Причиной радиального биения может быть поступательное или угловое смещение геометрической оси относительно оси вращения, несовершенство боковой поверхности вращения (например, овальность, огранка), местный дефект, статический или динамический изгиб. Прирадиальной или угловой несоосности двух валов или подшипников одного вала возникает вибрация кронштейнов подшипников.

Валы обладают собственными частотами изгибной вибрации. Частоты вращения вала, соответствующие этим собственным частотам, называют критическими, поскольку при них прямолинейная форма геометрической оси вала становится неустойчивой, вал изгибается, вследствие чего возникает интенсивная вибрация подшипников и машина может выйти из строя. Если максимальная частота вращения вала меньше первой (самой низкой) критической частоты, то вал принято называть жестким, в ином случае — гибким.

Неуравновешенность вращающегося вала разделяют на статическую, мо-ментную и динамическую. Ось вращения сбалансированного вращающегося тела совпадает с одной из главных центральных осей инерции. Последняя при статической неуравновешенности параллельна оси вращения, при мо-ментной — пересекается с осью вращения в центре массы, а при динамической (которая является сочетанием статической и моментной) или расположена под углом к оси вращения, или пересекается с нею вне центра массы, или перекрещивается.

При высокой частоте вращения даже небольшая неуравновешенность может вызвать недопустимо сильную вибрацию. Для ее предотвращения или устранения выполняют балансировку с помощью специальной аппаратуры. Сущность балансировки заключается в образовании соответствующих противовесов (путем наплавки, высверливания, сшлифовывания) в определенных аппаратурой сечениях тела. Если вращающийся элемент жесткий, то для статической балансировки достаточно образовать противовес в одном сечении, а для динамической — в двух сечениях. Значительно сложней балансировка гибких валов.

Механические передачи при определенных условиях становятся источниками значительной вибрации, а следовательно, и шума. В наибольшей степени это относится к зубчатой и цепной передаче. При биении зубьев и неуравновешенности зубчатого колеса возбуждается вибрация с частотой его вращения. При чрезмерном зазоре между зубчатыми колесами, а также при неправильном профилировании зубьев и погрешностях их шага возникает ударная вибрация с частотой прохождения зубьев. В течение начальной стадии эксплуатации машины вибрация и шум нередко постепенно снижаются в результате приработки деталей, участвующих в передаче движения. В ходе дальнейшей эксплуатации вибрация и шум снова возрастают вследствие изнашивания деталей механизма и остаточной деформации соприкасающихся поверхностей.

Подшипники качения возбуждают вибрацию в широкой полосе частот. Она как правило отличается невысокой интенсивностью, но имеет важное диагностическое значение для оценки состояния подшипниковых узлов. В числе источников вибрации подшипников качения можно назвать несовершенство формы, волнистость и шероховатость беговых дорожек и тел качения, погрешности посадки колец подшипников и соосности, неодинаковые диаметры тел качения, удары сепараторов, динамические и температурные деформации элементов подшипника.

Более спокойны в работе подшипники скольжения, если правильно назначены и соблюдены допуски диаметральных размеров шеек вала и подшипников, обеспечены тщательная сборка и надлежащая эксплуатация. Тем не менее при повышенном зазоре между шейками вала и подшипниками и недостаточном смазывании или малой вязкости смазочного масла может возникнуть сильная вибрация высокой частоты.

Вибрация от источника ее возбуждения передается другим элементам конструкции машины благодаря распространению в них упругих волн.

Если один из элементов имеет собственную частоту, близкую к частоте вибрации, то возникает резонансное повышение интенсивности вибрации этого элемента. Повышенная вибрация вызывает шум и приводит к ускоренному накоплению усталостных дефектов в материале элемента.

В принципе имеется несколько путей снижения или устранения интенсивной резонансной вибрации детали. Во-первых, на стадии конструирования следует принять меры к предотвращению близости собственных частот детали к имеющим практическое значение гармоникам вибрации. Во-вторых, усилить демпфирование для исключения или ослабления резонанса. В-третьих, установить виброизолятор на пути распространения вибрации. В-четвертых, применить динамическое виброгашение.

Изменение собственных частот элемента может быть достигнуто заменой материала детали другим, отличающимся модулем упругости и плотностью, или изменением конфигурации детали, или изменением числа, или выбором других мест приложения связей с другими деталями. Если изменение одной из собственных частот детали необходимо произвести минимальными изменениями конструкции, то уменьшение или увеличение массы следует осуществить вблизи пучностей виброперемещения данной собственной формы, а изменение жесткости — вблизи пучности деформации.

Нередко даже значительная перестройка собственных частот не дает заметного эффекта. В первую очередь причиной этого бывает действие периодических ударов. Чем более резки и коротки эти удары, тем больше высших гармоник имеет спектр вынужденной вибрации. При этом имеется полоса частот, занятая близко расположенными гармониками со значительными амплитудами виброперемещения.

При невозможности или нецелесообразности предотвращения резонансов путем отстройки собственных частот деталей в форме стержней, пластин, оболочек, прибегают к вибродемпфированию. Снизить интенсивность вибрации тонкостенной детали можно нанесением на ее поверхность слоя демпфирующей мастики, которая затвердевает при нормальной температуре или подлежит кратковременному запеканию при температуре 70… 170 °С (в зависимости от материала мастики). Применяют также приклеивание к поверхности детали специальными клеями листов твердого демпфирующего материала.

Многие демпфирующие материалы изготовлены на основе асфальта, различных смол и пластмасс. Некоторые из демпфирующих покрытий гомогенны. Часть из них проявляет упруго-вязкие свойства и хорошо подавляет высокочастотную вибрацию. Другая их часть, а также покрытия из материалов с порошковыми или волокнистыми заполнителями проявляют упруговяз-копластические свойства и хорошо снижают низкочастотную вибрацию.

С помощью однослойного демпфирующего покрытия обычно не удается получить относительное демпфирование больше 0,2. Более сильного демпфирования можно добиться применением покрытия из ряда слоев металлической фольги, связанных между собой и с поверхностью детали слоями клея, обладающего сильной демпфирующей способностью. Благодаря большой разнице в модулях жесткости фольги и клея и вследствие малой толщины клеевого слоя в нем при изгибах детали развиваются большие деформации сдвига, обеспечивающие эффективное демпфирование.

Замена металлических деталей пластмассовыми приводит к значительному снижению интенсивности вибрации, причем надлежащим выбором пластмассы добиваются почти полного устранения высокочастотной вибрации. Одновременное резкое снижение низкочастотной вибрации достигается применением деталей из армированных волокнами пластмасс, например, из стеклопластиков. Заменяя металлическую деталь пластмассовой, следует определить ее собственные частоты, которые будут сильно отличаться от собственных частот металлической детали ввиду огромного различия модулей жесткости, а также плотности, формы, размеров сечений.

Виброизоляция — это метод защиты от действия вибрации путем размещения между источником вибрации и защищаемым объектом деформируемых устройств — виброизоляторов. Основная часть виброизолятора — упругий элемент надлежащей жесткости. Демпфирование в зависимости от обстоятельств может либо ухудшать, либо улучшать виброизоляцию. Виброизоляцию можно оценивать коэффициентом передачи, представляющим собой отношение амплитуд или средних квадратических значений виброскорости защищаемого объекта к виброскорости источника вибрации.

Рассмотрим простейший вариант, когда источник вибрации, виброизолятор (состоящий из параллельно расположенных пружины и демпфера) и защищаемый объект можно схематизировать линейной системой с одной степенью свободы.

Из приведенной зависимости вытекают следующие закономерности изоляции установившейся вибрации: эффективность виброизоляции возрастает с увеличением отношения частоты вибрации к собственной частоте и с уменьшением относительного демпфирования. Первая закономерность отражает фильтрующую способность виброизолятора, представляющего собой фильтр нижних частот. В рассмотренной схеме при повышении частоты вибрации в 2 раза ее передача данным виброизолятором снижается не менее чем в 4 раза.

Вместе с тем некоторое демпфирование полезно в тех случаях, когда при пуске или останове машины происходит недостаточно быстрое прохождение резонанса на виброизоляторе. Демпфирование эффективно в условиях действия одиночных импульсов и сравнительно редких случайных толчков и сокращает продолжительность переходного процесса, вызванного такими воздействиями.

Существуют много конструкций виброизоляторов. Применяют как одно-каскадную (одноступенчатую) виброизоляцию, так и многокаскадную, при которой виброизоляторы устанавливают между несколькими последовательно расположенными частями машины.

Если вибрация синусоидальна или одна или несколько гармоник опасны, то виброизоляция невозможна, либо малоэффективна, либо слишком сложна, то в таких случаях может оказаться целесообразным иной метод защиты — динамическое виброгашение, сущность которого заключается в присоединении к защищаемому объекту устройства (динамического виброгасителя), реакция которого снижает вибрацию объекта.

В простейшем случае, когда необходимо снизить гармоническую вибрацию или лишь одну гармонику многочастотной вибрации, динамический виброгаситель может состоять из пружины и прикрепляемого к одному ее концу инерционного элемента — твердого тела подходящих формы и размеров. Другой конец пружины присоединен к защищаемому объекту. Массу инерционного элемента и жесткость пружины подбирают такими, чтобы собственная частота динамического виброгасителя была равна частоте подлежащей снижению вибрации.

При такой настройке возникает вибрация инерционного элемента, противофазная вибрации объекта, которая снижается действием колеблющейся реактивной силы пружины. Если настройка точна, вибрация объекта стабильна и отсутствует демпфирование колебаний инерционного элемента, то происходит полное подавление вибрации защищаемого объекта. Для одновременного снижения двух или нескольких гармоник могут применяться динамические виброгасители более сложной конструкции.

При необходимости находят применение средства индивидуальной защиты, основанные на использовании виброизоляции. К этим средствам относятся коврики из высокоэластичных материалов, мягкие сиденья, специальная обувь на утолщенных виброизолирующих подошвах, виброизолирующие перчатки и рукавицы.