از همه جا

مسأله کاهش میزان ارتعاشات در سازه ها در شاخه های گوناگون تکنولوژی اعم از صنعت، حمل و نقل، ابزار مهندسی و غیره از دیرباز مورد توجه بوده است . اغلب آن مرتب با

نیاز به افزایش مقاومت و کاهش مصالح سازه ها می باشد . با وجود این چنین جنبه هایی از مسأله مانند مواجهه با نیازمندیهای مهندسی، شرای بهره برداری و محافظت افراد از ارتعاشات مضر نیز، کم اهمیت نیستند . ضرورت حل این مسأله رو به فزونی، به ابعاد بزرگتر سازه ها، افزایش سرعت بهره برداری از ماشینها، استانداردهای بهداشتی سخت گیرانه و خواسته های تکنولوژیکی مربوط میشود . امروزه ما راهها و ابزارهای زیادی برای جلوگیری از ارتعاشات غیر قابل قبول می شناسیم ، به ویژه ، کاش خطاهای نامیزانی و میزان کردن ماشینهایی که منبع بارهای دینامیکی هستند . ما می توانیم پارامتر های سختی و اینرسی سازه های را برای سازگاری آنها در برابر تشدید تغییر دهیم ، خاصیت میرایی را به وسیله استفاده از مصالحی که دارای توانایی میرایی بالایی هستند افزایش دهیم ، استفاده از عایقها و جاذبهای ارتعاش هم از دیگر روش های کاهش ارتعاش می باشد . هر یک از روش های مذکور محدوده معقولی برای کاربرد دارند . جاذبها نقش ویژه ای داند زیرا نه تنها می تواند در مرحله طرح و ساخت ، بلکه هنگام نمایان شدن خواص دینامیکی نارضایت بخش در سازه به هنگام بهره برداری هم به کار روند. جاذبها با صرفه نیز هستند زیرا در یک هزینه نسبتا کم،کاهش مورد نیاز میزان ارتعاش را بیمه می کنند . جاذبها کاربرد زیادی دارند،استفاده آنها در کشتی سازی معروف

است . آنها دیرینه ای در کاهش ارتعاش کابلها دارند .مثالهای بیشماری از کاربرد آنها در کاهش ارتعاش در سازه های گوناگون مهندسی وجود دارد : دودکشهای فولادی ،برجهای تلویزیونی ، پلها، ساختمانها وغیره. جاذبهای ارتعاش برای بهبود بهره برداری از ابزارهای اندازه گیری و عایق ارتعاش در حالتهای گذرا استفاده می شوند. رویکرد اصلی پژوهش در زمینه جذب ارتعاش شامل : بهینه سازی پارامترها و ارزیابی بازده جاذب دینامیکی در شرای پایدار و گذرا تحت حرکات دینامیکی گوناگون ، بررسی بازده جاذب دینامیکی خطی و غیر خطی ، یافتن زمینه هایی از بیشترین کاربرد سودمند جاذب دینامیکی در سازه های واقعی با طرح های نسبتا ساده و یا بسیار پیچیده ، بررسی سیستم های دو یا چند درجه آزادی و تکمیل روشهای محاسباتی کارآمد برای ساختارهایی با جاذب دینامیکی و... می باشد.

ما در اینجا ساده ترین مدل مکانیکی جاذب یعنی جاذب خطی تک جرمی را مورد بررسی قرار خواهیم داد ، که بسته به نیازها و محدودیتها می تواند شکلهای گوناگونی داشته باشد . به علاوه برای افزایش راندمان در یک باند فرکانسی معین و یا برای افزایش باند فرکانس بهره برداری می تواند خیلی پیچیده ساخته شود.

در این فصل تکنیکهای متعددی را برای کنترل ارتعاش مورد بررسی قرار خواهیم داد که شامل روشهای حذف یا کاهش ارتعاش می باشند. منابع متعددی برای ارتعاش در یک محی صنعتی وجود دارد : فرآیندهای بر خورد مانند شمع کوبی و دمیدن جریان هوا یا بخار ، ماشینهای دوار یا رفت و برگشتی مانند موتورها و کمپرسورها ، وسایل نقلیه مانند کامیونها ، ترنها و هواپیماها ، جریان سیالات و بسیاری منابع دیگر . وجود ارتعاش اغلب منجر به تأثیرات ناخواسته از قبیل انهدام سازه ای یا مکانیکی ، تعمیر و نگهداری پی در پی و پر خرج ماشینها و صلب آسایش از انسان می گردد . گاهی ارتعاش می تواند بر مبنای تجزیه و تحلیل تئوریک از بین برود ولی برای از بین بردن ارتعاش ممکن است متحمل هزینه های ساخت بسیار زیادی شویم . یک طراح باید بین یک حد ارتعاش قابل قبول و یک هزینه ساخت مقبول تصمیم گیری کند . در بعضی موارد نیروی محرک جزء جدانشدنی ماشین می باشد ، همانطور که می دانیم حتی یک نیروی محرکه نسبتا کوچک می تواند در فرکانسهای طبیعی سیستم باعث تشدید گردد بخصوص در سیستم هایی که دارای میرایی اندک هستند . در این حالات می توان با استفاده از روشهای کنترل ارتعاش پاسخ را به مقدار قابل ملاحظه ای کاهش داد .

تمام محورهای دوار انعطاف پذیر هستند و بنابراین تمایل دارند که در سرعتهای معینی کمانش کرده و بطور پیچیده ای دچار لنگی شوند . لنگی می تواند به صورت دوران صفحه ما بین محور خمیده شده و خ واصل مراکز یاتاقانها تعریف گردد . لنگی ناشی از عواملی از قبیل نامیزانی ، اصطکاک سیال در یاتاقانها ،نیروهای ژیروسکوپی ،و استهلاک هیستریک در محور می باشد . لنگی می تواند هم جهت با چرخش محور یا در خلاف جهت آن روی دهد و سرعت چرخش می تواند مساوی با سرعت چرخش محور باشد یا با آن مساوی نباشد. یک محور در حال گردش در سرعت های معینی ارتعاشات عرضی بیش از حدی از خود نشان می دهد . این سرعت با فرکانس های طبیعی سیستم متناظر می باشد و به سرعت بحرانی موسوم است و در این حالت تشدید رخ خواهد داد . در سرعت بحرانی انحراف محور زیاد بوده و نیروی وارده به یاتاقانها خیلی زیاد است و باعث ارتعاش بدنه ماشین خواهد شد و این میتواند منجربه صدمات ساختمانی به یاتاقانها و بدنه گردد. به علاوه انحراف زیاد محور موجب تغییر شکل دائمی آن و یا برخورد روتور با محفظه می گردد . دامنه ارتعاش محور در سرعت بحرانی زمانی به حد خطرناک می رسد که فرصت لازم برای رسیدن به آن دامنه را داشته باشد . بنابراین اگر ماشین از سرعت بحرانی سریع عبور کند دامنه می تواند قابل قبول باشد ، در حالی که عبور آهسته به توسعه دامنه های بزرگ کمک می کند ومی تواند خسارات جبران ناپذیری ایجاد کند .

اجزاء متحرک اصلی یک موتور رفت و برگشتی عبارتند از : پیستون ، میل لنگ و شاتون . ارتعاشات در موتور های رفت و برگشتی در اثر عوامل زیر رخ می دهد :

-1 تغییرات متناوب فشار گاز درون سیلندر

-2 نیروهای اینرسی که در قسمتهای متحرک تمرکز یافته اند .

یک موتور تک سیلندر به طور اجتناب ناپذیری نامیزان است ، در حالی که در یک موتور چند سیلندر می توان با آرایش مناسب لنگها ، نیروها و گشتاورهای موجود را بالانس نمود .

موقعی که محوری گشتاوری را منتقل می کند تحت تأثیر پیچش قرار می گیرد و اگر گشتاور انتقالی دارای تغییرات تناوبی باشد محور به صورت پیچش و باز پیچش نوسان می کند . اگر فرکانس گشتاور انتقالی با فرکانس طبیعی ارتعاش پیچشی محور برابر شود ، این مطلب موجب می شوده دامنه ارتعاش پیچشی بالا رفته و باعث صدمه دیدن محور گردد . سرعت کاری ماشین نزدیک یکی از سرعتهای بحرانی باشد می توان طرح را به گونه ای تغییر داد که فرکانس طبیعی ارتعاش پیچشی آن بالا رفته و ارتعاش حذف گردد و یا با نصب مستهلک کننده دامنه آنها را کاهش داد .

فرکانس طبیعی یک سیستم هم با جرم و هم با سختی تغییر می کند ولی در بسیاری حالات عملی جرم به سادگی قابل تغییر نمی باشد ، زیرا مقدار آن توس ملزومات تابعه سیستم محاسبه شده است . به عنوان مثال جرم چرخ طیار سوار بر یک محور ، توس مقدار انرژی که باید در یک سیکل ذخیره کند محاسبه شده است . بنابراین سختی سیستم عاملی است که در اکثر موارد عوض می شود تا فرکانسهای طبیعی آن تغییر کند . به عنوان مثال سختی یک محور دوار با تغییر یک یا چند پارامتر آن از قبیل مواد یا تعداد و موضع نقاط تکیه گاهی می تواند تغییر نماید .

اگر چه میرایی به منظور ساده کردن آنالیز ، به ویژه در یافتن فرکانسهای طبیعی صرف نظر می شود ، اما بیشتر سیستمها تا اندازه ای دارای میرایی می باشند . در بعضی از حالات حضور میرایی مفید است . در سیستمهایی نظیر جاذبهای شوک در اتومبیل ها و بسیاری از وسایل اندازه گیری ارتعاش، بایستی میرایی را بیفزاییم ،تا ملزوامات را تابعه را تامین نماید .اگرسیستم تحت تأثیر ارتعاش واداشته قرار گیرد ،و اگر میرایی موجود نباشد پاسخ یا دامنه نوسان سیستم تمایل به بزرگ شدن در نزدیکی تشدید دارد . حضور میرایی همواره دامنه نوسان را محدود می کند . میرا کننده های ارتعاش به صورت اصطکاکی ، ویسکوزی و یا ساختمانی باعث اتلاف انرژی می شوند . یک نوع میرا کننده از نوع اصطکاکی که به میرا کننده لانکستر شهرت دارد ، در سیستمهای پیچشی مانند موتورهای گازی و دیزلی برای محدود کردن دامنه های ارتعاش در سرعتهای بحرانی استفاده عملی پیدا کرده است . یک میرا کننده دیگر از نوع ویسکوزی که برای از بین بردن ارتعاشات پیچشی موتورهای اتومبیل به کار می رود متشکل از یک جرم چرخشی آزاد در داخل یک حفره استوانه ای پر از سیال لزج است . این سیستم معمولا به پولی انتهای میل لنگ که تسمه پروانه را میگرداند متصل می شود و اغلب به آن میرا کننده هودیل گفته می شود.

برای کاهش اثرات ناخواسته ارتعاش از روشهای جداسازی (ایزولاسیون ) استفاده می شود . یک جدا ساز ارتعاش در اصلی ترین شکلش ، می تواند به صورت یک عنصر ارتجاعی که بین سیستم ارتعاشی و فونداسیون (تکیه گاه) قرار دارد ، در نظر گرفته شود . عضو ارتجاعی از یک ماده جداکننده مانند کائوچو ، چوب پنبه ، لاستیک و فنر فلزی تشکیل شده است . وظیفه یک جدا ساز این است که مقدار نیروی منتقل شده از ماشین به فونداسیون و یا از فونداسیون مرتعش به ماشین را کاهش دهد .

در بسیاری از حالات ، فونداسیونی که جداساز به آن متصل است نیز می تواند نوسان کند . برای مثال در حالتی که یک توربین بر روی بدنه یک کشتی سوار شده یا موتور یک هواپیما بر روی بال نصب گردیده است ، سطح پیرامون نقطه تکیه گاهی نیز همراه با جداساز حرکت می کند . در یک نوسان سنج هم قاب آن به همراه جرم و فنر متصل به آن نوسان خواهد کرد . در چنین حالاتی می توان نشان داد که سیستم دارای دو درجه آزادی است . در شکل m₁ (1.3) و m₂ به ترتیب جرم ماشین و سازه تکیه گاهی که همراه با جداساز حرکت می کند ، می باشند . جداساز توس یک فنر با سختی K و میرایی که برای سادگی از آن صرف نظر گردیده ، نشان داده شده است .

یک ماشین یا یک سیستم اگر تحت تأثیر نیرویی که فرکانس محرکه آن تقریبا بر یکی از فرکانسهای طبیعی ماشین یا سیستم منطبق می شود ، قرار گیرد ، ممکن است ارتعاش بزرگی ایجاد نماید . در چنین حالاتی می توان با استفاده از جاذب دینامیکی ارتعاشات ماشین یا سیستم را کم نمود .

توجه به ساده ترین طرح برای جاذبها و سازه های محافظت شونده اساس تئوری جاذبهای ارتعاشی می باشد. برای سالهای زیادی این رویکرد به عنوان یک تئوری باقی مانده بودو به علاوه فق به آزمایش حرکات هارمونیک محدود شده بود. این فصل شامل تعمیم اصول تئوری جاذبهای ارتعاش دینامیکی با معرفی سازه محافظت شونده و جاذبی به عنوان سیستم خطی با یک درجه آزادی می باشد . مقصود از آزمایش پیدا کردن پارامترهای بهینه و ارزیابی بازده جاذب به هنگام حرکات دینامیکی مختلف سازه محافظت شونده می باشد.

در این فصل برای اختصار فرض می شود که سیستم محافظت شونده با یک درجه آزادی جسم جامدی است که حرکت مستقیم الخ انتقالی انجام می دهد. اینکه فق درباره جرم جسم صحبت می شود نباید باعث سوء تفاهم گردد، یک جسم می تواند بوسیله یک فنر و یک دمپر به فونداسیون متصل شده باشد. ماهیت مکانیکی اتصال موضوع بحث ما در اینجا نمی باشد.سیستم یک درجه آزادی در نظر گرفته شده می تواند سیستم معادل یک درجه آزادی یک سیستم پیوسته مانند یک تیر باشد. کلیه نتایج برای هر جسم محافظت شونده که حول محور ثابتش می چرخد نیز کاربرد دارد. در چنین حالتی زاویه دوران جایگزین جابجایی، ممان اینرسی جسم جایگزین جرم و گشتاور جایگزین نیروهای خارجی می شود.

یک جاذب جسمی جامد است که دارای وزنه های قابل جدا شدن می باشد. همچنین آن می تواند یک ساخنتار الاستیک یک ظرف پر با وزنه های جدا از هم و یا مواد دانه دانه یا یک مایع باشد. فنر فولادی ، اجزاء لاستیکی ، میله ها یا صفحات الاستیکی به عنوان اجزاء الاستیکی عمل می کنند و موادی که خواص میرایی بالایی دارند (مانند لاستیک و پلاستیک) ، کابل فولادی ، میرا کننده هایی با اصطکاک خشک ، هیدرولیک ، پنوماتیک و مغناطیسی برای اتلاف انرژی استفاده می گردند.

همانطور که در نمودار (2 - 2) دیده شد، جاذب بدون میرا کننده فق در محدوده کوچکی دامنه ارتعاش را کاهش می دهد. در عمل به دلیل متغیر بودن فرکانس نیروی محرکه ما نیاز به محدوده فرکانسی وسیع تری داریم این مشکل با اضافه کردن میرا کننده به جاذب دینامیکی رفع خواهد شد. در این حالت دامنه ارتعاشات ماشین به طور قابل قبولی کاهش می یابد و می توان یک مقدار بهینه برای میرایی بدست آورد .

واقع با مقدار محاسبه شده منطبق نگردد. از این رو قدری ناپایداری قراردادی به هنگام محاسبه بار روی ماشینهای اسما بالانس شده بایستی منظور کرد ، در خصوص این مسأله ما باید ناپایداری فرکانس را به عنوان انحراف مجاز ^p _f از واحد با یک مقدار کم مورد توجه قرار بدهیم . در بسیاری از مثالها فرکانس p واقعا ناپایدار است ، مثلا در موتورهای الکتریکی ، آن به ولتاژ اصلی و بار شافت بستگی دارد که دارای دوره تصادفی است. به جهت همه اینها ، تنظیم دقیق جاذب با فرکانس نیروی برانگیزنده غیر ممکن است و باید پارامترهای جاذب برای جذب ارتعاش بهینه از سازه در باند فرکانسی تخصیص داده شده انتخاب شود.

از نتایج چنین بر می آید که یک جاذب ارتعاشی ساده موقعی ترجیح داده شده که در سیستمهای محافظت شده تشدید ظاهر می شود و فرکانس خارجی در یک باند نسبتا باریکی است . در این حالت جاذب بازده بالایی دارد . هنگام محاسبه معیار کیفیت برای سیستم محافظت نشده در معرض تشدید آشکار است که میرایی مورد توجه قرار داده شده است . مقدار مورد نیاز نسبت جرم v با گسترده شدن باند فرکانس اثر خارجی ، افزایش می یابد ، آنگاه ممکن است ثابت شود که جاذب با میرایی بهینه یا جاذب چند جرمی معقولانه ترین است .

زمینه کاربرد جاذب نامیرا تا اندازه ای محدود است . جاذبهای میرا بر روی محدوده وسیع تری از فرکانس اثرات خارجی مؤثر هستند . حساسیت چنین جاذبهایی به انحراف پارامترها از مقادیر بهینه نسبت به حالتی که میرایی نباشد، کمتر است و این به طور قابل ملاحظه ای قابلیت اعتماد سرویس را افزایش می دهد . اتلاف انرژی در جاذب بیشتر اوقات با استفاده از دمپرهای اصطکاک لزج ، اصطکاک خشک و اصطکاک داخلی صورت می گیرد . در این بخش جاذب با اصطکاک لزج مورد بحث قرار می گیرد . با ساده سازی مسأله به میرایی ساختاری سازه توجه نمی شود ، از این رو تشکیل عبارات تحلیلی برای پارامترهای بهینه جاذب مجاز می باشد .

اساس بیان مسئله پارامترهای بهینه جاذب میرا ، بر این فرض که فرکانس ناپایدار حرکت هارمونیک ممکن است بدترین مقدار اختیاری را بگیرد ، قرار داده شده است . آن ممکن است به ویژه با فرکانسهای تشدید سازه های بدون جاذب و یا با جاذب منطبق شود. برای یک سیستم با نسبت جرم کوچک ، پهنای باند فرکانس ، بین تشدیدها کم است و ممکن است با تغییر در فرکانس حرکت روی هم بیفتند . بهینه سازی پارامترهای جاذب اصطکاک لزج با جاذب بدون میرایی متفاوت می باشد.

نسبت فرکانسهای طبیعی و میرایی جاذب طبق شرط مینیمم بزرگترین عرض مشخصه دامنه فرکانس هر پارامتر ارتعاش سینماتیکی جرم اصلی در مجموعه مقادیر v تعیین شده است . این ناشی می شود از نیاز به تأمین میزان خواسته شده معیار کیفیت انتخابی ،رعایت شرای مقاومت جزء کشسان و محدودیت حرکت جاذب . برای بدست آوردن فرمول نسبتا ساده و دقیق برای پارامترهای بهینه جاذب مرسوم است استفاده از خاصیت شناخته شده سیستم میرا کننده خطی که عرض نقاط ثابت در مشخصه دامنه فرکانس به مقدار میرایی بستگی ندارد.

کاربرد اجزاء الاستیکی ساخته شده از موادی با کیفیت جذب بالا (پلاستیک پلیمر ، کابل فولادی ) در جاذبها ، انجام برخی از حالتهای تحت حرکت هارمونیک با فرکانس ناپایدار را بدون میراکننده ویسکوزی ممکن می سازد . این بطور قابل ملاحظه ای ملزومات نگهداری جاذب را کاهش و قابلیت اعتماد را افزایش می دهد و فضای ممکن مورد استفاده واقعی جاذب در سازه ها که برای بازرسی منظم مشکل است را گسترش می دهد .