Защита от вибрационных колебаний

Вибрация представляет собой механические колебательные дви­жения гармонического вида в механической системе. Причиной виб­рации являются возникающие при работе машин и механизмов не­уравновешенные силовые воздействия.

Основными параметрами вибрации являются частота (Гц); ам­плитуда смещения (м или см); виброскорость (м/с); виброускорение (м/с); период колебаний (с).

В практике виброакустики весь диапазон частот вибрации разби­вается на октавные диапазоны. В каждом октавном диапазоне верх­няя граничная частота в два раза выше нижней, а средняя частота диа­пазона равна квадратному корню из произведения верхней и нижней частот. Средние геометрические частоты октавных диапазонов нормированы и находятся в интервале от 1 до 2000 Гц (всего 12 среднечас­тотных диапазонов).

По способу передачи принято различать локальную вибрацию, пе­редаваемую через руки, и общую вибрацию, передаваемую через опор­ные поверхности сидящего или стоящего человека.

Наиболее опасны для человека частоты колебаний 6...9 Гц, так как они совпадают с собственной частотой колебаний внутренних орга­нов человека.

Нормирование вибрации. Различают санитарно-гигиеническое и техническое нормирование производственных вибраций. При сани­тарно-гигиеническом нормировании вибрации по ГОСТ 12.1.012-90 "Вибрационная безопасность. Общие требования" и Санитарным нормам СН 2.2.4/2.1.8.556-96 "Производственная вибрация, вибра­ция в помещениях жилых и общественных зданий" производится ог­раничение параметров производственной вибрации рабочих мест и поверхностей контакта виброопасных механизмов с руками работаю­щего, исходя из физиологических требований. При техническом нор­мировании осуществляется ограничение уровня вибраций с учетом технически достижимого уровня защиты от вибраций. Санитар­но-гигиенические нормы вибраций устанавливаются по стандарту ССБТ и Санитарным нормам для длительности рабочей смены 8 ч.

Требования ГОСТ 12.1.012-90 распространяются на рабочие места, на которых человек подвергается воздействию вибрации, ма­шины, оборудование и технологические процессы, являющиеся ис­точниками вибрации. Показатели вибрационной нагрузки начелове- ка-оператора формируются из следующих параметров: виброускоре­ние (виброскорость); диапазон частот; время воздействия вибрации.

При оценке вибрационной нагрузки на человека-оператора пред­почтительным параметром является виброускорение.

Логарифмические уровни виброускорения (L_a), дБ, определяют по формуле

(19.23)

где а - среднее квадратическое значение виброускорения, м · с^-2.

Логарифмические уровни виброскорости (L_v), дБ, определяют по формуле

(19.24)

где ν - среднее квадратическое значение виброскорости, м · с^-1.

При интегральной оценке по частоте нормируемым параметром является корректированное значение виброскорости и виброускоре­ния (U) или их логарифмические уровни (LU).

При интегральной оценке вибрации с учетом времени ее воздей­ствия по эквивалентному (по энергии) уровню нормируемым пара­метром является эквивалентное корректированное значение вибро­скорости или виброускорения (U_экв) или их логарифмический уровень (L_Uэкв).

Предельно допустимые величины нормируемых параметров про­изводственной локальной вибрации при длительности вибрационно­го воздействия 480 мин (8 ч) приведены в табл. 19.5.

Таблица 19.5. Предельно допустимые знамения производственной локальной вибрации

В соответствии с нормами СН 2.2.4/2.1.8.556-96 допустимый уровень вибрации в жилых и общественных зданиях - это уровень фактора, который не вызывает у человека значительного беспокойст­ва и существенных изменений показателей функционального состоя­ния систем и анализаторов, чувствительных к вибрационному воз­действию. Допустимые значения нормируемых параметров вибрации в жилых помещениях приведены в табл. 19.6.

Таблица 19.6. Допустимые знамения вибрации в жилых помещениях

Примечание. В дневное время в помещениях допустимо превышение уров­ней на 5 дБ.

Санитарно-гигиеническая оценка постоянной и непостоянной вибрации, воздействующей на человека, производится следующими методами: частотным (спектральным) анализом нормируемого пара­метра; интегральной оценкой по частоте нормируемого параметра; интегральной оценкой с учетом времени вибрационного воздействия по эквивалентному (по энергии) уровню нормируемого параметра.

Вибрационные системы состоят из элементов массы, упругости и демпфирования. В такой системе действуют силы инерции, трения, упругости и вынуждающие.

Сила инерции равна произведению массы М на ее ускорение dv/dt.

(19.25)

где v - виброскорость.

Сила F_M направлена в сторону, противоположную ускорению. Сила действия упругого элемента, т. е. восстанавливающая сила, будет направлена в противоположную сторону и равна

(19.26)

где G - коэффициент жесткости упругого элемента, Н/м; х = х₁ - x₀ - смещение конца упругого элемента, м.

При вибрации упругих систем происходит рассеяние энергии в окружающую среду, а также в материале упругих элементов и в местах соединений деталей конструкции. Эти потери вызываются силами трения (диссипативными силами), на преодоление которых необра­тимо рассеивается энергия источника вибрации.

Если рассеяние энергии происходит в элементе демпфирования, т.е. вереде с вязким сопротивлением, то диссипативная демпфирую­щая сила Fs прямо пропорциональна виброскорости ν:

(19.27)

где S - импеданс (сопротиаление) элемента демпфирования, Н · м/с.

Импеданс вибросистемы складывается из импедансов элемента демпфирования, массы и упругости. Импеданс вибросистемы имеет минимальное значение в резонансной области, где он определяется импедансом элемента демпфирования. Вне резонансной области им­педансом S можно пренебречь. В диапазоне высоких частот движе­ние определяется вибрирующей массой Л/, а в диапазоне низких час­тот - жесткостью системы G.

Коэффициент потерь энергии с учетом импеданса составит

(19.28)

Защита от вибрации осуществляется воздействием на источник вибрации путем снижения вибрации на пути ее распространения с использованием следующих методов:

уменьшение или ликвидации возмущающих сил в источнике. Это достигается путем исключения возможных ударов и резких ускоре­ний;

изменение частоты собственных колебаний машины или уста­новки для исключения резонанса с частотой возмущающей силы;

вибродемпфирование или вибропоглощение путем превращения энергии колебаний системы в тепловую энергию (использование ма­териалов с большим внутренним трением: древесина, резина, пласт­массы);

виброгашение путем введения в колебательную систему дополни­тельных масс или увеличения жесткости системы путем установки аг­регатов на фундамент;

виброизоляция путем ввода в систему дополнительной упругой связи для ослабления передачи вибрации смежному элементу конст­рукции или рабочему месту.

При проектировании технологических процессов и производст­венных зданий и сооружений должны быть: выбраны машины с наименьшей вибрацией;

зафиксированы рабочие места (зоны), на которых работающие могут подвергаться воздействию вибрации;

определены требования вибробезопасности по санитарным нор­мам с учетом временных ограничений воздействия вибрации, зало­женных в технологический процесс и зафиксированных в проектной документации;

разработаны схемы размещения машин с учетом создания мини­мальных уровней вибрации на рабочих местах;

произведена и указана в проектно-технологической документа­ции оценка ожидаемой вибрационной нагрузки на оператора;

выбраны строительные решения оснований и перекрытий, обес­печивающие выполнение требований вибрационной безопасности труда;

выбраны и рассчитаны необходимые средства виброзащиты для машин или рабочих мест, обеспечивающие вместе со строительными решениями выполнение требований вибробезопасности труда.

Весьма эффективный метод снижения вибрации в источнике - исключение резонансных режимов работы оборудования. В этом случае даже при малых значениях дисбаланса и относительно небольших возбуждающих воздействиях уровень вибрационных параметров рез­ко возрастает. Для снижения уровня производственных вибраций важно исключить резонансные режимы работы технологического оборудования. При проектировании это достигается выбором рабо­чих режимов с учетом собственных частот машин и механизмов. В процессе эксплуатации возможно уменьшить жесткость агрегатов, а в некоторых случаях и их массы, что приводит к изменению значения собственных частот. Возможно изменение рабочих режимов обору­дования. Все это следует учитывать, если машины и механизмы в про­цессе эксплуатации со временем становятся источником вибраций.

Виброгашение реализуется при увеличении эффективной жестко­сти и массы корпуса машин или станин станков за счет их объедине­ния в единую замкнутую систему с фундаментом.

Виброизоляция является средством уменьшения динамических сил, передаваемых с виброактивной системы на другую, защищаемую от вибрации. Цель виброизоляции механизмов - создание таких ус­ловий на пути распространения колебаний, которые увеличили бы необратимые потери и тем самым уменьшили передаваемую от ис­точника колебательную энергию.

В основе метода вибродемпфирования (вибропоглощения) лежит увеличение активных потерь в колебательных системах. Искусствен­ное увеличение потерь колебательной энергии в системе значительно уменьшает амплитуды колебаний особенно в резонансных областях.

Это достигается выбором материалов и конструкции с малой же­сткостью и большим внутренним трением; использованием прокла­док с малым значением модуля Юнга в местах сочленения отдельных элементов конструкции; искусственным демпфированием вибри­рующей поверхности различными покрытиями. Вибропоглощение заключается в нанесении упруговязких материалов, обладающих большими внутренними потерями, на вибрирующие элементы ма­шины, причем вибропоглощающий материал должен быть плотно скреплен с колеблющейся поверхностью.

К основным характеристикам виброзащитных систем относятся собственная частота системы, механический импеданс и коэффици­енты, определяющие процессы затухания вибраций и рассеяния энергии.

Свободная вибрация (Ft = 0) в отсутствие сил трения (F_s = 0) с те­чением времени не затухает.

При условии F_M + FG, = 0 определяется собственная частота коле­баний вибросистемы:

(19.29)

При наличии сил трения (F_s ≠ 0) свободная вибрация (Ft = 0) заглухает. Амплитуда виброскорости при этом стечением времени убы­вает.

Отношение потока энергии на входе в защитное устройство и на выходе из него W+/W- называют силовым коэффициентом зашиты при виброизоляции:

(19.30)

Степень защиты характеризуется также динамическим коэффи­циентом защиты k_х, равным отношению амплитуды смещения источ­ника к амплитуде смещения приемника.

Энергетический коэффициент защиты можно выразить в виде

(19.31)

Эффективность виброизоляции

(19.32)

Если потери в защитном устройстве отсутствуют (η = 0), то эф­фективность

(19.33)