Поняття про коливання

Поняття про коливання. Підготувала Бусел Софія. Студентка групи 2 СОФФакультету МФКН2022

Коливання – одне з найбільш поширених явищ у природі, фізиці, механіці. Коливання елементів конструкцій часто є причиною багатьох аварій. Тому при проектуванні механічних систем інженеру необхідно знати основні властивості та закони коливань. Реальні механічні коливання системи континуальні, неконсервативні й нелінійні. Дослідження таких систем дуже складні, тому часто в практичних задачах розглядають спрощені коливальні системи. Дослідження коливань складних елементів конструкцій можна звести до дослідження системи з однією ступінню свободи. Така система дає можливість встановити спільні властивості коливальних процесів. В даній роботі головна увага приділяється вибору простіших моделей, простішому способу складання рівнянь, з'ясуванню суттєвості рішення і практичному його застосуванню.

Розкачування дерев від вітру, качання корабля на хвилях, вібрації різця при обробці металів, землетрус, людська річ, скорочення серця, шлунка і т.п. – всі ці рухи навколо нас та в нас самих характеризуються посереднім зростанням та спаданням деяких величин.

Класифікація коливань В залежності від характеру збудження коливання можуть бути:вільними, вимушенимисамозбуджуючимися (автоколивання) параметричними. В залежності від того, являється закон руху періодичною чи неперіодичною функцією, коливання називаються відповідно періодичними чи аперіодичними. Існують ще майже періодичні коливання (близькі доперіодичних)

Класифікація коливань По виду фізичних залежностей і відповідних диференціальних рівнянь розрізняють коливання:лінійні та нелінійні, стаціонарні та нестаціонарні. В залежності від виду деформації коливання можуть бути :поздовжніми (розтяг-стиск), крутильними (кручення), поперечними (згінними), складними (згин, кручення та інші)

Вільні коливання Вільні (власні) коливання – коливання, що виникли внаслідок початкового відхилення від положення рівноваги чи удару, а потім підтримані силами пружності системи. Неминучі сили опору приводять до затухання вільних коливань. Вільними називаються коливання, які виникають в ізольованій системі завдяки зовнішньому збудженню, яке викликає початкове переміщення системи від положення рівноваги, а потім продовжуються під дією відновлювальної сили.

Вільні коливання Пружними коливаннями називають періодичні відхилення пружної системи від положення стійкої рівноваги. Якщо система виведена з положення рівноваги одноразовою дією силового імпульсу, то виникаючі коливання називають вільними.

Вимушені коливання Коливання, що викликані та підтримані весь час змінною (звичайно періодично) зовнішньою силою (збуджуючою), називають вимушеними. Вимушеними називаються коливання пружної системи, викликані та підтримані впродовж всього процесу коливань зовнішніми періодично змінними збуджуючими силами. Вимушені коливання відбуваються з частотою збуджуючої сили та підтримуються за рахунок неперервного припливу енергії зовні.

Вимушені коливання Нехай верхній кінець A пружини з вантажем Q приводиться в рух за допомогою кривошипно-шатунного механізму . У цьому випадку ми маємо справу вже не з вільними, а з вимушеними коливаннями, нав’язаними системі дією зовнішньої сили F. Сила, що періодично змінює свою величину та напрям і тим самим підтримує вимушені коливання, називається збурюючою силою. Зміна цієї збурюючої сили має синусоїдальний характер.

Вимушені коливання В якості іншого прикладу вимушених коливань розглянемо крутильні коливання неврівноваженого ротора електродвигуна, встановленого на балці перекриття. Якщо ротор має ексентриситет (тобто його центр ваги е не лежить на осі обертання O ), то при його рівномірному обертанні з кутовою швидкістю ω виникає відцентрова сила C , яка залишається постійною величиною. Однак величина і напрям її вертикальної складової періодично змінюються, тому що безперервно змінюється напрямок самої відцентрової сили.

Автоколивання Автоколивання – встановленні коливання, які підтримуються зовнішніми силами, характер яких регулюється виниклими коливаннями. На відміну від власних коливань автоколивання не затухають. Автоколивання відрізняються від вимушених коливань тим, що в першому випадку збуджуюча сила регулюється самим коливальним процесом, а в другому – навпаки, сила, що задається зовні регулює коливальний процес

Автоколивання Відмінною особливістю автоколивань є те, що їх частота, звичайно постійна, не збігається з частотою періодичних рухів деталей об'єктів і не кратна їй. Форма коливань не синусоидальна, а являє собою суму основної гармоніки з вищими. Іншою характерною особливістю автоколивань є те, що вони звичайно зникають при зміні режиму роботи об'єкта.

Параметричні коливання Параметричні коливання – коливання, що збуджуються періодичною зміною параметрів системи – маси та жорсткості. Параметричними називаються коливання пружної системи, в процесі яких під дією сил періодично змінюються фізичні параметри системи, які характеризують масу та жорсткість системи. Прикладом параметричних коливань можуть служити поперечні коливання маси на обертальному стержні некруглого перерізу, який має різні моменти інерції відносно головних осей.

Параметричні коливання Параметричні коливання відрізняються від вимушених тим, що вони залежать від роду зовнішнього впливу. Вимушені коливання зумовлені дією заданих зовнішніх сил на систему, властивості якої незмінні, тобто фізичні параметри, що характеризують ці властивості, постійні, а при параметричних коливаннях безпосередньо на систему не діє зовнішня сила, але параметри системи змінюються в залежності від часу.

Причини виникнення шкідливих коливань і міри боротьби з ними Багато коливальних процесів, що відбуваються в механічних системах, називають вібраціями. Загальноприйнятого визначення, що відрізняє вібрацію від інших механічних коливань, немає. Тому дуже часто терміни «вібрація» і «механічні коливання» вважають синонімами. Перший термін прийнято вживати в прикладних задачах, тоді як другий термін вживається здебільшого в питаннях теоретичних. У техніці вібрацією називають переважно шкідливий коливальний рух в машинах, у спорудах та їх елементах.

У переважній більшості випадків коливання викликаються періодичними силами, що виникають внаслідок періодичних поштовхів, великих прискорень періодично рухомих неврівноважених мас і ударних дій рухомих навантажень. Такі коливання, як відомо, називаються вимушеними, і енергія цих коливань підтримується збурюючими силами. Прикладами можуть служити крутильні коливання валів, вібрація фундаментів верстатів і машин, вібрація турбінних дисків, барабанів, підшипників роторів турбогенераторів або маховиків через погане балансування або викривлення валу.

На рис. 1.9 ( а, б) показані синусоподібні форми вібрації, що дуже часто зустрічаються на практиці. Найпростішим прикладом такої вібрації може служити вібрація неврівноваженого ротора, де центр ваги зміщений від його осі обертання на деяку величину e , що зветься ексцентриситетом. Внаслідок неврівноваженості з'являється змінна по напрямку відцентрова сила, дію якої на опорні підшипники і через них на основу викликає у площині х–у еліптичну вібрацію, іноді перехідну в кругову. Виникнення коливань може бути також викликане люфтами в з'єднаннях механізму, що спричиняють деренчання деталей. Такі коливання носять здебільшого хаотичний характер (рис. 1.9, в)Внаслідок одностороннього торкання вібруючих деталей з сусідніми елементами. вібрація набуває пульсуючої форми (рис. 1.9, г).

Дослідження питання про довготривалу міцність машин і механізмів при вібраціях є однією з найважливіших передумов для створення міцних і економічних конструкцій, безпечних і зручних в експлуатації. Статистика показує, що близько 70-80% поломок і аварій у машинобудуванні є результатом неприпустимих коливань. Таким чином, шкода, завдана вібрацією, дуже велика. На думку американських фахівців, вона завдає промисловості США збитки, які обчислюються щорічно багатьма мільйонами доларів.

Дослідами встановлено, що в деяких випадках, поряд з вимірюванням амплітуди коливань, істотним чинником оцінки вібраційного стану машини може бути також величина створюваного вібраціями максимального прискорення. Дуже шкідливо діє вібрація, якщо її частота співпадає з власними частотами елементів конструкції. Тому при конструюванні це намагаються врахувати і у відповідних випадках прораховують власні частоти коливань деталей.

У тих випадках, коли неможливо домогтися знищення вібрації шляхом відповідного конструювання деталей, вдаються до різного роду амортизаторів і поглиначів коливань. Зменшення вібрацій досягається за рахунок установки між вібруючим об'єктом (машина, двигун) і його основою різних пружних прокладок. В якості амортизаторів використовуються сталеві пружини, пневматичні (балонні) подушки, гумові і коркові прокладки, а також прокладки з прогумованої або просоченої бітумом тканини і т. п. Амортизацію виконують таким чином, щоб частота власних коливань об'єкта на амортизаторах була, принаймні, в 2 рази нижче частоти вимушених коливань. Коли доводиться знижувати вібрації будь-якої окремої частини об'єкта, то вдаються до віброгасників (поглиначі коливань).

Використання коливань у техніці В даний час механічні коливання широко використовують як в техніці, так і в наукових дослідженнях. Коливальний рух поршня будь–якої машини-двигуна за допомогою шатунно-кривошипного механізму перетворюється на корисний обертальний рух вала. Дуже часто зустрічаються і зворотні процеси, коли обертальний рух перетворюється на машинах в коливальні рухи, що повідомляються робочим органам. З такими перетвореннями ми зустрічаємося в різних сортувальних і друкарських машинах, валках, грохотах і т. п. У багатьох галузях народного господарства застосовуються вібруючі транспортери, труби та інші канали для безперервної подачі сипучих і в'язких матеріалів.

Представляє великий практичний інтерес використання механічних коливань у ливарному виробництві. Якщо ківш з розплавленим чавуном помістити на спеціальну віброплатформу, то вібрація ковша сприяє виділенню наявних у чавуні газів і видалення з поверхні ковша шлакових включень. При такому способі лиття підвищується якість литого виробу. Дуже широке поширення в промисловості отримав пневматичний інструмент ударної дії, принцип роботи якого грунтується на використанні коливальних рухів. Цей інструмент приводиться в рух стистемним до 5-7 атмосфер повітрям, енергія якого перетвориться в механічну. До пневматичним інструментів відносяться відбійні молотки, бури, клепальні і рубільноклепальні молотки та інші інструменти, де здійснюється зворотньо-поступальний рух робочих органів.

Способи випробування посуду в побуті і великих зварних резервуарів у промисловості також засновані на вібраційних явищах; по вібраціям звуку при постукуванні по досліджуваному об'єкті можна легко визначити наявні дефекти.

Більше інформації можна дізнатись за посиланням https://ela.kpi.ua/bitstream/123456789/38187/1/Kolyvanniia.pdf. Рекомендую! Буде пізнавально. Дякую за увагу!