Как задержать 'вибрацию и удары

Экономист: «Амортизация—-это погашение долга, а так­же постепенное изнашива­ние основных фондов, пере­несение их стоимости на вы­рабатываемую продукцию». Специалист по теории коле­баний: «Амортизация — это поглощение, ослабление виб­рации и ударов».

Прежде всего возникает

вопрос: а зачем надо задерживать вибрацию? Изве­стно, что вибрация может исправно работать на че­ловека. Различные грохоты, трамбовки, пневматиче­ские инструменты, сепараторы, уплотнители бетона —

во всех этих.устройствах используется колебательное движение.

Но вот сам человек сталкивается с теми меха­низмами, которые он породил. И что же? Вибрацион­ная болезнь стоит на одном из первых мест в длин­ном I списке видов производственного травматизма. Вибрация — это и шумоизлучение, а о вредности шума мы еще поговорим впоследствии.

Подводный шум от работы судовых механизмов создает помехи для рыбопоисковых приборов. Да и обитатели моря боятся этих непривычных шумов, не­даром сети для ловли тунца располагаются на бук­сирном тросе на расстоянии многих десятков кило­метров от рыболовного судна.

Вследствие вибрации выходят из строя различные приборы, а повреждения от вибрации глубоководных ИЛИ космических аппаратов, да и наземных транс-ПОртных средств могут привести к их гибели.

₍ Итак; бороться с вибрацией нужно. Раньше дру­гих строительных элементов в роли борца здесь выступает масса. Возможно, еще до инженеров на Полезную роль массы для защиты от ударов и сотря­сений обратили вйимание... цирковые актеры. В ста­родавние времена в малых и больших цирках веду­щий программу, указывая на мускулистого атлета с Молотом в руках, патетически провозглашал что-ни­будь вроде следующего: «Сейчас знаменитый имярек, с силой которого не сравнится ни один молотобоец в мире, будет наносить удары в грудь своему партнеру, ЛеЖащему на арене. Но и этого мало! На грудь ему будет еще поставлена трехпудовая наковальня!»

Едва ли разгоряченная зрелищем публика отда-ваЛа себе в этот момент отчгет, что наковальня не ТОЛЬКО не отягчает страданий атлета, как это ста­рался доказать ведущий, но, напротив, спасает ему Жизнь. Главное, нужно было лишь выдержать ее вес, да еще незаметное на глаз перемещение в момент УДара.

Это небольшое динамическое перемещение достой-

но того, чтобы сказать о нем чуть больше. Ведь если бЫ не было его, а объект —в данном случае костяк груди человека — был весьма жестким, то не прояви-лис бы инерционные свойства массы наковальни, и

Ни один атлет, пожалуй, не перенес бы прямого удара тя­желым молотом в грудь.

практически вся сила удара передалась бы этому лежащему объекту.

Разложение любого ударного импульса в интег­рал Фурье указывает на наличие весьма большого количества частотных составляющих силы, располо­женных сколь угодно близко друг к другу. Применив же к колебательному движению второй закон Нью­тона, нетрудно убедиться, что сопротивление массы перемещению пропорционально квадрату частоты колебаний. Следовательно, виброзадерживающий эф­фект массы будет особенно проявляться по отноше­нию к высокочастотным возмущающим силам. На низких же частотах ее эффект может быть недоста­точным.

Ну к чему, кажется, «тянуть резину»? Каждому ребенку ясно, что если подложить эту самую резину

Массивная наковальня, поставленная на грудь циркового артиста, позволяет ему выдержать любой удар молота.

или пружинку — все будет в порядке, вибрация исчез­нет на всех частотах. Но... механизм действия любого упругого элемента не столь уж прост, как может ка-30т:ься. Начать с того, что пружина передает следу-1фщему за ней объекту или конструкции всю колеба-Тфльную силу, хотя, правда, амплитуда колебаний |№ой конструкции будет зависеть от соотношения ее i ^противления и жесткости пружины.

, Сочетание массы и упругости — это уже лучше, 1ем одна пружина. Но и тут, как говорил ролланов-Ский Кола Брюньон (правда, совсем по другому по-Юду), взяв зверя, получаешь и рога. При низких частотах возникает резонанс, и колебания даже усиливаются по сравнению с тем, какими они были, Когда пружина отсутствовала, Классическая теория

виброизоляции, развитая С. П. Тимошенко, Д. Ден-Гартогом и другими, показывает, что виброизолирую­щий эффект системы проявляется лишь начиная с частоты, примерно в полтора раза превышающей ре­зонансную. Масса, пружина, виброизоляция... Какая же это акустика, возможно, усомнится иной читатель; это просто теория колебаний, часть теоретической меха­ники? Прежде всего, н£ будем создавать какой-то ис­кусственный водораздел между механикой и акусти­кой. Ньютон гордился, что он перевел акустику из об­ласти музыки, где она давно преуспевала, в лоно механики. Колебательные явления в твердых телах отличаются от колебаний в газах и жидкостях лишь многообразием типов упругих волн, не более. И в английском, и в немецком языке для колебаний в твердых телах существует термин, который можно перевести как «структурный, телесный звук» и кото рый прямо указывает, что динамика и акустика твер­дых тел различаются, по существу, лишь названиями. И недаром дальнейший прогресс в области изоляции

колебаний в твердых телах осуществили акустики, в первую очередь советские, немецкие и американские. Виброизолированной системе — например,- уста­новленному на упругие опоры-амортизаторы виброак­тивному механизму — свойственно шесть частот сво­бодных колебаний, сообразно числу степеней свободы. При совпадении их с частотами возмущающих сил или моментов возможны интенсивные резонансные колебания. В нашей стране в области расчета резо­нансных частот и амплитуд колебаний самых различ­ных систем виброизолирующей амортизации меха­низмов (колебаний, которые в различных степенях свободы еще и связаны друг с другом) много сделали Н. Г. Беляковский, О. К. Найденко, В. И. Попков. Шесть резонансных частот... Частокол их может Занимать на частотной шкале опасный промежуток В несколько десятков герц. Исследуя возможность предельного сужения этого промежутка, автор при-Шел к выводу, что при наклонах амортизаторов под

А теперь источником возму­щающей силы является меха­низм -с неуравновешенным ро­тором. Масса, поставленная под механизм на сравнительно жест­кое основание, как это ни стран­но, почти не уменьшает пере­дачу ему колебательной силы..

Установленные между мас­сой и основанием аморти­зационные пружины ведут себя подобно податливой груди атлета под наковаль­ней; Проявляющиеся при этом инерционные силы мас­сы содействуют ослаблению передачи колебательной си­лы основанию.

При жёстком основании (фундаменте) отдельно взя­тые масса и упругость пере­дают основанию всю коле­бательную силу вне зависи­мости от ее частоты.

Установка массы на упру­гий элемент позволяет суще­ственно ослабить передачу колебательной силы фунда­менту (кроме узкой обла­сти резонанса на низких ча­стотах, где колебания могут усилиться).

некоторыми углами можно не только ликвидировать связь колебаний в различных степенях свободы (это было уже ранее показано авиастроителями), но, что самое главное, свести резонансные частоты в весьма узкий диапазон и значительно уменьшить тем самым опасность как колебаний механизма, так и усиленной вибропередачи фундаменту. Одновременно уменьша­ются отклонения механизмов на упругих опорах при наклоне фундамента, что особенно ценно для судо* вой амортизации. Когда статья на эту тему была при* несена в редакцию журнала «Судостроение», акаде­мик Ю. А. Шиманский, бывший тогда редактором журнала, спросил:

— А чем, кроме формул, вы можете это доказать?

Пришлось делать модель механизма на наклонных амортизаторах. Академик довольно долго дергал за тросики, привязанные в различных частях «механиз­ма», и, убедившись в правильности утверждений, под­писал статью в печать. Наклонная амортизация ста­ла применяться на судах.

Конечно, разработка методов расчета колебаний амортизированных механизмов на низких часто­тах — это лишь один, в общем, достаточно узкий ас­пект проблемы виброизоляции. Магистральное напра­вление'— изучение вибропередачи на средних и вы­соких звуковых частотах, где процесс принимает вол­новой характер. Были исследованы особенности про­хождения колебаний через сложные структуры, со­держащие до семи и более элементов (механизм, не­сколько каскадов виброизоляторов, промежуточные рамы и блоки, фундамент, конструкция за ним). Уда­лось показать, что на некоторых частотах, при нали­чии интерференционных явлений в механизме или его частях, вибрация фундамента от действия силы, при­ложенной на границе упругой прокладки и механизму, может быть меньше, чем от силы, действующей в уд ленной от прокладки верхней части механизма (хот на первый взгляд, можно ожидать обратного). Впе; вые было установлено, что ослабление вибрации i фундаменте механизма после установки его па внбр изоляторы (а это ослабление служит и мерой спиж ния шума в соседнем помещени-и), как правило, мен, ше, чем передаточная функция (перепад) колсбагел

*»ных уровней на амортизаторах, наиболее просто изме­ряемых на готовой установке амортизации.. В. И. Попков впервые рассчитал и измерил в ши­роком диапазоне звуковых частот колебательную энергию, передаваемую через виброизолирующие крепления.

Выдающийся немецкий акустик Л. Кремер, о ко­тором мы уже говорили, показал разницу в виброизо­ляции упругими прокладками продольных и из-гибных волн. В США интересные работы по виб­роизоляции были выполнены Кридом, Сноудоном и другими.

Автор перечитал написанное, и ему вдруг подума­лось: а не покажутся ли некоторым" читателям, осо­бенно молодым, слишком уж «будничными» вопросы вибрации? Ведь нет здесь лучей лазеров, прожигаю­щих на расстоянии стальные листы, миллионногра-.- дусных плазменных шнуров, бьющихся в чудовищных магнитных полях. Читатель должен поверить, однако, что радость от обнаружения нового явления или за­кономерности, игра ума при этом одинаковы, неза­висимо от того, участвуют ли здесь тысячи киловатт мощности, миллионы эрстед, атмосфер или только колебательные движения с амплитудами в доли мик­рона, сопровождается ли это явление броскими внеш­ними аксессуарами или нет.

Вернемся, однако, к предмету нашего повествова­ния. При создании массовых амортизаторов для ма­шин встал вопрос о виброизолирующем материале. Еще в 40-е годы в разных странах в качестве амор­тизационных материалов рекомендовались пробка, фетр и резина. Исследование их на специально соз­данных установках склонило чашу весов в пользу Последней.

Тут следует учесть одно интересное свойство ре-$ины. Дело в том, что она практически... несжимаема, •jp всяком случае значительно менее сжимаема, чем |таль. Что это — мистификация или, быть может, не­вежественная. оговорка? Ни то, ни другое. Часто Отождествляют два понятия: модуль сжатия и сжи­жаемость. Модуль сжатия (модуль Юнга) у резино­вых стержней, действительно, на несколько порядков-

3 И, И, Клюкин 65

меньше, чем у стали. А вот сжимаемость, характери­зующаяся уменьшением объема при сжатии, у ре­зины (разумеется, мы говорим о сплошной резине, без внутренних пор) ничтожна, то есть ее деформа­ция происходит не за счет изменения объема, а лишь за счет изменения формы. Боковые поверхности рези­нового виброизолирующего элемента при колебаниях, как говорят, «выпучиваются». Если же эти поверх­ности закрыты металлической арматурой, возмож­ность боковых смещений исключается, и жесткость прокладки увеличивается в десять и более раз (см. график на с. 239 книги И. И. Клюкина «Борьба с шу­мом и звуковой вибрацией на судах». Изд. 1-е. Л., Судпромгиз, 1961). Резина буквально превращается в дерево, виброизоляция ее падает.

Это обстоятельство, а также необходимость обес­печить надежное крепление механизмов в любом по­ложении, под произвольным углом к горизонту были учтены при разработке резинометаллических аморти­заторов для судов. Амортизаторы сварные — так в ре­зинотехническом производстве именуют изделия, в которых резиновый массив присоединен к металли­ческой крепежной арматуре в процессе вулканиза­ции, происходящей при достаточно высокой темпе­ратуре.

Осваивал призводство амортизаторов ленинград­ский завод «Красный треугольник». Вспоминается мо­мент, когда после долгих исканий «производство по­шло»; из пресс-форм одно за другим начали появ­ляться аккуратные гладкие и прочные изделия с заданными акустическими характеристиками. Было это ровно тридцать лет назад. С тех пор освоены многие значительно более сложные типы амортиза­торов— пружинно-резиновые, пневматические и дру­гие. Многие конструкции не выдержали «испытания практикой», но первые образцы амортизаторов и сей­час являются одним из самых ходовых изделий этого вида. Их выпущено уже более миллиона, они исполь­зуются не только на судах, но и на других видах транспорта, в промышленности, жилищном строитель­стве. Группа амортизаторов различных размеров, по­ставленных рядом, напоминает семейство слоников*

ее

Бывают и такие экзотические амортизирующие устройства. У построенного в США буксира, служащего для подведения кораблей к пирсу, носовая часть во избежание повреждений по­крыта упругими резиновыми прокладками.

которые когда-то можно было видеть на мещанских комодах. Самые маленькие амортизаторы служат для защиты легких хрупких приборов от сотрясений, са­мые большие — для звукоизоляции довольно тяжелых виброактивных механизмов.

Уместно вспомнить теперь о явлениях отражения колебаний на границах сред или конструкций. Глав-•ное условие для такого отражения — скачок механи­ческого или акустического сопротивления, независимо от того, в какую сторону —уменьшения или увеличе­ния. Виброизолирующие прокладки и амортизаторы 'являют собой пример отражающей конструкции, дей­ствующей вследствие резкого уменьшения сопротив­ления в месте перехода от металлического вибро-. провода к резине или иному весьма податливому

Я* < 67

материалу. Можно применить и другое виброзаДёр-живающее средство, использующее эффект отраже­ния колебаний из-за местного увеличения сопротив­ления. Это — локальные массы, те же массы, с кото­рых мы начали рассказ о борьбе с вибрацией и уда­рами.

Весьма часто шум в судовых помещениях обус­ловлен звуковой вибрацией их ограждений, приходя­щей из машинного отделения. Судовые акустики на танкере «София» сделали такой опыт. По периметру пола одной из кают были уложены массивные метал­лические брусья. Симметричная каюта по другому борту была оставлена без изменений. Громкость шу­ма в первой каюте оказалась в полтора раза меньше, чем во второй. Однако при использовании подобных виброзадерживающих масс не удается добиться та­кого абсолютного скачка сопротивления, а следова­тельно, и акустического эффекта, как с помощью амортизаторов. Действие местных виброзадерживаю­щих масс и различные аспекты их применения были подвергнуты обстоятельному анализу Л. Кремером и А. С. Никифоровым.

В некоторых случаях скачок сопротивления можно получить, введя линии и цепочки местных упругоинер-ционных систем — антивибраторов. Максимумы ви­броизолирующего эффекта этих резонансных систем, как ни странно, оказались не на частоте резонанса, а по обе стороны от нее. В данном случае резонансная система вела себя как более или менее широкополос­ное виброзадерживающее средство. Результаты тео­рии и эксперимента сходились, а вот физический смысл явления оставался неясным.

...Конференции круглого стола бывают не только у дипломатов, но и на собраниях ученых. В 1971 го­ду на такой конференции, входившей в программу VII Международного конгресса по акустике в Буда­пеште, автор этой книги делал доклад о виброизоли­рующем (и вибропоглощающем) эффекте антивибра^ торов на пластинах. В перерыве к членам советской делегации подошел высокий полнеющий брюнет и лаконично представился: Манфред Хекль; имя этого человека, выполнившего много интереснейших работ, известно каждому акустику. Насколько позволяли

и!ыновые барьеры, завязалась содержательная ди-

1 МЧ'СИЯ.

Встречи с иностранными коллегами — это всегда < п.пьнейший психологический штурм. Мозг предельно напряжен, нельзя ударить лицом в грязь. И в этот мо­мент внезапно пришло понимание, почему резонансные нпГфоизолирующие системы на пластинах являются широкополосными...

«Целина» в области виброизоляции постепенно ис­чезает. Значительные эффекты в борьбе с вибрацией получать все труднее, нужны новые, более сложные системы' и приемы. Советские ученые М. Д. Генкин, Д. П. Коузов, B.C. Иванов, В.Т. Ляпунов, А.В. Рим- ( кий-Корсаков, С. А. Рыбак, Б. Д. Тартаковский и их сотрудники в последние годы-анализируют виброза-дсрживающие и фильтрационные свойства простран­ственных систем из расположенных определенным образом элементов массы и упругости. В борьбе с ппбрацией строительные акустики и строительные механики целенаправленно используют все «три ки­та», на которых покоятся эти науки: массу, упругость и трение.

И трение...