Простейшая система виброизоляции.

Система с одной степенью свободы, возбуждаемая гармонической силой F cos(ω_f t), показана на рис. 4.26. Решающими параметрами виброизолирующего крепления служат жесткость применяемых амортизаторов и масса механизма. Эти два параметра определяют основную частоту колебаний

ω _о = √ k/m,

где ω_о = 2πf₀ - собственная частота колебательной системы,

k – жесткость амортизатора, m – масса механизма.

На рис. 4.26 приведены кривые коэффициентов передач T_F = F_u / F при различных коэффициентах потерь ζ.Обозначения: F — амплитуда возмущающей силы; F_u — амплитуда силы, переданной на фундамент.

Коэффициент передачи T_F зависит, в основном, от величины отношения частоты f_f возмущающей силы к частоте собственных вертикальных колебаний f₀.

Эффективность виброизоляции амортизированной системы несколько уменьшается при ее демпфировании, однако в некоторой степени оно целесообразно, так как ограничивает амплитуду колебаний при прохождении диапазона резонансных частот.

 

Для простой системы без демпфирования коэффициент передачи определяется формулой

 

 

(4.44)

 

Рис. 4.26.Система с одной степенью свободы

 

В некоторых случаях возмущающая сила воздействует на механизм непосредственно через фундамент (см. рис. 4.26). Если допустить, что фундамент совершает гармонические колебания scos (ω_ft) (кинематическое возбуждение), то коэффициент передачи по смещению Т_А выражается формулой

 

(4.45)

 

 

где S_k — амплитуда вибрации механизма. Очевидно, что

 

T_A = T_F

 

Когда механизм возбуждается силой с постоянной амплитудой и частотой F cos (ω_f t), амплитуда его вибрации зависит от жесткости крепления.

Если f < f_0, сила действует как статическая, полностью передаваясь фундаменту, т.е. T_F = 1 (виброизоляция равна 0). При f_f = f₀ имеет место явление резонанса. Величина амплитуды колебаний будет зависеть от коэффициента потерь.

Начиная со значения f_f = f₀ √2 T_F становится меньше 1, уменьшаясь с увеличением частоты. При f_f / f₀ ≥ 3 виброизоляцию можно оценить по формуле ВИ = 40 lg (f_f / f₀). Резонансную частоту f₀ можно определить по формуле

 

 

(4.46)

 

Статическая осадка х_ст [м] определяется х_ст = P / K, где Р - вес машины в кГ, К – упругость (или жесткость) амортизатора в кГ/м. Статическая усадка упругого амортизатора должна составлять 10-20 % от его толщины.

Пример. Если амортизатор под действием веса машины дал статическую осадку 0,0004 м, то частота собственных колебаний будет:

f₀ = 0,5 / √x_СТ = 0,5 / √0,0004 = 25 Гц

 

В общем случае виброизоляция является величиной, обратной коэффициенту передач

ВИ = 20 lg 1/ T_F = 20 lg [(f_f / f₀)² – 1] (4.47)

Виброизоляция осуществляется путем установки источников вибрации на виброизоляторы (рис. 4.27.), а также гибких вставок в коммуникациях воздуховодов; применения упру­гих прокладок в узлах крепления воздуховодов, в пере­крытиях, несущих конструкциях зданий, в ручном меха­низированном инструменте и т. д.

В машиностроении для виброизоляции стационарных машин с вертикальной вынуждающей силой чаще всего применяют резиновые, пружинные и комбинированные виброизоляторы. Комбинированный виброизолятор пред­ставляет собой сочетание пружинного виброизолятора с упругой прокладкой; при этом достигается необходимая широта диапазона гасимых колебаний.

Рис. 4.27. Виброизолирующие основание для центробежного вентилятора:

1 – вентилятор;

2 - рама;

3 – пружинный виброизолятор;

4 - фундамент.

 

 

Упругие элементы могут быть металлическими, полимерными, волокнистыми, пневматическими, гидравли­ческими, электромагнитными.

Вибропоглощение (вибродемпфирование). Для оценки эффекта вибродемпфирования в конструкциях и элементах конструкций используется коэффициент потерь η, характеризуемый отношением энергии, поглощаемой в системе за цикл колебаний (W_Погл), к максимальной потенциальной энергии в системе (W_Пот)

(4.48)

 

 

Вибродемпфирующие покрытия (ВДП), можно разбить на че­тыре типа, различающиеся по виду деформации, определяющей основное поглощение вибрации (табл. 4.10): жесткие, армиро­ванные, мягкие, комбинированные.

Жесткие ВДП. В этих покрытиях поглощение энергии при колебаниях изгиба обусловлено главным образом деформа­циями растяжения — сжатия вдоль поверхности деформируемой пластины. Покрытия называют жесткими условно, так как в действительности они изготовляются из материалов, модуль упругости которых на несколько порядков меньше модуля упру­гости металла. Существует вариант жесткого покрытия с так называемым отнесенным демпфирующим слоем, который отде­лен от демпфируемой пластины прослойкой пенопласта. Отне­сение демпфирующего слоя от нейтральной плоскости пластины увеличивает деформации растяжения — сжатия при колебаниях пластины, а следовательно, и потери колебательной энергии в покрытии.

Жесткие покрытия эффективны на низких частотах коле­баний, на высоких частотах их эффективность падает (рис. 4.28).

Для жестких вибропоглощающих покрытий разрабатываются материалы на основе полимеров и жидких смол с наполните­лями, физико-механические свойства которых зависят от тем­пературы. Рабочая область температур различна для разных материалов и составляет от 20 до 70 °С.

Выпускают ВДП в виде листовых материалов или мастики. Первые наносятся на демпфированную пластину с помощью различных клеев, вторые — напылением или шпателированием. Некоторые из материалов требуют специальной термообра­ботки.

Армированные ВДП. В этих покрытиях вследствие введения металлического (армирующего) слоя основное поглощение ви­брации определяется деформациями сдвига демпфирующего слоя.

 

Рис. 4.28. Характерные частотные зависимости коэффициентов по­терь различных типов ВДП:

1 — жесткого; 2 — жесткого с проклад­кой; 3 — армированного; 4 — мягкого; 5 — комбинированного (мягкого с тон­ким металлическим поверхностным слоем)

 

 

Если толщина армирующего слоя близка к толщине демп­фируемой пластины, то покрытие называется слоеным, или «сандвичем». В этом случае армирующий слой может выполнять одновременно функцию несущей конструкции.

Для армированных ВДП характеристика вибропоглощения имеет вид широкой резонансной кривой с максимумом в об­ласти средних звуковых частот (см. рис. 4.28).

Армированные ВДП — это многослойные специально изго­товляемые конструкции. Так, ВДП «Полиакрил-В» состоит из армирующего слоя (алюминиевая фольга) толщиной 0,06 мм и липкого вязкоупругого толщиной 0,1 мм, соединяющего ВДП с демпфируемой пластиной.

 

Мягкие ВДП. В этих покрытиях энергия поглощается прежде всего вследствие колебаний растяжения — сжатия в направлении, перпендикулярном к поверхности демпфируемой пластины.

Принцип действия этих покрытий основан на том, что при определенных частотах, когда по толщине покрытия уклады­вается целое число полуволн, покрытие интенсивно поглощает колебания пластины. Поскольку для покрытий этого типа используют резины и пластмассы с малым модулем упругости, волновые резонансы начинаются на частотах в несколько сотен герц. Коэффициент потерь этих материалов достаточно высок — 0,3-0,6, а характеристика поглощения вибрации имеет вид пологой кривой, расположенной в широком диапазоне частот, ют низких до высоких (см. рис. 4.28).

Эффективность мягких ВДП возрастет, если в резиновом массиве сделать воздушные полости.

Соотношение толщины демпфируемой пластины и мягкого покрытия находится в пределах h / h₂ = 2 - 3.

Комбинированные ВДП. Комбинированные ВДП представ­ляют собой многослойные конструкции, сочетание покрытий различных типов. Они обеспечивают поглощение вибрации в более широком диапазоне частот, чем покрытия одного типа (см. рис. 4.28), или увеличение коэффициента потерь в задан­ном частотном диапазоне.

Коэффициент потерь комбинированного ВДП

(4.49)

 

 

где η_i — коэффициент потерь, обусловленный i-u механизмом поглощения вибрации.

 

Таблица 4.10

Классификация вибродемпфирующих покрытий

 

Виброгашение. Одним из средств борьбы с вибрацией является применение динамических успокоителей колебаний или виброгасителей. Виброгаситель, настраиваемый на одну частоту, представляет собой массу, укрепленную на пружине. При этом соотношение массы гасителя и коэффициента жесткости пружины подбирается таким образом, чтобы, собственная частота колебаний гасителя была равна частоте вынуждающей силы. В этом случае, присоединенная система (гаситель) приходит в резонансное колебание, а главная система прекращает колебательное движение.

 

По принципу действия виброгасители подразделяются на динамические и ударные. Динамические виброгасители по конструктивному признаку могут быть пружинными, маятниковыми, эксцен­триковыми, гидравлическими. Обычно они представляют собой дополнительную колебательную систему, крепя­щуюся на вибрирующем агрегате и настроенную таким образом, что в каждый момент времени возбуждаются колебания, находящиеся в противофазе с колебаниями агрегата.

Эффективность действия виброгасителей ограничи­вается агрегатами с дискретным возмущающим воздей­ствием практически одной частоты. Ориентировочно маятни­ковые ударные виброгасители используют для гашения колебаний с частотой 0,4—2 Гц, пружинные — 2—10 Гц, плавающие — выше 10 Гц.

Динамическое виброгашение осуществляется также при установке агрегата на массивном фундаменте.

 

Средства индивидуальной защиты от вибрации классифицируются на средства защиты рук (рукавицы, перчатки и др); средства индивидуальной защиты для ног (обувь, наколенники и др.); специальная одежда.

Методы измерения вибрации.

Измерение вибрации проводят для санитарно-гигиенической оценки условий труда и при определении норм вибрации машин и оборудования. В первом случае выполняют измерения нормируемых параметров вибрации на рабочих местах, во втором измерению подлежат вибрационные характеристики (кинематические или динамические параметры), которые должны быть внесены в технические условия на конкретные машины или в стандарты на группы машин.

Измерительная аппаратура должна удовлетворять требованиям ГОСТ 12.4.012-83. В настоящее время идет пересмотр этого стандарта с целью введения международного стандарта ИСО 8041.

Измерение вибрации на рабочих местах. Требования к измерению вибрации на рабочих местах устанавливает ГОСТ 12.1.012-90.

Измерения вибрации выполняют при аттестации рабочих мест по условиям труда и затем периодически для локальной вибрации не реже 2 раз в год, для общей - не реже раза в год.

Отбор рабочих мест при выборочном контроле вибрации на рабочих местах должен производиться по методике, разработанной для конкретного производства и согласованной с организациями или службами, по указанию которых он проводится.

Средства измерений должны иметь действующее свидетельство о поверке.

Контроль вибрации проводят в точках и направлениях, для которых установлены нормативные значения. Допускается проводить измерения в других, более удобных для контроля точках рабочего места, тела оператора, если установлены достоверные взаимосвязи (аналитические зависимости, передаточные функции, коэффициенты, поправки и другие показатели) между выбранным местом и точкой, для которой установлены нормы вибрации.

Способ и устройство крепления вибропреобразователя не должны оказывать влияния на характер контролируемой вибрации и вносить погрешность в измерения. Предпочтительным креплением вибропреобразователя является резьбовая шпилька. Собственная частота закрепленного преобразователя с деталями для крепления должна быть не менее удвоенной верхней частоты измеряемого диапазона: не ниже 2000 Гц при измерении локальной вибрации и не ниже 200 Гц при измерении общей вибрации.

Предельная погрешность измерения не должна быть более ±3 дБ при доверительной вероятности 0,95.

Требования к методам измерения вибрации установлены в обязательном приложении 9 ГОСТ 12.1.012-90. Они содержат требования, предъявляемые к подготовке измерений, требования к проведению измерений и требования к обработке результатов измерений и конкретизируют указанные выше общие требования применительно к каждому этапу выполнения измерений. Так, для постоянного рабочего места допускается располагать точку измерения рядом с местом контакта оператора с вибрирующей поверхностью при условии, чтобы измеряемый параметр отличался от значений в месте контакта не более чем на 1 дБ, а для непостоянного рабочего места допускается уменьшать объем измерений за счет выполнения их только в одной или двух точках с максимальной вибрацией на пути перемещения оператора в пределах рабочей зоны. Регламентированы требования к форме, материалу, весу и способу установки переходных и промежуточных элементов (адаптеры, платформы, упругий диск, кубик и пр.), к которым следует крепить вибропреобразователь, с тем чтобы согласовать удобство проведения измерений и требование обеспечения линейности амплитудно-частотной характеристики во всем измеряемом частотном диапазоне. При различных нормах и коррекциях по частоте общей вибрации обязательным является измерение в вертикальном направлении, а в горизонтальной плоскости допускается проведение измерения только в направлении максимальной вибрации. При одинаковых нормах локальной и общей вибрации и одинаковых коррекциях по частоте допускается производить измерения только в одном направлении, если значение измеряемого параметра в нем не менее чем в два раза превышает его значения в других направлениях. Измерения в одном направлении допускаются также в случаях, когда известны значимые корреляционные зависимости между вибрацией в разных направлениях.

Перед началом измерений и в конце их следует проводить калибровку всего измерительного тракта по ГОСТ 12.4.012-83. Результаты калибровки не должны различаться более чем на 1 дБ.

При проведении измерений время г усреднения (интегрирования) прибора при измерении локальной вибрации должно быть не менее 1 с, а общей вибрации - не менее 10 с.

Измерения проводят непрерывно или через равные промежутки (дискретно).

Непрерывные измерения характеризуются временем измерения, равным длительности накопленного сигнала, записи и фиксации вибрационного процесса, которая при измерении спектров и корректированных по частоте значений устанавливается не менее 3τ, а при измерении эквивалентного корректированного значения контролируемого параметра - не менее 5 мин для локальной вибрации и не менее 15 мин для общей вибрации.

Возможность использования результатов одного наблюдения для характеристики вибрационного воздействия за рабочую смену проверяется либо сравнением полученного результата с результатом непрерывного измерения за смену, либо последовательной статистической обработкой результатов, полученных при последовательном выполнении наблюдений указанной длительности.

Дискретные измерения характеризуются временем (интервалом) между последовательным снятием отсчетов. Интервал между отсчетами должен быть кратен значениям τ, принятым для локальной и общей вибрации, и соответствовать реальным физическим возможностям человека, производящего измерения и фиксацию результатов. Отсчет проводят в конце интервала. Измерения начинают с проведения исходного числа наблюдений не менее трех (n=3), и необходимое число п наблюдений определяют по итогам обработки результатов измерений из условия получения представительной выборки, обеспечивающей доверительный интервал ±3 дБ с доверительной вероятностью 0,95.

В качестве результата измерений принимают максимальное значение при разбросе значений отсчетов исходного числа наблюдений не более чем в 1,5 раза (на 3 дБ). При размере представительной выборки наблюдений n>3 в качестве результата измерений спектральных и корректированного по частоте значений принимают средние квадратические значения отсчетов п наблюдений в октавных или третьоктавных полосах частот и корректированного значения контролируемого параметра. Эквивалентное корректированное значение рассчитывают по результатам измерений корректированных значений контролируемого параметра в соответствии с определением эквивалентного значения.

Вопросы к 4.4.2.

 

1. Приведите основные характеристики вибрации.
2. Расскажите о действии вибрации на человека.

3. В чем заключается нормирование вибрации?

4. Какие контролируемые параметры вибрации машин

5. Перечислите основные методы защиты от вибрации.

6. Раскройте сущность виброизоляции

7. В чем сущность вибропоглощения.

8. Каковы методы измерения вибрации.

Защита от излучений