Общая схема развития ТС

СИСТЕМА ЗАКОНОВ РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ
(ОСНОВЫ ТЕОРИИ РАЗВИТИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ)

4.5. Закон согласования ритмики частей системы

4.5.1. Формулировка и общие понятия.

Хорошо работают, а значит и жизнеспособны только системы, в которых вид колебаний подобран так, чтобы части системы не мешали друг другу и наилучшим образом выполняли полезную функцию.

Различают два вида колебаний собственные и вынужденные, то есть часть систем может колебаться "как ей хочется" или "как ее заставит" колебаться внешняя сила. Частота собственных колебаний неотъемлемое свойство любой части системы, оно зависит только от характеристик самого объекта (например, от размеров, массы и упругости частей в механических системах, от емкостных и индукционных характеристик в электрических системах). Но самое интересное наступает, когда частота внешних силовых (полевых) воздействий совпадает с собственной частотой колебаний это хорошо всем знакомый резонанс.

Резонанс может быть и полезным, и вредным. Значит, для того, чтобы улучшить работу системы надо или согласовать колебания частей или, наоборот, рассогласовать их. Использование резонанса (или предупреждение его появления) чрезвычайно выгодный прием улучшение работы ТС достигается простым изменением элементов (размеров, массы, частоты), в систему ничего не надо вводить нового. Между тем этот закон часто нарушается есть множество технических решений, в которых ритмика не согласована или согласована во вредном сочетании. Поэтому большой класс задач связан с необходимостью наведения "законного" порядка в неправильно колеблющихся системах.

Задача 8. Дисковые пилы так сильно шумят во время работы, что персоналу рекомендуется надевать специальные звукопоглощающие наушники. Проблему попытались решить в а.с. 519320: для устранения визга предложено сжимать диск с обеих сторон подпружиненными штифтами с шариком. Это образец неразрешенного ТП: чтобы полностью погасить колебания вращающегося диска надо его сжать тисками как можно сильнее, а чтобы диск хорошо крутился, надо штифты убрать совсем. Кроме того, шарики и пружины быстро забиваются пылью и опилками и перестают работать. Как быть?

Из закона согласования ритмики вытекает ряд правил.

1. В технических системах действие поля должно быть согласовано (или рассогласовано) с собственной частотой изделия (или инструмента).

2. В ТС должны быть согласованы (или рассогласованы) частоты используемых полей.

3. Если два действия (например, измерение и изменение) несовместимы, то одно действие осуществляют в паузах другого. Любые паузы в одном действии должны быть заполнены другим полезным действием.

4. Если требуется измерять характеристики системы, изменение которых влияет на изменение собственной частоты колебаний, то действие внешнего поля согласовывают (или рассогласовывают) с собственной частотой системы и по наступлению резонанса судят об изменениях контролируемых характеристик.

Рассмотрим подробнее некоторые особенности применения правил в конкретных изобретательских ситуациях.

4.5.2. Использование резонанса - согласование частоты внешнего действия (поля) с собственной частотой системы или ее элемента.

С наибольшей амплитудой колеблются объекты при точном совпадении частот. При этом извне затрачивается минимум энергии на поддержание резонанса, а внутрь системы поступает максимум из подводимой энергии.

А.с. 1279559: пневматический хлопкоуборочный комбайн, в котором куст обдувается пульсирующей воздушной струей (частота пульсации равна собственной частоте волокон) и отлетевшая хлопковая масса тут же всасывается трубопроводом.

А.с. 1050635: для быстрого растворения порошкового молока в воде на смесь воздействуют частотой, зависящей от дисперсности порошка.

А.с. 1065025: способ гидравлической классификации твердых частиц по крупности путем подачи их в виде пульпы в жидкостную систему и разделение под действием вибрации в резонансном режиме, отличающийся тем, что с целью повышения точности классификации разделения осуществляют при частоте колебаний равной собственной частоте колебаний частиц граничного класса крупности.

А.с. 1263584: способ транспортирования сыпучего материала, включающий подачу материала на движущуюся с помощью барабанов ленту, генерирование в ленте и упруго установленных роликовых опорах резонансных колебаний барабанами с частотой, равной частоте собственных колебаний груженой ленты и упруго закрепленных роликовых опор, отличающийся тем, что с целью снижения энергетических потерь путем стабилизации процесса колебаний в ленте с материалом, подачу материала на ленту осуществляют отдельными равными порциями с частотой, равной частоте собственных колебаний груженой ленты и упруго установленных роликовых опор.

А.с. 856463: способ предупреждения самовозгорания пористых эластичных материалов, например, пенополиуретана, который созревает в камере и требуется быстро удалять излишки газа из пузырьков на него воздействуют вибронагружением с частотой собственных колебаний материала, при этом за счет быстрого сжатия-расширения пузырьков газ выходит и его отсасывают из камеры.

А.с. 889018: способ тушения пористых материалов, например, пенополиуретана или кокса путем быстрого их погружения в воду; эти материалы легче воды, не тонут, предложено воздействовать на куски вибрацией жидкости с частотой собственных колебаний плавающих кусков они быстро тонут за счет резкого (в 5-10 раз) повышения гидродинамического давления в режиме резонанса.

А.с. 996347: способ резки стекла путем нанесения надреза на его поверхность и сообщения стеклу акустических колебаний с частотой равной частоте собственных колебаний стекла (то есть вместо ненадежного постукивания по обратной стороне надреза предложено озвучивать стекло оно само расколется по намеченной линии).

А.с. 637597: способ нагрева газа путем подачи сверхзвуковой струи в камеру и возбуждения в ней резонансных колебаний с чередующимся сжатием и расширением потока при заполнении и опорожнении камеры, отличающийся тем, что с целью интенсификации нагрева, струю подают периодически после опорожнения камеры с частотой резонансных колебаний.

При наступлении резонанса разные части системы колеблются с разной амплитудой от максимальной до минимальной (нулевая амплитуда - в узлах колебаний). Поэтому разные участки испытывают различные напряжения. Это полезно, например, при снятии (перераспределении) вредных напряженных состояний.

А.с. 1052550: способ снятия остаточных напряжений в металлических деталях преимущественно замкнутого контура, включающий возбуждение в нескольких точках детали вибрации на резонансной частоте, отличающийся тем, что с целью равномерного снятия остаточных напряжений вибрацию в точках возбуждают последовательно по периметру детали, при этом каждое последующее место возбуждения вибрации располагают в узле колебаний предыдущей точки возбуждения.

Недавно в МЭИ разработан сверхпроизводительный способ производства микрошариков (диаметром от 10 мкм до 1 мм). Способ заключается в выдавливании расплава через отверстие в излучателе, который воздействует на струйку с частотой, равной резонансной частоте требуемого размера шариков. В нескольких сантиметрах от диска-излучателя амплитуда колебаний увеличивается и струйка разбивается на капельки, которые мгновенно, под действием сил поверхностного натяжения, превращаются в шарики. Производительность - до 1 миллиона шариков в секунду! Где использовать такие шарики? Предлагается транспортировать их через космос по лучу лазера, использовать их для фигурного (объемного) рисования при напылении, для микролегирования больших объемов металлов, для "прицельной" доставки лекарств к очагам болезни, для запасения водорода и т.д. ("Социалистическая индустрия", 15.06.89, с.4).

В Йельском университете (США) проводятся эксперименты по облучению микрошариков полистирола (10 мкм) электромагнитным излучением в радио- и оптическом диапазонах. В шариках возбуждается собственное ЭМ-поле за счет взаимодействия падающего излучения с наведенным в нем электрическим диполем. Наиболее интенсивные собственные колебания наблюдаются при совпадении частоты внешнего поля с собственными частотами таких микрорезонаторов ("Природа", 1981, № 5, с. 109).

Если нельзя или нецелесообразно воздействовать внешней силой непосредственно на объект, то вводят резонатор, соединенный с объектом.

А.с. 1001988: способ получения дисперсных систем путем вибрационных воздействий на среду в режиме вибротурбулизации путем введения в емкость со средой упругого резонатора и воздействия на емкость колебаниями резонансной частоты, отличающийся тем, что с целью повышения экономичности процесса и его интенсификации, в емкость вводят несколько упругих резонаторов с различной частотой собственных колебаний.

А.с. 119132: вибрационный транспортер, выполненный в виде желоба или трубы с размещенными вдоль них с определенным шагом вибраторами, отличающийся тем, что с целью уменьшения количества вибраторов, часть из них заменена подпружиненными реактивными массами, настроенными резонансно со всей колеблющейся системой транспортера.

Если частота собственных колебаний объекта меняется по неизвестному нам закону, то необходимо организовать обратную связь между объектом и генератором (источником внешнего поля).

А.с. 919818: для улучшения качества сварного шва предложено перемешивать металл в зоне плавления (сварочная ванна); такое перемешивание должно быть интенсивным и быстрым, поэтому используют внешнее переменное магнитное поле с частотой, совпадающей с частотой собственных колебаний сварочной ванны; однако размеры и масса (а значит и собственная частота ванны постоянно меняются). Как быть?
Предложено ввести обратную связь: улавливается спектр электромагнитных волн, генерируемых самой ванной и этот спектр задает частоту переменного магнитного поля.

Любые движущиеся объекты колеблются, поэтому можно организовать эти колебания определенным образом на выполнение полезных функций.

Например, для эффективного смешения газа с жидкостью применяется множество специальных (массообменных) устройств и приспособлений. Установлено, что акустические колебания значительно улучшают эти процессы. Но к сожалению, в газожидкостной среде уже на расстоянии 10 см акустические колебания затухают. Чтобы их поддерживать, нужно создать во всем объеме аппарата многочисленные центры генерации колебаний, но эти генераторы сложны, недолговечны и энергоемки. Генераторы нужно вводить, чтобы получить колебания и их нельзя вводить, чтобы не усложнять (удорожать) систему. Как быть?

Конечно же, функцию генератора, по совместительству, должны выполнять уже имеющиеся элементы при минимальных изменениях и дополнениях. По а.с. 423481 предложено простейшее акустическое устройство, в котором звук образуется за счет прохождения газа через отверстия в колонне с жидкостью. Но главное в другом: для того, чтобы требовалось минимум энергии, организован резонансный режим; в качестве резонатора используется прикрепленная вокруг отверстия шайба с бортами, которая и образует резонирующую полость. В потоке возникают автоколебания частотой несколько тысяч герц (примеры автоколебаний: колебания воздуха в свистках, гудение телеграфных проводов, "пение" водопроводных труб).

Главное свойство автоколебаний: колеблющаяся система сама управляет поступлением в нее энергии извне - возникает обратная связь; другие свойства: амплитуда колебаний не зависит от начальных условий, частота близка к собственной частоте колебаний). Частота автоколебаний в этом случае пропорциональна скорости (массе) потока и обратно пропорциональна размерам кольцевой резонирующей полости. Подбирая размеры и форму отверстий, удалось направить большую часть энергии потока на создание автоколебаний. Отпала необходимость в подводе внешней энергии для акустического воздействия. Генерация автоколебаний легла в основу других акустических устройств - а.с. 1037927, 1057052, 1114431 ("Изобретатель и рационализатор", 1985, № 10, с.19).

Возникающая в режиме автоколебаний в колеблющейся системе обратная связь действует все же в узком диапазоне - стоит чуть изменить какой-либо параметр системы и автоколебания исчезнут. Для поддержания длительного самоподстраивающегося режима авторезонанса необходимо введение специальной линии обратной связи: на колеблющееся тело устанавливают датчик, сигнал от которого усиливается и направляется на источник колебаний (генератор), генератор устанавливает в каждый данный момент времени всегда резонансную частоту - система работает в режиме автоколебаний при любых изменениях условий работы. Этот принцип лежит в основе многих сильных разработок института машиноведения им. Благонровова АН СССР.

Вот, казалось бы, тупиковая ситуация, сложившаяся в области ультразвуковой обработки материалов (рис. 10). Располагая поистине уникальными возможностями, эта технология чрезвычайно капризна. Основной недостаток: частота генератора настраивается на частоту собственных колебаний инструмента на холостом ходу (то есть без нагрузки на инструмент); но как только инструмент начал работать, испытывать многообразные напряжения, его частота тут же изменяется и не совпадает с частотой генератора - система выходит из режима резонанса и к.п.д. резко падает.

Избавиться от этого в используемых сейчас ультразвуковых станках очень трудно. На собственную частоту инструмента влияют переменчивые свойства обрабатываемого материала, усилие прижатия инструмента к заготовке, условия ультразвукового резания. Чтобы хоть какая-то доля энергии дошла по назначению, приходится непомерно увеличивать мощность возбудителей и генераторов. Но это крайне неэффективно, расточительно. Как быть?

Идеал: пусть система сама выбирает себе наивыгоднейшую (резонансную) частоту. Нужен авторезонанс!

Датчик обратной связи - обыкновенный микрофон - располагают за возбудителем со стороны, противоположной зоне обработки (чтобы не мешал); его сигнал через усилитель подают на обмотку магнитострикционного возбудителя. Возникают автоколебания, их частота чутко реагирует на любые изменения условий работы, всегда остается резонансной и обеспечивает эффективную передачу ультразвуковой энергии ("Наука и жизнь", 1985, № 9, с. 18-25).

И в заключение о "человеческом" резонансе. Оказывается, многие органы человеческого тела имеют довольно низкие резонансные частоты: голова 20-30 Гц, вестибулярный аппарат 0,5 -13 Гц, руки 2-5 Гц, а сердце, позвоночник, почки имеют общую настройку на частоту около 6 Гц. Необъясненная пока загадка природы - для чего это надо было эволюции? Пути человеческого "любопытства" неисповедимы, поэтому неизбежно появились охотники "поиграть" с человеком на этих частотах. Во Франции изобретен свисток для разгона демонстраций. "Во время испытания его модели,- писала одна из французских газет,- люди в пятимильной зоне чувствовали во всем теле сильную болезненную вибрацию..." В США созданы инфразвуковые "прожекторы", которые создают в атмосфере акустические волны, способные повредить зрение, вызвать тошноту, страх... Это новый вид психотропного оружия. На этих частотах звук легко проникает сквозь бетонные и металлические преграды ("Юный техник", 1989, № 7, с. 8-15).

4.5.3. Согласование (рассогласование) ритмики работы частей системы.

В процессе работы (взаимодействия) разные части системы, главным образом - инструмент и изделие, должны быть согласованы между собой по частоте для лучшего взаимодействия или рассогласованы для предотвращения вредного взаимодействия. Причем, выгодно согласование (рассогласование) не только собственных частот колебаний, но и всего лишь отдельных характеристик, влияющих на эту частоту - скорости, массы, размеров, формы, упругости и др. Иногда само понятие частоты даже и не фигурирует в решениях.

Когда самолет садится, видны клубы дыма - это его колеса касаются земли, происходит удар и колеса раскручиваются, пробуксовывая. При этом колеса сильно изнашиваются. Явное несогласование ритмики колеса (инструмента) и посадочной полосы (изделия). По пат. Франции 2600619 (рис. 11) предложено на боковые поверхности колес установить лопатки - встречный поток раскрутит колеса перед посадкой.

А.с. 639546: способ местного теплового воздействия (инструмент) на нервные волокна (изделие) ритмически изменяющимся тепловым полем с частотой в ритме дыхания.

А.с. 1163853: способ массажа участков тела (изделие) вибрационным аппаратом (инструмент) в ритме сердечных сокращений.

Ребенок растет, а куклы остаются прежних размеров - рассогласование... В США выпускаются игрушки из пластика, которые способны расти вместе с ребенком. Надо лишь подкачать сжатого воздуха ("Юный техник", 1989, № 9, с.38).

Изобретение топора продолжается: по международной заявке 88/00112 предложен новый топор; в этом изобретении рассогласовано вредное взаимодействие (застревание) между изделием (древесина) и инструментом (топор). Для этого лезвие выполнено с несимметричными (рассогласованными) боковыми поверхностями: на каждой поверхности выполнены выступы, которые расположены по диагонали один против другого (рис. 12).

4.5.4. 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:

1. Уклонение от резонанса путем изменения частоты собственных колебаний.

2. Организация взаимонейтрализации двух (или более) вредных действий.

3. Введение второго внешнего действия в противофазе к вредному.

4. Самонейтрализация вредного действия путем его разделения на два, сдвига одного из них по фазе и их столкновение.

5. Самонейтрализация вредного действия путем введения дополнительных грузов со смещающимся центром тяжести.

6. 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 (рис. 13).

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 (рис. 16 а).

А.с. 485252: для увеличения демпфирования колебаний гаситель снабжен перфорированной оболочкой, охватывающей упругий элемент, соединенный с ней посредством радиально расположенных упругих связей (рис. 16 б).

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 (рис. 16 в).

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 (рис. 16 г).

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 прямопропорционально 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.

4.5.6. Согласование (рассогласование) частоты используемых полей.

А.с. 698663: способ вибромагнитной сепарации материала, при котором вращающееся магнитное поле реверсируют синхронно с вибрацией - это уменьшает силы сцепления между частицами материала и повышает эффективность разделения.

Вибротрамбование дорожного основания, при котором к передней по ходу кромке виброплиты прикладывают колебания с частотой, вдвое меньшей, чем к задней. Такой способ позволяет эффективно уплотнять основания из крупных минеральных фракций ("Техника и наука", 1983, № 1, с.17).

В выставочных залах, аэропортах, холлах гостиниц требуется на разных участках пространства передавать через динамики разную информацию. Но если на потолке или стенах разместить десятки динамиков, вещающих на разных языках, получится невообразимая мешанина звуков. Как быть?

В Японии предложено накладывать голоса дикторов на ультразвуковые колебания, излучаемые динамиками. При этом на каждый участок пространства направлено два динамика, которые излучают два направленных противофазных ультразвуковых луча. Лучи пересекаются в нужной зоне зала, гасят друг друга и остается только голос диктора ("Социалистическая индустрия", 24.01.85).

Примером остроумного применения правила согласования/рассогласования используемых полей может служить изобретение по а.с. 1002064 "Способ волочения металла через две волоки с применением ультразвука", по которому достигается значительное снижение усилия волочения за счет проталкивания металла одной волокой через другую (!).

Предшествующие технические решения:

• а.с. 201305 волочение через две соосно расположенные волоки, которым придаются колебания в противофазах вдоль оси волочения; достигается незначительное снижение усилия волочения;
• а.с. 561584 для уменьшения сил трения за счет обеспечения поступления смазки в волочильный канал волоке (здесь только одна волока) сообщают продольные и радиальные УЗ-колебания.

По а.с. 1002064 волокам сообщают однонаправленные радиальные УЗ-колебания, синфазные с их колебаниями вдоль оси волочения (рис. 17). В моменты времени t = О, Т, 2Т,... волока 2, перемещаясь против направления волочения и несколько увеличивая свой диаметр под действием комбинированных УЗ-колебаний, производит деформацию металла и нагружена усилием волочения в течение примерно 1/4 периода колебаний. При этом волока 3 смещается в направлении волочения и увеличивая свой диаметр, обгоняет протягиваемый металл 1. Усилие волочения через эту волоку падает до нуля. В моменты времени t = Т/2, 3Т/2, 5Т/2,... волока 2 при колебательном уменьшении диаметра обжимает металл в радиальном направлении и перемещается вместе с ним на амплитуду продольных колебаний в направлении волочения, проталкивая металл через волоку 3. Толкающее усилие волоки 2 является активным и уменьшает суммарное усилие волочения металла через две волоки. В это же время волока 3 уменьшая свой диаметр и перемещаясь против направления волочения, производит деформацию металла. Отмечается, что усилие волочения стальных труб снижается на 62-68 процентов!

4.5.7. Действие в паузах.

Во многих странах по телевидению передают телевизионную газету. Сигналы, несущие текст, "спрятаны" между кадрами телепрограммы. С помощью приставки можно "пролистать" все 999 страниц телегазеты.

По а.с. 343722 поперечную раскатку металлического листа ведут в паузах продольной раскатки.

Известный авиаконструктор А.Фоккер в 1915 году решил проблему стрельбы из пулемета через винт самолета, согласовав скорости вала мотора и замкового механизма пулемета (пули пролетают "в паузах" между двумя соседними лопастями).

4.5.8. Использование колебаний и резонанса в задачах на измерение (обнаружение).

Собственная частота колебаний универсальная характеристика. Если любое тело заставить колебаться и при этом плавно изменять частоту, то настанет момент резонанса по этой частоте можно определить характеристики тела (массу, размеры, упругость и т.д.).

А.с. 271051: способ измерения массы жидкости в резервуаре путем измерения резонансной частоты резервуара.
А.с. 244690: способ измерения веса движущейся нити путем измерения резонансной частоты на участке нити между двумя роликами.

А.с. 560563: способ определения степени опорожнения вымени коровы при машинном доении путем измерения резонансной частоты вымени.

А.с. 1008617: способ измерения массового расхода протекающей по трубам среды путем возбуждения в каждой трубе поперечных колебаний, при котором с целью повышения точности вынужденные колебания четной трубы возбуждают с частотой, равной резонансной частоте нечетной трубы, а для нечетной наоборот.

А.с. 647597: способ виброакустического контроля несущих поверхностей летательных аппаратов, основанный на возбуждении в несущих поверхностях синфазных резонансных колебаний, и измерение резонансных частот каждой плоскости, отличающийся тем, что с целью повышения чувствительности измерений и точности определения местоположения дефекта, на идентичные точки несущих поверхностей устанавливают симметрично продольной оси самолета несколько пар датчиков, сравнивают по фазе сигналы каждой пары и по разности фаз определяют величину дефекта, а по положению датчиков, с которых получены информация о дефекте, судят о местоположении дефекта.

Очень надежной должна быть работа системы контроля целостности подводных конструкций (чаще всего трубчатых) морских буровых платформ. Одна из французских фирм предложила такой способ: в трубчатые конструкции нагнетается воздух, устанавливаются датчики давления, трубы герметизируются и по падению давления в процессе эксплуатации судят о нарушении их целостности. Однако такая система требует больших затрат на поддержание своей работоспособности - компрессоры, сложную систему воздухонапорных шлангов, клапанов, редукторов и пр. Намного проще и надежнее резонансный контроль целостности конструкции. Для этого надо заранее зарегистрировать собственную частоту колебаний каждой трубы при ударе по ней (принцип ксилофона). Трещины меняют звучание трубы при ударе (как и треснувшая фарфоровая чашка), собственная частота изменяется и при попадании воды внутрь трубы ("Наука и жизнь", 1983, № 2,с. 109).

А если невозможно придать колебания объекту? Тогда о его состоянии судят по изменению собственной частоты колебаний присоединенного объекта (или внешней среды). Чаще всего к объекту "присоединен" воздух.

Например, фирма "Маркони Авионикс" разработала устройство для определения уровня угля в бункере глубиной до 80 м. В описании говорится, что оно включает радар когерентного типа, микропроцессор, дисплей, пульт управления и т.д. Очень сложно! Давно известен способ медицинской диагностики - простукивание грудной клетки человека. На похожем принципе основан универсальный способ измерения объема любых сыпучих (или жидких) материалов в емкости по объему воздуха над ними (а.с. 321687, 507781). Достаточно озвучить емкость, измерить частоту звучания воздуха и по этой характеристике определить объем воздуха, а значит и объем материала.

Сами собственные колебания (факт их наличия или отсутствия) могут служить сигналом для обнаружения (измерения). Если амплитуда этих колебаний недостаточна, их можно усилить. Самый простой способ усиления использование резонаторов. Например, по а.с. 1175778 предложено самое простое и эффективное устройство для оповещения о приближающемся поезде: оно представляет собой корпус, стерженек, мембрану и резонатор (рупор) корпус закрепляется на рельсе и устройство во много раз усиливает его гудение.

Но не только резонанс является эффективным средством измерения систем. Практически любые изменения собственной частоты колебаний объекта могут служить надежными показателями его механического состояния и физических свойств, например:

скорость затухания собственных колебаний,

а.с. 348945: способ определения содержания в яйце плотной и жидкой фракций с помощью крутильного маятника в виде диска, подвешенного на двух нитях. На диск кладется яйцо и маятник приводится в движение. Вследствие внутреннего сопротивления (вязкости) белка амплитуда колебаний быстро уменьшается. Вязкость плотной фракции белка в 10-12 раз больше, чем вязкость жидкой фракции. Чем больше плотной фракции, тем быстрее затухание и наоборот. По количеству колебаний определяют содержание фракций.

изменение величины механических потерь в объекте при изменении его собственной частоты,

а.с. 1004814: способ определения теплостойкости материалов (реактопластов) при котором постепенно повышают температура образца, воздействуют на него колебаниями, и определяют момент его размягчения по резкому изменению механических потерь на участке от источника колебаний до датчика.

изменение амплитуды собственных колебаний,

а.с. 1024227: способ определения предельно допустимого износа сверла путем измерения амплитуды колебаний, генерируемых системой инструмент-станок (сравнивают с заранее определенными параметрами допустимого износа).

спектр звуковых колебаний для определения состояния множества движущихся объектов,

а.с. ЧССР 190603: способ определения изменения состояния слоя частиц при протекании сквозь него газа или жидкости (например, частичная агломерация частиц в результате их плавления или разрушения непрочных частиц слоя) по изменению непрерывно регистрируемого спектра звуковых колебаний, возникающих при протекании потока сквозь слой частиц;
по спектру шума, издаваемого специальной "денежной" бумагой предложено даже определять подлинность банкнот ("Химия и жизнь", 1982, № 8, c. 95);

лучший товар США 1988 года: миниатюрный анализатор спектра шума работающего автомобиля для определения его технического состояния; индикатором размером с авторучку прикасаются к корпусу и выявляют скрытые повреждения, коррозию и т.п. ("Социалистическая индустрия", 21.01.89, с.3).

Если невозможно определить изменения собственной частоты системы, то используют присоединенные объекты проводят анализ изменения частоты собственных колебаний такого объекта и по нему судят об изменениях в системе.

А.с. 616536: способ определения усилия в предварительно напряженном стержневом элементе, заключающийся в том, что на элементе в заданном сечении размещают присоединенную массу, действуют в этом сечении возбуждающей силой, замеряют частоту собственных колебаний системы и рассчитывают усилие, отличающийся тем, что с целью повышения точности определения, изменяют присоединенную массу, возбуждают колебания полученной системы, измеряют частоту собственных колебаний, а усилие рассчитывают по результатам двух измерений.

А.с. 900178: способ неразрушающего контроля элементов конструкции, заключающийся в том, что в контролируемом элементе возбуждают изгибные колебания, измеряют его собственную частоту и по ней рассчитывают параметры состояния элементов конструкции, отличающийся тем, что с целью повышения точности измерения на контролируемом и соседнем с ним элементе закрепляют дополнительные сосредоточенные массы и измеряют собственную частоту совпадения собственных частот колебаний контролируемого элемента при различных значениях дополнительно сосредоточенной массы на соседнем элементе.

А.с. 628237: способ определения целостности забиваемой сваи по изменению колебаний грунта.

Способ проверки давления в шинах автомобилей ("Изобретатель и рационализатор", 1989, № 11, МИ 0128), по которому к шине приставляют "пистолет", спускают курок и по характеру вызванных в шине колебаний определяют давление воздуха.

А.с. 630577: способ дефектоскопии изделий, заключающийся в том, что в контролируемом изделии возбуждают упругие колебания с помощью датчика с бойком, измеряют параметры колебаний бойка и по ним судят о наличии дефектов в изделии, отличающийся тем, что с целью повышения точности контроля, в качестве параметров колебаний бойка используют амплитуду и ширину спектра его собственных колебаний.

Даже неприсоединенный, далеко расположенный, но резонирующий объем, способен помочь в задачах на измерение, обнаружение самих колебаний.

Летом 1932 года, на палубе ледокола "Таймыр" проводились запуски метеорологических шаров (зондов). Готовясь к одному из них, аэролог случайно коснулся лицом оболочки шара и... отпрянул, вскрикнув от острой боли в ушах. Пытаясь объяснить это, будущий академик В.В.Шулейкин пришел к выводу, что оболочка шара, надутого водородом, служила своеобразным резонатором, усиливавшим звуковые колебания частотой 6-12 Гц. Они-то и вызвали боль в ушах. Откуда же взялись колебания? Источником звука столь низкой частоты был, как оказалось, шторм, бушевавший за сотни миль от "Таймыра". Это открытие позволило создать со временем прибор для предсказания шторма ("Юный техник", 1988, №7).