Меню
ГлавнаяПолезно знать

Исследование эффективности виброизоляции. Исследование эффективности виброизоляции Коэффициент виброизоляции

Цель работы

Изучить характеристики производственных вибраций, экспериментально определить параметры вибрации и эффективность виброизоляции.

1) Ознакомиться с характеристиками производственных вибраций и их влиянием на организм человека, методами борьбы с вибрациями и их нормированием.

2) Изучить виброизмерительный прибор ВИП-2М и лабораторную установку.

3) Определить параметры вибрации от установки и эффективность виброизоляции. Полученные данные сравнить с нормами, приведенными в табл.7.1.

Термины и определения

Вибрация – периодическое смещение центра тяжести от точки равновесия.

Амплитуда вибрации – наибольшее смещение центра тяжести от положения равновесия в одну секунду (мм).

Частота вибрации – число полных повторений колебательного цикла (периодов) в секунду (Гц).

Возмущающая сила – воздействие на детали или узлы машин периодической внешней силы.

Виброизоляция – метод борьбы с вибрацией, при которой вибрирующий агрегат устанавливается на упругие виброизоляторы (амортизаторы).

Вибродемпфирование - покрытие вибрирующей поверхности и оборудования вибропоглощающими (демпфирующими) материалами (резиной, специальными мастиками, асбестом, битумом, пластмассами типа «Агат», мастики типа ВД-17-63 и тд.).

Виброгашение – установка агрегатов на виброгасящем основании (на специальном фундаменте в грунте на перекрытии).

Виброскорость – показатель вибрации, характеризующий техническое состояние оборудования (мм/с).

Уровень виброскорости – показатель, характеризующий физиологическое воздействие вибрации на организм человека (дБ).

Общие сведения

Вибрацией называются периодические смещения (колебания) центра тя­жести упругих тел или механических систем относительно положения равно­весия.

Своеобразие колебательного движения заключается в том, что величины смещения, скорости и ускорения постоянно изменяются в некотором ог­раниченном интервале, поэтому вибрацию можно характеризовать средне­квадратичной величиной одного из параметров за определенный промежу­ток времени.

Основными параметрами вибрации, происходящей по синусоидальному закону, являются:

амплитуда смещения А, мм (величина наибольшего отклонения точки от положения равновесия);

частота колебаний f , Гц;

максимальная скорость (виброскорость) колебательного движения точки V, мм/с;

максимальное ускорение колеблющейся точки а, мм/с 2 .

Амплитуда смещения используется в качестве критерия для ограниче­ния вибрации агрегатов и фундаментов; амплитуда колебательной скорос­ти поверхности характеризует уровень возникающего шума;

амплитуда ускорения определяет действующие динамические силы.

В случаях, когда колебания близки к синусоидальным, достаточно определить амплитуду смещения «А» и частоту колебаний «f».

Виброскорость определяют по формулам:

Вибрацию также оценивают по ее уровню, измеряемому в логарифмическом масштабе. Уровень колебательной скорости вибрации определяют по выражению:

где V – действующее, замеряемое значение виброскорости (L) в точке

измерений, мм/с;

V 0 – пороговое значение виброскорости (принято в соответствии с международным соглашением), V 0 = 5 · 10 -5 мм/с.

По характеру действия на организм человека вибрацию подразделяют на общую и местную. Общая вибрация передается на все тело человека, а местная – на руки работающего. Возможно комбинированное действие об­щей и местной вибраций. Действие общей вибрации, вызванной работой тех­нологического оборудования (машин, станков и др.), вследствие сотря­сений пола, площадки, сиденья, на котором находится работающий, распро­страняется на весь организм.

Действие местной вибрации распространяется на отдельные участки те­ла, непосредственно соприкасающиеся с источниками вибрации, (при работе с ручными машинами: сверлильными, клепальными, шлифовальными, отбойными молотками, при контакте с вибрациями деталей и т.д.). Опасность воздействия общих вибраций объясняется нижеследующим.

Внутренние органы и отдельные части тела человека (сердце, желудок, голова и др.) можно рассматривать как колебательные системы, имеющие различные сосредоточенные массы и соединенные между собой упругими элементами. Большинство внутренних органов имеют собственную частоту колебаний в диапазоне 5-7 Гц. Воздействие на организм челове­ка внешних колебаний с такими же частотами может вызвать резонанс­ные колебания внутренних органов, что представляет опасность их смеще­ния и механических повреждений.

При длительном и интенсивном воздействии вибрации может возник­нуть тяжелое и трудно излечимое заболевание – вибрационная болезнь. Воздействие общей вибрации проявляется в виде головных болей, нарушения сна, повышенной утомляемости, возможны головокружения. Признаками вибрационной болезни при воздействии местной вибрации являются боли и слабость в области кистей и пальцев рук, чувство онемения, по­вышенная утомляемость рук. Со стороны периферической нервной системы наблюдается нарушение болевой, температурной и вибрационной чувстви­тельности.

Нормируемыми параметрами общей вибрации являются среднеквадратичные значения виброскорости и их уровни в октавных полосах частот со среднегеометрическими значениями 2 Гц; 4 Гц; 8 Гц; 16 Гц; 31,5 Гц и 63 Гц.

Таблица 7.1.

Гигиенические нормы общей вибрации, действующей на человека в производственных условиях

Методы борьбы с вибрацией:

Устранение (уменьшение) вибрации в источнике ее возникновения;

Демпфирование вибрации (виброгашение);

Виброизоляция.

Устранение причин возникновения вибраций в машинах и механиз­мах конструктивными и технологическими методами является наиболее радикальной мерой (статическая и динамическая балансировка вращающихся масс, устранение люфтов, зазоров в машинах, замена кривошипно-шатунных механизмов кулачковыми, подшипников качения на подшипники скольжения и т.д.).

При демпфировании уменьшение амплитуды колебаний деталей машин достигается их изготовлением из материалов с большим внутренний тре­нием или применением покрытий на вибрирующих поверхностях из материа­лов с большим внутренним трением или вязкостью (пластмассы, капрон, текстолит, дельтадревесина, резина, упруговязкие мастики).

Гашение колебаний предусматривает увеличение инерционного и уп­ругого сопротивления колебательных систем либо введение в механизмы специальных устройств – динамических гасителей.

Наиболее распространенной мерой защиты от вибрации является виброизоляция источника возмущения вибрации от фундаментов и перекрытий.

При этом методе уменьшение вибрации, передающейся от машины на опорные конструкции, достигается установкой между машиной и кон­струкцией виброизоляторов (амортизаторов).

В качестве амортизаторов используют упругие элементы в виде стальных пружин, рессор, прокладок из резины, резино-металлических деталей и т.п.

При изоляции вибрации звуковой частоты 16 Гц и более не рекомендуют пользоваться металлическими пружинами, хорошо изолирующими ви­брацию низкой частоты. Высокочастотная вибрация хорошо распростра­няется по металлу вдоль витков пружины.

Для снижения вибрации высокой частоты целесообразно применять резиновые амортизаторы.

При разработке мероприятий по виброизоляции добиваются того, чтобы амплитуды колебаний, проходящие через упругие прокладки, были возможно меньше.

Расстановка амортизаторов для машин производится таким образом, чтобы центр тяжести амортизаторов находился на одной вертикали с центром жесткости массы, которую представляет собой машина, установленная на специальное основание.

Сплошная резиновая прокладка имеет незначительный статический прогиб и передает на основание все колебания, как жесткое тело. Для амортизации резиновые прокладки должны иметь форму, способствующую свободное вытягивание материала в стороны под весом агрегата, например, ребристую или дырчатую.

Основным показателем, определяющим качество виброизоляции оборудования, установленного на виброизоляторы с жесткостью С и массой М, является коэффициент передачи или коэффициент виброизоляции КП. Он показывает, какая доля динамической силы F ф от общей силы F, действующей со стороны оборудования, передается виброизоляторам и фундаменту:

где f – частота возмущающей силы;

f 0 – частота собственных колебаний оборудования;

где g – ускорение силы тяжести, 9,81 м/с 2 ;

Х ст – статическая осадка виброизолятора под действием собственной массы машины, м:

где G – сила тяжести агрегата, Н;

С – жесткость амортизатора, Н/м.

Статическую осадку, например, резиновой амортизирующей прокладки можно принимать равной 10% ее толщины.

Коэффициент передачи зависит от частоты возмущающей силы.

Амортизаторы начинают приносить эффект при частоте возмущения

f > f 0 . При виброизоляторы полностью передают ви­брацию фундаменту (КП=1) или даже усиливают ее (КП>1).

Эффект виброизоляции тем выше, чем больше отношение f/f 0 .Следовательно, для лучшей виброизоляции фундамента от вибрации агрегата при известной частоте возмущающей силы необходимо уменьшить частоту собственных колебаний агрегата на виброизоляторах для получения больших отношений f/f 0 , что достигается либо увеличением массы агрега­та М, либо снижением жесткости виброизоляции С. Хорошая виброизоляция достигается при f/f 0 =3 4 , что соответствует КП=1/3 – 1/15 .

Ослабление передачи вибрации на фундамент, как было уже сказано, характеризуется величиной виброизоляции L в децибелах (дБ). Величина виброизоляции на данной частоте определяют по формулам:

где L V 1 ; U 1 – уровень вибрации и виброскорость агрегата или фундамента при отсутствии виброизоляторов между агре­гатом и фундаментом;

L V 2 ; U 2 – уровень вибрации и виброскорость фундамента при наличии виброизоляторов между агрегатом и фундаментом;

V 0 = 5 · 10 -5 мм/с (const).

,

где f – частота возмущающей силы, Гц;

f 0 – частота собственных колебаний, Гц.

Порядок выполнения работы

Объектом исследования является определение параметров общей вибрации.

Общую вибрацию определяют на стенде, включающем электродвига­тель, жестко закрепленный на платформе. Платформа установлена на фундаменте с помощью виброизоляторов. Прижимной винт позволяет жест­ко соединить платформу и фундамент. В этом случае они будут коле­баться как одно целое (виброизоляция исключена). Измерение вибрации производится переносным виброизмерительным прибором.

Для проведения измерений необходимо:

1. Изучить устройство прибора.

2. Наметить контрольные точки на фундаменте.

3. В каждой намеченной точке произвести измерения размаха вибрации К в трех повторностях, вычислив среднее арифметическое значение размаха, занести в табл.7.2.

4. Замеры общей вибрации произвести для двух режимов работы «виброизоляция включена» (прижимной винт отпустить) и "виброизоляция выключена" (платформа закреплена винтом к фундаменту).

5. По вышеприведенным формулам вычислить частоту возмущающей силы, виброскорость и уровень виброскорости.

6. Сравнить полученные значения параметров виброскорости с предельно допустимыми значениями и дать оценку влияния вибрации на организм человека в различных режимах работы установок.

7. Определить эффективность виброизоляции экспериментально и расчетным путем.

Таблица 7.2.

Протокол отчета по лабораторной работе № 7

Работу выполнил студент ______________________________

Ф.И.О. шифр

Работу принял преподаватель _____________________________

Производственная ситуация к лабораторной работе № 7

Возникла необходимость установить вентилятор на перекрытии производственного помещения. Число оборотов вала вентилятора п=1450 об/мин. Вентилятор динамически отбалансированный. Какой вид виброизоляторов целесообразно использовать в такой ситуации:

1. Пружинные виброизоляторы.

2. Резиновые виброизоляторы, имеющие ребристую форму и разбитые на отдельные квадраты.

3. Виброизолятор из сплошного листа резины толщиной 500 мм.

Вопросы для самопроверки:

1. Какими параметрами характеризуют вибрацию?

2. Какой показатель вибрации характеризует техническое состояние оборудования?

3. В чем заключается математическая сущность уровня виброскорости?

4. В каких единицах измеряют уровень виброскорости?

5. Какие параметры вибрации нормируют?

6. Какие методы и средства используют для снижения вибрации оборудования?

7. Какой показатель вибрации снижается виброзащитой?

8. В чем заключается сущность нормирования вибрации на рабочем месте?

Литература:

1. СН 2.2.4/2.1.8566-96 «Производственная вибрация, вибрация в помещениях жилых и общественных зданий».

2. СанПиН 2.2.2.540-96 «Гигиенические требования к ручным инструментам и организации работ».

3. ГОСТ 12.1.012-90 ССБТ «Вибрационная безопасность. Общие требования».

4. Безопасность жизнедеятельности. Учебник по ред. С.В.Белова. – М.: Высшая школа, 2006 г.

5. Калинина В.М. техническое оснащение и охрана труда в общественном питании. Учебник. – М.: Академия, 2004 г.

Лабораторная работа № 6

Виброизоляция. Виброизоляция — уменьшение уровня вибрации защищаемого объекта путем уменьшения передачи колебаний этому объекту от источника колебаний. Виброизоляция осуществляется посредством введения в колебательную систему дополнительной упругой связи, препятствующей передаче вибраций от машины — источника колебаний — к основанию или смежным элементам конструкции; эта упругая связь может также использоваться для ослабления передачи вибраций от основания на человека, либо на защищаемый агрегат.

Пример виброизолированной системы показан на рис. 35. Переменная возмущающая сила, создаваемая машиной, имеет амплитуду Fmмаш. На основание, от которого машина отделена виброизоляцией, действует переменная сила Fmосн.

Рис. 35. Система с шестью степенями свободы

Эффективность виброизоляции оценивается коэффициентом передачи, который имеет физический смысл отношения силы, действующей на основание при наличии упругой связи, к силе, действующей при жесткой связи, и определяется по формуле

КП=Fmосн/Fmмаш

Чем это отношение меньше, тем выше виброизоляция. Хорошая виброизоляция достигается при КП = 1/8÷1/15. Коэффициент передачи может быть рассчитан по формуле

КП=1/((f/f0)2-1)

где f — частота возбуждающей силы; f0 — собственная частота системы на виброизоляторах.

Из формулы (8) видно, что чем ниже собственная частота по сравнению с возбуждающей, тем выше эффективность виброизоляции. При этом при f < f0 возмущающая сила действует как статическая и целиком передается основанию. При f = f0 наступает резонанс, сопровождающийся резким возрастанием уровня вибраций. При f≥√2f0 режим резонанса не реализуется, величина КП проходит через значение 1 и при дальнейшем уменьшении f0 величина коэффициента передачи становится меньше 1, система оказывает возмущающей силе все большее инерционное сопротивление. Вследствие этого передача вибраций через виброизоляцию уменьшается.

Например, для ослабления общих вибраций в зоне обслуживания мощных дизель-моторов в 100 раз (КП = 0,01) собственная частота компрессора, установленного на виброизоляции, должна быть в 10 раз меньше частоты, действующей в компрессоре возмущающей силы. Если число оборотов дизеля п = 300 об/мин, то частота (Гц) его собственных колебаний должна быть

f0 = f/10 = n/(60*10) = 0,5.

Обычно эффективность виброизоляции оценивают в децибелах:

ΔL = 20lgl1/КП.

Выражение для собственной частоты в герцах можно представить в виде

где g — ускорение свободного падения; q — жесткость виброизоляторов (сила, требующаяся для их деформации на единицу длины); Р — масса агрегата, покоящегося на виброизоляторах; хст — статическая осадка системы на виброизоляторах под давлением собственной массы. Чем больше статическая осадка, тем ниже собственная частота и тем эффективнее виброизоляция. Однако это обстоятельство противоречит экономическим и в ряде случаев техническим требованиям, так как приводит к сложным и дорогим конструкциям виброизоляторов с большими габаритами, а система на таких виброизоляторах нередко приобретает слишком большую подвижность по остальным степеням свободы. Поэтому в этом случае, как и в ряде других, необходимо искать разумный компромисс между требованиями гигиеническими, техническими и экономическими. Таким образом, чем выше частота вибрации, тем легче осуществить виброизоляцию. Отсюда же следует, что существует оптимальное соотношение между вынужденной и собственной частотой системы. Оно составляет а = f/f0 = 3÷4, что соответствует КП = 1/8÷1/15

Кроме виброизоляторов, примером виброзащиты является установка гибких вставок в коммуникациях воздуховодов и в местах их прохождения через строительные конструкции, установка упругих прокладок в узлах крепления воздуховодов, разделение гибкой связью перекрытий и несущих конструкций здания, устройство так называемых «плавающих полов» (настил пола отделяется от перекрытия упругими прокладками). Во всех случаях введение дополнительной упругой связи снижает передачу вибраций от источника смежным элементам конструкции (или грунту). Этот же принцип виброзащиты используется при конструировании ручного механизированного инструмента.

Промышленностью выпускается ряд типов ручного механизированного инструмента с виброзащитными рукоятками. Так, выпускаются перфораторы с качающейся виброгасящей рукояткой. Принцип ее действия состоит в том, что она соединена с корпусом инструмента через упругую связь — систему шарнирно сопряженных элементов. Контакт указанной системы с корпусом перфоратора осуществляется посредством эластичных резиновых колец. Такое конструктивное решение виброизоляции (многозвенная связь) обеспечило снижение уровня вибраций на рукоятке до требований действующих санитарных норм.

В общем случае в фундаментах могут возникать колебания вдоль вертикальной оси, колебания, связанные со сдвиговыми деформациями, и крутильные колебания вдоль вертикальной оси, что определяется характером неуравновешенных сил и крутящих моментов, сопровождающих работу оборудования.

Для исключения воздействия вибраций на окружающую среду необходимо принимать меры по снижению вибраций прежде всего в источнике возникновения, а в тех случаях, когда это невозможно, ослаблять ее на путях распространения.

Борьба с вибрацией в источнике производится как на этапе проектирования, так и при эксплуатации. При создании машин и технологического оборудования предпочтение должно отдаваться таким кинематическим и технологическим схемам, при которых динамические процессы, вызванные ударами, резкими ускорениями и т. п., были бы исключены или предельно снижены. Так, замена кулачковых и кривошипных механизмов равномерно вращающимися (в частности, эксцентриками) в значительной мере способствует снижению вибраций. К тому же приводит замена ковки и штамповки прессованием; ударной правки — вальцовкой; пневмати-ческой клепки и чеканки — гидравлической клепкой и электросваркой. В настоящее время разработаны модификации известных технологических процессов, которые имеют по сравнению с исходными меньшую виброактивность (штамповка резиной вместо обычной штамповки; прессование на гидравлических прессах вместо обработки на листоштамповочных молотах). При конструировании машин и агрегатов необходимо изыскивать наилучшие конструктивные решения для безударного взаимодействия деталей (штампы со скошенной режущей кромкой у кузнечно-прессового оборудования, замена трансмиссионных приводов машин и агрегатов электродвигателями и т. д.). Для снижения уровня вибрации редукторов инженерного оборудования жилых зданий целесообразно применение шестерен со специальными видами зацеплений — глобоидным, шевронным, душевронным, конхоидальным вместо обычных шестерен с прямым зубом. Большое значение при этом имеет повышение класса точности обработки и чистоты поверхности шестерен. С этой же целью производят подбор зубчатых пар, что позволяет дополнительно снизить уровень вибраций на 3-4 дБ.

Причиной низкочастотных вибраций насосов, компрессоров, двигателей является неуравновешенность вращающихся элементов (роторов). Это относится к современным быстроходным машинам относительно небольшой массы с уменьшенной жесткостью основных несущих деталей. Действие неуравновешенных динамических сил усугубляется плохим креплением деталей, их износом в процессе эксплуатации.

Причиной дисбаланса могут быть неоднородность материала конструкции (литейные раковины, шлаковые включения), неравномерность его плотности, несимметричное распределение вращающихся масс (в частности, начальное искривление валов и роторов), нарушение указанной симметрии крепежными соединениями, неправильный выбор допусков на обработку, а также рода посадок. Кроме того, причиной дисбаланса может стать различие коэффициентов объемного расширения либо износостойкости отдельных элементов вращающейся системы. Во всех случаях смещение центра тяжести относительно оси вращения приводит к возникновению неуравновешенной центробежной силы

F=mеω 2 , (41)

где m — масса вращающейся системы; ω — угловая скорость вращения; е — эксцентриситет (радиус-вектор центра рассматриваемой массы относительно оси ротора).

Анализ выражения показывает, что для снижения вибраций вследствие неуравновешенности вращающихся масс (роторов) следует ограничивать величины рабочих скоростей.

Для снижения уровня вибрации, возникающей вследствие дисбаланса при монтаже и эксплуатации оборудования, должна применяться балансировка неуравновешенных роторов колес лопаточных машин, валов двигателей и т. п.

В соответствии с ГОСТ 19534-74 «Балансировка вращающихся тел» различают статическую (рис. 86,а), моментную (рис. 86,6) и динамическую (рис. 86, в) неуравновешенности роторов.

Рис. 86. Схемы неуравновешенности роторов: 1 — центр масс; 2 — ось ротора; 3 — главная центральная ось инерции

В зависимости от вида неуравновешенности роторов применяют один из трех видов балансировки:

1) статическая балансировка — балансировка, при которой определяется и уменьшается главный вектор дисбалансов ротора, характеризующий его статическую неуравновешенность. Статическую балансировку проводят в одной плоскости коррекции;

2) моментная балансировка — балансировка, при которой определяется и уменьшается главный момент дисбалансов ротора, характеризующий его моментную неуравновешенность. Моментную балансировку проводят не менее чем в двух плоскостях коррекции;

3) динамическая балансировка — балансировка, при которой определяются и уменьшаются дисбалансы ротора, характеризующие его динамическую неуравновешенность. Динамическую балансировку жесткого ротора достаточно проводить в двух плоскостях коррекции (Требования к балансировке и методы расчета дисбалансов изложены в ГОСТ 22.061-76 «Машины и технологическое оборудование. Системы классов точности балансировки» ).

Учитывая сказанное, в процессе эксплуатации технологического оборудования должны приниматься меры к устранению в элементах конструкции машин и механизмов излишних люфтов и зазоров, что обеспечивается периодическим освидетельствованием машин и механизмов — источников вибрации в процессе эксплуатации, с целью устранения отмеченных недостатков.

Частным случаем борьбы с вибрацией в источнике ее возникновения можно считать исключение резонансных режимов при работе оборудования. Как известно, в этом случае даже при малых значениях дисбаланса и относительно небольших возбуждающих воздействиях уровень вибрационных параметров резко возрастает. Это обусловлено тем, что при резонансе колебательная система оказывает сопротивление возмущающим силам (или крутящим моментам) только за счет активных потерь в системе. Поэтому весьма важным, с точки зрения снижения уровня производственных вибраций, является исключение резонансных режимов работы технологического оборудования, что достигается при проектировании выбором рабочих режимов с учетом собственных частот машин и механизмов. Однако в процессе эксплуатации возможно уменьшение жесткости агрегатов (а в некоторых случаях и их массы), что приводит к изменению значения собственных частот. Имеют также место случаи изменения рабочих режимов оборудования. Указанное обстоятельство следует иметь в виду и в случае, если машины и механизмы в процессе эксплуатации с течением времени становятся источником воздействия вибраций на окружающую среду.

Учитывая, что собственная частота колебательной системы ω=√b/m, где b и m — соответственно жесткость и масса системы, исключение режима резонанса может производиться путем изменения массы либо жесткости системы. Для точного определения значений собственных частот машин и механизмов используются вибростенды.

В тех случаях, когда не удается снизить вибрации в источнике возникновения, необходимо применять методы снижения вибрации на путях распространения: виброгашение, виброизоляцию или вибродемпфирование.

Виброгашение связано с увеличением реактивной части импеданса колебательной системы. Применительно к проблеме защиты окружающей среды виброгашение преимущественно реализуется за счет увеличения эффективной жесткости и массы корпуса машин или станин станков путем крепления их в единую замкнутую систему с фундаментом с помощью анкерных болтов или цементной подливки. Это приводит к снижению виброактивности колебательной системы, а следовательно, к ослаблению воздействия на окружающую среду. С этой же целью относительно малогабаритное инженерное оборудование жилых зданий (вентиляторы, насосы) устанавливаются на опорные плиты и виброгасящие основания (рис. 87). Расчет фундаментных блоков производится по специальным методикам. Проектирование оснований зданий и сооружений ведется в соответствии с руководством .


Рис. 87. Схема вибробезопасной установки инженерного оборудования: 1 — упругая прокладка; 2 — железобетонная плита; 3 — вставка (резиновый шланг); 4 — хомут с упругой прокладкой; 5 — упругая прокладка

Определение амплитуд вынужденных и свободных колебаний фундамента производят в соответствии с указаниями СНиП П-19-79 с учетом типа машины. Во всех случаях должно выполняться условие A max ≤ A доп, где А mах — наибольшая амплитуда колебаний фундамента, определяемая расчетом; A доп — допускаемая амплитуда колебаний фундамента в соответствии с указаниями СНиП. Так, для машин с криво-шипно-шатунными механизмами, широко распространенными в машиностроении, расчет вертикальных колебаний может производиться по формуле

Amax =P H Z /(b Z -m ∑ ω 2), (42)

где Р H Z — нормативная вертикальная составляющая возмущающих сил машины в соответствии со СНиП II-19-79; m ∑ -суммарная масса машины и фундамента, кг; b Z — коэффициент жесткости основания при упругом равномерном сжатии, b Z = C Z F, где F — площадь подошвы фундамента; C Z — коэффициент упругого равномерного сжатия естественного основания, определяемый по. результатам исследований либо по СНиП II-19-79 в зависимости от величины нормативного давления на основание, значение которого берется в соответствии с указаниями главы СНиП на проектирование бетонных и железобетонных конструкций.

Расчет амплитуд вертикальных (горизонтальных) колебаний грунта при вертикальных (горизонтальных) вибрациях фундамента машины производится по формуле

A г =A а {1/r-r2-1/(r2-1)√(3r)}, (43)

где A г — амплитуда вертикальных (горизонтальных) колебаний грунта в точках, расположенных на расстоянии r от оси фундамента, являющегося источником волн в грунте; А а — амплитуда свободных или вынужденных вертикальных (горизонтальных) колебаний фундамента (определяется по СНиП II-19-79); r=r/r 0 — приведенный радиус подошвы фундамента; r0=√(F/π) F — площадь подошвы фундамента. Частоту волн, распространяющихся в грунте, принимают равной частоте колебаний фундамента машины.

Для исключения передачи вибрации от фундаментов технологического оборудования предприятий в жилую застройку по периметру фундаментов на всю его высоту предусматривают акустические швы с ‘засыпкой какого-либо рыхлого материала, например асбестовой крошки. К мероприятиям аналогичного назначения относятся устройства акустических щелей, в которых изолирующей прослойкой служит воздух.

Виброизоляция . Существенный недостаток традиционных методов установки оборудования на виброгадя-щие основания в современных условиях заключается в больших затратах времени на изготовление индивидуальных фундаментов и неизбежной порче дорогостоящих покрытий пола. Поэтому широкое распространение получила установка оборудования без фундаментов и анкерного крепления агрегатов непосредственно на упругих виброизолирующих опорах. Такой метод позволяет обеспечить любую степень виброизоляции оборудования. Установка технологического и инженерного оборудования на виброизолирующие опоры удешевляет установку и перестановку оборудования, исключает порчу оборудования и снижает уровень шума, сопутствующего интенсивным вибрациям. Виброизолирующие опоры могут применяться также и при наличии фундаментов: либо между машиной — источником вибраций и фундаментом (основанием, опорной плитой), либо между фундаментом и грунтом. Установка виброизоляторов предусматривается также при прокладке воздуховодов систем вентиляции и разного рода трубопроводов внутри строительных конструкций, а также при их креплении к последним. Это исключает передачу вибраций от стенок воздуховодов и трубопроводов элементам конструкций зданий. Кроме того, для ограничения распространения колебаний по указанным инженерным коммуникациям практикуется их разделение на отдельные участки с помощью специальных гибких вставок (см. рис. 87). Во всех рассмотренных случаях введение в колебательную систему дополнительной гибкой связи приводит к ослаблению передачи вибрации от источника колебаний.

В качестве виброизоляторов повсеместно используются резиновые или пластмассовые прокладки, одиночные или составные цилиндрические пружины, листовые рессоры, комбинированные виброизоляторы (пружинно-резиновые, пружинно-пластмассовые, пружинно-рессорные) и пневматические виброизоляторы («воздушные подушки»).

Виброизолирующие резиновые прокладки выполняют обычно дырчатыми или сребренными, так как резина не склонна к объемной деформации.

Цилиндрические пружины и рессоры по сравнению с прокладками более стойки к воздействию агрессивных сред, дольше сохраняют упругие свойства во времени и позволяют изолировать колебания относительно низких частот, так как при прочих равных условиях обеспечивают большую статическую осадку. Существенным недостатком цилиндрических пружин является малое снижение высокочастотных вибраций. Именно по этой причине широкое использование получили комбинированные виброизоляторы (рис. 88). Как следует из рисунка, комбинированный виброизолятор состоит из цилиндрической пружины 1 и набора резиновых прокладок 3, отделяющих пружину как от опорной поверхности, так и от элементов корпуса виброизолятора. Такого рода конструкции позволяют обеспечить эффективное снижение уровня вибраций в широкой полосе частот. Они широко применяются для ослабления передачи вибраций большинства видов стационарного и техyологического оборудования (станки, насосы, вентиляторы). Однако их использование в тяжелых машинах с горизонтальными нагрузками (в частности, конусных и щековых дробилках) не представляется возможным. В этом случае используют виброизоляторы с гидрошарнирами. Они расположены на концах жесткого стержня 1 и состоят из одной или нескольких линз (рис.89).


Рис. 88: Комбинированные виброизоляторы: 1 — цилиндрическая пружина; 2-корпус; 3 — набор резиновых прокладок

Линза образована двумя кольцевыми пластинами 2, соединенными по периметру. Пространство между пластинами заполняется жидкостью. В качестве последней чаще всего используются масла, имеющие низкую температуру замерзания. Виброизолятор обеспечивает низкую частоту собственных колебаний установки в горизонтальном направлении. Он крепится между опорной конструкцией машины 3 и опорой виброизолятора 4.


Рис. 89. Виброизоляторы с гидрошарнирами: 1 — жесткий стержень; 2 — кольцевые пластины; 3 — опорная конструкция машины; 4 — опора виброизолятора

Пневматические виброизоляторы типа воздушных подушек получили распространение на заводах железобетонных изделий. Они представляют собой воздушную полость с давлением порядка 2 10 5 Па, отделяющую вибратор с формуемой деталью от корпуса машины (рис. 90). Это приводит к резкому ослаблению передачи вибрации на основание виброплатформы, фундамент, грунт и далее на фундаменты рядом расцрложенных зданий без снижения уровня рабочих параметров вибратора, а следовательно, качества виброформования. Виброизоляция машин и оборудования от основания (фундамента) может быть осуществлена в двух вариантах. Первый так называемый «опорный» вариант предусматривает установку виброизоляторов между машиной и основанием (рис. 91, а). Второй вариант «подвесной» (рис. 91, б, в, г), когда изолируемый объект подвешивается на виброизоляторах, закрепленных выше подошвы фундамента, которые в отличие от первого случая работают уже на сжатие и растяжение.


Рис. 90. Схема пневматических виброизоляторов: 1 — виброплатформа; 2 — гибкая резинокордная оболочка; 3 — камера воздушной подушки

По опорному варианту выполняется виброизоляция большинства видов стационарного технологического оборудования предприятий и инженерного оборудования жилых и общественных зданий. Однако в некоторых случаях может использоваться и подвесной вариант. На схемах рис. 92 представлены варианты виброизоляции под молоты, представляющие на сегодня с точки зрения защиты окружающей среды основные источники вибраций. Схемы а и б соответствуют опорному варианту. В первом случае фундамент 1 установлен на виброизоляторы 3, расположенные по его периметру; во втором — на виброизоляторы с рядным расположением. Схема в соответствует подвесному варианту. В этом случае фундаментный блок 1 удерживается с помощью короба и подвесных стержней 7, концы которых опираются на виброизоляторы. Во всех рассмотренных случаях фундамент заглублен в грунт, поэтому предусмотрено устройство ограждающего короба, внутри которого размещаются фундаментный блок и виброизоляторы. Следует отметить, что фундаментный блок под виброизолируемой машиной устраивается в следующих случаях: корпус машины имеет недостаточную жесткость; размещение виброизоляторов непосредственно под корпусом машины встречает конструктивные затруднения; изолируется агрегат, состоящий из отдельных машин, устанавливающихся на одном фундаментном блоке; требуется увеличить массу изолируемой установки и моменты инерции, чтобы уменьшить амплитуды ее вынужденных колебаний; необходимо увеличить массу и моменты инерции изолируемой установки во избежание повышения частоты его собственных колебаний, которое вызывается увеличением жесткости виброизоляторов с тем, чтобы устранить недопустимые перекосы установки от временных статических нагрузок или уменьшить амплитуды собственных колебаний установки, вызванные случайными ударами (например, возможными толчками обслуживающего персонала при выполнении рабочих операций и т. п.).


Рис. 92. Схемы виброизоляции молотов: а, б — опорный вариант; в — подвесной вариант; 1 — фундаментный блок; 2 — подфундаментный короб; 3 — виброизоляторы; 4 — настил; 5 — подшаботная выемка; 6 — пилястры; 7 — подвесные стержни

В ряде случаев фундаментные блоки заменяются виброизоляцией специальной конструкции (рис. 93). Здесь в качестве виброизоляторов использованы 12 комплектов семилистовых эллиптических рессор Галахова. Рессоры располагаются в двух поясах по высоте подшаботной ямы (опорно-подвесной вариант). Шабот 1 опирается на рессоры 2 через переходную раму 3. Вертикальность перемещения шабота при ударах, создающих дополнительный опрокидывающий момент, обеспечивается шестью роликовыми направляющими, установленными в раме перекрытия подшаботной ямы. Виброускорение в близлежащих жилых домах снижается в 20-30 раз.

Разработаны рессорные подвесные виброизолированные фундаменты для штамповочных молотов (М210 М211, М212, КРН-800 и КРН-1250). В этой конструкции фундамента (рис. 94) шабот 1 молота устанавливается на две балки 2, изготовленные из двутавров; балки вывешены на шпильках, которые на нижнем конце имеют специальные гайки 3, находящиеся в замках 4. Шпилька на верхнем конце имеет гайку, опирающуюся на поперечину 9. Для предотвращения самопроизвольного отвинчивания гайка снабжена шайбой. Рессоры фиксируются в поперечинах с помощью специальных гнезд и своими концами вставляются в пазы плит 8, приваренных к подкладкам 5. Подкладки при установке заливаются в тумбы фундамента 6. В рабочем положении фундамент должен быть закрыт настилом 7. Для предотвращения смещений молота по балкам предусмотрены шпонки, приваренные к балкам. Шпонки заходят в пазы шабота 1.

Рассмотренная конструкция позволяет устанавливать молоты на существующем фундаменте. Рессорные подвесные виброизолированные фундаменты имеют следующие преимущества перед фундаментами, располагаемыми непосредственно на грунте: динамическая нагрузка на грунт снижается в 4-5 раз, а по сравнению с «жестким» фундаментом — в 25-30 раз; затухание колебаний, совершаемых молотом после удара, происходит за один цикл; размеры фундаментов в плане не выходят за пределы существующих «жестких»; отсутствие массивного бетонного инерционного фундаментного блока, масса которого в 3-4 раза больше массы молота, стоимость в 8-9 раз меньше стоимости типового.

Эффективность виброизоляции при действии гармонических нагрузок оценивается коэффициентами передачи КП. При поступательных колебаниях в направлении оси х пространства и вращательных колебаниях вокруг этой же оси соответствующие коэффициенты передачи определяются формулами

КП х =А кх /А х =1/α 2 х -1

КП φх =Mкх/Mх=1/α 2 φ x ,

где А кх и М кх — соответственно амплитуды гармонической силы и гармонического момента относительно оси х, передающиеся через виброизоляторы на опорную конструкцию; А х, М х — амплитуды гармонической силы и момента, воздействующих на изолируемую установку; α х =ω х /ω 0 x), α φ x =ω/ω 0 x — соответственно отношения угловой частоты вынужденных колебаний ω x к угловой частоте ω 0x собственных вращательных колебаний установки относительно той же оси.

При поступательных колебаниях виброизолируемой установки в направлении осей yt z и вращательных колебаниях относительно этих же осей индекс к в формулах заменяется соответственно на у и z. Если центр тяжести виброизолированной установки совпадает с центром тяжести виброизоляторов, то приведенные формулы для всех осей координат остаются точными. В противном случае эти формулы будут приближенными.

Для каждого из направлений пространства круговая частота (в рад/с) ω=2πf, где f =n/60 — частота вынужденных колебаний в Гц; n — число оборотов (циклов) машины в 1 мин. Угловые частоты ω 0 и ω φ 0 определяют без учета взаимной связи собственных колебаний по различным направлениям.

При виброизоляции машин по схемам, приведенным на рис. 91, а, б, в, необходимо, чтобы отношение

α z =ω z /ω 0z ≥ 4, (45)

а все остальные величины (α х, α у, α φx , α φу, α φz) были бы больше 2,5.

Учитывая, что изготовление виброизоляторов, обеспечивающих частоту собственных колебаний установки ниже 2 Гц, сопряжено со значительными техническими трудностями, при виброизоляции агрегатов с частотой возмущения менее 8 1/с можно принимать, как исключение, значение отношения α z ≥ 3. При этом остальные отношения должны быть по-прежнему больше 2,5.

В случае осуществления виброизоляции по схеме маятников (см. рис. 91, б, в, г) необходимо, чтобы

α x =ω x /ω 0x ≥ α у =ωу/ω 0у ≥ 4; α φz =ωz/ω φ 0z (46)

Величины отношений α z , α φx и α φу в этом случае можно не ограничивать ввиду отсутствия значительных вертикальных динамических воздействий.

Расчет виброизоляции инженерного оборудования жилых и общественных зданий, а также промышленного технологического оборудования производится исходя из заданных значений коэффициентов α и α φ для отдельных направлений пространства. Требуемые значения соответствующих собственных частот ω 0 и φ 0 определяются по известной величине со по формулам: ω 0 =ω/α и ω φ 0 =ω/α φ . Потребная жесткость виброизоляции находится исходя из соотношения

b=mω 2 0 , (47)

где b — потребная жесткость виброизоляции в данном направлении (х, у или z); m — масса виброизолируемой установки. Потребная крутильная жесткость виброизоляторов

b φ =ω 0 φ I 0 , (48)

где I 0 — момент инерции виброизолируемой установки относительно соответствующей оси пространства.

А=Ai/(m ω 2 — b), (49)

где A i — значения амплитуды возмущающей силы в соответствующем направлении пространства.

Затем проверяют полученные значения амплитуд колебаний с точки зрения требований нормативной документации.

Ожидаемое снижение уровня вибрации ΔL при установке оборудования на рассчитанные виброизоляторы равно

ΔL= 20Ig(1/КП). (50)

Расчет виброизоляции можно вести и в другой последовательности. Выбирается конкретный тип виброизоляторов с известными допустимыми нагрузками и жесткостными характеристиками (по ГОСТ 17725-72 «Вибрация. Виброизоляторы резиновые. Коврики») и определяются значения собственных частот виброизолированной установки по формуле ω 0 =√b/m. Для известных значений частот возмущающих сил и моментов по формулам (44) рассчитываются соответствующие значения коэффициентов передачи. Последние сопоставляются с требуемыми значениями (45) и (46).

Вибродемпфирование. В основе данного метода лежит увеличение активных потерь в колебательных системах. В качестве основной характеристики вибродемпфирования принят коэффициент потерь энергии

где (ω — угловая частота колебаний; μ — коэффициент вязкого трения; b — жесткость системы. Вибродемпфирование может быть реализовано применением в машинах с интенсивными динамическими нагрузками материалов с большим внутренним трением. Среди них могут быть названы чугуны с большим содержанием углерода и кремния, сплавы цветных металлов (n ~ 0,1). Особенно большое демпфирование имеют сплавы (Си-Ni, Ni-Ti, Ni-Co), а также полимерные и рези-ноподобные материалы (n ≈ 0,15). Последние, в частности, находят все большее применение в тихоходных редукторах инженерного оборудования зданий.

Большие возможности с точки зрения защиты окружающей среды от вибраций имеет использование вибродемпфирующих покрытий для снижения вибраций, распространяющихся по воздуховодам систем вентиляции, а также газопроводам компрессорных станций. Наиболее распространенные виды вибродемпфирующих покрытий представлены в табл. 49.

Таблица 49
Покрытия мастичные Покрытия листовые Коэффициент потерь энергии (для f=1000 Гц)
Пластик № 378 0,45 Пенопласт ПВХ-Э 0,85
Мастика А-2 0,40 Волосяной войлок 0,23
Мастика ВД-17-58 0,44 Поролон 0,22
Мастика ВД-17-59 0,30 Минераловатная плита 0,04
Мастика ВД-17-63 0,40 — —
Пластикат «Агат» 0,46 Губчатая резина 0,15
ВПМ1 0,18 Винипор технический 0,40
ВПМ2 0,22 Радуга 0,30
Антивибрит-М 0,20 Фольгоизол 0,27

(Коэффициенты потерь даны для t=20° С )

(При нанесении 4 слоев покрытия на стальную полосу толщиной 2 мм )

Оценка снижения уровня вибраций при введении вибродемпфирования:

ΔL ν =20lg(η 2 /η 1), (52)

где η 1 и η 2 — коэффициенты потерь до и после вибродемпфирования. В последнее время получили распространение новые типы вибродемпфирующих покрытий — пеноэласт, ВМЛ-76 и винипор технический.

Цель работы: оценка виброизоляции рабочих мест, освоение методики выбора и расчета упругих элементов виброизоляторов.

1. Основные теоретические сведения

Под вибрацией понимается движение точки или механической системы, при котором происходит поочередное возрастание и убывание во времени значений, по крайней мере, одной координаты. Применительно к воздействию на организм человека можно сказать, что вибрация – это механические колебания, воспринимаемые человеком как сотрясение. Можно указать некоторые признаки, выделяющие вибрацию в классе механических колебаний: относительно малые амплитуды колебаний; относительно большая их частота; широкий, хаотичный спектр колебаний.

Одним из наиболее распространенных методов снижения вибраций рабочих мест является виброизоляция. Этот способ защиты заключатся в уменьшении передачи колебаний от источника возбуждения защищаемому объекту при помощи устройств, помещаемых между ними. Виброизоляция осуществляется введением в колебательную систему дополнительной упругой связи, препятствующей передаче вибраций от машины – источника колебаний к основанию или смежным элементам конструкции. Эта упругая связь может также использоваться для ослабления передачи вибраций от основания на человека либо на защищаемый агрегат.

Таким образом, виброизоляция достигается установкой установкой упругих элементов – виброизоляторов между источником вибрации и защищаемым объектом.

Эффективность виброизоляции определяется коэффициентом передачи , который имеет физический смысл отношения амплитуды перемещения –
(
), виброскорости(
) или виброускорения(
) защищаемого объекта к амплитуде (
), виброскорости () или ускорению (
) источника возбуждения, т.е.

.

В системах, где можно пренебречь трением, коэффициент передачи может быть рассчитан по формуле

,

где и- частота вынужденных и собственных колебаний системы соответственно,
.

Из данной формулы видно, что чем ниже собственная частота по сравнению с частотой вынуждающей силы, тем выше эффективность виброизоляции. При
вынуждающая сила действует как статическая и целиком передается основанию. При
наступает резонанс, сопровождающийся резким возрастанием уровня вибраций. При
режим резонанса не осуществляется, значениеравно единице, а при дальнейшем увеличении оно становится меньше единицы, так как система оказывает вынуждающей силе все большее инерционное сопротивление. Вследствии этого передача вибраций через виброизоляцию уменьшается.

Обычно эффективность виброизоляции определяют:

,

Вынужденную частоту колебаний легко рассчитать, если имеется один источник возбуждения вибраций. Так для электродвигателя частота вынужденных колебаний , Гц, будет равна

,

где - число оборотов вала электродвигателя, об/мин.

Выражение для собственной частоты колебаний с учетом, что
, можно представить в виде

где
- статическая деформация (осадка) системы на виброизоляторах под давлением собственной массы,
.

Чем больше статическая деформация, тем ниже собственная частота и тем эффективнее виброизоляция. Однако это обстоятельство противоречит экономическим и в ряде случаев техническим требованиям, так как приводит к сложным и дорогостоящим конструкциям виброизоляторов с большими габаритами, а система на таких виброизоляторах нередко приобретает слишком большую подвижность по отдельным степеням свободы. Поэтому в ряде случаев необходимо искать разумный компромисс между гигиеническими, техническими и экономическими требованиями. Таким образом, чем выше частота вибрации, тем легче осуществить виброизоляцию. Отсюда следует, что существует оптимальное соотношение между частотой возбуждения и собственной частоты колебаний системы.

Исходя из вышеизложенного, можно сказать, что эффективность виброизоляции зависит от соотношения частоты возбуждения и собственной частоты колебаний системы. Оптимальное соотношение между ними
, что соответствует
.

В качестве упругих элементов в конструкции виброизоляторов используют стальные пружины, буфера из резины, пластмасс и других материалов. Применяются также комбинированные, резинометаллические, пружино-пластмассовые, резинопластиковые и другие конструкции.

В практической работе студентам предлагается провести расчет виброизоляции рабочего места оператора технологического оборудования с помощью пружин и резиновых прокладок, исходя из допустимых значений параметров вибрации на рабочих местах (ГОСТ 12.1.012-92. ССБТ. Вибрационная безопасность. Общие требования.).