Файл: OTCHET.doc

ВИБРАЦИОННЫЕ ЧУВСТВА — ощущения, воз­никающие при воздействии на нашу кожу быстро следующих друг за другом прерывистых раздраже­нии: вибрирующего камертона, прерывистой струи сжатого воздуха и т. п. Слишком большие частоты (1500 и больше колебаний в секунду) различаются плохо. Прежде

вибрационные чувства считали специфической чувствитель­ностью только кости (надкостницы). Однако виб­рация воспринимается и на складках кожи, на моч­ке уха и пр. Слепоглухонемые познают внешний мир в значительной мере посредством вибрационных чувств.

При помощи прибора, переносящего вибрации речи на кожу, можно обучить глухих настоящему тактильному (осязательному) слуху, хотя абсолют­ная чувствительность уха к колебаниям, по сравне­нию с чувствительностью кожи, значительно выше.

ВИБРАЦИЯ (лат. vibratio — колебание, дрожа­ние, тряска) — механические колебания материаль­ных точек или тел. Общепринятого определения, отличающего вибрацию от других механических колебаний, нет. Обычно вибрацией называют колебания, происходящие с частотой от 1 колебания в секунду (приблизи­тельно) и выше. Преимущественно при наличии в колебательной системе упругих элементов, например струн, стержней, пружин, мембран и т. д. Вибрацию называют также колебатель­ное движение аппаратуры, служащей для произ­водства различных материалов, с целью переме­шивания, утрамбовки, ускорения химических реакций н т. д. В некоторых случаях вибрацию создают для уменьшения трения в подвижных дета­лях точных механизмов.

Вибрационными называют аппараты и приборы, содержащие вибрирующие элементы, обеспечиваю­щие действие этих приборов, например вибрационный гальванометр и вибрационный выпрямитель.

В технике имеет большое значение вредная вибрация, представляющая собой

колеба­тельное движение сооруже­ний, механизмов и их элементов, не являющееся необхо­димым условием выполнения ими своих функций, а возни­кающее в силу несовершен­ства конструкции указанных объектов, их дефектов или особых условий действия и эксплуатации. Например вибрация машин из-за недостаточно сбалансированности вращающихся деталей; вибрация самолета от сил аэродинамического происхождения; вибрация мостов, зданий от сотрясений, ветра, движения транспорта и т.д. Вибрация сооружений может быть периодической, непериодической, состоять из ряда затухающих колебаний или из отдельных импульсов. Простейшей формой вибрации является гармоническое колебание, когда рассматриваемая точка конструкции смещается в заданном направлении от положения равновесия в зависимости от времени по синусоида ному закону.

При одновременном действии нескольких синусоидальных сил с разными частотами вибрация будет состо­ять из суммы синусоидальных колебаний с теми же частотами

Вибрация возникают не только под действием внешних переменных сил; в некоторых системах вибрации. могут самовозбуждатъся или возникать от периодического изменения параметров системы — момента инерции, упругости и пр.

---

Вибрация значительно усложняется при наличии боль­шого числа одновременно действующих возбудите­лей; например вращающихся коленчатых валов, смеси в цилиндрах двигателя, возвратно-поступательного движения поршней и шатунов, ударов в зубчатых зацепления и кулачковых механизмах и т. п..

На рис. 1 приведена характерная осциллограмма с одновременной записью вибрации в различных точках самолёта. Ординаты кривых пропорциональ­ны

Рис 1

смещениям точек конструкции; по оси абсцисс отложено время. Частоты вибраций могут быть весьма низ­кими при колебаниях крупных сооружений и довольно высокими (до соте Герц) у быстроходных двигателей.

Вибрация в ряде случаев приносит ущерб промышлен­ности. Разрушающее действие вибрации может быть очень сильным; сюда относятся: повышение изнашивания осей, валов, подшипников; возникновение усталости металлов и из-за этого поломки деталей машин; образование трещин в фундаментах, стенах, резер­вуарах; обрывы тросов и проводов; поломки щёток электромоторов и т.п.

Кроме того, вибрация нарушает нормальную ра­боту механизмов и приборов, например: неправильно срабатывают автоматы и реле, стрелки указывающих приборов приходят в колебание или смещаются, затрудняя отсчёт и искажая показания и т. п.

Физиологическое действие вибрации на человеческий организм проявляется главным образом в общей усталости, в частности из-за шума, сопровождающего сильную вибрацию, и утомлении зрения из-за наблюдения за дрожащими стрелками приборов. При длительном воздействии сильной вибрации на организм возможны профессиональ­ные заболевания.

Методы борьбы с вибрацией включают следую­щие мероприятия:

1) рациональное конструирова­ние и расчет сооружений и механизмов, особенно направленные на устранение резонансных явлений и на создание условий, неблагоприятных для само­возбуждения колебаний.

2) повышении динамической прочности за счёт применения специальных материалов, правильной технологии обработки деталей и придания им очер­таний, способствующих устранению опасных кон­центраций напряжений;

3) тщательная сборка (балансировка, устранение люфтов), правильная эксплуатация с соблюдением установленных режимов и своевременного ремонта;

4) создание виброизолирующих и виброгасящих конструкций у самого источника вибрации и у защи­щаемого объекта.

Для борьбы с вибрацией применяются: а) гасители коле­баний, рассеивающие энергию (демпферы), — жидкостные, воздушные, электромагнитные, фрикци­онные; б) амортизаторы с резиновыми или стальными упругими эле­ментами, которые в со­четании с нагружающей массой амортизируемого объекта образуют колеба­тельную систему (рис. 2), являющуюся фильтром, задерживающим колеба­тельное движение (подобно электрическим. фильтрам из индуктивности и ёмкостей для переменных токов).

---

Рис. 2

На рис. 3 приведена резонансная кривая, выражаю­щая зависимость амплитуды вынужденных колебаний защищённого объекта от частоты синусоидальной вибрации основания, действующей в данном частном случае только по одному направлению (напр. вертикально). Резонансная кривая аналогичного вида имеет место для случая, когда амортизуется источник вибрации, например неуравновешенная машина, и требуется умень­шить передачу возмущающей силы основанию. В этом случае по вертикальной оси резонансной кривой откладывается отношение амплитуды передаваемой силы к амплитуде возмущающей силы. Для хорошей амортизации все частоты собственных колебаний системы упруго подвешенного объекта, рассматри­ваемого как твёрдое тело с шестью степенями сво­боды, должны быть по возможности меньше всех частот возбуждающих сил. Упругие амортизаторы нередко действуют в сочетании с демп­ферами. Увеличение демпфирования вы­годно при защите от вибрации с частотой, при­ближающейся к ре­зонансной (рис.3), и для гашения возни­кающих почему ли­бо свободных коле­баний защищаемых объектов.

Рис. 3

Для тяжёлых конструкций употребляется сочетание стальных пру­жин с резиной или со свинцом. На рис. 4 показан один из узлов монта­жа корпуса прибора, защищаемого от вибраций, на «плоских» резиновых аморти­заторах с при вулканизированной металлической. арматурой. Такие амортизаторы весьма распростра­нены, несмотря на существенные недо­статки: малую проч­ность и затвердева­ние резины при низ­ких температурах

.

Рис 4

Рис. 4: 1 — вибрирующее основа­ние; 2 — монтажный кронштейн;

3 и 6 — металлическая арматура амортизатора с при вулканизированной резиновой шайбой 7; 4 — ограничитель хода; 5—крепежный болт с гайкой; 8 — монтажный кронштейн с ограничителем; 9 — корпус защищаемого объекта.

Измерение и анализ:

Измерение и анализ вибрации сводятся к определению частот, амплитуд смещения и уско­рения и начальных фазовых углов гармонических колебаний, входящих в состав сложной вибрации, а также размаха вибрации, её пиковых и средних значений. В об­щем случае вибрация может происходить одновременно по всем направлениям, однако применением напра­вляющих осей или плоских пружин, входящих в конструкцию виброизмерительных приборов, до­стигается воздействие вибрации на прибор только по одному направлению. Для полной характеристики вибрации иссле­дуемого объекта (например детали машины) изме­рения производят по трём взаимно перпендикулярным направлениям (измеряются три компонента вибрации) одновременно тремя соответственно ориентирован­ными приборами или последовательно одним и тем же прибором. Виброизмерительные приборы бывают: непосредственного и дистанционного действия. В последних механические колебания воспринимаются и преобразуются в электрические колебания чувстви­тельными элементами (“вибродатчиками”) и после уси­ления передаются для записи на шлейфовый осцил­лограф. Различают также приборы:

---

а) пря­мого измерения вибрации относительно неподвижных предметов, как измерительные лупы и виброщупы;

в последних игла одним концом прижимается вруч­ную к вибрирующей детали, а другим — записывает вибрацию на перематываю­щуюся вощёную лен­ту

б) сейсмиче­ские приборы, явля­ющиеся колебатель­ной системой, состоящей из массы, сочленяемой с исследуемой деталью через пружину. В сей­смических приборах измерение абсолютных колебаний (виб­рации) исследуемой детали заменяется из­мерением относитель­ных колебаний детали и массы. Эти колебания можно рассматривать как вынужденные колебания массы в относительной системе координат, связанной с де­талью.

Приборы разделяют на акселерометры и виброметры. Первые имеют жёсткую пружину и служат для исследова­ния вибрации сравнительно низкой частоты — относитель­ные колебания массы в них пропорциональны коле­бательному ускорению исследуемой детали, а вторые имеют мягкую пружину и служат для исследования вибрации с более высокими частотами — относительные колебания их массы пропорциональны колебатель­ному смещению исследуемой детали.

В вибродатчиках дистанционной аппаратуры для преобразования механических колебаний в электриче­ские используются различные физические явления:

пьезоэффект, изменение ёмкости конденсатора при механических колебаниях его обкладок, магнитострикция, изменение электрического сопротивления при деформации проводника и т. и.

Большое распространение имеют индукционные вибродатчики, в которых массой является постоянный магнит, совершающий вынужденные колебания от­носительно соленоида, посаженного в корпус и не­подвижно скреплённого с точкой измерения. Та­ким образом, в соленоиде наводится Э.Д.С., пропорцио­нальная относительной скорости движения магнита и соленоида.

Магнитострикция (сжатый, натянутый) — изменение формы и размеров тела при намагничивании. Наи­более подробно исследована магнитострикция ферромагнитных веществ (железа, никеля, кобальта и ряда сплавов), у которых она достигает доступных измерению значе­ний. Магнитострикция имеет место также в парамагнитных и диа­магнитных веществах, однако ввиду малости вели­чины она для этих случаев почти не изучалась.

Пьезоэлектрический эффект — появле­ние электрических зарядов на поверхности кристалла при его деформации или возникновении деформации в кристалле при помещении его в электрическое поле между заряженными электродами.

Датчик- входная часть автоматического или телемеханического устройства, воспринимающая воздействие извне и осуществляющая непрерывное преобразование его в вид, удобный для передачи его на другие части устройства. Воздействием извне может быть изменение измеряемого или регулируемого параметра (вибрация, давление, температура, напряжение, скорость и т.п.). Датчик является входным звеном всякого телеизмерительного, телерегулирующего и автоматического устройства.

---

Пьезоэлектрический датчик— входной элемент ав­томатических и телемеханических устройств, преобразующий меха­нические воздействия на пьезокварцевую пластинку в колебания электрического тока. Пьезоэлектрический датчик применяются для измерения давлений, уско­рений (акселерограф), для иссле­дования вибраций, а также в ме­дицине (пьезоэлектрический зонд), ра­диотехнике, метеорологии и дру­гих областях науки и техники.

Действие пьезоэлектрических датчиков основано на исполь­зовании пьезоэлектрического эффекта (пьезоэффекта), заключаю­щегося в том, что при сжатии или растяжении некоторых кристал­лов на их гранях появляется электрический заряд, величена которого пропорциональна действующей силе:

q =d₁F₁ где q — электрический заряд, Кл/м²; d₁ — пьезоэлектрическая постоянная, Кл/Н; F—сила, приложенная к кристаллу, Н.

Пьезоэффект обратим, т. е. приложенное электрическое напряжение вызывает деформацию пьезоэлектрического образца — сжатие или растяжение его соответственно знаку приложенного напряжения. Это явление, называемое обратным пьезоэффектом используется для возбуждения и приема акустических колебаний звуковой и ультразвуковой частоты.

Датчики, в основе действия которых лежит прямой пьезоэффект, используют для измерения переменных механических усилий. Заряд возникающий на гранях пьезоэлемента под действием внешних сил, очень мал и сохраняется лишь при отсутствии утечки, т.е. при бесконечно большом входном сопротивлений измерительной цепи. Поскольку это практически невыполнимо, то необходимо заряд постоянно восполнять, что возможно при воздействии переменных сил. Поэтому пьезоэлектрические: пре­образователи применяют только для измерения быстроменяющихся величин: давлений во взрывных процессах, в двигателях внутрен­него сгорания, звуковых колебаний, вибрационных ускорений и т. п.

Пьезоэффектом обладают диэлектрические кристаллы — кварц;

турмалин, сегнетовая соль, титанат бария и др. Наибольшее распространение получил кварц, так как он при наличии сильно выраженного пьезоэффекта одновременно имеет высокую ме­ханическую прочность, отличается высокими изоляционными свойствами, кроме того, его свойства мало зависят от темпера­туры.

В кристалле кварца, представляющем собой шестигранную призму (рис. 5), различают три главные оси: оптическую z—z, электрические x—х и механические у—у. Если из кристалла кварца вырезать соответствующим образом ориентированный по отношению к осям кристалла параллелепипед, то при приложе­нии сил Fx и Fy, действующих перпендикулярно оптической

Рис. 5, Оси симметрии кристалла кварца

оси, на гранях b и с возникают заряды, не зависящие от геометрических размеров параллелепипеда.

Пьезоэффект, возникающий под действием сил Fx вдоль электрической оси, называется продольным пьезоэффектом, а пьезоэффект, воз-никающий при действии сил Fу, направленных вдоль механической оси, — поперечным пьезоэффектом. При действии силы Fz, вдоль оптической оси пьезоэффект не наблюдается.

---