Загальні положення і приклади автоколивальних систем
В усіх розглянутих раніше системах з непружними опорами стаціонарні
коливальні процеси виявлялися можливими завдяки наявності зовнішніх
впливів періодичного характеру. Однак у деяких системах стаціонарні
коливання можливі і без періодичних впливів ззовні; такі системи
називаються автоколивальними чи самозбудними. Тому що в будь-якому
реальному коливальному процесі неминуче відбувається розсіювання
енергії, то всяка автоколивальна система має джерело енергії, що
поповнює всі енергетичні втрати, але по своїй природі джерело не має
коливальні властивості.
Здатність системи так регулювати добір енергії від джерела, щоб
з’являлися автоколивання, визначається деякими її властивостями. Цими
властивостями є динамічні характеристики – власні частоти і форми
коливань і коефіцієнти загасання, що визначають “динамічну
індивідуальність” системи.
Приведемо кілька прикладів виникнення автоколивань. У багатьох випадках
самозбудження коливань виникає унаслідок взаємодії системи з потоком
рідини, що доставляє енергію, необхідну для підтримки коливань системи.
Так, якщо дерев’яний стрижень напівкруглого перетину, підвішений на
пружинах, обдувати потоком повітря, то стрижень буде робити коливання у
вертикальній площині, перпендикулярній до напрямку потоку, причому з
часом ці коливання стають дуже інтенсивними. Такий стрижень
напівкруглого перетину добре моделює умови реальної проблеми –
“галопування” ліній електропередачі. При деяких метеорологічних умовах
(головним чином при зледенінні) проводи ліній електропередачі,
протягнені між пілонами, можуть коливатися з дуже великими амплітудами і
низькими частотами.
Коливання стрижня напівкруглого перерізу називають коливаннями системи з
одним ступенем свободи. Це означає, що рух відбувається по одній формі,
і відповідне переміщення системи “стрижень – пружини” можна
охарактеризувати однією змінною величиною, наприклад, вертикальним
відхиленням центра ваги стрижня від свого середнього положення. Можливий
такий тип автоколивань, що можуть існувати лише у випадку порушення
більш ніж одного ступеня свободи. У цьому випадку всі положення, що
приймає система в процесі коливань, можуть бути описані лише за
допомогою більш ніж однієї змінної величини.
ї пружинки; при таких коливаннях змінюється нахил крила щодо набігаючого
потоку. Система має й інші ступені свободи (так, крило може переміщатися
паралельно потоку), але вони не грають істотної ролі. При досить високій
швидкості потоку крило робить вертикальні коливання, і одночасно
відбуваються зміни кута нахилу крила щодо набігаючого потоку (кута
атаки). Це приклад класичного флатера – руху, що відбувається з двома
ступенями свободи.
Флатер може виникати також у лопастей вертольотів і лопаток турбомашин.
На практиці явище флатера служить об’єктом великих досліджень; умова
відсутності флатера часто є однією з основних вимог при проектуванні.
Виникнення флатера зв’язане з вибором “форми флатера”, для якої
виконуються визначені співвідношення між амплітудами і фазами коливань,
що відповідають різним ступеням свободи. Умова виникнення флатера
залежить від швидкості потоку, а також від щільності і температури
повітря. Припустимо, що швидкість змінюється. Від швидкості потоку
залежить значення енергії, одержуваної системою за один цикл коливань, і
значення енергії, що розсіюється за цикл коливань унаслідок внутрішнього
й аеродинамічного демпфірування. Коли відношення цих значень енергії
стає рівним одиниці, у системі можуть встановитися коливання постійної
амплітуди; відповідна швидкість літака називається критичною швидкістю
флатера. Кожній з можливих форм флатера відповідає своя критична
швидкість, і всі розрахунки флатера проводяться з метою упевнитися, що
найменша з критичних швидкостей з достатнім запасом перевищує
максимально можливу швидкість польоту літака.
Існують, узагалі, три шляхи боротьби з флатером.
Перший спосіб оснований на такій зміні характеристик системи, при якій
досягається незалежність коливань, що відповідають різним ступеням
свободи, причому демпфірування всіх цих різних форм коливань позитивне.
Так, можна домогтися того, щоб поворот осі профілю крила щодо подовжньої
осі перетину слабко залежав від вертикального переміщення осі. Для цього
потрібно, щоб вісь займала визначене положення, а розподіл маси по
перетину профілю задовольняв визначеній умові.
Другий спосіб полягає в збільшенні власних частот конструкції за рахунок
збільшення відношення “твердість/маса” окремих її частин. Цей спосіб
оснований на тому, що енергія, одержувана системою при флатері за один
цикл коливань, майже не залежить від частоти, тоді як енергія, що
розсіюється за один цикл, пропорційна частоті.
Два розглянутих методи звичайно використовуються в практиці
літакобудування.
Третій спосіб боротьби з флатером, викликуваним аеродинамічними силами,
не завжди ефективний, але часто з успіхом використовується для усунення
інших видів автоколивань. Цей спосіб полягає в демпфіруванні системи.
Збільшуючи тертя в системі, схильній до флатеру (тобто збільшуючи
енергію, що розсіюється за один цикл коливань заданої амплітуди) можна,
як правило, підвищити критичну швидкість системи.
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
