Захист від вібрацій. Захист від виробничих вібрацій. Заходи зниження вібрацій машин та устаткування. Віброізоляція Коливання лопаток турбомашин

Технічні застосування теорії коливань

10.1. Основи розрахунку віброізоляції

Коливання, що виникають під час роботи різноманітних машин і механізмів, передаються прилеглим конструкціям і об'єктам, що порушує нормальну роботу інших пристроїв, і навіть шкідливо впливає здоров'я людини. Крім того, часто доводиться встановлювати різні прилади та інші об'єкти на підставі, що коливається. При цьому, як правило, потрібно ізолювати об'єкт від основи так, щоб йому не передавали коливання останнього. В обох випадках завдання віброізоляції вирішується однаково - між об'єктом та основою встановлюють пружні елементи, а іноді й демпфери сухого чи в'язкого тертя.

Розглянемо найпростішу систему віброзахисту (рис.77, а). Тут об'єкт масою, на який діє гармонійна сила, що обурює , з'єднаний з основою пружним зв'язком з жорсткістю та елементом в'язкого тертя з коефіцієнтом тертя .

Вище було встановлено, що при коливаннях такої системи переміщення вантажу змінюються згідно із законом:

,

Коефіцієнт згасання; - Частота власних коливань системи.

У задачі розрахунку віброізоляції суттєвими є не так переміщення об'єкта , як динамічне зусилля , що передається підставі. Це зусилля є сумою реакції пружного зв'язку та сили в'язкого тертя:

Відношення амплітуди сили, що передається підставі, до амплітуди сили, що обурює, називається коефіцієнтом віброізоляції:

(352)

На рис.78 показані графіки залежності коефіцієнта віброізоляції від відношення частоти сили, що обурює, до власної частоти системи.

Якщо система віброізоляції служить для захисту об'єкта від передачі йому коливань основи (рис.77,б), коефіцієнтом віброізоляції називається відношення прискорення об'єкта до прискорення основи. Цей коефіцієнт також виражається формулою (352).

Справді, рівняння руху об'єкта (рис.77,б) має вигляд

(353)

де - Зміщення об'єкта, - Зміщення підстави.

При гармонійному збудженні усунення підстави визначається формулою

а зміщення об'єкта -

Підставляючи ці значення (353), отримаємо

Коефіцієнт віброізоляції:

Цей вираз повністю збігається з (352), отже, графік на рис.78 відноситься однаково до обох випадків віброізоляції.

Вочевидь, що система віброізоляції ефективна лише тому випадку, коли ставлення велике, тобто. якщо власна частота системи мала порівняно з частотою обурення. При пружна підвіска приносить не користь, а шкоду, тому що коефіцієнт віброізоляції виявляється більшим за одиницю. Демпфування погіршує ефективність віброізоляції у сфері високих частот, але знижує резонансні піки.

Незначне демпфування корисне, тому що дозволяє зберегти тривалість перехідних процесів та обмежити амплітуди при пуску та зупинці системи.

Для забезпечення низької частоти коливань ізольованого об'єкта необхідно зробити систему віброізоляції досить податливою. Однак при цьому виникає небезпека зайвої рухливості об'єкта при дії навантажень, що повільно змінюються. Наприклад, прилади літакового обладнання, система ізоляції яких розрахована на гасіння вібрацій, що передаються від двигуна, можуть отримувати неприпустимо великі переміщення під час навантажень, пов'язаних з маневрами літака. Для обмеження можливих переміщень у разі встановлюють упори (рис.79,а). За наявності упорів система амортизації стає нелінійною (рис.79, б).

У такій нелінійній системі можливі режими руху з ударами об обмежувачі, що є неприпустимим. Для їх виключення система віброізоляції має бути розрахована на основі нелінійної теорії.

Виведемо формулу визначення найменшого припустимого відстані до упорів у разі, якщо упори є дуже жорсткими, розташовуються симетрично, а удар них визначається коефіцієнтом відновлення швидкості . Інші види демпфування у своїй не враховуються.

Розглянемо режим руху, у якому за період обурення мають місце удари об верхню і нижню опори. Рівняння руху при такому кінематичному збудженні має вигляд

(354)

де - зміщення об'єкта щодо вібруючої основи; і - Абсолютні зміщення об'єкта та підстави.

Загальне рішення рівняння (354) для періоду руху об'єкта між упорами таке:

(355)

Поєднавши початок відліку часу з моментом відскоку об'єкта від нижнього упору (що завжди можна зробити, обравши належним чином фазовий кут), маємо

при:

при:

Крім того, слід врахувати умову, що зв'язує швидкість удару об обмежувач зі швидкістю відскоку від нього:

.

Три записані умови дозволяють визначити постійні рішення (355). Ці умови призводять до рівностей:

З перших двох рівнянь знаходимо

Підстановка цих значень до третього рівняння призводить до співвідношення

(356)

Очевидно, що стаціонарний режим руху з ударами об упори можливий, якщо можна підібрати таке значення фазового кута для виконання рівності (356). І навпаки, удари про упори неможливі, якщо зазор більше, ніж максимальне значення правої частини рівності (356).

Таким чином, достатня умова відсутності ударів про упори має вигляд

(357)

З (357) випливає, що для попередження ударів зазор повинен бути суттєво більшим, ніж стаціонарна амплітуда коливань, розрахована за лінійною теорією:

Величина коефіцієнта відновлення значно впливає розміри необхідного зазору, тому в конструкціях упорів зазвичай використовують матеріали з великим поглинанням енергії.

Одним із методів зниження частоти власних коливань системи віброізоляції без зменшення її жорсткості є штучне збільшення маси об'єкта.

Отримані вище співвідношення для системи з одним ступенем свободи справедливі більш складних систем. Так, для лінійно-пружної системи можна запровадити головні координати, і тоді рух за кожною з координат визначатиметься самостійним рівнянням. Поряд із системами, в яких захист від вібрацій досягається за допомогою пасивних елементів, у відповідальних конструкціях використовують також системи активного віброзахисту. У цих системах вібрації придушуються з допомогою енергії стороннього джерела, керованого системою автоматичного регулювання.

10.2. Автоматичне балансування обертових валів

При обертанні незбалансованого валу завжди спостерігаються більш менш інтенсивні поперечні коливання. Амплітуди коливань залежать від кутової швидкості обертання і за певних для даного валу критичних значеннях швидкості зростають настільки значно, що порушують нормальні умови експлуатації і можуть спричинити поломку валу. При цьому критичний стан не можна усунути навіть найретельнішим балансуванням, тому необхідно домагатися, щоб експлуатаційні кутові швидкості не співпадали з критичними.

Розглянемо вал, на якому з ексцентриситетом енасаджений диск масою. Щоб виключити вплив ваги і розглянути явище в чистому вигляді, вважатимемо, що вісь валу розташована вертикально (рис.80,а). Вал має круглий переріз і обертається у підшипниках; диск розташований посередині між опорами.

При обертанні валу з кутовою швидкістю рцентр ваги диска рухатиметься по колу і виникне відцентрова сила. Позначимо прогин валу, що викликається цією силою, через , тоді результуючий ексцентриситет дорівнює , а відцентрова сила - . Щоб визначити прогин, потрібно знайти відношення відцентрової сили до згинальної жорсткості валу. з:

тобто. прогин валу пропорційний початковому ексцентриситету.

З (358) випливає, що критичний стан настає при певному значенні кутової швидкості, що залежить від параметрів системи:

(359)

Величину називають критичною швидкістю обертання; вона збігається з власною частотою системи вал-диск, що не обертається, і тим більше, чим жорсткіший вал і легше диск.

З (359) випливає вираз для відносного прогину валу

Крива залежності наведено на рис.80,б. Аналіз показує, що при повільному обертанні прогини малі та зростають із зростанням кутової швидкості; при цьому центр ваги диска розташований далі від центру обертання ніж центр перерізу валу (рис.81,а). Якщо , то прогин дорівнює нескінченності і настає критичний стан.

У закритій області, коли прогини знову виявляються кінцевими, але мають знак, протилежний початковому ексцентриситету. На рис.81,б показано відповідне цьому випадку взаємне розташування центрів та . При швидкому обертанні, коли центр тяжіння диска виявляється ближче до центру обертання , ніж центр валу . Чим більша кутова швидкість, тим ближче розташовується центр тяжіння диска до центру обертання, а при центрі тяжіння диска необмежено наближається до осі обертання. Таким чином, при великих кутових швидкостях відбувається самоцентрування диска. Тому, роблячи вал дуже гнучким, тобто. домагаючись малих значень, можна отримати хорошу збалансованість системи. Це використовується при проектуванні валів швидкохідних турбін, де гнучкі вали виявляються раціональнішими за жорсткі.

Раніше критичний стан було визначено як стан необмеженого наростання прогину валу, якщо диск має початковий ексцентриситет. Можливе також інше трактування критичного стану. З (358) видно, що й одночасно , то прогин виявляється невизначеним. Це означає, що з повністю збалансований вал втрачає стійкість прямолінійної форми. Якщо цю форму порушити, то вал не прагне її відновити, тому що пружна реакція точно врівноважується відцентровою силою, що виникає при відхиленні.

При кожному фіксованому значенні кутової швидкості (крім ) обертання супроводжується певною і незмінною у часі деформацією валу. Будь-яке волокно в процесі руху залишається однаково розтягнутим (або стислим) незалежно від часу.

Критичний стан зазвичай вважають неприпустимим в експлуатації і поблизу виділяють заборонену зону небезпечних значень кутових швидкостей.

Для усунення вигину, що виникає при обертанні неврівноваженого валу, іноді застосовують спеціальні пристрої, що забезпечують автоматичне балансування. Таке балансування особливо необхідне, коли в умовах експлуатації можлива істотна зміна незбалансованості валу або ротора. Прикладом можуть бути деякі типи центрифуг, при завантаженні яких можливе значне порушення симетрії розподілу мас щодо осі обертання.

Автоматичне балансування сприяє збереженню прямолінійної форми валу і цим відрізняється від самоцентрування диска при високих швидкостях обертання, коли центрування маси диска відбувається при відповідно вигнутому валі.

Один із варіантів автоматичного балансувальника полягає в тому, що схема вал-диск ускладнюється двома маятниками, які можуть вільно обертатися на валу. Обмежимося розглядом стаціонарних режимів обертання та для спрощення нехтуватимемо силами ваги та непружними опорами.

Нехай - точка, що лежить на прямій через центри підшипників; - центр перерізу валу; - Центр тяжкості диска; -Центри мас маятників; - Довжина маятників; - Ексцентриситет (рис.82).

а

б

в

г

д

За відсутності маятників можливі дві схеми взаємного розташування точок (рис.82). У кожній схемі відцентрова сила і сила пружності валу діють по одній прямій, тому, додаючи маятники, можна припустити, що в будь-якій із цих схем осі обох маятників мають напрямок тієї ж прямої.

Це призводить до чотирьох варіантів розташування характерних точок. Варіанти а і б (рис.82) відповідають схемі, даної на рис.81,а, коли центр тяжкості диска лежить далі від осі обертання, ніж центр перерізу валу; ці варіанти різняться між собою відносним положенням точок і .

Варіанти в г відповідають схемі, даної на рис.82,б, коли центр тяжкості диска Sлежить ближче до осі обертання, ніж центр перерізу валу.

Ці чотири варіанти вичерпують всі можливі принципово різні випадки взаємного розташування точок. якщо всі вони лежать на одній прямій. Але можливий ще п'ятий варіант (рис.82,д), що відповідає повному балансуванню валу, коли центр перерізу валу збігається з центром обертання системи. У цьому варіанті сили пружності відсутні, оскільки вал не вигнутий, а відцентрова сила диска врівноважена відцентровими силами маятників. При цьому осі маятників утворюють певний кут , що відповідає даному ексцентриситет диска.

Хоча рівновага можлива у кожному з перелічених варіантів стаціонарного режиму, але ці режими будуть стійкими. Теоретичний аналіз та експерименти показують, що при стійкості має лише п'ятий варіант. Тому в закритій області такі маятники є автоматичними балансувальниками і утримують вісь валу від вигину; якщо процесі обертання ексцентриситет збільшується, тобто. точка на рис.82,д зміщується вправо, то маятники сходяться ближче і кут зменшується рівно настільки, наскільки це необхідно для врівноваження збільшеної відцентрової сили диска.

У докритичній області, при , стійким виявляється режим а(Рис.82), в якому маятники збільшують прогин валу і тому приносять тільки шкоду. Тому в реальних системах вживають заходів щодо «вимкнення» маятників у докритичній галузі.

У конструкціях пральних машин маятниками є кільця, укладені в кожух. При відцентрових силах, що діють на кільця, малі, кільця лежать на дні кожуха, і балансувальник «вимкнений». При відцентровій силі виявляються достатніми, щоб кільця «спливли» і відбулося включення балансувальника.

У деяких конструкціях шліфувальних верстатів маятниками є кулі, укладені в кожух.

10.3. Критичні стани ротора вертольота

Формули, наведені при розгляді валу з одним диском, не можна використовувати, якщо з диском, що обертається, пов'язані маси, що володіють деякою рухливістю по відношенню до диска; зокрема, (359) для критичної кутової швидкості не можна підставляти замість сумарну масу диска разом з приєднаними масами.

До схем цього типу відноситься, наприклад, горизонтальний вертолітний ротор, що складається з втулки та лопат, які пов'язані з втулкою вертикальними шарнірами. На рис.83 показаний трилопатевий ротор, причому - центр втулки - центри вертикальних шарнірів. Припустимо, що гелікоптер стоїть на землі, а центр втулки вважатимемо пружно закріпленим у горизонтальній площині; ця гнучкість створюється всією конструкцією вертольота.

Схематизуємо масові властивості системи і вважатимемо, що лопаті повністю врівноважені, причому маса кожної лопаті зосереджена з відривом від центру відповідного вертикального шарніра. Допустимо також, що втулка врівноважена не повністю і її центр ваги знаходиться на відстані евід центру втулки та на бісектрисі кута (рис.83,а).

Внаслідок неврівноваженості системи при обертанні ротора виникає відцентрова сила, яка викличе додаткове пружне зміщення центру втулки (рис.83 б), де - зміщене положення центру втулки; - її центр тяжкості; - Центри вертикальних шарнірів. Цими літерами позначено деяке миттєве становище ротора; з часом точки ,, описують кола з центром у точці , яка визначає вісь обертання системи. Осі лопатей, підвішених у шарнірах і , вже не будуть розташовуватися на прямих і, оскільки відцентрові сили лопатей повинні проходити через центр обертання. Кут, який вісь кожної з цих лопатей складає з прямої, буде дещо менше; позначимо його як (рис.83, в).

З трикутника маємо:

звідси, внаслідок малості:

Відцентрові сили лопатей:

- Лопата;

- Лопата;

Лопать.

Схема відцентрових сил показано на рис.83,г. Крім відцентрових сил лопатей, сюди включено відцентрову силу втулки, де - маса втулки.

Сума всіх цих сил спрямована вздовж прямої та дорівнює:

то остаточно отримаємо:

(361)

Зміщення дорівнює частці від поділу сили на коефіцієнт жорсткості пружної системи. Після підстановки це відношення виразу (361) отримаємо просте рівняння для визначення , рішення якого дає:

і тоді критична швидкість становить:

(362)

Додатковим доданком виражено вплив рухливості лопатей щодо втулки; якщо розглядати систему без вертикальних шарнірів (жорсткий ротор), то

що значно більше, ніж .

Формула (362) справедлива для будь-якого числа лопатей із заміною числа 3 на число .

10.4. Коливання лопаток турбомашин

Коливання лопаток турбомашин виникають внаслідок нерівномірного по колу потоку робочого середовища, а також у зв'язку з збуреннями, що вносяться до потоку лопатками направляючого апарату. Завданням проектувальника є розрахунок власної частоти коливань лопатки та вибір такої її конструкції, що дозволяє виключити можливість резонансу.

Лопатка газової турбіни або компресора є стрижнем змінного перерізу, закріплений одним кінцем. Вісь лопатки зазвичай є слабо зігнутою просторовою кривою, але при розрахунку частоти коливань можна з достатньою точністю вважати, що вісь лопатки прямолінійна і перпендикулярна до осі обертання ротора.

Проблеми розрахунку частоти своїх коливань лопаток пов'язані з необхідністю враховувати вплив відцентрових сил і з тим, що лопатка є природно закручений стрижень, основні осі різних поперечних перерізів якого паралельні друг другу.

Закручена лопатка у процесі коливань відчуває косий вигин. Встановимо співвідношення між згинальними моментами та кривизнами для цього випадку. Поперечний переріз лопатки, розташований на відстані від осі обертання, віднесемо до осей спрямованих відповідно паралельно осі обертання і щодо до кола (рис.84, а).

Основні осі перерізу і становлять певний кут з осями і . Площа перерізу, його моменти інерції та кут є функціями радіусу чи відстані даного перерізу від кореневого перерізу лопатки. Позитивні напрямки згинальних моментів, прикладених до внутрішньої частини лопатки, зв'яжемо з напрямками правилом правого гвинта.

Згинальні моменти щодо осей пов'язані співвідношеннями:

(363)

де знак «» означає поточне значення змінної, яке відсутність - відповідне амплітудне значення.

Кривизни, віднесені до головних осей перерізу, виражаються через згинальні моменти щодо цих осей формулами:

(364)

а кривизни, віднесені до осей і -

(365)

Після підстановки (363) (364), а потім - (365), отримаємо:

(366)

У цих рівностях кривизни можна замінити їх наближеними виразами:

(367)

де - Зміщення центру тяжкості лопатки в осьовому та окружному напрямках.

На основі принципу Даламбер для складання рівнянь руху розглянемо динамічну рівновагу елемента лопатки в площині, перпендикулярної осі обертання. На кінцях елемента виникають внутрішні сили - поздовжня, поперечна та згинальний момент (рис.84,б). Крім того, до елемента прикладена відцентрова сила, що має вертикальну та горизонтальну проекції (рис.84,в), а також сила інерції у відносному русі, що дорівнює .

Проектуючи сили на вертикаль, отримаємо:

Сума проекцій на горизонталь дає рівняння:

(369)

І третє рівняння, сума моментів, дає:

Рівняння (368) дозволяє обчислити поздовжню силу у перерізі:

(371)

Рівняння руху елемента у площині (рис.85,а) мають вигляд:

Вирази для зміщень та силових факторів, що відповідають вільним коливанням лопатки, представимо у формі:

Тоді отримаємо систему звичайних диференціальних рівнянь, що складається з рівнянь динамічної рівноваги:

(372)

та рівнянь пружності:

Отримані рівняння можна записати у матричній формі:

де - матриця-стовпець з восьми елементів:

Матриця змінних коефіцієнтів розміром, ненульові елементи якої:

Для визначення частот власних коливань із рівняння (373) можна використовувати метод початкових параметрів. З цією метою конструюються чотири лінійно незалежні рішення рівняння (373), що задовольняють граничним умовам у перерізі . Наприклад, для закладеного перерізу такі рішення можуть мати значення.

Мета роботи:оцінка віброізоляції робочих місць, освоєння методики вибору та розрахунку пружних елементів віброізоляторів.

1. Основні теоретичні відомості

Під вібрацією розуміється рух точки або механічної системи, при якому відбувається почергове зростання і спад у часі значень, принаймні однієї координати. Що стосується впливу організм людини можна сказати, що вібрація – це механічні коливання, сприймані людиною як струс. Можна вказати деякі ознаки, що виділяють вібрацію у класі механічних коливань: відносно малі амплітуди коливань; відносно більша їх частота; широкий, хаотичний спектр коливань.

Одним із найпоширеніших методів зниження вібрацій робочих місць є віброізоляція. Цей спосіб захисту полягають у зменшенні передачі коливань від джерела збудження об'єкту, що захищається за допомогою пристроїв, що поміщаються між ними. Віброізоляція здійснюється введенням у коливальну систему додаткового пружного зв'язку, що перешкоджає передачі вібрацій від машини - джерела коливань до основи або суміжних елементів конструкції. Цей пружний зв'язок може також використовуватися для ослаблення передачі вібрацій від основи на людину або на агрегат, що захищається.

Таким чином, віброізоляція досягається установкою пружних елементів - віброізоляторів між джерелом вібрації і об'єктом, що захищається.

Ефективність віброізоляції визначається коефіцієнтом передачі, який має фізичний сенс відношення амплітуди переміщення.
(
), віброшвидкості (
) або віброприскорення (
) об'єкта, що захищається до амплітуди (
), віброшвидкості ( ) або прискорення (
) джерела збудження, тобто.

.

У системах, де можна знехтувати тертям, коефіцієнт передачі може бути розрахований за формулою

,

де і - частота вимушених та власних коливань системи відповідно,
.

З цієї формули видно, що нижча власна частота порівняно з частотою сил, що змушує, тим вище ефективність віброізоляції. При
сила, що змушує, діє як статична і цілком передається підставі. При
настає резонанс, що супроводжується різким зростанням рівня вібрацій. При
режим резонансу не здійснюється, значення одно одиниці, а при подальшому збільшенні воно стає менше одиниці, так як система надає силі, що змушує, все більший інерційний опір. Тому передача вібрацій через віброізоляцію зменшується.

Зазвичай ефективність віброізоляції визначають:

,

Вимушену частоту коливань легко розрахувати, якщо є джерело збудження вібрацій. Так для електродвигуна частота вимушених коливань , Гц, дорівнюватиме

,

де - Число оборотів валу електродвигуна, об / хв.

Вираз для власної частоти коливань з урахуванням того, що
, можна уявити у вигляді

де
- статична деформація (осада) системи на віброізоляторах під тиском власної маси,
.

Чим більша статична деформація, тим нижча власна частота і тим ефективніша віброізоляція. Однак ця обставина суперечить економічним і в ряді випадків технічним вимогам, оскільки призводить до складних і дорогих конструкцій віброізоляторів з великими габаритами, а система на таких віброізоляторах нерідко набуває надто більшої рухливості за окремими ступенями свободи. Тому в ряді випадків необхідно шукати розумного компромісу між гігієнічними, технічними та економічними вимогами. Таким чином, що вища частота вібрації, то легше здійснити віброізоляцію. Звідси випливає, що є оптимальне співвідношення між частотою збудження і частоти коливань системи.

Виходячи з вищевикладеного, можна сказати, що ефективність віброізоляції залежить від співвідношення частоти збудження та власної частоти коливань системи. Оптимальне співвідношення між ними
, що відповідає
.

Як пружні елементи в конструкції віброізоляторів використовують сталеві пружини, буфера з гуми, пластмас та інших матеріалів. Застосовуються також комбіновані, гумометалеві, пружино-пластмасові, гумопластикові та інші конструкції.

У практичній роботі студентам пропонується провести розрахунок віброізоляції робочого місця оператора технологічного обладнання за допомогою пружин та гумових прокладок, виходячи з допустимих значень параметрів вібрації на робочих місцях (ГОСТ 12.1.012-92. ССБТ. Вібраційна безпека. Загальні вимоги).

Мета роботи

Вивчити характеристики виробничих вібрацій, експериментально визначити параметри вібрації та ефективність віброізоляції.

1) Ознайомитись з характеристиками виробничих вібрацій та їх впливом на організм людини, методами боротьби з вібраціями та їх нормуванням.

2) Вивчити вібровимірювальний прилад ВІП-2М та лабораторну установку.

3) Визначити параметри вібрації від встановлення та ефективність віброізоляції. Отримані дані порівняти з нормами, наведеними у табл.7.1.

терміни та визначення

Вібрація– періодичне усунення центру тяжкості від точки рівноваги.

Амплітуда вібрації– найбільше усунення центру тяжкості від положення рівноваги за одну секунду (мм).

Частота вібрації- Число повних повторень коливального циклу (періодів) в секунду (Гц).

Обурювальна сила- Вплив на деталі або вузли машин періодичної зовнішньої сили.

Віброізоляція– метод боротьби з вібрацією, коли він вібруючий агрегат встановлюється на пружні віброізолятори (амортизатори).

Вібродемпфування- покриття вібруючої поверхні та обладнання вібропоглинаючими (демпфуючими) матеріалами (гумою, спеціальними мастиками, азбестом, бітумом, пластмасами типу «Агат», мастики типу ВД-17-63 тощо).

Віброгасіння– установка агрегатів на віброгасній основі (на спеціальному фундаменті в ґрунті на перекритті).

Віброшвидкість- Показник вібрації, що характеризує технічний стан обладнання (мм / с).

Рівень віброшвидкості- Показник, що характеризує фізіологічний вплив вібрації на організм людини (дБ).

Загальні відомості

Вібрацією називаються періодичні усунення (коливання) центру тяжкості пружних тіл або механічних систем щодо положення рівноваги.

Своєрідність коливального руху полягає в тому, що величини зсуву, швидкості та прискорення постійно змінюються в деякому обмеженому інтервалі, тому вібрацію можна характеризувати середньоквадратичною величиною одного з параметрів за певний проміжок часу.

Основними параметрами вібрації, що відбувається за синусоїдальним законом, є:

амплітуда усунення А, мм (величина найбільшого відхилення точки від положення рівноваги);

частота коливань f, Гц;

максимальна швидкість (віброшвидкість) коливального руху точки V, мм/с;

максимальне прискорення точки, що коливається а, мм/с 2 .

Амплітуда зміщення використовується як критерій для обмеження вібрації агрегатів і фундаментів; амплітуда коливальної швидкості поверхні характеризує рівень шуму;

амплітуда прискорення визначає динамічні сили, що діють.

У випадках коли коливання близькі до синусоїдальних, достатньо визначити амплітуду зміщення «А» і частоту коливань «f».

Віброшвидкість визначають за формулами:

Вібрацію також оцінюють за її рівнем , що вимірюється в логарифмічному масштабі. Рівень коливальної швидкості вібрації визначають за виразом:

де V– діюче, вимірюване значення віброшвидкості (L) у точці

вимірювань, мм/с;

V 0– граничне значення віброшвидкості (прийнято відповідно до міжнародної угоди), V 0 = 5 · 10 -5 мм/с.

За характером на організм людини вібрацію поділяють на загальну і місцеву. Загальна вібрація передається на все тіло людини, а місцева – на руки працюючого. Можлива комбінована дія загальної та місцевої вібрацій. Дія загальної вібрації, викликаної роботою технологічного обладнання (машин, верстатів та ін), внаслідок струсу підлоги, майданчика, сидіння, на якому знаходиться працюючий, поширюється на весь організм.

Дія місцевої вібрації поширюється на окремі ділянки тіла, що безпосередньо стикаються з джерелами вібрації, (при роботі з ручними машинами: свердлильними, клепальними, шліфувальними, відбійними молотками, при контакті з вібраціями деталей тощо). Небезпека впливу загальних вібрацій пояснюється наведеним нижче.

Внутрішні органи та окремі частини тіла людини (серце, шлунок, голова та ін.) можна розглядати як коливальні системи, що мають різні зосереджені маси та з'єднані між собою пружними елементами. Більшість внутрішніх органів мають власну частоту коливань діапазоні 5-7 Гц. Вплив на організм людини зовнішніх коливань з такими ж частотами може викликати резонансні коливання внутрішніх органів, що становить небезпеку їх зміщення та механічних пошкоджень.

При тривалому та інтенсивному впливі вібрації може виникнути важке захворювання, яке важко виліковувати – вібраційна хвороба. Вплив загальної вібрації проявляється у вигляді головного болю, порушення сну, підвищеної стомлюваності, можливі запаморочення. Ознаками вібраційної хвороби при впливі місцевої вібрації є біль і слабкість у сфері кистей і пальців рук, відчуття оніміння, підвищена стомлюваність рук. З боку периферичної нервової системи спостерігається порушення больової, температурної та вібраційної чутливості.

Нормованими параметрами загальної вібрації є середньоквадратичні значення віброшвидкості та їх рівні в октавних смугах частот із середньогеометричними значеннями 2 Гц; 4 Гц; 8 Гц; 16 Гц; 31,5 Гц та 63 Гц.

Таблиця 7.1.

Гігієнічні норми загальної вібрації, що діє на людину у виробничих умовах

Методи боротьби з вібрацією:

Усунення (зменшення) вібрації у джерелі її виникнення;

Демпфування вібрації (віброгасіння);

Віброізоляція.

Усунення причин виникнення вібрацій в машинах і механізмах конструктивними і технологічними методами є найбільш радикальним заходом (статична і динамічна балансування обертових мас, усунення люфтів, зазорів в машинах, заміна кривошипно-шатунних механізмів кулачковими, підшипників кочення на підшипники).

При демпфуванні зменшенняамплітуди коливань деталей машин досягається їх виготовленням з матеріалів з великим внутрішнім тертям або застосуванням покриттів на вібруючих поверхнях з матеріалів з великим внутрішнім тертям або в'язкістю (пластмаси, капрон, текстоліт, дельтадеревина, гума, пружні мастики).

Гасіння коливань передбачає збільшення інерційного та пружного опору коливальних систем або введення в механізми спеціальних пристроїв – динамічних гасників.

Найбільш поширеним заходом захисту від вібрації є віброізоляціяджерела обурення вібрації від фундаментів та перекриттів.

При цьому методі зменшення вібрації, що передається від машини на опорні конструкції, досягається установкою між машиною та конструкцією віброізоляторів (амортизаторів).

Як амортизатори використовують пружні елементи у вигляді сталевих пружин, ресор, прокладок з гуми, гумово-металевих деталей і т.п.

При ізоляції вібрації звукової частоти 16 Гц і більше рекомендують користуватися металевими пружинами, добре ізолюючими вібрацію низької частоти. Високочастотна вібрація добре поширюється по металу вздовж витків пружини.

Для зниження вібрації високої частоти доцільно застосовувати гумові амортизатори.

При розробці заходів щодо віброізоляції домагаються того, щоб амплітуди коливань, що проходять через пружні прокладки, були якнайменше.

Розставляння амортизаторів для машин проводиться таким чином, щоб центр ваги амортизаторів знаходився на одній вертикалі з центром жорсткості маси, яку являє собою машина, встановлена ​​на спеціальну основу.

Суцільна гумова прокладка має незначний статичний прогин і передає на основу всі коливання як жорстке тіло. Для амортизації гумові прокладки повинні мати форму, що сприяє вільному витягу матеріалу в сторони під вагою агрегату, наприклад, ребристу або дірчасту.

Основним показником, що визначає якість віброізоляції обладнання, встановленого на віброізолятори з жорсткістю С та масою М, є коефіцієнт передачі або коефіцієнт віброізоляції КП. Він показує, яка частка динамічної сили F ф від загальної сили F, що діє з боку обладнання, передається віброізоляторам та фундаменту:

де f- Частота збурюючої сили;

f 0- Частота власних коливань обладнання;

де g- Прискорення сили тяжіння, 9,81 м / с 2;

Х ст– статична осадка віброізолятора під впливом своєї маси машини, м:

де G – сила тяжіння агрегату, Н;

З – жорсткість амортизатора, Н/м.

Статичне осадку, наприклад, гумової прокладки, що амортизує, можна приймати рівною 10% її товщини.

Коефіцієнт передачі залежить від частоти сили, що обурює.

Амортизатори починають давати ефект при частоті обурення

f > f 0. При віброізолятор повністю передають вібрацію фундаменту (КП=1) або навіть підсилюють її (КП>1).

Ефект віброізоляції тим вищий, чим більше відношення f/f 0. Отже, для кращої віброізоляції фундаменту від вібрації агрегату при відомій частоті збурювальної сили необхідно зменшити частоту власних коливань агрегату на віброізоляторах для отримання більших відносин f/f 0, що досягається або збільшенням маси агрегату М, або зниженням жорсткості віброізоляції С. Хороша віброізоляція досягається при f/f 0 =3 4 , що відповідає КП = 1/3 - 1/15 .

Ослаблення передачі вібрації на фундамент, як було сказано, характеризується величиною віброізоляції L в децибелах (дБ). Величина віброізоляції на цій частоті визначають за формулами:

де L V 1; U 1– рівень вібрації та віброшвидкість агрегату або фундаменту за відсутності віброізоляторів між агрегатом та фундаментом;

L V 2; U 2– рівень вібрації та віброшвидкість фундаменту за наявності віброізоляторів між агрегатом та фундаментом;

V 0 = 5 · 10 -5 мм/с (const).

,

де f- Частота збурюючої сили, Гц;

f 0- Частота своїх коливань, Гц.

Порядок виконання роботи

Об'єктом дослідження визначення параметрів загальної вібрації.

Загальну вібрацію визначають на стенді, що включає електродвигун жорстко закріплений на платформі. Платформа встановлена ​​на фундаменті за допомогою віброізоляторів. Притискний гвинт дозволяє жорстко з'єднати платформу та фундамент. В цьому випадку вони коливатимуться як одне ціле (віброізоляція виключена). Вимірювання вібрації проводиться переносним вібровимірювальним приладом.

Для проведення вимірювань необхідно:

1. Вивчити пристрій.

2. Намітити контрольні точки на фундаменті.

3. У кожній наміченій точці провести вимірювання розмаху вібрації К у трьох повторностях, обчисливши середнє арифметичне значення розмаху, занести до табл.7.2.

4. Вимірювання загальної вібрації зробити для двох режимів роботи «віброізоляція включена» (притискний гвинт відпустити) та «віброізоляція вимкнена» (платформа закріплена гвинтом до фундаменту).

5. За вищенаведеними формулами обчислити частоту сили, що обурює, віброшвидкість і рівень віброшвидкості.

6. Порівняти отримані значення параметрів віброшвидкості з гранично допустимими значеннями та оцінити вплив вібрації на організм людини у різних режимах роботи установок.

7. Визначити ефективність віброізоляції експериментально та розрахунковим шляхом.

Таблиця 7.2.

Протокол звіту з лабораторної роботи №7

Роботу виконав студент ______________________________

П.І.Б. шифр

Роботу прийняв викладач _____________________________

Виробнича ситуація до лабораторної роботи №7

Виникла потреба встановити вентилятор на перекритті виробничого приміщення. Число оборотів валу вентилятора п=1450 об/хв. Вентилятор динамічно збалансований. Який вид віброізоляторів доцільно використовувати у такій ситуації:

1. Пружинні віброізолятори.

2. Гумові віброізолятори, що мають ребристу форму та розбиті на окремі квадрати.

3. Віброізолятор із суцільного листа гуми товщиною 500 мм.

Запитання для самоперевірки:

1. Якими параметрами характеризують вібрацію?

2. Який показник вібрації характеризує технічний стан обладнання?

3. У чому полягає математична сутність рівня віброшвидкості?

4. Які одиниці вимірюють рівень віброшвидкості?

5. Які параметри нормують вібрації?

6. Які методи та засоби використовують для зниження вібрації обладнання?

7. Який показник вібрації знижується віброзахистом?

8. У чому полягає суть нормування вібрації на робочому місці?

Література:

1. СН 2.2.4/2.1.8566-96 «Виробнича вібрація, вібрація у приміщеннях житлових та громадських будівель».

2. СанПіН 2.2.2.540-96 «Гігієнічні вимоги до ручних інструментів та організації робіт».

3. ГОСТ 12.1.012-90 ССБТ «Вібраційна безпека. Загальні вимоги".

4. Безпека життєдіяльності. Підручник за ред. С.В.Бєлова. - М.: Вища школа, 2006 р.

5. Калініна В.М. технічне оснащення та охорона праці у громадському харчуванні. Підручник - М.: Академія, 2004 р.

Лабораторна робота №6

Віброізоляція. Віброізоляція — зменшення рівня вібрації об'єкта, що захищається шляхом зменшення передачі коливань цьому об'єкту від джерела коливань. Віброізоляція здійснюється за допомогою введення в коливальну систему додаткового пружного зв'язку, що перешкоджає передачі вібрацій від машини джерела коливань до основи або суміжних елементів конструкції; ця пружна зв'язок може також використовуватися для ослаблення передачі вібрацій від основи на людину, або на агрегат, що захищається.

Приклад віброізольованої системи показано на рис. 35. Змінна збурювальна сила, створювана машиною, має амплітуду FMмаш. На основу, від якої машина відокремлена віброізоляцією, діє змінна сила Fmосн.

Мал. 35. Система з шістьма ступенями свободи

Ефективність віброізоляції оцінюється коефіцієнтом передачі, який має фізичний сенс відношення сили, що діє на основу за наявності пружного зв'язку, до сили, що діє при жорсткому зв'язку, та визначається за формулою

КП=Fmосн/Fmмаш

Чим це ставлення менше, тим вища віброізоляція. Хороша віброізоляція досягається при КП = 1/8÷1/15. Коефіцієнт передачі може бути розрахований за формулою

КП=1/((f/f0)2-1)

де f - Частота збудливої ​​сили; f0 – власна частота системи на віброізоляторах.

З формули (8) видно, що чим нижча власна частота порівняно з збуджуючої, тим вища ефективність віброізоляції. При цьому 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.

Наприклад, для ослаблення загальних вібрацій в зоні обслуговування потужних дизель-моторів у 100 разів (КП = 0,01) власна частота компресора, встановленого на віброізоляції, повинна бути в 10 разів менша за частоту, що діє в компресорі сили, що обурює. Якщо кількість оборотів дизеля п = 300 об/хв, то частота (Гц) його власних коливань має бути

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

Зазвичай ефективність віброізоляції оцінюють у децибелах:

ΔL = 20lgl1/КП.

Вираз для своєї частоти в герцах можна подати у вигляді

де g - Прискорення вільного падіння; q - жорсткість віброізоляторів (сила, потрібна для їх деформації на одиницю довжини); Р - маса агрегату, що лежить на віброізоляторах; хст - статична осадка системи на віброізолятор під тиском власної маси. Чим більший статичний осад, тим нижче власна частота і тим ефективніша віброізоляція. Однак ця обставина суперечить економічним і в ряді випадків технічним вимогам, тому що призводить до складних і дорогих конструкцій віброізоляторів з великими габаритами, а система на таких віброізоляторах нерідко набуває занадто великої рухливості за іншими ступенями свободи. Тому в цьому випадку, як і в інших, необхідно шукати розумний компроміс між вимогами гігієнічними, технічними та економічними. Таким чином, що вища частота вібрації, то легше здійснити віброізоляцію. Звідси випливає, що є оптимальне співвідношення між вимушеною та власною частотою системи. Воно становить а = f/f0 = 3÷4, що відповідає КП = 1/8÷1/15

Крім віброізоляторів, прикладом віброзахисту є встановлення гнучких вставок в комунікаціях повітроводів і в місцях їх проходження через будівельні конструкції, встановлення пружних прокладок у вузлах кріплення повітроводів, поділ гнучким зв'язком перекриттів і несучих конструкцій будівлі (пристрій так званих «плаваючих підлог» перекриття пружними прокладками). У всіх випадках введення додаткового пружного зв'язку знижує передачу вібрацій від джерела суміжним елементам конструкції (або ґрунту). Цей принцип віброзахисту використовується при конструюванні ручного механізованого інструменту.

Промисловістю випускається ряд типів ручного механізованого інструменту з віброзахисними ручками. Так, випускаються перфоратори з віброгасною рукояткою, що коливається. Принцип її дії полягає в тому, що вона з'єднана з корпусом інструменту через пружний зв'язок - систему сполучених шарнірно елементів. Контакт зазначеної системи з корпусом перфоратора здійснюється за допомогою еластичних гумових кілець. Таке конструктивне рішення віброізоляції (багатоланковий зв'язок) забезпечило зниження рівня вібрацій на рукоятці до вимог санітарних норм, що діють.