ВИБРАЦИЯ ВАЛА

Когда знаменитый шведский изобретатель Густав Лаваль строил около 50 лет назад паровую турбину, он был озадачен следующим загадочным явлением. Если непрерывно увеличивать число оборотов машины, то вал, вращающийся долгое время спокойно, вдруг начинает бить, сотрясая всю машину и фундамент сильными толчками. Если машину немедленно не остановить, то может произойти катастрофа: вал будет исковеркан и вырван из подшипников. Но если продолжать увеличивать число оборотов, то вал постепенно успокаивается и вращается совершенно нормально. Существует, таким образом, некоторая скорость, некоторое число оборотов, являющееся критическим для вала: с такой скоростью вал вращаться не может; при числе же оборотов меньшем или большем критического вал работает спокойно.

Аналогичный случай приводит акад. А. Н. Крылов в своей книге «Вибрация судов».

«При испытании водоотливной турбины на одном из старых крейсеров произошло следующее явление: сама водоотливная центробежная помпа стояла внизу, в трюме на втором дне, а паровая машина, приводящая ее в движение, стояла на палубе и соединялась с помпой длинным вертикальным приводным валиком. Когда машине давали ход и число ее оборотов достигало, примерно, трех четвертей полного, валик начинал сильно бить, создавая угрозу, что он сломается или что его вырвет из подшипников; но если оставляли регистр (паровой клапан) открытым вовсю, так что число оборотов продолжало возрастать, то валик бить переставал и полным числом оборотов работал вполне спокойно и правильно».

Совершенно очевидно, что сила, вызывающая эту ненормальность в движении, есть сила центробежная. Правда, в идеальном случае, когда ось вращения проходит через центр тяжести вала, никакая центробежная сила не может вывести его из установленного положения, так как она действует одинаково на все симметричные точки вала; но как бы тщательно ни устанавливался вал, никогда не удается совершенно точно совместить его центр тяжести с осью вращения, всегда между ними остается некоторое, хотя бы и малое, расстояние. Это расстояние, эта эксцентричность вращающегося вала и делает возможным проявление центробежной силы.

Как известно, центробежная сила зависит от числа оборотов и от величины смещения центра тяжести вала относительно его оси. При достаточном числе оборотов вал начинает изгибаться, возрастает смещение; при дальнейшем увеличении центробежной силы смещение возрастает еще больше и т. д. Вал должен был бы неизбежно сломаться, если бы не было еще одной силы, противоположной центробежной силе. Эта сила — сила упругости вала, обусловленная его размерами и свойствами металла, из которого он сделан. Она растет почти пропорционально величине прогибания вала и стремится вернуть его в нормальное состояние. При небольшом числе оборотов обе силы находятся, приблизительно в равновесии. Но с увеличением скорости вращения вала равновесие нарушается — центробежная сила растет быстрее упругой силы: первая пропорциональна величине прогиба и квадрату числа оборотов, а вторая зависит только от прогиба.

Итак, наступает момент, когда силы перестают уравновешивать друг друга. Это и есть критическое состояние. Заметим, что переход от спокойного вращения к критическому состоянию происходит почти внезапно.

Положим теперь, что сила оборотов сильно возросла. Здесь, кроме центробежной силы, большое значение играет время. Действительно, вращение происходит столь быстро, что вал не успевает прогибаться в молниеносно изменяющемся направлении центробежной силы. Центр тяжести вала не успевает отклониться от оси вращения и остается неподвижным. Вал вращается спокойно.

Б. РЕВЗЮК