background image

Podstawy Konstrukcji Maszyn 

 

-1- 

wiczenie laboratoryjne „Wyznaczanie drga  gi tnych  wału” 

WICZENIE  LABORATORYJNE  NR 7  

 

 

Opracowali : Stanisław Krawiec, Zbigniew Lawrowski 

 
 

 

Temat: 

Wyznaczanie drga  gi tnych wału

 

 

1.  Wprowadzenie 

Dobór cech konstrukcyjnych wału oparty na warunkach wytrzymało ciowych nie zawsze zapewnia 

niezawodn   jego  prac .  W  wielu  wypadkach  o  prawidłowym  funkcjonowaniu  zespołu  wału  mog  
decydowa  zjawiska drganiowe. Drgania wałów mog  wywoływa  zaburzenia w pracy wirnika, a zatem i 
całej  maszyny,  zjawisko  za   rezonansowego  wzmocnienia  amplitudy  drga   grozi  niebezpiecze stwem 
zniszczenia  wału  oraz  elementów  z  nim  zwi zanych.  Rezonans  wyst puje  wtedy,  gdy  cz sto   drga  
wymuszonych jest równa lub stanowi wielokrotno  cz sto ci drga  własnych zespołu wału (w dalszej 
tre ci b dziemy u ywa  skróconej formy „ wał ” na okre lenie zespołu wału). 

Cz sto   drga   własnych  wału  zale y  od  wielko ci  i  rozmieszczenia  na  nim  mas,  sposobu 

podparcia wału oraz jego własno ci spr ystych. Natomiast cz sto  drga  wymuszonych - od cz sto ci 
wymusze . Drgania wymuszone mog  by  wywołane przez:  

a)  okresowo zmienne siły styczne lub momenty skr caj ce; wywołuj  one drgania skr tne,  
b)  okresowo  zmienne  siły  poprzeczne,  np.  wskutek  niewywa enia  wiruj cej  masy;  siły  takie 

wywołuj  drgania gi tne,  

c)  okresowo zmienne siły wzdłu ne; wywołuj  one drgania wzdłu ne. 

Cz sto   wzdłu nych  drga   własnych  wałów  maszynowych  jest  zazwyczaj  bardzo  du a  i 

niebezpiecze stwo rezonansu takich drga  praktycznie w nich nie wyst puje. Rezonans drga  skr tnych 
mo e  wyst pi   w  niektórych  maszynach  o  wyra nie  zmiennej  charakterystyce  momentowej,  np.  w 
maszynach  tłokowych,  szczególnie  w  tłokowych  silnikach  spalinowych.  Natomiast  drgania  gi tne  i 
zwi zane  z  nimi  niebezpiecze stwo  rezonansowego  wzmocnienia  amplitudy  mo e  wyst pi   niemal  w 
ka dej maszynie. Jest to zwi zane zarówno z d eniem do zmniejszania wymiarów elementów maszyn, 
jak i coraz wi kszymi pr dko ciami obrotowymi, jakimi cechuj  si  współczesne maszyny. W ten sposób 
zmniejsza si  cz sto  drga  własnych wałów, zwi ksza si  za  cz sto  drga  wymuszonych. Obie te 
wielko ci  maj   zatem  tendencje  do  zbli ania  swych  warto ci,  a  to  stanowi  o  niebezpiecze stwie 
rezonansu  drga   gi tnych.  Dlatego  zajmiemy  si   tu  drganiami  gi tnymi.  Zjawisko  tych  drga  
przypomnimy sobie na przykładzie prostego układu o jednym stopniu swobody. Istota zagadnienia dla 
układów o wi kszej liczbie stopni swobody nie ulega zmianie. 

background image

Podstawy Konstrukcji Maszyn 

 

-2- 

wiczenie laboratoryjne „Wyznaczanie drga  gi tnych  wału” 

Do rozwa a  przyj to wał gładki o przekroju kołowym, wiruj cy z pr dko ci  k tow  

ω

ωω

ω

. Na wale 

tym zamocowana jest jedna masa 

m w postaci kr ka.  rodek ci ko ci tej masy O jest przesuni ty o 

odległo  

e  w  stosunku  do  osi  obrotu  wału  (rys.  1.).  Podczas  wirowania  wału  siła  od rodkowa  F

o

 

wywołuje  odkształcenie  wału,  wskutek  czego  w  miejscu  zamocowania  kr ka  wyst pi  ugi cie 

f

Wówczas promie  obrotu  rodka ci ko ci 

O kr ka wyniesie:  

 

r = f + e  

(1) 

Siła od rodkowa ma warto  

 

F

o

 = 

m 

ω

ωω

ω

(

e + f)  

(2) 

Sile tej przeciwdziała siła spr ystego oporu wyginania wału: 

 

F

s 

 = 

c 

(3) 

gdzie 

c = 48 EJ f / 

3

 - sztywno  wału (siła wywołuj ca jednostkowe ugi cie wału)  

 

Rys. 1. Schemat wału z jedn  niewywa on  mas :   a ) w spoczynku, b) w ruchu 

Z warunku równowagi sił działaj cych na wał 

 

F

o

 F

s

 = 0 

(4) 

lub po podstawieniu wzorów (2) i (3) 

 

m 

ω

ωω

ω

2

 (

f + e ) - c f = 0 

otrzymujemy 

 

1

2

=

ω

ωω

ω

m

c

e

f

 

(5) 

Je li zatem 

c /m = 

ω

ωω

ω

2

, to strzałka ugi cia staje si  niesko czenie wielka, co oznacza,  e wyst puje 

rezonans. W rozwa aniach pomini to tłumienie w zespole wału. 

Krytyczna pr dko  k towa, przy której wyst pi rezonans drga  gietnych, wynosi 

  

m

c

kr

=

ω

ωω

ω

 

(6) 

background image

Podstawy Konstrukcji Maszyn 

 

-3- 

wiczenie laboratoryjne „Wyznaczanie drga  gi tnych  wału” 

a odpowiednia pr dko  obrotowa 

 

m

c

n

kr

ππππ

30

=

 

(6a) 

Je eli do wzoru (6) podstawimy 

G

f

G

=

 oraz 

g

G

=

gdzie:  

G   - ci ar kr ka [N], 

 

f

G  

  - statyczna strzałka ugi cia pod ci arem 

G  [m],  

 

g   - przyspieszenie ziemskie (g   10 m/s 

2

), 

to otrzymamy  

 

G

G

kr

f

f

g

n

30

30

=

ππππ

 [min 

-1

(7) 

Zatem, w tym wypadku, do okre lenia krytycznej (rezonansowej) pr dko ci obrotowej wystarczy 

zna  strzałk  

f

G

 statycznego ugi cia wału pod ci arem 

G. W powy szych rozwa aniach pomini to ci ar 

własny wału.  

Przy  pr dko ci  obrotowej  wi kszej  od  krytycznej  drgania  wału  zanikaj ,  ugi cie  zmniejsza  si . 

Układ  d y  do  samo  rodkowania.  Przeprowadzaj cy  wiczenie  zechc   sami  znale   odpowied  
dlaczego?  

Jakkolwiek powinno si  d y  do pracy wału w zakresie podkrytycznym (do 0,85 

n

kr

) to mo liwa 

jest tak e jego praca w zakresie nadkrytycznym (powy ej 1,25 

n

kr

). W tym drugim wypadku konieczne 

jest jednak bardzo szybkie przej cie przez krytyczny obszar pr dko ci rezonansowych. 

2.  Cel  wiczenia 

Celem  wiczenia jest: 
I.  Zademonstrowanie  układu  (zespołu  obrotowego)  przy  pracy  w  zakresie  pr dko ci 

rezonansowej  (krytycznej).  Bezpo rednie  uczestnictwo  obserwatora  ma  uwra liwi   go  na 
niebezpiecze stwa wywołane zjawiskiem rezonansowych drga  gi tnych. 

II.  Wykazanie,  e  warto ci  pr dko ci  rezonansowych  układu  obliczone  z  zale no ci 

teoretycznych  s   identyczne  (w  granicach  bł du  pomiaru)  z  zmierzonymi  na  rzeczywistym 
obiekcie.  Jest  to  dla  przeprowadzaj cego  wiczenie  dowód,  e  na  etapie  konstruowania 
układu mo na bardzo dokładnie wyznaczy  zakresy pr dko ci rezonansowych. 

3.  Opis stanowiska 

Stanowisko do pomiaru krytycznej pr dko ci obrotowej wału przedstawiono na rys. 2. Badany wał 

(1) wraz z kr kiem (2) podparty jest w dwóch wahliwych ło yskach kulkowych (3). Odległo  mi dzy 
podporami 

l jest zmienna i mo e by  regulowana w zakresie od 600 do 800 mm. Zmian  rozstawu ło ysk 

background image

Podstawy Konstrukcji Maszyn 

 

-4- 

wiczenie laboratoryjne „Wyznaczanie drga  gi tnych  wału” 

uzyskuje si  przez przesuwanie podpory prawej (na swobodnym ko cu wałka). Równie  kr ek mo na 
przesuwa  na wale, zmieniaj c odległo  

a (dzi ki zastosowaniu wci ganej tulei sto kowej). Mo na go 

te   wymienia   na  inny.  Silnik  pr du  zmiennego  (4)  nap dza  wał  poprzez  przekładni   pasow   (5). 
Pr dko   obrotow   wału  mo na  zmienia   w  zakresie  od  0  do  2700  obr./min,  dzi ki  zastosowaniu 
falownika  czyli  regulatora  pr dko ci  obrotowej  silnika  (7).  Czujnik  zegarowy  (6)  słu y  do  pomiaru 
statycznej  strzałki  ugi cia  wału  pod  wpływem  ci aru  dodatkowego  (8)  zawieszonego  na  szalce  (9). 
Pomiar ten słu y wyznaczaniu sztywno ci wału. Pr dko  obrotow  wału otrzymuje si  po pomno eniu 
wska nika wy wietlacza falownika (7) przez 20 

 

a)  

      b) 

 

c)

 

Rys.2  Stanowisko do pomiaru krytycznej pr dko ci obrotowej wału  

a) widok ogólny (opis w tek cie), b) pomiar ugi cia wału pod obci eniem 

G  c) schemat stanowiska  

 

background image

Podstawy Konstrukcji Maszyn 

 

-5- 

wiczenie laboratoryjne „Wyznaczanie drga  gi tnych  wału” 

4.  Przebieg  wiczenia 

wiczenie składa si  z czterech etapów. (UWAGA: Etapy 1, 2, 3 i cz ciowo 4 wykonywa  przy 

odł czonym zasilaniu elektrycznym stanowiska – pokr tło wył cznika (10) ustawi  w pozycji W-W.  

Etap 1. Ustalenie warto ci stałych wielko ci badanego wału. 

1.  Posługuj c si  suwmiark  oraz przymiarem nale y zmierzy  nast puj ce wielko ci: 

a)  rozstaw  podpór  ło yskowych 

l  ( rodek  podpory  jest  oznaczony  kresk   naci t   na  obudowie 

ło yska),  

b)  odległo  pomi dzy  rodkiem kr ka ,a jedn  z podpór np. lew  (wymiar 

a na rys.2a ), 

c)  rednic  wału 

d

2.  Wyniki pomiarów nale y wpisa  do tabeli w sprawozdaniu. 
3.  Ci ar kr ka 

G (masy wiruj cej wraz z wałem) podany jest na jego stronie bocznej i wynosi 40 N. 

Etap 2. Obliczanie krytycznej pr dko ci obrotowej wału n

kr

. z zale no ci teoretycznych 

1.  Obliczy  strzałk  statycznego ugi cia wału 

f

G

 pod obci eniem 

G korzystaj c ze wzoru  

 

EJl

a

l

Ga

f

G

3

2

2

)

=

 [m], 

(8) 

gdzie:  

G   - ci ar kr ka masy wiruj cej [N] (przyj  G = 40N), 
al  - odległo ci [m], zgodnie z rys. 2, 
E   - moduł spr ysto ci podłu nej materiału wału [Pa] (dla stali E = 2,1 10

11

 Pa), 

    

 

J   - moment bezwładno ci przekroju wału [m

4

] (dla badanego wału 

J = 

π

·d

4

 / 64). 

2.   Obliczy   teoretyczn ,  krytyczn   pr dko   obrotow   wału  korzystaj c  ze  wzoru  (7).  Obliczenia 

nale y zamie ci  w sprawozdaniu. 

Etap 3. Wyznaczenie krytycznej pr dko ci obrotowej wału n

kr

 metod  pomiaru jego 

sztywno ci. 

1.  Wyznaczy  sztywno ci wału przez pomiar strzałki jego ugi cia pod wpływem ci aru 

G

d

 (rys. 2b)  

a)  Poluzowa   ruby mocuj ce osłon  (11) i odsun  j  znad kr ka (2). 
b)  Wkr ci  ucho (12) do otworu M10 znajduj cego si  na powierzchni walcowej kr ka.  
c)  Obróci  wałem tak, aby ucho znajdowało si  na dole. Nast pnie zawiesi  na nim szalk  (9).  
d)  Zamontowa  na stanowisku czujnik zegarowy (6) i przyło y  do górnej tworz cej kr ka (2).  
e)  Obci y  szalk  dodatkowym ci arem (8) (np. 

G

d

 = 20 N) i odczyta  na skali czujnika warto  

ugi cia 

f

d

 wału. Pomiar powtórzy  pi ciokrotnie, zapisuj c wyniki do tabeli w sprawozdaniu.  

UWAGA: 

Nie obci a  układu ci arem G

d

 wi kszym ni  40 N.  

f)  Sztywno  wału wyznaczy  korzystaj c z zale no ci: 

 

d

d

f

G

=

(9) 

background image

Podstawy Konstrukcji Maszyn 

 

-6- 

wiczenie laboratoryjne „Wyznaczanie drga  gi tnych  wału” 

2.  Wyznaczy  ugi cie 

f

G

 wału pod działaniem kr ka (2), którego ci ar wynosi 

G = 40 N 

 

c

G

f

G

=

 

(10) 

3.  Obliczy  krytyczn  pr dko  obrotow  wału 

n

kr

 korzystaj c ze wzoru (7).  

4.  Warto ci 

f

G

 i 

n

kr

 wpisa  do tabeli w sprawozdaniu.  

Etap 4. Pomiar krytycznej pr dko ci obrotowej wału. 

 
UWAGA: Sterowanie pr dko ci  silnika podczas pomiaru pr dko ci krytycznej wykonuje tylko 

osoba PROWADZ CA ZAJ CIA. Podczas ruchu wału nie wolno zajmowa  miejsca 
w strefie niebezpiecznej tj. w pasie o szeroko ci 2m przed wiruj cym kr kiem

 

1.  Przed uruchomieniem stanowiska pomiarowego nale y wykona  nast puj ce kolejne czynno ci: 

a)  zdemontowa  czujnik zegarowy (6) z korpusu stanowiska, 
b)  odł czy  szalk  (9) od kr ka (2) oraz wykr ci  ucho(12),  
c)  nasun  osłon  (11) na kr ek (2) i dokr ci   ruby mocuj ce j  do korpusu,  
d)  sprawdzi   czy  ruby  mocuj ce  podpory  ło ysk  nie  s   poluzowane  oraz  czy  kr ek  (2)  jest 

mocno zablokowany na wałku (1), 

e)  ustawi  pokr tło OBROTY w regulatorze pr dko ci (7) w poło enie MIN, a przycisk START-

STOP w pozycji STOP, 

f)  wł czy   wył cznikiem  (10)  zasilanie  elektryczne  stanowiska  (pokr tło  wył cznika  ustawi   w 

poło eniu Z-Z). 

Po wykonaniu powy szych czynno ci stanowisko jest gotowe do przeprowadzenia pomiarów.  

2.  Uruchomi  silnik, zwi kszaj c powoli pr dko  wału obracaj c pokr tłem OBROTY.  
3.  Prowadzi   obserwacje  drga   kr ka  (2).  Wyst pienie  widocznych  ugi   wału  poł czonych  z 

drganiami  sygnalizuje  wej cie  układu  w  obszar  pr dko ci  krytycznych,  tj.  rezonansu  drga  
gi tnych.  Dalsze  zwi kszanie  pr dko ci  wału  powoduje  zanik  drga ,  co  wiadczy  o  wyj ciu  z 
obszaru rezonansu. Przeprowadzi  obserwacj  zjawiska samo centrowania wału. 
UWAGA:  Nale y  ograniczy   czas  przebywania  wału  w  obszarze  pr dko ci  krytycznej  do 
niezb dnego minimum

4.  Przeprowadzi  pomiar pr dko ci obrotowej w momentach wej cia (

n

1

) lub wyj cia (

n

2

) układu w 

rezonans  (zakres  pr dko ci  krytycznej)  Celem  ułatwienia  pomiaru  pr dko ci  obrotowej 
zastosowano sygnał d wi kowy, który sygnalizuje znaczn  amplitud  drga  wału.  
a)  Zmniejszy  pr dko  obrotow  wału do pr dko ci podkrytycznej.  
b)  Stopniowo  zwi ksza   pr dko   obrotow   wału  do  momentu  pojawienia  si   sygnału 

d wi kowego.  

background image

Podstawy Konstrukcji Maszyn 

 

-7- 

wiczenie laboratoryjne „Wyznaczanie drga  gi tnych  wału” 

c)  Okre li   pr dko   obrotow   wału 

n

1

  odpowiadaj c   wej ciu  zespołu  w  rezonans  (warto  

wy wietlona na wy wietlaczu falownika (7) pomno ona przez 20)  

d)  Zwi kszy  pr dko  obrotow  wału do pr dko ci nadkrytycznej. Przebywanie wału w zakresie 

obrotów krytycznych powinno odbywa  si  w jak najkrótszym czasie. 

e)  Zmniejsza   stopniowo  pr dko   obrotow   wału  do  momentu  pojawienia  si   sygnału 

d wi kowego. 

f)  Okre li   pr dko   obrotow   wału 

n

2

  odpowiadaj c   pr dko ci  przy  wyj ciu  zespołu  z 

rezonansu (warto  wy wietlona na wy wietlaczu falownika (7) pomno ona przez 20)  

g)  Zmniejszy  pr dko  obrotow  wału do pr dko ci podkrytycznej. Przebywanie wału w zakresie 

obrotów krytycznych powinno odbywa  si  w jak najkrótszym czasie. 

h)  Obliczy   krytyczn   pr dko   obrotow  

n

kr

  badanego  zespołu  jako  redni   arytmetyczn  

pr dko ci 

n

1

 oraz 

n

2

 

2

2

1

n

n

n

kr

+

=

 

i)  Pomiar krytycznej pr dko ci obrotowej nale y powtórzy  trzykrotnie, a wyniki wpisa  do tabeli 

w sprawozdaniu. 

5.  .Po  zako czeniu  pomiarów  zatrzyma   silnik  nap dzaj cy  wał  ustawiaj c  pokr tło  regulacji 

obrotów  w  poło enie  MIN  a  nast pnie  wył czy   zasilanie  elektryczne  stanowiska  wył cznikiem 
(10) (pokr tło wył cznika ustawi  w poło eniu W-W) 

5.  Sprawozdanie z  wiczenia. 

We wnioskach nale y odpowiedzie  na nast puj ce pytania: 

a)  jak wpływa sztywno  wału i ci ar mas zwi zanych z nim na cz sto  drga  własnych wału, 
b)  na czym polega samo  rodkowanie si  wału w obszarze nadkrytycznym, 
c)  czym  uzasadnione  s   ró nice  mi dzy  obliczeniami  i  zmierzonymi  warto ciami  pr dko ci 

krytycznych? 

 

6.  Pytania kontrolne 

1.  Omówi  zjawisko rezonansu w zespołach wałów maszynowych 
2.  Jakie czynniki konstrukcyjne maj  wpływ na warto  pr dko ci krytycznej wału. 
3.  Omówi  metody wyznaczania pr dko ci krytycznej wału wykorzystywane w ramach  wiczenia. 

 

Literatura 

[1] 

Osi ski Z. i inni, Podstawy Konstrukcji Maszym, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1999. 

[2] 

Dietrych J., Korewa W., Kornberger Z., Koca da S., Zygmunt K., Podstawy konstrukcji maszyn, tom 

II. WNT, Warszawa, 1971.