Vibrace. Velká ruská encyklopedie

Vibrace (z lat. vibratio – házení, házení), oscilační proces, ke kterému dochází, když se těžiště tělesa periodicky posouvá z rovnovážné polohy, stejně jako při změně tvaru tělesa, který mělo ve statickém stavu. Vibrace jsou způsobeny excitačními silami, které mohou být aplikovány na objekt z vnějšku nebo mohou vznikat v něm. Výskyt vibrací může být způsoben mezerami a drsností povrchu částí strojů a mechanismů, přítomností nevyvážených prvků a dílů.

V technice (stroje, mechanismy, konstrukce, konstrukce atd.) mohou být vibrace užitečné i škodlivé. Užitečné vibrace, jako zdroj mechanických vibrací, jsou záměrně vybuzeny vibrátory používanými ve stavebních, silničních a jiných strojích k provádění různých technologických operací, při dopravě materiálů (vibrační dopravník apod.), v pohonech ručních strojů apod.

Škodlivé vibrace, ke kterým dochází při pohybu vozidel, provozu motorů, turbín a dalších strojů, někdy vedou k narušení provozu až zničení zařízení. Vibrace konkrétního předmětu je dána silou buzení, jeho směrem a frekvencí kmitání.

Když se rozlišují vibrace:

• silové (dynamické) buzení pod vlivem hnacích sil a/nebo momentů;

• kinematický, ke kterému dochází, když jsou určitým bodům systému dány určené pohyby;

• parametrický, ke kterému dochází v důsledku časové změny jednoho nebo více jeho parametrů (hmotnost, moment setrvačnosti, koeficient tuhosti, koeficient odporu);

• samobuzení kmitů způsobené dodáním energie z nekmitajícího zdroje.

Smíšené vibrační buzení je možné například kombinací kinematicky vynucených vibrací s vlastním buzením. Většina vibračních zařízení využívá principu dynamického a kinematického buzení. Každé z uvedených buzení může způsobit škodlivé vibrace.

Při rozboru vibrací předmětu se zjišťují zdroje vibrační energie a dráhy, po kterých se tato energie šíří. Zdrojem vibrační energie může být samotný motor stroje, střídavá síť, parní turbína apod. V praxi se vibracím nelze nikdy zcela vyhnout. K zamezení škodlivých vibrací a snížení jejich účinku se používají různá ochranná opatření (například vibrační izolace konstrukcí, výměna nýtových spojů za svařované u letadel, mostních vazníků apod.).

Hlavní parametry charakterizující vibrace jsou frekvence vibrací (Hz) a amplituda vibračního posunu (vibrační posun; m) nebo jejich odvozeniny – rychlost vibrací (m/s) a zrychlení vibrací (m/s 2 ).

Vibrační posun se měří při nízkofrekvenčním kmitání (s horní hranicí frekvence 100–200 Hz) ve stavební vibroakustice, při vyvažování rotorů, studiu elastických deformací, předpovídání únavových poruch atd. Zrychlení vibrací se určuje za přítomnosti širokopásmových vibrací ( v rozsahu 100–10 000 Hz) při vibroakustické diagnostice. Nejvíce „měřený“ parametr – rychlost vibrací – charakterizuje oscilační energii, protože se používá k posouzení technického stavu strojů – jejich součástí a dílů. Viz také Vibrační diagnostika.

Důležitou charakteristikou vibrací je hladina (poměr amplitudy k určité referenční úrovni), měřená (analogicky s hlukem) v decibelech (dB): L = 20 lg ( U / U o ) L = 20 lg ( U / U_o) L = 20 lg ( U / U o ​) kde LLL je úroveň signálu (dB), UUU je úroveň vibrací v konvenčních jednotkách zrychlení, rychlosti nebo výchylky, U o U_o U o – referenční úroveň odpovídající 0 dB.

Hladina rychlosti vibrací VVV (dB) je určena: L v = 20 lg ( U / U o ) L_v = 20 lg ( U / U_o) L v ​ = 20 lg ( U / U o ) , nebo L v = 20 lg [ V / (5 ⋅ 1 0 – 8 m/s)]. L_v = 20 ug[V/(5-10^ m/s)]. L v ​ = 20 lg [ V / ( 5 ⋅ 1 0 –8 m / s )] . Referenční hladina rovna 1 0 – 9 m/s 10^ m/s 1 0 –9 m/s odpovídá standardu SI (v ruském standardu V o V_o V o ​ 5 ⋅ 1 0 – 8 m/s 5 10^ m/s 5 ⋅ 1 –0 m/s).

Vibrace jsou jedním z faktorů s velkou biologickou aktivitou. Vliv vibrací na tělo nastává, když se člověk pohybuje ve vlaku, letadle atd., při práci na vibračních strojích a zařízeních a také při startu a přistání kosmických lodí. Vystavení vibracím může snížit výkon, způsobit poruchy vnímání atd. Viz také Nemoc z vibrací.

Redakce technologií a zařízení. První publikace: Velká ruská encyklopedie, 2006.

Publikováno 30. března 2023 v 08:58 (GMT+3). Poslední aktualizace 30. března 2023 v 08:58 (GMT+3). Kontaktujte redakci

Jak si vybrat a koupit CNC frézku a gravírovací stroj

15. července 2015 číst

10. Vibrace při řezání konstrukčních materiálů

Za určitých podmínek ztrácí proces řezání stabilitu. Ztráta stability technologického systému je charakterizována výskytem vibrací – škodlivých periodických oscilačních pohybů. Vibrace nástroje vůči obrobku (nebo naopak obrobku vůči nástroji) způsobují periodické změny tloušťky řezané vrstvy a řezných sil, změny velikosti a povahy zatížení na stroji, které zvyšují několik časy ve srovnání se stabilním řezáním. Vibrace vytvářejí hluk, který unavuje pracovníky, a kvalita ošetřovaného povrchu se zhoršuje. Trvanlivost nástrojů, zejména tvrdokovových a minerálních keramických, je výrazně snížena. Střídavé dynamické zatížení snižuje životnost stroje. Při výskytu vibrací je nutné snížit řezné režimy, v důsledku čehož klesá produktivita a výkon stroje není plně využit.

Vznik vibrací při řezání je charakterizován rušivými silami a vlastnostmi pružného systému; vztah mezi těmito parametry určuje jak možnost vzniku vibrací, tak jejich intenzitu, tzn. amplituda a frekvence.

Kmity (vibrace) při řezání jsou zpravidla dvojího druhu: vynucené, kdy příčinou kmitů je periodicky působící rušivá síla, a samokmity, ke kterým dochází bez vlivu vnější periodické rušivé síly (kmity, které jsou vlastní -vzrušený během procesu tvorby třísky).

Vynucené kmity vznikají v důsledku přítomnosti v technologickém systému vnější periodické síly, která způsobuje oscilační proces s frekvencí rovnou frekvenci rušivé síly. Tyto síly lze rozdělit do dvou skupin:

Metody řešení vynucených vibrací jsou dobře známé – je nutné eliminovat vliv periodické rušivé síly.

Toho se dosahuje vyvažováním nástrojů (brusné kotouče, frézy, závitové hlavy) a obrobků, vibrační izolací základů strojů atd. Mnohem obtížnějším úkolem je tlumení vibrací, které mají samokmitající charakter.

Vlastní kmitání je proces, při kterém je proměnná síla podporující kmitavý pohyb vytvářena a řízena samotným pohybem a mizí, když tento pohyb ustane. Vlastní oscilace jsou charakteristické tím, že vznikají a jsou podporovány zdroji energie, které nemají oscilační vlastnosti. Frekvence vlastních kmitů je téměř nezávislá na řezných podmínkách, ale je dána především tuhostí systému a velikostí kmitajících hmot.

Intenzita vibrací při řezání kovů, charakterizovaná výškou vibračních vln, závisí na mnoha faktorech: prvky řezného režimu, geometrické parametry nástroje, tuhost systému AIDS, tlumicí schopnost zpracovávaného materiálu a materiál nástroje. Intenzita vibrací roste s rostoucí šířkou „b“ a klesající tloušťkou „a“ řezané vrstvy. Existuje „kritická zóna“ řezných rychlostí, ve které zesilují vlastní oscilace. Šířka „kritické zóny“ závisí na tuhosti systému, parametrech „b“ a „a“ vrstvy řezu, geometrii nástroje a vlastnostech zpracovávaného materiálu.

Oscilační systém je systém s distribuovanými parametry, a proto má nekonečný počet stupňů volnosti. Pro zjednodušení problém uvažujme jako systém s konečným počtem stupňů volnosti. U obráběcího stroje na obrábění kovů se obvykle uvažují dva hlavní (dominantní) oscilační systémy: systém obrobku (obrobek, vřeteno, pinola atd.) a systém nástroje (nástroj, držák nástroje, podpěra atd.).

Oba systémy mají různé vlastní frekvence. Proto se vlastní oscilace při řezání dělí na dva typy: vibrace prvního druhu – nízkofrekvenční (50-300 Hz) vibrace obrobku, způsobující nízký zvuk a vytvářející hrubé zvlnění obráběného povrchu, a vibrace druhého druhu (až 3 Hz) vibrace nástroje, doprovázené vysokými tóny zvuku a vytvářejícími drobné vlnky na ošetřovaném povrchu.

Příčiny vzniku samokmitů při řezání mohou být: snížení třecích sil se zvýšením řezné rychlosti, tvorba a rozpad nástavby ostří, periodický proces kalení materiálu a zpoždění řezných sil při pohybu nástroje.

V tomto případě dochází k přechodu ze stabilního pohybu k vlastním oscilacím následovně. Řezák je vyveden z rovnováhy a začíná se pohybovat po elipse (obr. 32).

Obr.32. Trajektorie relativního pohybu hrotu nástroje při vlastní oscilaci

Když se fréza pohybuje ve směru řezné síly (část 2), tloušťka řezu, a tedy řezná síla, je větší, než když se fréza pohybuje směrem k řezné síle (část 1). Nejasnost je ve změně řezné síly podél posuvu, tzn. řezná síla jakoby tlačí soustavu v čase s kmity, což vede ke zvýšení jejich intenzity na hodnotu odpovídající stavu energetické rovnováhy (rovnost energie vstupující do kmitající soustavy a vynaložené na překonání odporu sil) a je nastolen režim vlastních oscilací.

Intenzita vibrací závisí také na změně řezných sil při zpracování zvlněné plochy tvořené vlastními oscilacemi po předchozím průchodu. Primární vlastní oscilace se tedy sčítají se sekundárními rezonančními vynucenými oscilacemi.

Diferenciální rovnice vlastních oscilací jsou nelineární. Jejich linearizace umožňuje zjednodušit matematickou analýzu jevů. Řešení lineárních diferenciálních rovnic nám umožňuje najít podmínky pro vznik vlastních oscilací. Tento problém s řadou zjednodušení pro volné řezání vyřešil profesor V.A. Kudinov. Výsledné vzorce umožňují vypočítat všechny parametry, které určují pohyb hrotu frézy při samokmitání a jsou součtem dvou fázově posunutých pohybů o úhel q vůči sobě navzájem:

z = Az sin (wt + q)

kde: Аy a Аz jsou amplitudy vibrací ve směru Y a Z Pro vibrace druhého druhu Аz = (2 – 2,5) Ay.

Ve stabilním poli nedochází k fázovému posunu mezi oscilacemi ve směru Y a Z (q=0). Při překročení meze stability (vznik vibrací) dochází k fázovému posunu, obě vibrace se sčítají v rovinný přímočarý pohyb.

10.1. Základní metody a prostředky boje proti samokmitajícím vibracím.

Racionální geometrie nástroje. Při soustružení umožňuje správná volba geometrie nástroje, zejména úhel náběhu (až 90), několikrát zmenšit šířku řezané vrstvy, aniž by došlo k vibracím. Volba geometrických parametrů nástroje: půdorysné úhly, přední, zadní a vrcholový poloměr by proto měla být prováděna nejen v závislosti na fyzikálních a mechanických vlastnostech zpracovávaného materiálu, ale také v závislosti na tuhosti technologického systému.

Zvýšení tlumicí schopnosti technologického systému. Tlumicí schopnost komponent oscilačního systému lze zvýšit různými způsoby: použitím tlumicích podložek, výrobou těles nástrojů z materiálů s velkým úbytkem tlumení: litina nebo kompozitní materiály, zavedením speciálních tlumičů – tlumičů vibrací – do oscilačního systému . Mezi taková zařízení patří tlumiče vibrací založené na vnějším tření pevných těles (třecí tlumiče vibrací) a tlumiče vibrací, jejichž působení je založeno na odporu a viskózním tření kapaliny (hydraulické tlumiče vibrací).

Zvýšení tuhosti oscilačního systému. Se zvyšující se tuhostí se zvyšuje vlastní frekvence w oscilací systému, a proto se snižuje pravděpodobnost vibrací, protože jak se w zvyšuje, tlumicí práce systému ve skutečnosti lineárně roste. Tuhost systému lze zvýšit použitím speciálních nástrojů a zařízení pro jejich upevnění a také snížením házivosti vřetena a vůle třmenu.

Snížení hmotnosti oscilačních systémů. Snížení hmoty. vibrační systémy, zejména hmotnost součásti, zvyšuje vlastní frekvenci a snižuje intenzitu vibrací. Toho lze dosáhnout při práci s méně masivními (ale dosti tuhými) náboji, s minimálním přesahem pinoly a nástroje atp.

Dynamické tlumiče vibrací a tlumiče nárazových vibrací. Dynamický tlumič vibrací je vyroben ve formě malé hmoty, elasticky připevněné k oscilačnímu článku. Tato hmota má frekvenci vlastních kmitů rovnou frekvenci kmitání systému. Činnost dynamického tlumiče vibrací je založena na tom, že hmota kmitá v protifázi, tzn. jeho fáze se liší od fáze kmitání kmitajícího článku. V důsledku toho vzniká síla, která je stejná, ale opačná k síle, která budí vibrace.

U tlumičů nárazových vibrací je hlavním prvkem poměrně velká hmota umístěná s mezerami v těle nástroje. Když hmota narazí na vibrující část systému, vibrační energie se rozptýlí, a proto se intenzita vibrací sníží. Takové tlumiče vibrací jsou nejúčinnější pro dokončovací obrábění.

Ultrazvukovou metodu tlumení vibrací, založenou na přenosu tangenciálních ultrazvukových vibrací o malé amplitudě na řezný nástroj, je vhodné použít v podmínkách velmi nízké tuhosti technologického systému.