Загальні методи зниження вібрацій

Основними напрямами вирішення проблеми віброзахисту є автоматизація виробництва і впровадження робототехніки.

У тих випадках, коли це зробити не можливо, застосовують спеціальні методи, більшість з яких заснована на вирішенні диференційних рівнянь руху коливальних систем.

Ці рівняння дуже складні.

З точки зору охорони праці найбільший інтерес становлять вібрації поблизу резонансу. В цьому випадку завдання спрощується, оскільки машини і агрегати можна розглядати як коливальні системи з одним степенем вільності.

Розглянемо систему у вигляді зосередженої маси (m), що лежить на пружині, інший кінець пружини жорстко закріплений. Система, крім того, володіє тертям μ (рис 6.2).

У цій системі елементи пружності, маси і тертя відокремлені один від одного. Такі системи називаються системами із зосередженими параметрами. Для простоти аналізу вважатимемо, що на систему діє змінна збуджуюча сила, що змінюється за синусоїдальним законом:

 

F = F_m·sin t. (6.5)

 

Рівняння коливального руху тіла m у цьому випадку має вигляд

mx^// + μx^/ + gx = Fm·sin t, (6.6)

 

де m - маса системи, кг;

g - жорсткість пружини, яка чисельно дорівнює силі, яку необхідно прикласти до пружини, щоб викликати її одиничну деформацію, Н/м;

 

 

 

Рисунок 6.2 - Коливальна система з зосередженими параметрами.

 

х - потокове значення коливального зсуву пружини, м;

x^/ = dx/dt - потокове значення коливальної швидкості, м/с;

x^// = dv/dt - потокове значення коливального прискорення м/с;

μ – стала, яка називається коефіцієнтом в'язкого опору, Нc/м;

Fm - амплітуда збуджуючої сили, Н;

ω - частота збуджуючої сили, рад/с.

Рішення цього рівняння дає співвідношення між амплітудами коливальної швидкості Vm і збуджуючою силою Fm:

. (6.7)

 

Знаменник цього виразу характеризує опір, який здійснює система збуджуючій змінній силі, і називається повним механічним опором, або імпедансом коливальної системи.

Величина μ складає активну, а величина - реактивну частину цього опору.

Реактивний опір, у свою чергу, складається з двох опорів: пружного g/ ω та інерційного m ω.

Одиниця механічного опору - Нс/м.

Аналізуючи формулу, можна зробити такі висновки про шляхи зниження вібрації:

1 Боротьба з вібрацією в джерелі її виникнення полягає в тому, що ще на стадії конструювання машин і проектування технологічних процесів перевага повинна віддаватися таким кінематичним і технологічним схемам, при яких динамічні процеси, викликані ударами, різкими прискореннями і т.п., були б виключені або максимально знижені.

Наприклад:

а) заміна кулачкових і кривошипно-шатунних механізмів такими, що рівномірно обертаються;

б) заміна кування і штампування пресуванням;

в) заміна ударної правки вальцюванням;

г) заміна пневматичної клепки гідравлічною клепкою і електрозварюванням;

д) для зниження рівня вібрацій редукторів застосовуються шестерні із спеціальними видами зчеплення - глобоїдним, шевронним замість звичайних шестерень з прямим зубом.

2 Усунення резонансних режимів при роботі технологічного устаткування може бути здійснено двома шляхами:

а) зміною маси і жорсткості системи;

б) встановленням нового режиму роботи, тобто зміною частоти збуджуючої сили.

Як можна змінити жорсткість системи?

Жорсткість системи змінюються введенням в конструкцію ребер жорсткості або зміною її пружних характеристик.

3 Вібродемпферування - це зменшення рівня вібрацій об'єкта, що захищається, шляхом перетворення енергії механічних коливань даної системи, що коливається, в інші види енергії.

Збільшення втрат енергії в системі може здійснюватися:

а) використанням конструкційних матеріалів з великим внутрішнім тертям (гума, дерево, пластмаси, сплави);

б) нанесенням шару пружних матеріалів, що мають великі втрати на внутрішнє тертя (мастика - антивібріт на основі епоксидної смоли), застосовується для покриття днищ автомобіля;

в) використанням поверхневого тертя (наприклад, при коливаннях двох скріплених і щільно прилеглих одна до одної пружних пластин).

4 Віброгасіння. Під віброгасінням розуміють зменшення рівня вібрацій об'єкта, що захищається, шляхом введення в систему додаткових мас (реактивного імпедансу):

а) найчастіше віброгасіння реалізується шляхом установки агрегатів на самостійні фундаменти. Масу фундаменту підбирають так, щоб амплітуда коливань підошви фундаменту у будь-якому випадку не перевищувала 0,1-0,2 мм;

б) шляхом установки віброгасителів.

Принцип роботи: додаткова коливальна система з масою "m", яка пружно пов’язана з основною з масою "М", має частоту, яка налаштована на основну частоту коливань системи з масою "М", але знаходиться з нею у протифазі.

Цей метод боротьби з вібрацією зручний, коли частота коливань постійна, наприклад, вібрація суднових двигунів. У компресоробудуванні до цього методу боротьби з вібрацією можна віднести установку на нагнітальному трубопроводі буферних місткостей.

5 Віброізоляція здійснюється за допомогою введення в коливальну систему пружного додаткового зв'язку, який перешкоджає передачі вібрації від машини (джерела коливань), до основи або суміжних елементів конструкції (рис.6.3).

Ефективність віброізоляції оцінюється коефіцієнтом передачі (КП):

 

, (6.8)

 

де F_m - сила, що діє на основу за наявності пружного зв'язку;

F - сила, що діє на основу при жорсткому зв'язку.

 

 

Рисунок 6.3 - Система з віброізоляцією.

Якщо КП = , то віброізоляція добра. Коефіцієнт передачі розраховується за формулою:

 

, (6.9)

 

де f - частота збуджуючої сили;

f₀ - власна частота коливань системи на віброізоляторах.

Види віброізоляторів

1 Віброізоляція між стаціонарним устаткуванням і фундаментом здійснюється за допомогою гумових прокладок, пружин і гумовометалевих амортизаторів (рис.6.4).

 

 

Рисунок 6.4 - Віброізолюючі опори (амортизатори):

а - пружинні; б - гумові віброізолятори

 

Пружинні віброізолятори в порівнянні з гумовими мають ряд переваг: вони можуть застосовуватися для ізоляції як низьких, так і високих частот, довше зберігають постійність пружних властивостей в часі, добре протистоять дії мастил і високої температури, відносно малогабаритні. Але вони можуть пропускати коливання високих частот, оскільки матеріал пружин (сталь) має малі внутрішні втрати. Тому пружинні віброізолятори в цьому випадку рекомендується встановлювати на прокладки з пружних матеріалів типу гуми (комбінована амортизація).

2 Акустичні шви фундаментів будівель (за фундаментом будівлі залишають пустоти).

3 Віброізоляція фундаменту від ґрунту.

На Каунаському заводі прецизійних верстатів свого часу не могли добитися необхідної точності виготовлення деталей для точних верстатів. Вихід: самі фундаменти верстатів поставили на віброопори.

4 Пружні вставки між несучими елементами будівель і конструкцій (вентилятори відокремлені пружною вставкою від повітроводів).

5 При роботі з ручним механізованим інструментом застосовуються засоби індивідуального захисту рук від дії вібрації. До індивідуальних засобів захисту відносять:

а) віброізолюючі рукавиці або рукавички;

б) віброізолюючі прокладки або пластини, які забезпечені кріпленнями до рукояток;

в) спеціальне взуття на високій пружній підошві.

Для профілактики вібраційної хвороби для працівників з вібруючим устаткуванням рекомендується проводити комплекс профілактичних заходів:

1) водні процедури;

2) масаж;

3) лікувальну гімнастику;

4) вітамінізацію та ін.

При роботі з вібруючим устаткуванням у робочий цикл включаються технологічні операції, не пов'язані з дією вібрації. Якщо це неможливо, потрібно передбачити 10-15-хвилинні перерви після кожної години роботи.

Помічено, що несприятливі наслідки дії вібрації посилюються в холодних умовах. Тому в зимовий час робітників потрібно забезпечувати теплими рукавицями.