Comportamentul intrinsec de vibrații al arcurilor

În ingineria mecanică, arcurile de tensionare și de compresie reprezintă o parte importantă a proiectării sistemelor, a aplicațiilor și a utilizărilor mecanice. Proprietățile arcurilor, cum ar fi forța de retur și constanta arcului, influențează performanța și funcționalitatea mașinilor. Pentru a înțelege aceste proprietăți și comportamentul de vibrație al sistemelor cu arc, analizăm în acest articol relațiile fizice dintre sistemele cu arc și relația dintre frecvența naturală și rezonanță.

Proprietățile fizice ale arcurilor

Arcurile de tensionare și de compresie, numite pur și simplu „arcuri”, reprezintă unul dintre cele mai importante elemente ale sistemelor mecanice. Au capacitatea de a se întinde și de a se comprima, permițându-le să stocheze energie cinetică. Această energie este eliberată atunci când arcul revine la forma inițială.

Proprietățile fizice ale arcurilor depind de diverși factori. Materialul din care sunt confecționate arcurile, forma și dimensiunea acestora, precum și modul în care sunt încărcate sunt decisive. În plus, factori externi precum temperatura și umiditatea pot influența proprietățile arcurilor.

Comportamentul de vibrație intrinsecă a arcurilor este determinat de proprietățile lor fizice. Acestea includ densitatea, modul de elasticitate, amortizarea vibrațiilor și rigiditatea. Comportamentul intrinsec de vibrație al arcurilor este influențat și de tipul de aplicație.

Vibrații armonioase

Vibrațiile armonioase sunt vibrații neamortizate, în care forța de retur este proporțională cu devierea arcului.

Când un arc este deviat din poziția sa de echilibru și apoi eliberat, începe să vibreze. Aceste vibrații sunt armonioase atunci când forța de retur, adică forța care acționează în direcția poziției de echilibru, este întotdeauna proporțională cu devierea. Vibrațiile armonioase au o frecvență fixă și nu se opresc singure după exercitarea externă inițială a unei forțe.

Vibrații amortizate

În realitate, vibrațiile arcurilor, de exemplu, sunt amortizate fundamental deoarece scad în timp din cauza influențelor externe, cum ar fi frecarea sau rezistența la aer. Aceasta înseamnă că amplitudinea vibrației scade treptat până când vibrația se oprește în cele din urmă. Perioada de oscilație este astfel redusă prin amortizarea arcului, în funcție de proprietățile sale fizice.

Amortizarea influențează comportamentul de vibrație intrinsecă al arcului, cauzând pierderi de energie în timpul vibrațiilor. Atunci când un arc vibrează, acesta eliberează energie din cauza frecării și a altor factori. Acest lucru determină scăderea treptată a vibrațiilor. Amortizarea modifică comportamentul de vibrații al arcului prin reducerea frecvenței și a amplitudinii vibrațiilor. Aceasta înseamnă că vibrațiile amortizate sunt semnificativ mai puțin susceptibile la rezonanță.

Pentru a înțelege comportamentul de vibrație intrinsecă al unui arc amortizat, trebuie luate în considerare proprietățile de amortizare ale arcului. Amortizarea poate fi influențată de diverși factori, cum ar fi forma arcului, materialul și mediul în care este utilizat.

De asemenea, se pot utiliza amortizoare industriale pentru a amortiza vibrațiile pe lângă arcuri.

Constanta arcului ca parametru decisiv

Importanța frecvenței naturale

Vibrația intrinsecă sau frecvența naturală a unui sistem mecanic descrie frecvența cu care sistemul vibrează după o singură excitație din exterior. Comportamentul intrinsec de vibrație al arcurilor este important pentru înțelegerea caracteristicilor de vibrație ale sistemelor mecanice.

Atunci când un arc este integrat într-un sistem mecanic, acesta poate afecta comportamentul de vibrații al sistemului. În cazul unui pendul cu arc (și al unui oscilator cu arc), frecvența naturală depinde de constanta arcului k și de masa m a corpului pendular.

Pe baza ecuației de vibrații, următoarea formulă poate fi utilizată pentru a calcula frecvența naturală a arcului:

Rezonanța într-un sistem cu arc

Rezonanța este un fenomen mecanic important și poate apărea în multe aplicații. Este important să înțelegeți cum se dezvoltă rezonanța și impactul pe care îl are asupra optimizării performanței sistemelor cu arc. În proiectare, frecvențele și rezonanțele naturale ale sistemelor cu arc sunt de o importanță mai mare atunci când vine vorba de consecințele rezultate pentru stabilitatea și siguranța unei aplicații.

Rezonanța are loc atunci când o forță externă care acționează asupra sistemului arcului corespunde frecvenței naturale (intrinseci) a arcului. Când se atinge această frecvență, sistemul începe să vibreze cu cea mai mare amplitudine posibilă. Aceasta se numește rezonanță.

Presupunând că o aplicație constă dintr-un alimentator de vibrații montat pe șuruburile cu cric hidraulic acționate cu arc. În acest caz, se poate produce un efect de rezonanță dacă frecvența alimentatorului de vibrații este apropiată de frecvența naturală a șuruburilor cu cric hidraulic acționat cu arc. Acest efect de rezonanță poate duce în cele din urmă la creșterea amplitudinii vibrației aplicației și nu mai este oferită stabilitatea și siguranța acesteia.

Efectele rezonanței în sistemul cu arc pot fi foarte grave. Dacă sistemul cu arc vibrează prea mult, acesta poate deteriora construcția sau poate cauza mișcări neprevăzute.

Astfel, se poate afirma că rezonanțele din construcție trebuie evitate în general.

• Toate frecvențele naturale nu sunt egale = BINE
• Toate frecvențele naturale sunt egale = GREȘIT

Cum poate fi prevenită rezonanța

Am stabilit deja că frecvența naturală este un factor important pentru apariția rezonanței nedorite într-o aplicație. Cum pot fi utilizate aceste cunoștințe în practică?

1. Determinați frecvența de vibrație a aplicației planificate.

   Frecvența de vibrație a aplicației trebuie să fie cunoscută în cadrul proiectării (de ex., date tehnice ale aplicației). Ca urmare, se pot selecta arcuri adecvate în următorii pași.

2. Determinați frecvența naturală a arcului dorit.

   Prin introducerea unei frecvențe naturale adecvate în ecuația de vibrații (consultați formula de calcul pentru frecvența naturală), se pot determina constante de arc care sunt adecvate luând în considerare frecvența de vibrații a aplicației planificate.

3. Amortizarea suplimentară a vibrațiilor.

   În unele cazuri, poate fi necesar să amortizați suplimentar vibrațiile unui arc folosind materiale de amortizare (de ex., amortizoare PU) pentru a reduce și mai mult vibrațiile nedorite sau zgomotul. Un sistem cu arc amortizat reduce vibrațiile la un nivel acceptabil și crește stabilitatea și siguranța aplicației.

Ce alte măsuri există pentru atenuarea vibrațiilor?

O opțiune este să utilizați un arc adecvat pentru a amortiza aplicația. Un arc poate absorbi o mișcare care vibrează și o poate transforma în energie termică, atenuând astfel vibrațiile. Acest principiu este utilizat adesea în vehiculele în care amortizoarele fabricate din arcuri sunt utilizate pentru a amortiza vibrațiile de pe șosea.

Amortizoarele reprezintă un alt mijloc de amortizare a vibrațiilor. Spre deosebire de arcuri, amortizoarele convertesc energia cinetică direct în energie termică, reducând astfel amploarea mișcării considerabil mai rapid decât arcurile.

Un exemplu mai modern de amortizor eficient este amortizorul din PU (poliuretan). Acest tip de material nu doar că absoarbe vibrațiile datorită proprietăților sale elastice, precum alte materiale; are, de asemenea, proprietăți excelente de absorbție a șocurilor și o rezistență ridicată la abraziune și uzură în comparație cu materialele convenționale din cauciuc.