Предотвращение или нейтрализация резонанса - рассогласование собственной частоты системы с частотой внешнего действия или организация противодействия

Одна из наиболее трагических страниц в истории стихийных бедствий - землетрясение в Мехико 1985 года. Это землетрясение было чрезвычайно разрушительно. Как установили американские эксперты, возникшие во время землетрясения колебания случайно совпали с собственными колебаниями почвы под многими частями города, а также с собственными колебаниями многих зданий. Чрезвычайная длительность землетрясения способствовала развитию резонансных явлений, которые и привели к разрушению зданий (резонанс усилил вредное воздействие в 6 раз, что превысило предел устойчивости зданий, даже сейсмостойких). И это почти независимо от того, были ли разрушенные здания старой постройки или новые. Главной причиной разрушения зданий, в большинстве случаев, была частота их собственных колебаний. Отсюда практический вывод: при строительстве новых зданий в сейсмической зоне следует неуклонно следить за тем, чтобы собственные колебания зданий не совпадали с собственными колебаниями грунта, - таким путем удастся значительно смягчить резонансный эффект.

Существует несколько возможностей исключения вредного действия резонанса:

• Уклонение от резонанса путем изменения частоты собственных колебаний.
• Организация взаимонейтрализации двух (или более) вредных действий.
• Введение второго внешнего действия в противофазе к вредному.
• Самонейтрализация вредного действия путем его разделения на два, сдвига одного из них по фазе и их столкновение.
• Самонейтрализация вредного действия путем введения дополнительных грузов со смещающимся центром тяжести.
• Ликвидация источника внешнего действия.

Рассмотрим эти возможности на конкретных примерах.

Изменения частоты собственных колебаний можно достигнуть при изменении одного из параметров системы.

• А.с. 714509: при ветре провода линии электропередачи раскачиваются и, если с их колебаниями совпадут порывы ветра, то возможен обрыв проводов; для исключения резонансных явлений одна из проволок в проводе сделана меньшего, чем остальные, диаметра.
  Дисковая пила (задача 8) визжит потому, что ее зубья расположены через равные промежутки и ударные волны складываются в сильные резонансные колебания; для разрушения резонанса достаточно сделать зубья с разной величиной, шагом или отгибом от плоскости резания.
• А.с. 822925: струнное сито, включающее раму с натянутыми на нее струнами, отличающееся тем, что с целью повышения качества просеивания каждая третья-пятая струна имеет натяжение в 1,5-3 раза больше, чем остальные струны, натянутые между ними.
• А.с. 1015150: виброизолятор, в котором с целью повышения эффективности гашения колебаний отверстия выполнены с диаметрами, убывающими по высоте упругого элемента.

В трубопроводах, работающих под большим давлением, возникают вибрации разной частоты (из-за пульсации давления), которые могут привести к резонансу колебаний и как следствие - к гидравлическому удару, разрушающему всю трубопроводную систему. Поэтому в таких системах предусматривают множество различных, но не всегда эффективных, гасителей - гибкие вставки, эластичные подвески, глушители, предохранительные клапаны и т. д. Изобретено универсальное устройство, предотвращающее возникновение резонанса ("Знание - сила", 1988, № 5, с. 6). Оно состоит из двух взаимосвязанных упругих элементов: жесткость одного из них изменяется по линейному, а второго - по нелинейному закону. В качестве первого элемента используется винтовая пружина, второго - упруго демпфирующий элемент из прессованной проволоки. Предложенное устройство с регулируемым акустическим сопротивлением позволяет управлять подстройкой частот собственных колебаний трубопровода. Можно даже создавать частичное отражение энергии пульсаций обратно к их источнику. На этом обратном пути отраженная волна гасит встречную той же частоты.

Наиболее эффективный способ нейтрализации двух вредных действий (внешних или внешнего и внутреннего) - это их замыкание друг на друга и взаимоуничтожение (иногда требуется их предварительное рассогласование по частоте или фазе). Однако одновременное наличие двух вредных действий в системах довольно редкое явление. Чаще требуется искусственное введение второго действия.

• А.с. 1067147: способ гашения сейсмических колебаний, включающий выполнение в грунте экранов, гасящих сейсмические колебания, отличающийся тем, что с целью повышения эффективности гашения сейсмических колебаний, экраны образуют путем введения в грунт магнитопроницаемого вещества, а в момент приближения сейсмических волн через экраны пропускают импульсы электрического тока.
  При строительстве высотных сооружений - башен, труб, гигантских монументов - предусматриваются специальные меры защиты от опрокидывания. Наиболее опасны односторонние резкие раскачивающие нагрузки - ветровые. Амплитуда колебаний быстро достигает нескольких метров, а при достижении резонанса сооружения разрушаются. Одно из возможных решений (а.с. 566912) заключается в организации "антиветра" - через сопла, расположенные ярусами по высоте подаются воздуходувками струи воздуха навстречу ветровому потоку.
• А.с. 865534: нежесткую деталь, вибрирующую при токарной обработке, предложено утихомиривать подачей на нее импульсов электрического тока.
• А.с. 589482: вибрацию, возникающую в фундаменте при работе технологических установок, предложено нейтрализовать с помощью возбуждаемых в фундаменте противофазных колебаний специальной автоматической системой.

То же решение предложено Польским институтом судостроения для ликвидации вибрации морских судов, вредной не только для конструкционных элементов, но и для здоровья моряков ("Наука и жизнь", 1983,№ 7, с.48).

Борьба с шумовым загрязнением окружающей среды может вестись двумя путями: либо ликвидацией источников шума, либо шумоподавлением пассивным (поглощающие перегородки, "крепостные" стены, шумоизоляция) или активным. Последний способ оказался пока самым эффективным и находит все большее распространение и популярность во всем мире.

К наиболее мощным и вредным источникам промышленных шумов относятся станции перекачки газа, стенды для испытания реактивных двигателей, турбогенераторные установки. Например, расположенная недалеко от Кембриджа газокомпрессорная станция доставляла множество неприятностей окрестным жителям. Чтобы подавить низкочастотные шумы, исходившие от этой станции во всех направлениях, ученые из Кембриджского исследовательского центра разместили вокруг ее выходной трубы 72 мощных динамика. Особое электронное устройство воспринимает шумы газовой струи, сдвигает их по фазе на 180 град. и подает с нужной амплитудой на динамики.

Эффект оказался разительным: сталкивающиеся в противофазе звуковые волны подавили друг друга, и после включения динамиков в окрестностях станции воцарилась почти полная тишина. Акустическая антишумовая система не оказывает никакого влияния на двигатель. Ее стоимость по меньшей мере вдвое ниже, чем стоимость традиционных устройств для глушения шума, а эффективность выше ("Новое в жизни, науке, технике". Серия "Техника", 1983, № 2,с.58).

В США применяют устройство, работающее на том же принципе, для шумоподавления в работающих дизельных двигателях ("Изобретатель и рационализатор", 1989, № 8, МИ 0812).

В Англии выпущен бесшумный вентилятор со встроенными микрофоном и громкоговорителем: шум мотора и лопастей улавливается микрофоном, преобразуется электронным блоком в звук с противоположной фазой, воспроизводится громкоговорителем и шум полностью нейтрализуется. На основе этой разработки создан также "акустический телескоп" для борьбы с шумом в помещениях. Прибор состоит из 25 миниатюрных микрофонов. Короткий импульс, испускаемый динамиком, вызывает эхо, которое передается микрофонами в измерительное устройство. Микрокомпьютер регистрирует и оценивает эхо, определяет, по какому направлению звук отражается с максимальным затуханием. По результатам измерений рассчитываются частота и фаза "антизвука", которые противодействуют шуму.

Однако введение в систему второго вредного действия для уничтожения первого (например, "антизвука") требует дополнительных устройств, подсистем и энергопитания. Намного дешевле и эффективнее организовать противодействие на основе той же вредной силы - разделить ее на две, сдвинуть одну из них по фазе (лучше всего на 180 град) и взаимоуничтожить.

При реконструкции одной из ткацких фабрик потребовалось установить на втором этаже новые ткацкие станки, относящиеся к разряду виброактивных. Известные амортизационные устройства не давали нужного эффекта, поэтому виделся единственный выход - значительно усилить строительные конструкции (перекрытие, колонны, балки), а это дорого и долго. Кроме того, амортизационное устройство для своего размещения потребовало бы не менее 1 м пространства под станком. Найденное решение (а.с. 1392279) позволило разместить высокоэффективный амортизатор прямо в конструкции пола. Амортизатор (рис. 14) работает на вредной силе вибрации, которая сама себя гасит.

Амортизатор 3 посредством подвески из троса, закрепленного одним концом к опорной балке 1, крепится другим концом к днищу корпуса амортизатора.. Опорная балка 1 проходит через корпус амортизатора в проеме в виде сквозного окна и непосредственно опирается на конструкцию перекрытия. Амортизатор размещается в устроенном в конструкции пола 4 гнезде. Виброактивный станок своей станиной 2 устанавливается на амортизатор.

• А.с. 1280140: глушитель выхлопа для газовых машин (компрессора, двигателя и пр.), в котором шум гасится посредством интерференции вихрей.
  Для самонейтрализации вредного внешнего действия часто используется принцип введения в систему дополнительных грузов со смещающимся центром тяжести: шаров, маятников, подпружиненных грузов, эксцентриков и пр.
• А.с. 673995: регулятор давления, в котором для повышения эффективности демпфирования автоколебаний, груз выполнен со смещенным относительно его продольной оси центром тяжести.

Одна из главных трудностей в работе на подъемном кране - раскачивание и вибрация груза из-за порывов ветра, инерции груза при поворотах крана, неравномерность поднимания или опускания крюка (при частом переключении лебедки груз дергается). Эта низкочастотная вибрация передается через тросы на металлические конструкции крана и даже может привести к аварии. Кроме того, крановщик теряет время, дожидаясь, пока груз "успокоится", особенно, если его надо подать через узкий проем.

По а.с. 895886 предложена подвеска (рис. 15), которая состоит из грузозахватного органа (в данном случае крюка), блоков и полого корпуса. В нем находятся два массивных полых шара (для уменьшения габарита устройства возможно размещение их один в другом). В дне корпуса есть сферическое углубление, симметричное относительно вертикальной оси подвески. Под действием вибрации шары внутри корпуса перекатываются в этом углублении, смещая центр тяжести подвески и гася вредные колебания.

В летательных аппаратах, космических кораблях одной из трудных проблем оказалась проблема гашения колебаний жидкости в емкостях (топливные баки и пр.). Вот как развивалось одно из направлений - погружные упругие демпфирующие конструкции (рис. 16).

В жидкость помещают упругую оболочку, заполненную газом: при резких толчках и колебаниях жидкости оболочка сжимается-разжимается с частотой, отличающейся от частоты колебаний жидкости; колебания жидкости частично гасятся, но совсем не гасятся колебания стенок емкости из-за возникающей в опорах динамической реакции.

• А.с. 295922: гаситель колебаний, в котором с целью уменьшения амплитуды колебаний стенок емкости и уменьшения динамической реакции в узлах крепления емкости демпфирующий элемент снабжен упругими элементами для соединения его с емкостью.
• А.с. 485252: для увеличения демпфирования колебаний гаситель снабжен перфорированной оболочкой, охватывающей упругий элемент, соединенный с ней посредством радиально расположенных упругих связей.
• А.с. 543795: для гашения нескольких частот колебаний, упругая оболочка и каркас разделены перегородками на отдельные секторы, стенки упругой оболочки секторов имеют различную упругость и заполнены газом под разным давлением, а стенки каркаса по секциям имеют разную степень перфорации.
• А.с. 724837: для увеличения эффективности гашения колебаний площадь всех отверстий перфорированной оболочки составляет 2-4 процента от общей площади поверхности.
• А.с. 756104: для увеличения эффективности гашения колебаний гаситель установлен с возможностью перемещения в объеме жидкости и имеет нулевую плавучесть. При колебании жидкости гаситель будет смещаться в сторону больших амплитуд, то есть он работает в самонастраивающемся режиме.

В странах Востока, например в Японии, во время землетрясения часто бывало так, что разрушались железобетонные здания, стальные мосты, а деревянные пагоды стояли как ни в чем ни бывало. Секрет пагод на хорошем изобретательском уровне: внутри каждой пагоды древние строители подвешивали сверху вниз длинную деревянную балку с грузом на конце. Частоту колебаний этого своеобразного маятника подбирали такой, что во время землетрясения он раскачивался в противофазе с самой постройкой, помогая гасить колебания.

В Нью-Йорке и Фениксе строятся небоскребы высотой в 520 метров. Железобетонный каркас супернебоскребов должен выдерживать на большой высоте напор ветра, дующего со скоростью 150 км/час. Как предотвратить раскачивание зданий? В одном из нью-йоркских небоскребов на верхнем этаже установлен скользящий противовес массой 365 тонн, который нейтрализует воздействие ветровой нагрузки и демпфирует колебания здания ("Социалистическая индустрия", 11.12.86).

В Японии одна из строительных компаний реализовала более простое решение: на крыше небоскреба устанавливается огромный резервуар с водой. Из-за огромной массы и инерционности жидкость реагирует на сотрясения с запозданием. Колебания здания нейтрализуются и в значительной степени гасятся ("Техника молодежи", 1988, № 9, с.42).

Крайняя, но часто очень простая мера борьбы с резонансом ликвидация источника внешнего действия.

Например, для устранения ударной нагрузки на вагон при наезде колеса на стык рельса предложено ("Изобретатель и рационализатор", 1985, № 1, с.33) делать стык косым под углом 45 град. к оси рельса. Накатываясь на следующий отрезок рельса, колесо продолжает еще катиться по предыдущему отрезку, при этом оно не встречает промежутка между рельсами, перпендикулярного образующей колеса, и бесшумно перекатывается с одного отрезка на другой.

4.5.5. Явление самосинхронизации вращающихся тел: вред и польза

Резонанс особенно опасен в системах с многими вращающимися частями. В таких системах резонанс может возникнуть самопроизвольно за счет явления синхронизации вращающихся тел (открытие № 333, 1987 г.): все системы с вращающимися телами стремятся к самоорганизации, стараются выбрать один ритм, работать синхронно. Например, на одной из ткацких фабрик столкнулись с необъяснимыми авариями - станки часто ломались, просто рассыпались на составные части. Анализ системы показал, что причина в самосинхронизации, двигатели ткацких станков подстраивались друг под друга, машины входили в резонанс и разрушали сами себя. Простой и единственный выход - разрушить резонанс, переставить двигатели, убрать лишние связи ("Техника молодежи", 1988, № 4, с.13).

Явление обнаружили в институте "Механобр" (ВНИИПИ механической обработки полезных ископаемых) еще в 1948г. Два независимых электродвигателя приводили в движение две независимые установки, укрепленные на одном общем фундаменте. Однажды провода, питающие электроэнергией один из моторов, оборвались. Но это заметили только несколько часов спустя: обесточенный двигатель продолжал исправно вращаться как бы сам собой, приводя в движение связанную с ним установку!

Одна из крупнейших проблем, решенная с применением самосинхронизации - создание высокоэффективных способов измельчения минерального сырья. Ежегодно в стране измельчается до 3 млрд. тонн минерального сырья и на это уходит более 5 процентов вырабатываемой энергии. Причем эти затраты непрерывно растут, так как приходится разрабатывать все более бедные руды и потому требуется повышать степень измельченности. Сейчас уже перешли на технологии переработки мелковкрапленных руд, которые требуют измельчения частиц до размера около 0,1 мм, а в ближайшем будущем размер частиц уменьшится еще в несколько раз (количество энергии на измельчение прямо пропорционально вновь образующейся поверхности, которая, в свою очередь, обратно пропорциональная квадрату диаметра частиц).

Как работают сегодняшние измельчительные установки? Это гигантские сооружения - мельницы с барабанами, наполненными стальными шарами или стержнями, которые перекатываясь, дробят и измельчают куски минералов. Но даже самая прочная сталь в этих жесточайших условиях истирается, превращается в пыль. В результате при измельчении 1 тонны руды истирается в среднем около 1 кг металла и в целом по стране теряется около 3 миллионов тонн металла в год, то есть около 2 процентов всего производимого количества! Иногда же ситуация просто парадоксальна. Например, одна тонна молибдена добывается из 3 тыс. тонн руды. В результате, для получения одной тонны этого ценного металла, идущего в качестве легирующей добавки, приходится расходовать... около 3 тонн легированной стали ("Химия и жизнь", 1987, № 5, с.11-17).

В "Механобре" предложен новый способ измельчения (без стальных шаров) - вибрационный. Смысл в том, что куски породы могут истирать сами себя (самоизмельчение) и наиболее эффективно этот процесс идет, если к кускам минералов приложить импульсное давление со сдвигом (кусок разваливается по слабым границам раздела фаз, по дефектам кристаллической структуры). Вибрационный метод хорош тем, что к минералам не нужно прикладывать большие нагрузки единовременно, вполне достаточно, чтобы не очень сильное сдавливание и скручивание повторялось многократно - происходит накачка энергии внутрь куска породы и в некоторый момент он разрушается в порошок определенного гранулометрического состава. Единственное обязательное условие - синхронность и синфазность воздействий на материал нескольких несвязанных между собой вибраторов (например, дебалансных возбудителей на электродвигателях). Вот тут-то и срабатывает явление самосинхронизации вращающихся валов двигателей.