ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Самовозбуждение колебаний тел в потоке жидкости из "Колебания Издание 3 " Для самовозбуждения колебаний системы необходим источник энергии, а также некоторый физический канал отбора энергии от источника и превращения ее в энергию колебаний. В настоящей главе мы больше не будем учитывать влияния факторов, ограничивающих амплитуды колебаний. Другими словами, мы будем заниматься лишь линейными задачами о возникновении автоколебаний то обстоятельство, что рост амплитуды этих колебаний в конце концов прекратится, нас интересовать не будет. [c.99] Как показывает фото ХХП, рассматриваемая проблема не столь уже несерьезна, как это можно было бы заключить на основании приведенных выше примеров. При проектировании шасси некоторых самолетов возникают серьезные трудности вследствие опасности автоколебаний пр-совсго колеса. Пути окончательного решения этой проблемы до сих пор не вполне ясны. Поступление энергии, необходимой для возникновения автоколебаний, обеспечивается за счет кинетической энергии движущегося самолета грубое представление о характере двин ения дает демонстрационная установка, изображенная па рис. 40. К этой проблеме близка проблема влияния прицепов, буксируемых, автомобилями. Движение такого типа имитируется игрушечной собакой, показанной на фоте XXIII. [c.101] Устройство с вибрирующим валом, изображенное на фото XIV, может быть приспособлено для демонстрации автоколебаний. Запенив стальной вал другим валом, имеющим высокий коэффициент внутреннего трепия (например, стержнем, плотно вставленным в металлическую трубку), можпо коренным образом изменить поведение системы. Как и прежде, при разгоне вала вначале достигается первая критическая скорость. Однако колебания не исчезают и при дальнейшем увеличении скорости вращения, причем форма оси вала независимо от скорости вращения продолжает соответствовать первой собственной форме. [c.101] Укажем прежде всего, что необходимая для колебаний анергия поступает от двигателя. Что же касается механизма, который превращает эту энергию в энергию колебаний, то он может быть найден в тех дополнительных силах трения, которые возникают на поверхности вращающегося вала. Поверхности контакта трутся друг о друга, и при этом возникают силы трения, значительно большие, чем в материале однородного стального вала. Заметим, что рассматриваемые здесь колебания не связаны с наличием каких-либо неправильностей формы или неуравновешенности вала. Мы здесь не будем углубляться в причины неустойчивости такого вида заметим лишь, что вовсе необязательно было рассматривать систему с сухим трением такой же эффект можно было бы получить, если бы удалось создать вал с большим вязким трением. [c.102] Следует заметить, что в рассмотренном только что примере неустойчивость возникает не столько вследствие возрастания внутреннего трения, сколько за счет увеличения отношения между коэффициентами внутреннего и внешнего трения (т. е. трения об окружающую среду). Путем достаточного увеличения внешнего трения можно вновь добиться устойчивого вращения ротора с плотно надетой трубкой. [c.102] Каждый хороший инженер знает, что никогда не следует поддаваться панике под влиянием теоретических соображений технический прогресс часто требует определенной смелости, а теория порой оказывается в роли Иеремии ). С другой стороны, было бы неразумно абсолютно игнорировать предсказания теории — в конце концов, она для того и существует, чтобы предсказывать факты. Рассмотрим поэтому вопрос, который может причинять инженерам немало хлопот. [c.102] Вернемся к ротору, изображенному на рис. 25, и расскажем о проблеме, с которой могут столкнуться инженеры. [c.102] Некоторые поезда при движении по рельсам начинают интенсивно раскачиваться. Попытки объяснить причину этого сложного явления всегда вызыва.та дискуссии, и в середине пятидесятых годов был даже объявлен международный конкурс на решение этой задачи ). Для ин-женера-расчетчика задача о раскачивающемся поезде представляется сплошным кошмаром здесь приходится иметь дело с большим числом неизвестных (и притом изменяющихся) н есткостей, масс, зазоров и коэффициентов трения, причем сущность обстоятельств, приводящих к колебаниям, до сих пор полностью не выяснена. [c.103] Не вдаваясь в подробности этой удивительно сложной задачи, рассмотрим поведение модели железнодорожного вагона, изображенной на фото XXIV. Модель ходовой части состоит из двух двухосных теленгек, которые катятся на колесах с резиновыми шинами по наклонным металлическим рельсам к тележкам прикреплены пружины, оказывающие сопротивление повороту тележек относительно вертикальных осей. При достаточно высокой скорости прямолинейное движение вагона становится неустойчивым, и реборды колес начинают ударяться о боковые поверхности рельсов. Этот процесс является, по-видимому, автоколебательным, поскольку на систему не действуют никакие периодические внешние возмущения источником энергии служит движущийся экипаж. [c.103] Мы уже привели ряд примеров колебаний твердых тел, возникающих при обтекании тел потоком жидкости. Рассмотрим некоторые другие примеры автоколебаний, возникающих при действии потока жидкости на тела. [c.104] На фото XXV показана высокая стальная дымовая труба, не имеющая кирпичной обмуровки. Подобные стальные дымовые трубы обходятся значительно дешевле кирпичных (при одинаковых размерах) и обладают рядом других преимуществ. После установки показанной на фотографии трубы выяснилось, что под действием ветра она начинает раскачиваться, причем эти колебания вызываются не отдельными порывами, а ветром постоянной силы. Причина колебаний заключалась в флуктуациях давления, возникавших вследствие периодического отрыва вихрей отрыв происходил поочередно с противоположных сторон трубы, и после своего возникновения эти колебани я самоподдерживались . [c.104] У некоторых других дымовых труб описанное явление отрыва вихрей приводило к возникновению колебаний другого типа ось трубы сохраняла вертикальное положение, а оболочка дышала , изменяя форму своего поперечного сечения. Это — волнующее зрелище. [c.104] Опнсаввое выше явление раскачивания дымовых труб гораздо сложнее, чем это может показаться после простого объяснения. Прежде всего следует указать, что раскачивание возникает, когда частота отрыва вихрей близка к первой собственной частоте колебаний трубы. Такое движение грубо можно трактовать как вынужденные ре-еонансные колебания. Однако в действительности процесс является автоколебательным, так как колебания трубы (после того как они нача- — . [c.105] Отрыв вихрей служит причиной ряда интересных вибрационных явлений. Если, например, при движении подводной лодки в погруженном состоянии перископ начнет раскачиваться подобно дымовой трубе, то изображение в перископе становится расплывчатым. Однако в этом случае полоя ение дел сравнительно простое, поскольку поток жидкости имеет определенное направление относительно лодки колебания можно устранить, поставив специальную разделительную пластинку (рис. 41). [c.105] Известен случай, когда в стальном цилиндрическом резервуаре с водой возникли волны большой амплитуды. [c.105] Это двин ение было вызвано ветром, сопровождавшимся отрывом вихрей от наружной поверхности резервуара. [c.106] Провода линий электропередачи колеблются под действием ветра также вследствие отрыва вихрей. Эта проблема весьма серьезна, так как в местах крепления проводов к опорам возникают значительные усилия, которые могут приводить к усталостным разрушениям. Устранить механизм отрыва вихрей не представляется возможным, поскольку любой выступ на поверхности провода приводит к образованию коронного разряда (такой разряд очень красив ночью, но вызывает большие потери электроэнергии). Мы уже упоминали эту проблему на фото XVII показаны демпферы, назначение которых состоит в том, чтобы не допустить усталостного разрушения проводов в местах их крепления к опорам. [c.106] Естественно, что инженеры-строители с очень большим вниманием отнеслись к Такомской катастрофе подобная авария вряд ли повторится в ближайшее время. Это не означает, однако, что можно совсем забыть о колебаниях висячих мостов под действием ветра. Интересный случай таких колебаний (в несколько ином виде) имел место при постройке пилонов моста через реку Ферт-оф-Форт. [c.106] Путем установки демпфирующих растяжек удалось существенно (до 15 см) снизить амплитуду колебаний и тем самым обеспечить возможность нормального ведения строительных работ. Затем к верхней части сооружения были подвешены вспомогательные лестницы, необходимые для монтажа основных тросов моста. Установка этих лестниц оказала демпфирующее воздействие, причем настолько сильное, что пилон уже не раскачивался даже после снятия растяжек. Расчеты показали, что явление колебаний отдельно стоящего пилона было чисто временным эти колебания возникли лишь при весьма специальных условиях обтекания пилона ветром, а у полностью законченного моста такие колебания оказались невозможными. [c.107] Прогресс в области создания новых конструкций турбореактивных двигателей лимитируется рядом факторов, и в том числе способностью лопаток компрессора работать при тяжелых усло виях нагружения. Лопатки компрессора подвержены различного рода вибрациям. Один из видов вибрации — так называемый срывной флаттер —это явление, сходное по своей природе с эффектом, показанным на рис. 34 регулярный отрыв вихрей здесь не играет роли). И вообще создание плавного течения жид1 ости из области низкого давления в область высокого давления (а в этом и состоит назначение компрессора) — задача достаточно сложная, так как жидкость вместо того, чтобы спокойно течь но предназначенным для нее каналам, обнаруживает тенденцию отрываться от поверхностей, образуя при этом зоны с беспорядочно движущимися вихрями. [c.107] Вернуться к основной статье