном конце (рис. 60); пусть вал поддерживается подшипником. Приложим к маховику вращающий момент, закрутим упругий стержень (он имеет небольшой диаметр) поворотом маховика на некоторый угол (2—3°), а затем отпустим его. Маховик начнет совершать свободные или собственные колебательные движения под действием сил упругости материала стержня и сил инерции маховика подобно маятнику. В отличие от колебаний маятника эти колебания ’называются крутильными. Будем к маховику прикладывать вращающий момент с переменной частотой. Тогда при частоте,
равной частоте собственных колебаний маховика, наступит резонанс. При резонансе даже сравнительно незначительная сила может вызвать колебания с чрезвычайно большой амплитудой. А это уже опасно, так как детали будут испытывать огромные напряжения, что может привести к их поломке. На рис. 61 представлена так называемая резонансная кривая, показывающая, как с изменением частоты возмущающей силы изменяется амплитуда колебаний, а при совпадении частоты возмущающей силы с частотой собственных колебаний груза (маховика) амплитуда вынужденных колебаний достигает максимума; при дальнейшем увеличении частоты возмущающей силы амплитуда колебаний падает.

Мы рассмотрели колебательные движения тела на простейших примерах с маятником и упругим валом с маховиком. Однако характерные закономерности механических колебаний различных упругих деталей, в том числе и коленчатого вала дизеля, и даже сооружений (например, моста или кузова тепловоза на рессорах) одинаковы с закономерностями колебаний маятника.

Выше уже говорилось, что коленчатый вал дизеля вместе с деталями, расположенными на «ем, можно рассматривать как упругий вал с насаженными на него маховиками. Такой вал будет иметь несколько частот собственных колебаний. Если его начать вращать с какой-то постоянной скоростью и одновременно к маховикам прикладывать дополнительные вращающие моменты, то отдельные сечения вала будут совершать крутильные колебания.
 

Какие же внешние силы заставляют коленчатый вал дизеля совершать крутильные колебания? Эти силы — давление газов и силы инерции шатунно-кривошипного механизма, под переменным действием которых создается непрерывно меняющийся вращающий момент. Под влиянием неравномерного вращающего момента участки коленчатого вала деформируются: закручиваются и раскручиваются. Иными словами, в коленчатом валу возникают крутильные колебания. Сложная (рис. 62) зависимость вращающего момента от угла поворота коленчатого вала может быть представлена в виде суммы синусоидальных (гармонических) кривых с разными амплитудами и частотами. При некоторой частоте вращения коленчатого вала частота возмущающей силы, в данном случае какой-либо составляющей вращающего момента, может совпасть с частотой собственных колебаний вала, т. е. наступит явление резонанса, при котором амплитуды крутильных колебаний вала могут стать настолько велики, что вал может разрушиться. Пусть, например, частота собственных колебаний вала равна 550 колебаниям в минуту. Предположим далее, что возмущающий момент, т.е. одна из составляющих вращающего момента, начал действовать на коленчатый вал с точно такой же частотой (550 изменений в минуту). При таком совпадении частот отдельные участки вала начнут совершать резонансные крутильные колебания, очень большие по своей амплитуде.

Частота вращения коленчатого вала, при которой возникает резонанс,

называется критической. Работать на такой критической частоте вращения коленчатому валу ни в коем случае нельзя, иначе могут быть вызваны колебания вала с чрезвычайно большой амплитудой и как результат этого резко возрастут напряжения, достигнув величин, опасных для материала вала.

Итак, резонансные, критические колебания могут возникнуть только тогда, когда частота изменения одной из составляющих вращающего момента совпадает с частотой собственных колебаний вала.

Частоты составляющих вращающего момента могут быть кратны частоте вращения вала. Поэтому опасные колебания наблюдаются как при небольшой частоте вращения вала в минуту, так и при значительной. Например, для дизеля 10Д100 одна из опасных частот собственных колебаний равна 3300 колебаний в минуту. Если бы двигатель мог работать с частотой вращения 3300 об/мин, то крутильные колебания были бы чрезвычайно велики.

Расчетом найдено, что колебания будут опасными (если не принять соответствующих мер) и при частотах вращения в несколько раз меньших,

особенно при 3300/3= 1100 об/мин,

3300/4 = 825 об/мин, 3300/6 = 550 об/мин,

3300/7= 470 об; мин, 3300/10=330 об/мин.

Итак, коленчатый вал дизелей типа Д100 в диапазоне частоты вращения, близкой к рабочему интервалу (400—850), имеет пять критических частот вращения (чисел оборотов):330, 470, 550, 825 и 1100 об/мин.

содержание   ..  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  ..