Вибрация против вибрации



Множество бед приносит технике вибрация. Долгое время борьба с ней кончалась не в пользу человека. даже такой эффективный способ, как гашение ее специально созданными встречными колебаниями, трудно было реализовать на практике. Сейчас такие методы разработаны.



Ясно, что если устройство имеет подвижные части, то будет и вибрация. Тысячи лет идет с ней борьба, доходящая порой до истинного драматизма. Так было в авиации с флаттером, на преодоление которого ушли годы жизни. С аналогичной проблемой, не столь острой, но неприятной и дорогостоящей, столкнулись и конструкторы роторных экскаваторов.

Замечательно было придумано в середине нашего века: снабдить экскаватор не одним, а многими ковшами, установленными на вращающемся колесе-роторе. Ковши поочередно ударяют зубьями в породу, подхватывают ее, сбрасывают на транспортер, который непрерывным потоком уносит ее. Изобретение давало такой же скачок эффективности по сравнению с экскаваторами одноковшовыми, как те в сравнении с копанием вручную.

Решили использовать роторные экскаваторы при открытой добыче полезных ископаемых, где есть простор развернуться могучей технике. Простора было даже чересчур, поэтому роторные экскаваторы стали расти и наконец превратились в настоящие фабрики по дроблению и перемещению породы. Тут-то и встала во весь рост проблема вибрации.

Еще из школьного курса физики известна кошмарная история о том, как взвод солдат пошел по мосту, браво шагая в ногу, и тем его разрушил. Частота шагов взвода совпала с собственной частотой моста, тот попал в резонанс и рухнул, раскачавшись.

Оказалось, что и крупный роторный экскаватор постоянно подвержен опасности разрушиться от резонансных колебаний. Роль печатающего шаг взвода играют ковши, ударяющиеся о грунт, и непрерывно падающие на транспортер куски породы. Частоты тряски как раз из диапазона собственных частот экскаватора и разнообразных его вспомогательных механизмов, к тому же они меняются при изменении и взаимного положения деталей.

Оберегать экскаваторы от того, чтобы они не рассыпались, приходится пока по-простому — перетяжелять конструкции, поручать машинистам глядеть в оба и, как заметят, что машина входит в резонансный режим, тут же сбрасывать скорость вращения ротора, то есть опять же идти на потери эффективности.

Да и машинистам вибрация досаждает сильно. Трясет в кабине существенно крепче, чем допускают санитарные нормы. Не помогают никакие амортизаторы. И бывает так, что людям не удается выдержать без подмены больше двух-трех часов работы — укачивает.

Способ обуздать низкочастотную вибрацию экскаваторов нашелся в точном машиностроении. Там исхитрились конструкторы сделать станок, резец которого пылинки «шинковать» способен, а усилия их насмарку — колебания фундамента станка все портят. Для защиты особо точных станков и приборов от сотрясений, которые не гасятся амортизаторами, был создан в 1960 году способ активного демпфирования. Суть его в том, что вышибают клин клином — гасят вибрацию вибрацией. У источника тряски устанавливают чувствительный датчик. Он «ловит» начало толчка и посылает к защищаемому от вибрации месту сигнал, который включает специальное приспособление, создающее в нужный момент другой толчок, направленный навстречу подошедшему. В результате оба взаимно гасятся.

Защитные колебания создавались электромагнитами (а.с. № 134412). Еще предохраняемую от сотрясений конструкцию подвешивали на упругом мешке с несжимаемой жидкостью, которая должна быстрей или медленней втекать-вытекать из мешка сообразно возмущающим колебаниям (а.с. № 238953).

Впрямую эти способы для экскаваторов, понятно, не использовать — ведь какие нужны электромагниты и мешки, если вес экскаваторов достигает пяти-восьми тысяч тонн! Лет десять назад начали приспосабливать активное демпфирование к тяжелым горным машинам. Горизонтальные колебания роторной стрелы попробовали гасить приводным электродвигателем (а.с. № 383794). К сожалению, эффективность оказалась невысокой — слишком уж инерционны электродвигатель и системы его управления, не успевают срабатывать по сигналам датчика вибрации. Кроме того, чтобы препятствовать колебаниям стрел экскаватора, нужно вращать всю его опорно-поворотную часть, ворочать много лишних тонн.

Шли и по другому пути — закрепляли на консоли дополнительную массу и колебали ее сжатым воздухом в противофазе вибрации (а.с. № 401843). Получалось хорошо, но уж слишком рос вес. Скажем, если «антивибрационная» масса равна тонне, то вес машины увеличится тонны на три-четыре, поскольку придется усилить и несущие конструкции, и опорно-ходовую часть, и т.д.

Итак, пневматика, электродвигатели и электромагниты для защиты от тряски здесь не годятся. А гидравлика? Почему не использовать ее? Хорошо изучена, мощна, компактна, легко управляема... Но неисповедимы иногда пути технического прогресса. Лишь в 1976 году догадались гасить резонансную вибрацию экскаваторов гидравлическими силовыми органами. Да и то отвели им поначалу сугубо вспомогательную роль.

Но этим были сняты психологические шоры, мешавшие увидеть в гидравлике инструмент борьбы с колебаниями, открылась возможность создавать по-настоящему работоспособные антивибрационные устройства для горных машин. Вот как это было.

Изучая процесс активного демпфирования, ученые Университета дружбы народов имени П. Лумумбы обнаружили, что, гася вращением опорно-ходовой части экскаватора одни колебания, не мудрено усилить другие. И, скооперировавшись с конструкторами производственного объединения «Ждановтяжмаш», предложили дополнительно «подталкивать» сбоку верхнюю часть экскаватора в противофазе тех колебаний, которые вращением усугубляются. Подталкивать должны были гидроцилиндры (а.с. № 708016).

А «открыв» для себя гидравлику, инженеры УДН и «Ждановтяжмаша» поняли, что можно обойтись без электродвигателей и иных неудобных движителей. Учли, что разрушительное раскачивание экскаваторов начинается с их длинномерных частей, и пришли к простому и действенному решению ставить гидроцилиндры, гасящие колебания, либо непосредственно в подвески роторной и противовесной стрел, либо между стрелой и платформой, чтобы передавать защитные толчки без перемещения больших масс надстройки. Более того, гасить колебания можно теперь той же самой гидравликой, которая выполняет рабочие движения стрел — поднимает их, опускает и т. д. (а.с. № 787559).

Почему до этого очевидного (как задним числом кажется) решения никто в мире раньше не додумался — тайна великая.

Но как бы там ни было, а решение найдено. Виброзащиту оно обеспечивает практически без увеличения веса машины или чрезмерного усложнения конструкции.

Устройства хоть сейчас можно ставить на экскаваторы. Внедрение их и вообще активного демпфирования может дать многое: машинисты экскаваторов перестанут страдать от «(морской болезни», откроется возможность автоматизировать процесс. В зависимости от свойств породы нетрудно будет автоматически выбирать оптимальный режим — ведь пропадет нужда прислушиваться к разрушительным резонансным колебаниям и уходить от них, снижая скорость. Надежней и долговечней станут механизмы, испытывающие меньшие напряжения, резко сократятся простои из-за поломок. Да и в металлоконструкции не придется закладывать непомерные запасы прочности, омертвлять тонны металла. Но пока между активным демпфированием и горной техникой лежат «сопутствующие» проблемы. Нет, в частности, достаточно дешевых датчиков колебаний, которые, с одной стороны, обладали бы удовлетворительной чувствительностью, а с другой — надежно работали бы в карьерах при больших перепадах температур, высокой запыленности и т. п. Но эти трудности все же меньшего масштаба, чем дело, которому они мешают. Надо их преодолеть. Овчинка явно стоит выделки.