2. СНИЖЕНИЕ ВИБРАЦИОННОЙ ОПАСНОСТИ БЕЗУДАРНЫХ РУЧНЫХ МАШИН

Жесткие ограничения массы и габаритных размеров ручных машин и высокие значения их удельной мощности вынуждают уделять особое внимание мероприятиям по снижению интенсивности возбуждения вибрации в ее источниках. Эти источники можно подразделить на две группы [37]. В первой группе вибрация корпуса машины и связанных с ним рукоятей является следствием заданного движения элементов ручной машины, включая инструмент, и метода осуществления технологического процесса. Такие источники специально предусмотрены в машинах вибрационного и периодически ударного действия и при наличии звеньев механизма, совершающих возвратно-поступательные и возвратно-угловые движения. В этих случаях стремятся различными способами уменьшить равнодействующие переменных сил и моментов, либо добиваются, чтобы ограниченный участок поверхности корпуса имел весьма низкий уровень вибрации, и к этому участку присоединяют рукоять.

Ко второй группе относят источники, которые в идеальных условиях не порождают вибрации. Такие источники имеются в ручных машинах с вращательным движением инструмента или с взаимно уравновешенным синхронным движением двух или нескольких инструментов. В этих случаях принимают меры к снижению интенсивности источников вибрации.

В ручных машинах с вращательным движением инструмента (шлифовальные, фрезерные, сверлильные, развертывающие, резьбонарезные и др.) источниками вибрации являются биение поверхности инструмента, несбалансированность вращающихся частей, взаимодействие вращающегося инструмента с обрабатываемой

средой. Причиной радиального биения может быть несовпадение оси вращения с геометрической осью боковой поверхности круглого тела или отклонение формы поперечного сечения вращающегося тела от круговой (например, овальность или иная криволинейная огранка). В первом случае частота биения равна частоте вращения, а во втором случае частота биения в раз больше, где число граней (осесимметричных).

Радиальное биение опасно, если обработку поверхности изделия осуществляют прижатой к ней боковой поверхностью вращающегося инструмента. Опасность заключается в возможности отрыва инструмента от обрабатываемой среды и возбуждении недопустимого ударно-вибрационного режима. Если подшипник вращающегося инструмента жестко связан с корпусом ручной машины и в соединениях отсутствуют зазоры, а жесткая обрабатываемая деталь закреплена неподвижно, то сила прижатия инструмента к обрабатываемой поверхности, необходимая для предотвращения отрыва инструмента при наименее опасном синусоидальном режиме биения,

где масса ручной машины; а — амплитуда биения; со — угловая частота биения.

Отрывающая инерционная сила становится равной силе тяжести машины при

где ускорение свободного падения.

В шлифовальных машинах частота вращения может достигать об/мин. При частоте об/мин подсчитанное по формуле (3) значение Учет податливостей снижает требуемую силу нажатия.

Снижению вибрации машин рассматриваемого типа способствует уменьшение несбалансированности вращающихся частей. Поскольку сами машины подвергаются балансировке, особое внимание следует уделять возможному дисбалансу инструмента, в особенности абразивных кругов ручных шлифовальных машин. Уменьшения центробежных сил, передаваемых на подшипники шпинделя новым абразивным кругом, можно добиться снижением неуравновешенности круга путем:

а) изготовления его из абразивной смеси с более равномерным распределением зерен;

б) снабжения круга металлической посадочной втулкой, обеспечивающей точное центрирование на шпинделе; в) снижения плотности круга применением высокопористых и прочных абразивных материалов [137, 210].

По мере износа шлифовального круга нарушается его балансировка. Для непрерывного поддержания уравновешенности вращающихся частей шлифовальной машины в некоторых случаях используют шариковый автобалансир, представляющий собой концентрически закрепляемое на шпинделе кольцо с тороидальной полостью, частично заполненной шариками и смазочным маслом. Число шариков должно быть не менее двух.

Автоматическая балансировка происходит в зарезонансных (закритических) режимах вращения [24, 77]. При этом дисбаланс становится теоретически равным нулю. Так, при двух шариках в полости

где абсолютное значение дисбаланса шпинделя с шлифовальным кругом; та — масса одного шарика; расстояние от центров шариков до оси вращения; V — половина угла между радиус-векторами шариков. Должно быть выполнено вытекающее из равенства (4) условие

Система с несколькими резонансами имеет ряд областей устойчивой работы шарикового автобалансира [77], каждая из которых расположена между соответствующей резонансной и последующей антирезонансной частотой. При линейном представлении поперечной вибрации шпинделя в качестве критерия устойчивой работы шарикового автобалансира удобно принять положительность миимой части импеданса системы [3], Практически все ручные шлифовальные машины как на

холостом ходу, так и при шлифовании работают в первой устойчивой области, и поэтому шариковый автобалансир обеспечивает непрерывную балансировку.

Вибрация ручной машины может возникать в результате колебаний силы взаимодействия вращающегося инструмента с обрабатываемой средой из-за биения или несбалансированности вращающегося инструмента, тремора рук оператора, неоднородности обрабатываемой среды, самовозбуждения [20 , 37]. Колебания силы резания, вызванные биением или неуравновешенностью, исчезают с устранением последних. Колебания, вызванные тремором рук, при хорошей виброизоляции незначительны. Вызванные неоднородностью среды колебания становятся значительными лишь в исключительных случаях особо неоднородной или периодически неоднородно среды.

Автоколебания в рассматриваемой системе возникают аналогично тому, как это происходит при появлении фрикционных автоколебаний. Необходимым условием самовозбуждения колебаний является работа на участке, где сила резания убывает с ростом окружной скорости. Самовозбужденная вибрация корпуса ручной машины при определенных условиях может достигнуть опасных значений.

К факторам, от которых зависят возможность возникновения и уровень автоколебаний, относятся свойства материала и состояние поверхности инструмента, свойства обрабатываемой среды, форма, размеры и окружная скорость инструмента, сила нажатия, наличие и свойства смазочно-охлаждающей жидкости, упругие, инерционные и диссипативные свойства системы «оператор—машина—среда». Принятие достаточных мер на стадии расчета и конструирования машины для предотвращения автоколебаний ручной машины возможно лишь при наличии достаточных экспериментальных данных.

Промышленность выпускает большое число глубинных вибровозбудителей с электрическим и пневматическим приводом. Корпус глубинного вибровозбудителя имеет форму цилиндра, высота которого в несколько раз превышает диаметр. Под действием центробежной силы, развиваемой вращающимся дебалансом или обкатывающимся по беговой дорожке бегунком, корпус колеблется так, что все точки его геометрической оси описывают окружности, причем собственное вращение корпуса вокруг этой оси отсутствует. К верхнему концу корпуса через податливый упругий шарнир прикреплена штанга рукояти. Корпус погружают в обрабатываемую среду (чаще в уплотняемую вибрацией бетонную смесь).

Правильно сконструированный глубинный вибровозбудитель совершает в обра батываемой среде колебания, аналогичные качаниям кругового маятника; центр шарнира неподвижен, поскольку он находится в центре качаний, называемом в этом случае нулевой точкой (т. е. точкой, амплитуда перемещения которой равна нулю). В этом случае на руки оператора, удерживающего вибровозбудитель за рукоять, вибрация практически не передается. Геометрическая ось корпуса описывает поверхность кругового конуса с вершиной в центре шарнира.

Для того чтобы при весьма податливом упругом шарнире центр его оставался неподвижным, необходимо выполнение двух условий. Во-первых, равнодействующая сил диссипативного сопротивления обрабатываемой среды должна пересекать геометрическую ось корпуса в той же точке, что и вынуждающая центробежная сила. Во-вторых, расстояние I от указанной точки до центра шарнира и расстояние а от центра массы вибровозбудителя с присоединенной к нему массой среды до центра шарнира должны быть связаны зависимостью

где момент инерции вибровозбудителя относительно оси, проходящей через центр шарнира и перпендикулярной геометрической оси корпуса [36, 66].

Если не выполнено первое условие, то геометрическая ось корпуса описывает поверхность однополостного гиперболоида вращения и нулевая точка отсутствует Если не выполнено второе условие, но выполнено первое, то нулевая точка расположена выше или ниже центра шарнира.

В безударных ручных машинах некоторых типов, например в механизированных ножовочных пилах, рубанках, шаберах, ножницах, инструмент и отдельные звенья механизмов совершают возвратно-поступательные или возвратно-угловые движения аначительного размаха. Для снижения переменных сил, передаваемых ими на

корпус машины, используют некоторые из способов, описанных в следующем параграфе. Снижения вибрации корпуса ручных вибрационных машин с синхронным приводом, в частности с электромагнитным вибровозбудителем, можно добиться применением динамических виброгасителей.

Источниками вибрации в безударных ручных машинах могут быть также трансмиссии (в частности, зубчатые передачи и гибкие валы), подшипники качения, двигатели. Вибрация может быть вызвана зазорами в подвижных соединениях, приводящими к соударениям соседних звеньев механизмов. Перечисленные источники могут стать опасными при значительном износе, а также при неточностях изготовления и сборки деталей машины.