تحقیق مقاله حرکت نوسانی - سیستم های دینامیکی

مقدمه

موضوع اصلی ارتعاش بررسی حرکت نوسانی «سیستمهای دینامیکی» می باشد. سیستم دینامیکی از «پاره های مادی» پیوسته که نسبت به هم قابلیت حرکت ارتجاعی دارند تشکیل می شود. تمام اجسامی که دارای جرم و خاصیت کشسانی باشند، می توانند ارتعاش کنند.

جرم جزء لاینفک جسم بوده و خاصیت کشسانی از حرکات نسبی قسمتهای پیوسته آن ناشی می شود. سیستم ارتعاشی ممکن است ساده و یا بسیار پیچیده باشد. به عنوان مثال یک سازه یک ماشین یا اجزای آن و یا مجموعه ای از ماشین‌آلات سیستم های ارتعاشی محسوب می شوند. حرکت نوسانی می تواند اثرات نامطلوب و یا جزئی ریوی سیستم داشته و یا اصلاً لازم برای انجام کاری باشد.

هدف طراح کنترول ارتعاشات است زمانی که مضر است و تشدید و کاربرد صحیح آن است وقتی که لازم و مفید می باشد. گرچه باید گفت که در اکثر موارد ارتعاشات مضر بوده و بایستی کنترول شود. ارتعاشات در ماشینها ممکن است باعث شل شدن از کارافتادن و یا گسیختگی در قطعات شود. از موارد کاربرد ارتعاشات می توان لرزاننده ها در ریخته گری، هرس دندانه میخی ارتعاشی، ردیف کن های علوفه، غربالهای کمباین و ... در کشاورزی را نام برد.

مقصود نهایی از مطالعه ارتعاشات، تعیین اثرات آن در کارکرد و همچنین ایمنی سیستم ها می باشد. تحلیل حرکات ارتعاشی، قدم اصلی است که به سوی این هدف برداشته می شود.

ارتعاش در حین حرکت تراکتورهای کشاورزی که فاقد فنر ارتجاعی می باشند سرعتهای مؤثر آنها را محدود می کند و باعث ناراحتی و بعضی اوقات آسیب رسیدن دراز مدت به رانندگان می گردد. با بکارگیری مدل مناسب و تحلیل ریاضی می توان اثرات ارتعاش در حین حرکت تراکتور در مرحله طراحی را تعدیل کرده و باعث بهتر شدن حرکت تراکتور گردیم.

بررسی مدل تراکتور در راستای طولی که توسط بسیاری از مولفین بکار رفته است عمدتاً در سطح ارتعاشی روندهای ساده ای را تخمین می زند. بررسی ارتعاش بدنه تراکتور و رابطه بین تایر و سطح زمین در حین حرکت کافی می باشد.

ارتعاشات چیستند و چگونه ایجاد می شوند؟

موضوع علم ارتعاش، بررسی «حرکات سیستم های دینامیکی» است. هر پاره فیزیکی که قابلیت کسب و از دست دادن انرژی پتانسیل (در اثر تغییر مکانهای نسبی) و همچنین انرژی جنبشی را دارا باشد سیستم دینامیکی گویند. از ویژگی های چنین سیستمی همانا قابلیت آن برای حرکات نوسانی است. یعنی اینکه اگر از حالت تعادل خارج شود، نیروی مربوط به انرژی پتانسیل میل به برگرداندن سیستم به حالت تعادل داشته و درنتیجه طبق قانون دوم نیوتن به جرم در این جهت شتاب خواهد داد. بدین سان جرم سرعت گرفته و دارای انرژی جنبشی می شود. این انرژی بنوبه خود پس از گذشتن جرم از موقعیت تعادل دوباره به انرژی پتانسیل تبدیل می شود و اگر عامل مستهلک کننده ای در سیستم موجود نمی بود این فرابرد (تبدیل انرژی ها) برای همیشه ادامه پیدا می کرد. لیکن خاصیت میرایی که در اثر اصطکاک حاصله از حرکات نسبی بین نقاط مختلف ظاهر می شود با در حالت و وترکیبی مختلف و گوناگون از مکانیسمهای مستهلک کننده، همواره در سیستمها موجود است و درنتیجه باعث می شود که سیستم بالاخره از حرکت باز ایستد. خاصیت میرایی ممکن است به میزانی برسد که دیگر حرکت نوسانی امکانپذیر نبوده و حرکت فقط به یک طرف از موقعیت تعادل محدود شود (حرکت آپریودیک – غیر پریودیک).

بنابراین پارامترهای یک سیستم دینامیکی عبارتند از: جرم، ثابت فنر و ثابت مستهلک کننده دیسکوز. از آنجا که این پارامترها در حالت عمومی پایا فرض می شوند آنها را اجزای غیر فعال (passive) گویند. حال آنکه عوامل ایجاد کننده ارتعاشات را که «نیرو» و یا «نیرو های خارجی» هستند، چون با زمان تغییر می کند فعال (active) نامند. این «نیروها» ممکن است به صورت پریودیک (مثال هارمونیک ساده) آپریودیک (مانند ضربه) و یا استوکوستیک (رندم یا شاسی) به سیستم وارد آیند. مطالعه ارتعاشات حاصله از عوامل فوق بترتیب مشکل تر می شود.

باید خاطر نشان ساخت که گرچه عوامل ایجاد کننده ارتعاشات همواره «نیروهای خارجی» هستند، لیکن در بسیاری از موارد این نیروها به صورت نیرو های اینرسی (در اثر نامیزانی در ماشینها) و یا نیروهای ناپایداری، در خود سیستم دینامیکی ظاهر می شوند (نیروی محرک تابع جابجایی و یا سرعت است) که در حالت آخری آن را ارتعاشات خود محرک (self – excited ribration) گویند.

در ماشین‌آلات ممکن است تنها مقدار جبری نیرو یا زمان تغییر کند که در این صورت آن را نامیزانی رفت و آمدی نامند یا آنکه مقدارش ثابت بوده و تنها جهتش تغییر کند که آن را نامیزانی گردان گویند. این نیرو که توسط لنگی در مکانیسمهای گردان ایجاد می شود عامل اصلی ارتعاشات در ماشین‌آلات می باشد. البته در بعضی از موارد ترکیبی از دو حالت فوق نیز در ماشین‌آلات دیده می شود.

همانگونه که علم مقاومت مصالح گسترش مباحث مربوط به تعادل سیستمها (استاتیک) به منظور بدست آوردن تنشها و تغییرمکانهای موضعی است، علم ارتعاشات نیز در حقیقت گسترش علم دینامیک برای یک «سیستم دینامیکی» به همین منظور است. بنابراین مدلهای فیزیکی «ذره» و «جسم صلب» که برای تعادل و یا دینامیک جامدات بکار گرفته می شوند در این مباحث از درجه اعتبار ساقط بوده و در عوض از مدل فیزیکی «کونتینوم» ممتد تغییر شکل پذیر استفاده می شود. گرچه این مدل، برای تسهیل در روشهای تقریبی ممکن است به مدلهای ناب «ذره» و «قطعه الاستیک» (lumped mass method) ساده شوند، ولی باید به خاطر داشت استخوان بندی مدل هنوز کونتینوم است و تنها مقیاس بزرگتر می شود. بنابراین ارتعاشات مکانیکی را می توان به علت استفاده از مدل کونتینوم، بخشی از علم دینامیک در سطح بالا دانست. در اینجا تغییر مکانها و یا تنشهای موضعی مدنظرند و درنتیجه بردارها همه بسته اند.

اثرات ارتعاشات بطور کلی:

حرکات نوسانی در سیستمها اگر بی اهمیت نباشند در اغلب موارد اثرات نامطلوب داشته و فقط در موارد نسبتاً محدودی در مکانیک مهندس قصداً بکار گرفته می شوند. به چند نمونه از اثرات نامطلوب ارتعاشات ذیلاً اشاره شده است.

بطور کلی اختلال در کار عادی ماشین‌ که در موارد تشدید و ارتعاشات خود محرک می تواند باعث از هم پاشیدگی و شکستن قطعات آن شود برای مثال (chatter) در ماشینهای تراش عامل اصلی در محدود کردن بازدهی ماشین محسوب می شود. «چتر» باعث می شود سطح تراشیده شده دارای ناهمواریهای موجی شکل نامطلوب شده و در حالت ناپایدار اگر استهلاک کافی در سیستم پدیدار نشود ممکن است به علت ازدیاد مدلوم دانه، بالاخره باعث شکستن قلم تراش بشود.

از اثرات بسیار معمول ارتعاشات در ماشین‌آلات به شکل شدن اتصالات، انتقال نیرو به یاتاقانها و پایه ها و درنتیجه انتقال ارتعاشات به کف و وسایل مجاور است که غالباً باعث اختلال و کارکرد عادی آنها می گردد. از طرفی ارتعاشات باعث ایجاد تنشهای اضافی می شود که اگر هم به لحاظ خستگی منشاء اثرات نامطلوبی نباشند مسلم است که در اثر استهلاک حاصل مقداری انرژی به صورت حرارت تلف می شود.

از نقطه نظر «ارگونومیک» نیز اثرات نامطلوب و حتی خطرناک ارتعاشات باید مد نظر مهندسین قرار بگیرد. حرکات ارتعاشی وقتی به صورت امواج از قطعات به هوا منتقل می شوند باعث ناراحتی تن و روان می گردند. چه این امواج قابل شنیدن (حدود 15HZ الی 20HZ) باشند. مثلاً در نیروگاهها و چه قابل شنیدن نباشند مانند امواج حاصله از ارتعاشات بعضی از قطعات خودروها و تراکتورها.

مرضی مدرن موسوم به (Chain – saw Desease) که تنها از سالهای 1970 به بعد تشخیص داده شد در اثر ارتعاشات منتقل شده به عضلات انسان بروز می کند. این با درجات گوناگون از پیشرفتگی در 80 درصد کارگران صنایع کشاورزی ژاپن دیده شده است. ارتعاشات حاصله از ادواتی که متداوماً بکار می روند باعث انقباض شریان ها شده و بالاخره باعث مرگ میگردد.

نتیجه بررسی محققین انگلیسی روی اثرات رفت و آمد که مستمر خودروها در بزرگراهها که در سال 1979 منتشر شد نشان می دهد. محیط زیست اطراف این بزرگراهها تحت تأثیر نوسانات حاصله از حرکت مداوم خودروها تغییرات محسوس و چشمگیری پیدا نموده است. اجتماع غیر عادی و همیشگی پرندگان برای صید کرمهای خاکی که در اثر نوسانات به روی سطح زمین می آیند و همچنین رویش بیش از اندازه بعضی از گیاهان حول و حوش این بزرگراهها را نسبت به سایر نقاط کاملاً متمایز ساخته است.

با توجه به نکات فوق و همچنین استفاده روز افزون از ابزارهایی که تحت شرایط ارتعاشی کار می کنند مانند ریلهای بادی و غیره ... و با درنظر گرفتن اینکه قدرت و دور ماشینها روز به روز با استفاده از مصالح پر مقاومت و جدید بیشتر می شود مطالعه سیستم های دینامیکی به منظور کنترول ارتعاشات بیش از پیش برای طراحان لازم می نماید.

بنابراین هدف طراح از یک طرف کنترول ارتعاشات است. زمانی که مضر است و از طرف دیگر تشدید و کاربرد صحیح آن است وقتی که مفید باشد. گرچه باید گفت که در اکثر موارد ارتعاشات مضر بوده و بایستی کنترول شود.

درجه آزادی یک سیستم دینامیکی

در بررسی ویژگی های دینامیکی یک سیستم ابتدا باید درجه آزادی آن تعیین شود. درجه آزادی یک سیستم دینامیکی تعداد مینیمم متغیرهای مستقل از هم است که برای مشخص کردن موقعیت آن در فضا لازم می باشد. یک «ذره» در فضا دارای 3 درجه آزادی است. حال آنکه یک جسم صلب می تواند تا شش درجه آزادی داشته باشد (سه درجه انتقالی و سه درجه دورانی) همچنین یک جسم الاستیک دارای درجه آزادی بینهایت خواهد بود (سه درجه برای هر ذره از آن) ولی در اغلب موارد چنین جسمی را می توان به اجرام بدون الاسیسته (صلب) و المانهای الاستیک بدون جرم تفکیک نمود. بدین وسیله مقدار درجه آزادی را محدود نمود. بررسی مؤثر سیستم ها با درجه آزادی بینهایت از طریق تحلیلی عملی نمی باشد.

چه این روشها اگر هم به نتیجه ای برسد به دلیل اینکه در این راه اطلاعات زیادی می بایست جمع آوری گردد (که بیش از اندازه لزوم است) بازدهی مؤثر آن در مقابل صرف انرژی و وقت زیاد به هیچ وجه قابل توجیه نمی باشد. استفاده از کامپیوتر در روشهای آنالیز عددی، در بررسی سیستمهایی که بدین طریق ساده شده اند نتایجی بسیار سریع و با دقت کافی را بدست می دهد.

شبیه سازی ارتعاش وارد بر تراکتور قبل از طراحی

مقدمه:

ارتعاش در حین حرکت تراکتور های کشاورزی در طول عملیات بر روی سطوح طبیعی غالباً از سطحهای پذیرفته شده بین المللی نسبتاً زیادتر می باشد. صندلی های فنردار که در حال حاضر مناسب برای اکثر تراکتورهای اروپایی می باشد ترکیب عمودی ارتعاش وارد بر راننده را بطور جدی کاهش می دهد. با این وجود هنوز ارتعاش بطور نامطلوبی بالا می باشد. جهت توسعه بیشتر با کمک این روش پتانسیل عمل کمتری نیاز می باشد. تلاش جدی جهت کاهش دادن بیشتر سطوح ارتعاشی تولید شده در تولید تراکتورها عموماً منجر به فنردار بودن اکسل و یا چرخ می گردد. علی رغم اینکه هزینه رسیدن به درجه مفیدی از سازگاری با تعلیقات تراکتور در اکثر تراکتورهای کوچک و بزرگ اندازه مانع بکار بردن آنی می شود که مسئله ارتعاش مهمتر است. سایر روشهای کاهش دادن ارتعاش تراکتور در حین حرکت تقریباً پرهزینه می باشند اما کاربرد کمتری دارد. از جمله این روشها عبارت است از به تعلیق در آوردن کابین راننده به کمک قلاب های یدک کش فنری. ارتعاش در حین حرکت دامنه وسیعی از تراکتورها بیش از چند سال در «NIAE» اندازه گیری شده اند.