Тема. Крутильные колебания коленчатого вала.

Крутильные колебания, возникающие под влиянием внешних сил, называются вынужденными. Частота вынужденных колебаний равна частоте приложения возмущающих сил. Если частота вынужденных крутильных колебаний совпадает с частотой собственных, то возникает явление резонанса. При этом амплитуда колебаний будет возрастать до максимального размера, что может привести систему к разрушению.

Если на длинном валу закрепить через определенные промежутки несколько маховиков и повернуть их на некоторый угол, закрутив тем самым участки вала между маховиками, а затем отпустить, то получим сложные крутильные колебания (рис.95,б). Коленчатый вал дизеля можно также представить себе состоящим из упругих участков, между которыми закреплены массы, представляющие собой кривошипы с присоединенными к ним шатунами и поршнями. К этой системе добавляется также вращающаяся масса якоря генератора, присоединенного к коленчатому валу через дизель-генераторную муфту.

Во время работы дизеля на коленчатый вал действуют усилия от давления газов на поршни и инерционные усилия от движущихся частей. Воздействия эти регулярно повторяются в определенной последовательности и с частотой, пропорциональной частоте вращения коленчатого вала. Благодаря переменному характеру приложения вращающего момента массы, закрепленные на валу, будут совершать крутильные колебания, при которых происходит периодическое закручивание и раскручивание упругих участков вала.

Рис 95. Системы крутильных колебаний:

а – одномассовая; б – многомассовая.

Многомассовая система будет иметь не одну частоту собственных колебаний, а несколько (на единицу меньше числа закрепленных маховиков).

Крутильные колебания накладываются на установившееся вращение вала. Так как коленчатый вал дизеля имеет несколько вращающихся масс, то он имеет и несколько собственных частот крутильных колебаний.

Например, коленчатый вал дизеля ПД1М, несущий шесть цилиндровых масс и массу генератора, имеет шесть собственных частот колебаний 5100, 13 700, 22 000 кол/мин и т. д. При работе дизеля частота изменения возмущающих сил — сил инерции и сил от давления газов — пропорциональна частоте вращения вала.

Частоту возмущающей силы, равную частоте вращения вала дизеля, называют основной частотой, или 1-й гармоникой. Возмущающие силы в дизелях обычно состоят из нескольких гармоник. Если частота какой-либо гармонической составляющей совпадает с одной из собственных частот валопровода, то наступает резонанс. Частота вращения вала, при которой возникает резонанс, называется критической. Работа дизеля при критической частоте недопустима, так как при этом наблюдается тряска его, быстрый износ и разрушение подшипников, а иногда поломка коленчатого вала и других деталей.

Чтобы предотвратить эти явления, изменяют размеры вала, маховые массы, расположение их, увеличивают жесткость вала, уменьшают массу поршневой группы, с тем чтобы рабочий диапазон вращения вала удалить от критической частоты. Однако часто бывает и этого недостаточно, тогда для гашения резонансных крутильных колебаний применяют демпферы (гасители) или маятниковые антивибраторы.

Демпферы -создают сопротивления крутильным колебаниям и гасят их энергию и при резонансных частотах снижают амплитуду углов поворота масс.

Антивибраторы -изменяют частоты собственных колебаний вала так, чтобы они не совпадали с гармоническими составляющими возбуждающих моментов.

Работа маятникового антивибратора на схеме (рис. 96, а, б, в). Прохождение груза из одного крайнего положения в другое, а затем возвращение его в первоначальное крайнее положение называется полным колебанием, а время прохождения грузов указанного расстояния — периодом колебания. На схеме (рис. 96, а) груз А подвешен на стержне и при приложении силы совершает свободные колебания с определенной угловой амплитудой, максимальное значение которой составляет Ф1 Подвесив к системе дополнительный груз Б (рис. 96, б) и приложив ту же силу, что и в первом случае, амплитуда колебаний грузов будет меньше и частота свободных колебаний будет другой чем частота колебаний груза А.

На этом принципе устроены и тепловозные антивибраторы маятникового типа. К диску 1 вала по периметру подвешиваются с ограниченной подвижностью дополнительные грузы 3 (рис. 96, в), положение которых при вращении вала определяет частоту и амплитуду свободных колебаний вала. При равномерном вращении вала (ускорение е = 0) грузы 3 остаются в среднем положении. Если по какой-либо причине частота вращения вала начинает возрастать (е>0), приближаясь к критической, грузы 3 в силу своей инерционности будут сохранять первоначальную частоту вращения, отклоняясь назад и препятствуя закручиванию вала, изменяя частоту собственных его колебаний.

Рис.96.Схема колебаний:

а,б - маятников с грузами; в - маятникового антивибратора: 1 - ступица; 2 - палец; 3 - груз.

Таким образом, колебательная система в резонанс не войдет вследствие изменения частоты собственных колебаний. И, наоборот, при уменьшении частоты вращения (е<0) грузы 3, сохраняя свою первоначальную частоту вращения, сместятся вперед, закручивая вал и предупреждая совпадение вынужденной частоты с собственной.