CC BY
41ПРИЧИНЫ ВИБРАЦИИ В СТАНКАХ И МЕТОДЫ ИХ УСТРАНЕНИЯ
Абдухалим Тошпулат угли Рахмонов Собитжон Сохибжонович Ахтамбаев
Ферганский политехнический институт
АННОТАЦИЯ
В статье представлен теоретический анализ причин возникновения вибрации и устройств гасителная возникающих при работе машин и механизмов. Ключевые слова: вибрация, амплитуда, виброгасител, резонанс, резец.
CAUSES OF VIBRATION IN MACHINES AND METHODS OF THEIR
ELIMINATION
ABSTRACT
The article presents a theoretical analysis of the causes of vibration and damping devices that occur during the operation of machines and mechanisms.
Keywords: vibration, amplitude, vibration dampener, resonance, cutter.
Введение. Современная машиностроительная промышленность уделяет огромное внимание вопросам виброустойчивости станков. Виброустойчивость станков тесно связана с их жесткостью и оба фактора часто определяют достижимую производительность. Вибрации ограничивают допустимые режимы резания при обработке (особенно скорость и глубину резания), приводят к получению у детали волнистой или дробленой поверхности, повышенного наклепа ее поверхностных слоев, снижению точности обработки, стойкости режущего инструмента, расстройству соединений станка и его ускоренному износу. При возникновении значительных вибраций работу, как правило, приходится прекращать [1].
При рассмотрении любого колебательного процесса приходится оперировать с понятиями:
а) частота колебаний в герцах - число колебаний в секунду исследуемой величины;
б) период колебания - время одного колебания этой величины, выраженное в секундах;
в) амплитуда колебания максимальное отклонение колеблющейся величины от среднего положения;
г) размах колебаний - расстояние между крайними положениями колеблющейся величины - равняется удвоенной амплитуде.
Основные виды колебаний, встречающиеся в системе станок-инструмент-деталь, и причины их следующие [2]:
1. Колебания, передаваемые извне (от соседства кузнечного оборудования, зубонасечных или зубодолбежных станков, мощных двигателей и т. п.). В этих случаях частота возникающих при резании колебаний та же или в целое число раз больше частоты возбуждающих колебаний. С указанным явлением особенно часто приходится встречаться при установке станков на слабых перекрытиях, галереях и т.п.
2. Методами борьбы в этих случаях являются устранение источника колебаний или перенос станка в другое место, усиление фундамента, применение виброгасящих прокладок и пр.
3. Колебания, вызываемые дисбалансом быстровращающихся частей станка или обрабатываемой детали. В этих случаях центробежная сила меняет направление, что и вызывает колебания. Частота колебаний равна числу оборотов неуравновешенной детали в секунду. Метод борьбы состоит в балансировке элемента, возбуждающего колебания [3].
4. Колебания, вызываемые дефектами передач станка. Неправильно нарезанные, плохо смонтированные или изношенные зубчатые колеса вызывают возникновение периодических сил, передающихся на подшипники, а следовательно, на шпиндель и станину станка, что при некоторых условиях может быть причиной появления вибраций. Иногда такой же эффект вызывают грубая сшивка ремней, пульсация жидкости в трубопроводах станка и прочие дефекты передач. Борьба заключается в устранении возбуждающей причины.
5. Колебания, вызываемые переменным сечением среза или прерывистым характером процесса резания. Типичным примером указанных возбуждающих причин является точение эксцентричных шеек у валов, обточка квадратных штанг на круглые, строгание прерывистых поверхностей [4].
Для многих процессов механической обработки более или менее прерывистый характер резания является их характерной особенностью. Сюда относятся фрезерование, протягивание, долбление, работа шлифующего круга, неравномерно затупившегося по окружности, и др. Частота колебаний при этом равна или кратна частоте возмущающей силы. Обычно явление оказывается более сложным из-за взаимодействия этих вынужденных колебаний с так называемыми автоколебаниями [5].
Возникновение колебаний легко объяснимо во всех рассмотренных случаях, это наличие периодической возмущающей силы. По этой же причине такие колебания носят общее название вынужденных колебаний.
Вынужденные колебания небольших амплитуд всегда имеют место при работе на станках. Они представляют серьезную опасность только для
отделочных станков. Для других станков при нормальных условиях эксплуатации они нарушают работу лишь в случае резонанса.
Весьма редко в станках наблюдаются параметрические колебания, которые возникают вследствие переменной жесткости отдельных элементов привода главного движения. Например, причиной таких колебаний могут оказаться работающие на изгиб валы, значительно ослабленные шпоночными канавками.
Чаще можно встретить релаксационные (разрывные) колебания, которые преимущественно возникают в цепях подач суппортов, кареток, столов токарных, расточных, фрезерных и других станков. Такие колебания нередко известны под названием «неравномерной подачи». Релаксационные колебания проявляются в виде ритмичных скачкообразных перемещений узла вместо равномерного поступательного движения. Указанное явление наблюдается, когда кинематическая цепь подачи обладает малой крутильной жесткостью, а силы трения в направляющих узла велики.
В результате кинематическая цепь закручивается подобно пружине, затем рывком сдвигает узел, который, пройдя некоторый путь, вновь затормаживается, и явление повторяется. Дополнительным условием возникновения и поддержания такого рода колебаний является условие, чтобы коэффициент трения движения был меньше коэффициента трения покоя (что имеет место в подавляющем большинстве случаев) [6].
Самым распространенным видом вибраций при работе на металлорежущих станках являются автоколебания.
Автоколебательным или «самовозбуждающимся» называется такой процесс, при котором могут возбуждаться незатухающие колебания за счет источника энергии, не обладающего колебательными свойствами. Такая связь колеблющегося элемента с источником энергии носит название обратной связи.
Внешняя сторона явления в этих случаях состоит в том, что при обработке вполне уравновешенной детали на вполне исправном станке с массивным фундаментом могут иметь место сильные вибрации. Они возникают сразу после начала резания и пропадают при его прекращении. Следовательно, причина вибраций таится именно в самом процессе резания. Автоколебания чаще и легче возникают при сливной стружке. Характерно, что их частота остается неизменной при изменении скорости резания в широких пределах [7].
Начало автоколебаний может быть «жестким» или «мягким». В первом случае колебания начинаются вследствие изменения силы резания в результате любой причины: не совсем равномерного припуска, наличия твердого включения в металле, неравномерности движения механизма подачи и др. Изменение силы резания, главным образом ее составляющей Ру, вызывает дополнительный отжим инструмента. Колебания возникают сразу в полную силу и поддерживаются далее
за счет энергии привода станка. При «мягком» начале автоколебания начинают возрастать от нуля постепенно, причем причиной их возбуждения проф А. И. Каширин считает поведение металла впереди лезвия в момент среза, перед передней гранью образуется пластическая «застойная» зона, величина и форма которой зависят от многих факторов и которая непосредственно влияет на величину усилия резания.
Чтобы возникшие колебания не затухали, необходимым условием должно являться неравенство (неоднозначность) величины усилия резания при врезании лезвия в металл и при его отходе, т. е. должно иметь место неравенство ротсода >рврезания, так как иначе работа силы за полный цикл колебания (врезание
и отход лезвия) будет равна нулю (рис. 1).
Рис. 1. Зависимость между величиной перемещения резца у и Ру
В 40-50-х годах проф. А.П. Соколовский подтвердил это экспериментально, получив совместные осциллограммы перемещений резца при свободном точении стальных дисков широкими резцами с поперечной подачей и изменений усилия Ру во времени (рис. 2). Осциллограммы подвергнуты
обработке, заключающейся в определении Ру для последовательных значений у в пределах одного цикла колебаний (лежат на одних и тех же вертикалях). После перенесения этих значений в координатную систему Ру - у получается замкнутая кривая зависимости Р = /(у) представленная на Рис.1.
Рис. 2. Осциллограммы для усиления Ру и перемещения резца у, полученные одновременно.
Это экспериментально подтвержденное условие имеет и вполне логические объяснения [8].
1. Резец при колебании в моменты углубления встречает свежие недеформированные слои металла. В моменты отхода (отталкивания) перед его передней гранью оказываются более твердые слои только что наклепанного металла. Поэтому усилие резания при врезании резца меньше, чем при отходе, это считается одной из основных причин колебаний усилия резания, а значит и самого явления автоколебаний.
2. Между передней гранью резца и стружкой, а также между задней гранью и обрабатываемой деталью имеет место переменность сил трения. Коэффициент трения поверхностей зависит от скорости их относительного скольжения. С увеличением скорости он падает. Скорость перемещения стружки относительно передней грани в моменты врезания резца при колебаниях возрастает, а в моменты отхода падает, что влияет на переменность силы Ру.
Рис. 3. Схемы моделей с отрицательным трением: а - модель Ван дер Поля; б - система резец-изделие-стружка
Анализ, возникающих сил трения, показывает, что их изменение связано также с изменением температуры, которая в свою очередь тоже является функцией скорости относительного скольжения стружки и резца. Далее рассматривается система резец - изделие вообще как система с переменным трением, и проводится аналогию с моделью Ван дер Поля с отрицательным трением (рис. 3, а).
На движущейся с постоянной скоростью V бесконечной ленте лежит груз Q, упруго прикрепленный двумя пружинами к неподвижным стенкам. Вначале груз силой трения покоя увлекается вместе с лентой. Когда сопротивление пружин окажется больше силы трения, груз остановится и начнет двигаться в обратном направлении, пока уменьшающаяся от этого сила сопротивления не станет меньше силы трения груза о ленту. Груз остановиться, и цикл повторяется. Модель называется с «отрицательным трением» ввиду того, что сила трения в этом случае не тормозит движение (колебательное) как обычно, а создает и поддерживает его [9].
На рис. 3,б сбегающая стружка может рассматриваться как движущаяся лента, а резец вместе с суппортом - как упруго закрепленное твердое тело.
Такая схема объясняет радиальные автоколебания. Однако действительности интенсивные автоколебания инструмента протекают главным образом в направлении тангенциальной составляющей силы резания, где жесткость системы резец - суппорт наименьшая. Они возникают уже под воздействием сил трения на задних гранях инструмента. Роль движущейся ленты при этом исполняет поверхность обрабатываемой детали. Справедливость последнего подтверждается простым экспериментом [10].
В резцедержатель был зажат стальной стержень такого же сечения, как резец и с тем же вылетом. Стержень прижимался к вращающейся болванке, при этом возникали автоколебания той же частоты, что и при резании резцом. 3. Во время вибраций периодически изменяется фактическая геометрия инструмента, как в связи с волнистым характером обрабатываемой поверхности (рис. 4), которая получается такой при всех последующих оборотах детали после возникновения вибраций, так и из-за тех, хотя бы и незначительных, радиальных колебаний резца, которые все же имеют место (рис. 5). Периодическое изменение геометрии инструмента приводит к периодическому изменению величины сил резания [11].
Рис. 4. Изменение действительной геометрии инструмента из-за волнистости обрабатываемой поверхности при вибрациях (индекс о соответствует углам заточки, а индекс ф - фактическим углам при резании, угол ртах показывает наибольшую крутизну поверхностных волн); уФ=у0 ± р; аФ=а0 ± р. 4. Наконец, волнистость обрабатываемой поверхности приводит к переменности сечения среза при последующих оборотах или проходах инструмента, а значит и к периодическому колебанию той же величины силы резания. Проф. А. И. Каширин эту причину наряду с изменением сил трения считает одним из основных факторов поддержания автоколебаний. Более того, к.т.н. Н. С. Амосов в 1953 г. показал, что роль изменения сечения среза при автоколебаниях можно оценить в 85%, а роль всех остальных причин только в 15%. Таким образом, указанный фактор является вторичной, но наиболее мощной причиной поддержания вибраций [12-14].
Рис. 5. Изменение действительной геометрии инструмента из-за его радиальных колебаний при вибрациях (V - окружная скорость детали, Рф-действительная скорость резания, у - скорость колебательного движения резца в радиальном направлении).
Уместно отметить, что общая работа всех переменных сил, поддерживающих автоколебания, составляет 1-3% от работы, затрачиваемой на снятие стружки [15].
Частота вибраций типа автоколебаний равна или близка к собственной частоте колебаний одного из элементов системы станок-инструмент-деталь. Так, на токарных станках вибрации происходят с частотами, близкими к собственной частоте изделия, закрепленного в шпинделе, и резца - в резцедержателе, на консольно-фрезерных станках частота вибраций близка к собственной частоте колебаний фрезерной оправки, хобота, консоли и др.
Выводы. Рассмотрим основные меры борьбы с вибрациями типа автоколебаний. Все применяемые мероприятия условно можно разделить на технологические и конструктивные. Технологические мероприятия включают изменение в определенных направлениях режимов резания и геометрии инструмента, конструктивные заключаются в применении специальных приспособлений и устройств или в повышении жесткости узлов станка. Первая группа мероприятий проще для осуществления, но. подчас связана со снижением производительности, ухудшением качества поверхности или оказывается недостаточно эффективной. Вторые мероприятия более трудоемки, но дают и более хорошие и устойчивые результаты.
REFERENCES
1. Tojiev R. J. Drying glass feed stock in drum drier for manufacturing glass products //Scientific-technical journal. - 2019. - T. 22. - №. 3. - C. 137-140.
2. Abduqodirov N. S. O. G. L. et al. XOM PAXTANI QURITISH VA TOZALASH UCHUN REGRESSIYA MODELINI QURISH //Scientific progress. - 2021. - T. 2. -№. 1. - C. 687-693. https://cyberleninka.ru/articleMxom-paxtani-quritish-va-tozalash-uchun-regressiya-modelini-qurish
3. Abducodirov N., Okyulov K. IMPROVEMENT OF DRUM DRYER DESIGN //Экономика и социум. - 2021. - №. 4-1. - С. 13-16.
https: //elibrary.ru/item.asp?id=46143070
4. Abduqodirov N. S. O. et al. CAUSES AND EXTINGUISHING EQUIPMENT OF VIBRATIONS OCCURRED BY MACHINERY AND MECHANISMS //Scientific progress. - 2021. - Т. 2. - №. 2. - С. 950-953. https://cyberleninka.ru/article/n/causes-and-extinguishing-equipment-of-vibrations-occurred-by-machinery-and-mechanisms
5. Abduqodirov N. S. O. G. L., Oqyo'Lov K. R. O. G., Jalilova G. X. Q. PAXTA XOMASHYOSINI QURITISH VA TOZALASH //Scientific progress. - 2021. - Т. 2. -№. 1. - С. 857-861.
https://cyberleninka.ru/article/n/paxta-xomashyosini-quritish-va-tozalash
6. Отакулов О. Х. и др. КОМПРЕССОР ВАЛЛАРИДАГИ САЛБИЙ ТИТРАШЛАРНИ БАРТАРАФ ЭТИШДА КИМЁВИЙ ТЕРМИК ИШЛОВ БЕРИБ ЦЕМЕНТИТЛАШ ЖАРАЁНИНИНГ МЕТОДОЛОГИЯСИ ВА АФЗАЛЛИКЛАРИ //МОЛОДОЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬ: ВЫЗОВЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ. - 2020. - С. 312-316.
https://www. internauka. org/authors/okyulov-kamoldin-rahmat-ugli
7. Qo'chqarov B. U., Tojiboyev B. T., Axtambayev S. S. EXPERIMENTAL DETERMINATION OF THE GAS CONSUMPTION SENT TO THE DEVICE FOR WET DUSTING IN THE HUMID MODE //Экономика и социум. - 2021. - №. 6-1. -С. 226-229.
8. Халилов Ш. З., Ахтамбаев С. С., Халилов З. Ш. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ СУШКИ ХЛЕБНОЙ МАССЫ В ШИРОКОПОЛОСНЫХ ВАЛКАХ //Журнал Технических исследований. - 2020. -Т. 3. - №. 2.
9. Dusmatov A. D. INVESTIGATION OF STRENGTH AND STABILITY OF THREE-LAYER COMBINED PLATES USED IN UNDERGROUND STRUCTURES //Scientific-technical journal. - 2019. - Т. 22. - №. 2. - С. 63-67.
10. Dusmatov A. D., Ahmedov A. U., Abdullaev Z. J. INVESTIGATION OF STRENGTH AND STABILITY OF THREE-LAYER COMBINED PLATES USED IN UNDERGROUND STRUCTURES //Scientific-technical journal. - 2019. - Т. 23. - №. 2. - С. 63-67.
11. Irkinivich K. I., Umaraliyevich K. I., Urmonjonovich A. A. Improvement of asphalt concrete shear resistance with the use of a structure-forming additive and polymer //International Journal of Scientific and Technology Research. - 2019. - Т. 8. -№. 11. - С. 1361-1363.
12. Касимов И. И. и др. ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ ДВУХСЛОЙНЫХ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ОБОЛОЧЕК НА ФИЗИКО-
МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ //Техник тадвдотлар журнали. - 2019. - №. 2.
13. Khudainazarov S., Sabirjanov T., Ishmatov A. Assessment of dynamic characteristics of high-rise structures taking into account dissipative properties of the material //Journal of Physics: Conference Series. - IOP Publishing, 2019. - Т. 1425. -№. 1. - С. 012009.
14. Khudainazarov S. et al. Dynamics of high-rise structures taking into account the viscoelastic properties of the material //E3S Web of Conferences. - EDP Sciences, 2021. - Т. 304. - С. 02004.
15. Бахадиров Г. А. и др. УПРАВЛЕНИЕ И ВЫБОР МОЩНОСТИ УПРАВЛЯЮЩЕГО ДВИГАТЕЛЯ POWER CONTROL AND SELECTION CONTROLING ENGINE //ХАЛ^АРО ИЛМИЙ-ТЕХНИКАВИЙ АНЖУМАН. -2017. - Т. 1. - С. 283.
