Роль исследований крутильних колебаний валопроводов в развитии динамики машин

У статті розглядається історія досліджень крутильних коливань систем з двигунами внутрішнього згоряння. Розповідається про внесок українських вчених в вирішення цієї проблеми та наводяться приклади ліквідації небезпечних коливань. This paper deals with history of research of torsion vibrations withi...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2009
Main Author:	Ларин, А.А.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Центр пам'яткознавства НАН України та Українського товариства охорони пам'яток історії та культури 2009
Subjects:	Розвиток наукових і технічних ідей
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/12643
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Роль исследований крутильних колебаний валопроводов в развитии динамики машин / А.А. Ларин // Питання історії науки і техніки. — 2009. — № 4. — С. 2-9. — Бібліогр.: 22 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-12643
record_format	dspace
spelling	Ларин, А.А. 2010-10-15T11:43:38Z 2010-10-15T11:43:38Z 2009 Роль исследований крутильних колебаний валопроводов в развитии динамики машин / А.А. Ларин // Питання історії науки і техніки. — 2009. — № 4. — С. 2-9. — Бібліогр.: 22 назв. — рос. 2077-9496 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/12643 621.01 (09) У статті розглядається історія досліджень крутильних коливань систем з двигунами внутрішнього згоряння. Розповідається про внесок українських вчених в вирішення цієї проблеми та наводяться приклади ліквідації небезпечних коливань. This paper deals with history of research of torsion vibrations within systems of combustion engines. The role of Ukrainian scientists in solving this problem is described and samples of undesirable vibrations elimination are shown. ru Центр пам'яткознавства НАН України та Українського товариства охорони пам'яток історії та культури Розвиток наукових і технічних ідей Роль исследований крутильних колебаний валопроводов в развитии динамики машин Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Роль исследований крутильних колебаний валопроводов в развитии динамики машин
spellingShingle	Роль исследований крутильних колебаний валопроводов в развитии динамики машин Ларин, А.А. Розвиток наукових і технічних ідей
title_short	Роль исследований крутильних колебаний валопроводов в развитии динамики машин
title_full	Роль исследований крутильних колебаний валопроводов в развитии динамики машин
title_fullStr	Роль исследований крутильних колебаний валопроводов в развитии динамики машин
title_full_unstemmed	Роль исследований крутильних колебаний валопроводов в развитии динамики машин
title_sort	роль исследований крутильних колебаний валопроводов в развитии динамики машин
author	Ларин, А.А.
author_facet	Ларин, А.А.
topic	Розвиток наукових і технічних ідей
topic_facet	Розвиток наукових і технічних ідей
publishDate	2009
language	Russian
publisher	Центр пам'яткознавства НАН України та Українського товариства охорони пам'яток історії та культури
format	Article
description	У статті розглядається історія досліджень крутильних коливань систем з двигунами внутрішнього згоряння. Розповідається про внесок українських вчених в вирішення цієї проблеми та наводяться приклади ліквідації небезпечних коливань. This paper deals with history of research of torsion vibrations within systems of combustion engines. The role of Ukrainian scientists in solving this problem is described and samples of undesirable vibrations elimination are shown.
issn	2077-9496
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/12643
citation_txt	Роль исследований крутильних колебаний валопроводов в развитии динамики машин / А.А. Ларин // Питання історії науки і техніки. — 2009. — № 4. — С. 2-9. — Бібліогр.: 22 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT larinaa rolʹissledovaniikrutilʹnihkolebaniivaloprovodovvrazvitiidinamikimašin
first_indexed	2025-11-25T20:35:31Z
last_indexed	2025-11-25T20:35:31Z
_version_	1850523789125746688
fulltext	РОЗВИТОК НАУКОВИХ І ТЕХНІЧНИХ ІДЕЙ ПИТАННЯ ІСТОРІІ НАУКИ І ТЕХНІКИ 2009 № 4 2 УДК 621.01 (09) РОЛЬ ИССЛЕДОВАНИЙ КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ ВАЛОПРОВОДОВ В РАЗВИТИИ ДИНАМИКИ МАШИН Ларин А. А., канд. техн. наук, доц. (Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт») У статті розглядається історія досліджень крутильних коливань систем з двигу- нами внутрішнього згоряння. Розповідається про внесок українських вчених в вирішен- ня цієї проблеми та наводяться приклади ліквідації небезпечних коливань. This paper deals with history of research of torsion vibrations within systems of combus- tion engines. The role of Ukrainian scientists in solving this problem is described and sam- ples of undesirable vibrations elimination are shown. Важнейшей составной частью ме- ханики является теория колебаний, ис- тория развития которой, в отличие от других разделов, освещена недостаточ- но. В работах [1; 2] мы уже рассматри- вали структуру и периодизацию этой отрасли механики. Одной из первых за- дач теории колебаний была задача о крутильных колебаниях валопроводов. В развитии теории колеба- ний дискретных систем эта задача сыграла заметную роль, что обусловлено, во- первых, важностью задачи, а, во-вторых, ее сравни- тельной простотой. Имен- но для ее решения были разработаны многие мето- ды, применявшиеся в тео- рии колебаний, и в ней были обнаруже- ны новые колебательные явления. Задача о крутильных колебаниях валопроводов силовых установок воз- никла на рубеже XX века с ростом ско- рости и мощности паровых машин, ко- торые являются машинами циклическо- го действия с периодически меняющи- мися силами. В их валопроводах стали появляться крутильные резонансные ко- лебания, часто приводящие к усталост- ному разрушению. Не умея вычислить напряжений, обусловленных динамиче- скими причинами, инженеры в сомни- тельных случаях зачастую просто уве- личивали коэффициент запаса прочно- сти. Однако увеличение размеров не всегда ведет к уменьшению напряжений. В статье «К вопросу о явлении ре- зонанса в валах», опубликованной в 1905 году в известиях Санкт- Петербургского политехнического ин- ститута, С.П. Тимошенко дал анализ первых работ, посвящен- ных этому вопросу [3, с. 13-54]. Среди них он от- метил статьи Г. Лоренца, Г. Фрама и Г. Мельвиля. Осо- бенно полное исследование провел Г. Фрам, поставив- ший целый ряд опытов и обосновавший необходи- мость проверки конструк- ции валопровода на возможность резо- нанса. С появлением силовых устано- вок с двигателями внутреннего сгора- ния (ДВС), имеющих бóльшую ско- рость и мощность, вопрос об их коле- баниях стал более остро. В основном задача сводилась к определению собст- венных частот и форм колебаний. Дан- ная статья посвящена развитию мето- дов решения этой задачи. Первыми опасные колебания про- явились именно в валах винтовых па- роходов, поскольку вал, соединяющий машину с гребным винтом, имеет дли- РОЗВИТОК НАУКОВИХ І ТЕХНІЧНИХ ІДЕЙ ПИТАННЯ ІСТОРІІ НАУКИ І ТЕХНІКИ 2009 № 4 3 ну несколько десятков метров и его же- сткость мала по сравнению с валами ко- лесных пароходов или стационарных машин. В соответствии с этим, собст- венные частоты их валопроводов невы- сокие, и в них раньше стало проявляться явление резонанса. Многочисленные аварии пароходных валов, происходив- шие от усталостного разрушения при ре- зонансных колебаниях, заставили инже- неров обратить внимание на вибрацион- ные процессы. Только в Англии в пери- од 1882 – 1885 гг. произошло 228 поло- мок гребных валов, причиной которых были усталость материала вследствие больших колебаний [4, с. 136]. Поломка гребного вала на корабле часто сопро- вождалась и поломкой паровой машины. Крутильные колебания могут быть вызваны не только моментами сил дав- ления в цилиндрах и сил инерции поршневых машин. Причиной их также бывают возмущение от неоднородного потока, расцентровка зубчатых передач и частичное нагружение гребного винта на волнении, что делает эту задачу ак- туальной и для судов с турбинными машинами. Для исследования крутильных ко- лебаний валопроводов поршневых ма- шин применяются дискретные механи- ческие модели, состоящие из абсолют- но твердых дисков, соединенных неве- сомыми упругими валами, имеющими крутильную жесткость. При наличии в системе валопровода редукторов, она приводится к одному валу, как правило, это вал двигателя. Модель имеет цеп- ную структуру, все обобщенные коор- динаты являются углами поворота масс. Способы ее построения достаточ- но хорошо изучены. До появления точ- ных методов, реализация которых воз- можна только с помощью ЭВМ, опре- деление приведенных моментов инер- ции дисков и крутильных жесткостей осуществлялась по эмпирическим фор- мулам [5, с. 214-218]. Для цепной системы дифференци- альные уравнения колебаний легко за- писываются в прямой форме без при- менения аппарата аналитической меха- ники. В случае исследования колебаний линейной системы, использование спектральной теории позволяет даже без записи дифференциальных уравне- ний решать задачи определения частот и форм свободных колебаний и нахо- дить амплитуды и фазы установивших- ся вынужденных колебаний. Однако при числе степеней свободы выше че- тырех-пяти исследователь встречался с непреодолимыми на тот момент труд- ностями. Более подробно с задачами линейной теории колебаний дискрет- ных систем можно ознакомиться в ра- ботах [1, с. 45-48; 6, с. 91-92]. Что каса- ется переходных режимов, то даже для системы с одной степенью свободы за- дача простым численным интегрирова- нием дифференциального уравнения решена быть не могла. Для стационарных двигателей, имевших небольшие обороты и солид- ную массу, характерна только первая форма колебаний с узлом вблизи махо- вика [7, с. 172]. Судовые паровые ма- шины и дизели имеют небольшие обо- роты и длинный гребной вал. При низ- кочастотном возбуждении существен- ное значение имеют только две первые формы крутильных колебаний, для по- лучения которых достаточно рассмат- ривать систему с тремя маховыми мас- сами: приведенной массы коленчатого вала двигателя, маховика и гребного винта (см. рис. 1). Рис. 1. Модель валопровода парохода Следует отметить, что хотя массы валов соизмеримы с массами остальных тел, их моменты инерции на два поряд- ка меньше, и инерционными свойства- РОЗВИТОК НАУКОВИХ І ТЕХНІЧНИХ ІДЕЙ ПИТАННЯ ІСТОРІІ НАУКИ І ТЕХНІКИ 2009 № 4 4 ми валов можно пренебречь. Типичны- ми для такой модели являются первая форма крутильных колебаний с узлом посредине гребного вала и вторая – с уз- лом на коленчатом валу вблизи махови- ка (см. рис. 2) [8, с. 158-159]. У подвод- ных лодок, где роль маховика играет ге- нератор с меньшим моментом инерции, узел колебаний смещается ближе к сере- дине коленчатого вала, что представляет большую опасность [7, с. 173]. Рис. 2. Формы колебаний валопровода парохода Длительное время основным сред- ством борьбы с крутильными колеба- ниями валопроводов была отстройка системы от резонанса, что требовало только определения частот и форм сво- бодных колебаний. Пока для исследо- вания колебаний валопроводов паровых машин и тихоходных дизелей применя- лись двух- и трехмассовые модели, ре- шение векового уравнения или системы линейных алгебраических уравнений не составляло особого труда, и основным вопросом при исследовании крутиль- ных колебаний было определение па- раметров дискретной системы. Это не только подсчет крутильных жесткостей и приведенных моментов инерции са- мой машины, но определение сопро- тивления и даже учет увлекаемой вин- том массы воды. Появление быстроходных двига- телей внутреннего сгорания облегчен- ной конструкции привело к тому, что при крутильных колебаниях стали де- формироваться и коленчатые валы. Это обстоятельство вынудило рас- сматривать системы с бóльшим числом степеней свободы. Однако для систем пятого и более высокого порядка ре- шение векового уравнения уже пред- ставляло серьезные затруднения. Ме- тоды, применявшиеся астрономами, не годились для проведения инженерных расчетов из-за их громоздкости, по- этому инженерами разрабатывались различные графические и численные методы расчетов. Крутильные колеба- ния коленчатых валов проявились раньше изгибных или продольных, по- скольку их частоты ниже других [9, с. 39]. Поначалу аварии происходили с авиационными двигателями не только вследствие их большей нагруженно- сти, но и благодаря применению для изготовления их коленчатых валов ле- гированных сталей, которые, наряду с бóльшим временным сопротивлением разрыву, имеют относительно малую демпфирующую способность, что спо- собствует возникновению колебаний. Поначалу большее развитие полу- чили звездообразные двигатели, с ци- линдрами, расположенными в один или два ряда. В однорядных проявлялся только резонанс на первой собственной частоте крутильных колебаний, а в двухрядных и на более высокой – вто- рой. Позже, наряду со звездообразными двигателями, стали выпускать рядные и V-образные, и когда число цилиндров в них было увеличено до шести и более в ряд, то в них также стали проявляться резонансные колебания, в том числе с третьей и четвертой собственными час- тотами с узлами на коленчатом валу [9, с. 6]. Переход от деревянных воздуш- ных винтов к более гибким металличе- ским породил новую проблему – свя- занные крутильные колебания валопро- вода с изгибными колебаниями винта. Однако этот вопрос выходит за рамки данной статьи. На первых порах крутильные коле- бания не приводили к разрушению ко- ленчатых валов, однако со временем стали происходить и их поломки. В мо- нографии [9, с. 11] описан случай, едва не приведший к катастрофе. В октябре РОЗВИТОК НАУКОВИХ І ТЕХНІЧНИХ ІДЕЙ ПИТАННЯ ІСТОРІІ НАУКИ І ТЕХНІКИ 2009 № 4 5 1927 г. был пущен в эксплуатацию ди- рижабль «Граф Цеппелин», ставший гордостью Германского воздушного флота. Его машинная установка состоя- ла из пяти 12-цилиндровых четырех- тактных V-образных бензиновых мото- ров «Майбах». Двигатели развивали максимальную мощность 550 л. с. при 1600 об/мин и номинальную 400 л. с. при 1350-1450 об/мин. Дирижабль уже совершил 22 полета, налетав при этом 50 000 км без существенных поврежде- ний, когда в мае 1929 г. был предпри- нят очередной перелет из Европы в Америку. Через 7 и 12 часов после от- лета из строя, вследствие поломок ко- ленчатых валов, вышли два двигателя, что вынудило дирижабль вернуться. На обратном пути поломались еще два мо- тора, так что воздушный гигант доб- рался под защиту гавани в Тулоне на последнем двигателе, который, как позже выяснилось, также имел надлом коленчатого вала. Поскольку до аварии двигатели от- работали разное время, причину поло- мок следовало искать в последних пе- ределках силовой установки. Выясни- лось, что перед полетом было увеличе- но предварительное натяжение пружин муфт сцепления. Если до этого две пер- вые частоты крутильной системы вало- провода имели значения 1760 и 4850 кол/мин, то после указанной операции первая частота стала выше – 2030 об/мин. Для данной конструкции дви- гателя характерны резонансы 1,5, 3,5, 4,5 и 6-й гармоник1. До переделки резо- нанс 1,5-й гармоники попадал на режим 1170 об/мин, а после нее сместился на 1360 об/мин. Ситуация усугублялась также наличием резонанса 3,5-й гармо- ники на режиме 1380 об/мин. Данный 1 Половинные гармоники возникают оттого, что в двигателестроении для четырехтактных двигате- лей разложение в тригонометрический ряд Фурье принято относить не к периоду колебаний, кото- рый составляет у них два оборота, а к одному обороту. случай показал опасность крутильных колебаний валопроводов двигателей, которые могут возникнуть даже при малейших их изменениях. Это диктует необходимость проведения расчетов собственных частот не только при соз- дании мотора, но также и при его мо- дернизации. Рис. 3. Дирижабль «Граф Цеппе- лин», фото 1930 г. Для многоцилиндровых облегчен- ных авиамоторов коленчатые валы уже нельзя было заменять одним твердым телом, и в моделях крутильных колеба- ний пришлось учитывать порядка десяти степеней свободы. Для решения задачи о свободных колебаниях таких систем бы- ли разработаны различные методы. Из их множества наибольшее распростра- нение, в том числе и в СССР, получили методы, предложенные Гюмбелем, Хольцером и Толле для цепных нераз- ветвленных систем. Эти методы схожи по существу, но различаются по форме. Графические методы Гюмбеля и Холь- цера проще в реализации, но неудобны при расчете длинных валов [9, с. 63]. Метод остатков, предложенный в 1921 году Максом Толле, заключался в по- следовательном вычислении левой части векового уравнения для пробных собст- венных значений. Номер полученной в результате собственной частоты опреде- ляется по числу перемен знака формы колебаний, которое должно быть на единицу меньше номера частоты. Ос- новным недостатком метода Толле явля- ется невозможность его применения к более сложным разветвленным систе- РОЗВИТОК НАУКОВИХ І ТЕХНІЧНИХ ІДЕЙ ПИТАННЯ ІСТОРІІ НАУКИ І ТЕХНІКИ 2009 № 4 6 мам без их предварительного преобра- зования. Кроме того, при его использо- вании невозможно заранее сказать, ка- кое количество выкладок потребуется произвести для того, чтобы «нащупать» с достаточной точностью те зоны воз- можных значений частот, возле которых лежат собственные частоты крутильных колебаний [10, с. 441]. В 1930 г. инженер Коломенского паровозостроительного завода В. П. Терских предложил метод расчета кру- тильных колебаний, основанный на за- писи уравнения частот в виде непре- рывной дроби [11, 12]. Метод заключа- ется в том, что корни данного уравне- ния, т.е. собственные частоты, опреде- ляются последовательными пробами. При этом номер частоты определяется по количеству узлов в полученной форме колебаний. В отличие от метода Толле, метод цепных дробей пригоден и для разветвленных систем. Указанные методы послужили ос- новой для создания методов расчетов колебаний систем более общего вида, в которых кручение сочетается с изгибом и растяжением-сжатием. Так из мат- ричной формы метода Толле вышел ме- тод начальных параметров. А в 1940 г. М. Био предложил метод динамических жесткостей, являющийся обобщением метода цепных дробей на многосвязные системы [13]. Расчетами крутильных колебаний занимались и представители харьков- ской школы механики. Метод последо- вательных приближений формами коле- баний И. М. Бабакова и метод А. М. Данилевского, основанный на приведении определителя векового уравнения к форме Фробениуса, пред- ложенные ими для расчета собственных частот линейных крутильных систем, описаны в статье [6, с. 92-95]. К сожале- нию, несмотря на свою эффективность, они не нашли широкого применения в расчетной практике заводских КБ. Поскольку сам факт попадания соб- ственной частоты в рабочую зону еще не означает, что проявится явление резо- нанса, особенно не для основных гармо- ник колебаний, важнейшим вопросом становится расчет вынужденных коле- баний, а точнее определение напряже- ний кручения в валах при работе двига- теля. Для их расчета В. П. Терских предлагает метод набегающих момен- тов, по сути являющийся квазистатиче- ским расчетом, т.е. расчетом усилий от моментов сил давления газов и сил инерции, без учета колебаний вала [14, с. 23]. Этот подход дает вполне прием- лемые результаты для нерезонансных режимов колебаний, однако, значения напряжений всегда занижены. В практике расчета резонансных амплитуд широкое распространение получили энергетические методы, ос- нованные на том, что при установив- шихся колебаниях энергия, сообщенная системе возмущающими силами, равна энергии, рассеянной демпфирующими сопротивлениями. Наиболее распро- страненными энергетическими метода- ми были методы, предложенные Вид- лером и Льюисом. В их работах приве- дены примеры вычисления амплитуд вынужденных колебаний в валопрово- дах дизелей и данные о величине со- противления гребного винта, генерато- ра, цилиндров двигателя и внутреннего трения [15, с. 139]. Точность результа- тов здесь определяется точностью со- ставления энергетического уравнения, и поэтому большое внимание уделяется экспериментальному определению демпфирующих сопротивлений и полу- чению формул, достаточно хорошо от- ражающих количественные значения работы демпфирующих сил. В методе энергетического баланса Видлера принимается, что форма уста- новившихся резонансных колебаний совпадает с формой свободных колеба- ний системы без учета сопротивления, соответствующего данной резонансной частоте. Этот метод получил в свое время широкое распространение в рас- четной практике благодаря своей про- стоте и универсальности. Однако он пригоден только для случая гармониче- РОЗВИТОК НАУКОВИХ І ТЕХНІЧНИХ ІДЕЙ ПИТАННЯ ІСТОРІІ НАУКИ І ТЕХНІКИ 2009 № 4 7 ского возбуждения и дает большие ошибки, если, вопреки предположению, действительная форма вынужденных колебаний существенно отличается от собственной формы. Способ Льюиса основан на том предположении, что наибольшая часть рассеиваемой энергии приходится на упругий гистерезис. Но метод Льюиса дает хорошие результаты при расчетах коленчатых валов тяжелых тихоходных дизелей, изготовленных из мягкой ста- ли. Для быстроходных же двигателей, коленчатые валы которых выполнены из легированных сталей и имеют мень- шее рассеивание энергии при колеба- ниях, этот способ не подходит. Таким образом, расчеты вынужденных коле- баний находились на достаточно при- митивном уровне, а их результаты но- сили весьма условный характер. Что касается учета имеющихся в конструкции валопровода нелинейно- стей, то расчеты нелинейных колебаний проводились в основном для упрощен- ных систем с одной степенью свободы, что для быстроходных двигателей было неприемлемо, ввиду того, что узел ко- лебаний образовывался на коленчатом валу. Методы расчета крутильных ко- лебаний нелинейных систем получили развитие на основе асимптотических методов нелинейной динамики в трудах ее основоположников Н. М. Крылова и Н. Н. Боголюбова, которые не только разработали новый эффективный спо- соб построения резонансных кривых для многомассовых систем, но и прак- тически осуществили расчеты. Следует отметить, что расчеты ко- лебаний проводились в основном для авиационных и судовых силовых уста- новок, поскольку в авиационной и су- достроительной промышленности была более высокая культура расчетов на динамическую прочность. Так, напри- мер, первое подробное исследование колебаний танковых трансмиссий было проведено в СССР только в 1948 г. [16, с. 29-31]. Но с переходом авиации на газотурбинные двигатели многие спе- циалисты в области крутильных коле- баний занялись проблемами наземной техники. Среди этих объектов наи- больший интерес представляют тепло- возные и танковые силовые установки. В 1960-е гг. в практику расчетов стало входить применение ЭВМ. Одна- ко возможности машин были еще очень ограничены, поэтому длительное время определение собственных частот и форм колебаний проводилось с помо- щью различных методов, разработан- ных в прошлые годы. В частности, ме- тод Терских применялся для проведе- ния расчетов и с помощью ЭВМ, одна- ко в ходе расчета могло потребоваться вмешательство оператора, так как уравнение в форме цепной дроби пред- ставляет собой разрывную функцию частоты [17, с. 107]. Большой вклад в компьютерную реализацию этого метода внес академик А. П. Филиппов. В монографии [18, с. 435-437] он описывает применение программы расчета собственных частот по методу Терских для разветвленной системы с 96 степенями свободы. Такая высокая для того времени размерность рассматриваемой системы делала метод цепных дробей конкурентоспособным и после распространения методов мат- ричной алгебры. Однако программа А. П. Филиппова требует в процессе счета вмешательства оператора, что на заре компьютерной техники было очень существенным недостатком. Дальнейшее развитие вычисли- тельной техники позволило решить полную проблему собственных значе- ний и собственных векторов с помо- щью итерационных методов, что, хотя и не сразу, позволило отказаться от всех частных методов расчета. Так, в 1952 г. нашел, наконец, применение метод вращений Якоби. Однако его достаточно высокая трудоемкость за- ставила математиков искать новые ал- горитмы. В статье [17, с. 108] профес- сор Харьковского политехнического института Л. И. Штейнвольф обосновал применение для расчета собственных РОЗВИТОК НАУКОВИХ І ТЕХНІЧНИХ ІДЕЙ ПИТАННЯ ІСТОРІІ НАУКИ І ТЕХНІКИ 2009 № 4 8 частот и форм крутильных колебаний QR-алгоритма, основанного на преоб- разовании матрицы к треугольной фор- ме. Для решения задачи о вынужден- ных колебаниях, требующей решения систем линейных алгебраических урав- нений, успешно применялся метод ис- ключения Гаусса. Группа силовых установок, возглав- ляемая Л. И. Штейнвольфом, внесла большой вклад в развитие методов расче- тов крутильных колебаний. В 1960-е гг. этот коллектив занимался динамически- ми расчетами колебаний тепловозных силовых установок. Исследования прово- дились для тепловозов и дизелей, произ- водившихся на Харьковском заводе транспортного машиностроения им. В. А. Малышева и Луганском тепловозо- строительным заводе им. Октябрьской революции и были первыми в СССР ис- следованиями колебаний тепловозных силовых установок [19, с. 4]. Эти уста- новки являются наиболее сложными ус- тановками с ДВС, так как кроме генера- тора содержат еще несколько потребите- лей – вспомогательных механизмов, не- обходимых для нормальной эксплуата- ции двигателя и самого тепловоза. Ос- новным видом колебаний в тепловозных установках являются крутильные колеба- ния, причем переходные процессы в ме- ханических передачах тепловозов значи- тельно многообразнее и опаснее устано- вившихся вынужденных колебаний. Среди исследуемых группой Л. И. Штейнвольфа тепловозов были и основные магистральные тепловозы Со- ветского Союза – ТЭ3 с дизелем 2Д100 и ТЭ10, оснащенные дизелем 10Д100. В результате комплекса мероприятий, куда входили и расчеты крутильных колеба- ний, за период с 1964 по октябрь 1968 гг. была решена важнейшая народнохозяй- ственная задача – срок службы дизелей типа Д100 повышен на 100% и достиг 20 000 часов работы до капитального ремонта [20, л. 108-109]. Результаты ра- боты нашли отражение в докторской диссертации, защищенной Львом Из- раилевичем в 1967 г. [21]. Накопленный опыт был применен при расчетах колебаний трансмиссий и приводов вспомогательных механизмов танковых силовых установок, выпол- ненных в 1970-е гг. В них нашли широ- кое развитие методы расчетов нелиней- ных крутильных колебаний, в том числе алгоритмы и программы, основанные на применении интегральных уравнений и итерационного метода Ньютона- Канторовича. Затем этот подход был развит для решения задач оптимизации и синтеза по динамическим характери- стикам и исследования переходных ре- жимов в нелинейных крутильных сис- темах [19, с. 5]. Однако их изучение это тема для отдельного исследования. Поскольку для ЭВМ 1970-х годов были еще существенные ограничения по быстродействию и по объему памяти, при решении задач синтеза или оптими- зации колебательных систем, где задача анализа решается многократно, исследо- вателю приходилось уменьшать порядок системы, выделяя в ней только часть спектра собственных частот [6, с. 96-97]. Дальнейшее развитие вычисли- тельной техники уже в 1980-х гг. сняло все ограничения по числу степеней свободы рассматриваемых дискретных моделей. Наиболее трудоемкой опера- цией при вводе исходных данных стало заполнение вручную матриц инерции и жесткости системы уравнений. Поэто- му, с начала 1970-х годов, Л. И. Штейнвольф совместно с В. Н. Ми- тиным начали разрабатывать методы автоматизированного построения сис- тем уравнений, основанного на приме- нении так называемых структурных матриц, которые нашли воплощение к концу 1970-х годов сначала для систем цепной структуры, а затем получили дальнейшее развитие. Исследования, начавшиеся с создания автоматизиро- ванного составления средствами ЭВМ уравнений колебаний в приведенных системах, нашли продолжение при соз- дании программного комплекса «КИ- ДИМ», имеющего важное прикладное значение. Данный комплекс, являю- РОЗВИТОК НАУКОВИХ І ТЕХНІЧНИХ ІДЕЙ ПИТАННЯ ІСТОРІІ НАУКИ І ТЕХНІКИ 2009 № 4 9 щийся дальнейшим развитием идеи структурных матриц, основан на при- менении специально созданной систе- мы компьютерной алгебры. Он позво- ляет автоматизировать процессы по- строения математических моделей и отыскания решений задач кинематики, статики и динамики для широкого класса дискретных механических сис- тем сложной структуры, в том числе с нестационарными и неголономными связями [19, с. 5-6; 22]. Современное состояние теории колебаний и приме- няемых для их расчетов средств не тре- бует выделения расчетов крутильных колебаний в отдельный класс задач. Исследования крутильных колеба- ний валопроводов, таким образом, имеют важнейшее историческое значе- ние, так как они не только позволили повысить надежность и долговечность двигателей, но и сыграли важную роль в развитии теории колебаний. Список литературы 1. Ларин А. А. Становление теории ко- лебаний механических систем: историче- ский обзор // Дослідження з історії техніки Зб. наукових праць. – К.: НТУУ «КПІ», 2006. – Вип. 8. – С. 41-50 2. Ларин А. А. Периодизация развития теории механических колебаний // Історія Української науки на межі тисячоліть, Київ, 2008, вип. 33, С. 134-143. 3. Тимошенко С.П. Прочность и коле- бания элементов конструкций. М.: Наука, 1975. – 704 с. 4. Вайнберг Д. В., Писаренко Г. С. Ме- ханические колебания и их роль в технике. – М.: Физматгиз, 1958. – 232 с. 5. Бабаков И. М. Теория колебаний. – М.: Наука, 1968. – 560 с. 6. Ларин А. А. Развитие методов расче- та крутильных колебаний в Харьковском политехническом институте с 1930 по 1970 годы // Вестник НТУ «ХПИ» Динамика и прочность машин, Харьков, 2007, вып. 22, С. 90-98. 7. Шаталов К. Т. Экспериментальные исследования крутильных колебаний валов // Динамика и прочность коленчатых валов. – М–Л.: Изд-во АН СССР, 1948. – С. 170-247 8. Житомирский В. К. Механические колебания и практика их устранения. – М.: Машиностроение, 1966 – 176 с. 9. Гопп Ю. А. Демпферы крутильных колебаний коленчатых валов быстроход- ных двигателей. – Харьков.: Гостехиздат, 1938. – 272 с. 10. Филиппов А. П. Колебания дефор- мируемых систем. – М.: Машиностроение, 1970. – 736 с. 11. Терских В. П. К расчету крутиль- ных колебаний // Вестник инженеров и тех- ников, 1930, №12. – С. 429-433 12. Терских В. П. К расчету крутиль- ных колебаний // Вестник инженеров и тех- ников, 1931, №7. – С. 306-312 13. Biot M. Coupled Oscillations of Air- craft Engine-propeller Systems, Journal of the aeronautical sciences, vol. 7, № 9, pp. 376-382, July 1940. (Journ. of Aeron. Sciences) 14. Терских В. П. Уточненный расчет коленчатого вала на кручение // Динамика и прочность коленчатых валов. – М–Л.: Изд- во АН СССР, 1948. – С. 5-48 15. Тимошенко С. П. Теория колебаний в инженерном деле. М.: ОНТИ, 1934. – 344 с. 16. Ларін А. О. З історії створення тан- кового дизеля В-2. Дослідження крутильних коливань трансмісії. // Питання історії нау- ки і техніки 2009 № 2 .- С. 83-89 17. Штейнвольф Л. И. Об алгоритмах расчета свободных крутильных колебаний на ЭЦВМ //Динамика и прочность машин. – 1967. – Вып. 6. С. 106-109 18. Филиппов А. П. Колебания меха- нических систем. – К.: Наукова думка, 1965. – 716 с. 19. Ларин А. А. О творческом наследии Льва Израилевича Штейнвольфа – ученого и педагога // Вестник НТУ «ХПИ» Динами- ка и прочность машин, Харьков, 2006, вып. 21.– С. 3-6 20. Фонды Центрального Государст- венного Архива общественных объедине- ний Украины, ф. 1, оп. 25, ед. хр. 82 21. Штейнвольф Л. И. Динамика меха- нических передач силовых установок теп- ловозов дис. … докт. техн. наук.– Харьков, 1966.– 655 с. 22. Андрєєв Ю. М., Ларін А. О. Морач- ковський О. К. Система комп’ютерної алге- бри для досліджень механіки машин. // Ма- шинознавство , 2005, №7 (95). С. 3-8.

Роль исследований крутильних колебаний валопроводов в развитии динамики машин

Institution

Similar Items