Защита от вибрации Цель работы

Целью работы является научить студентов определять основные параметры вибрации, сравнить их с нормируемыми значениями, эффективность виброизоляции, собственную частоту колебаний системы, построить кривую резонанса в зависимости от частоты изменения возмущающей силы.

Краткие теоретические сведения

В соответствии с ГОСТ 12.1.012-90. ССБТ «Вибрация. Общие требования безопасности» под вибрацией понимается движение точки или механической системы, при котором происходит поочередное возрастание и убывание во времени значений, по крайней мере, одной координаты.

Причиной возбуждения вибраций являются возникающие при работе машин и агрегатов неуравновешенные силовые воздействия. Величина дисбаланса во всех случаях приводит к появлению неуравновешенных сил, которые вызывают вибрацию. Причиной дисбаланса может явиться неоднородность материала вращающегося тела, несовпадение центра массы и оси вращения, деформация деталей от неравномерного нагрева при различных сопряжениях между собой.

Воздействие вибраций на человека чаще всего связано с колебаниями, внешним переменным силовым воздействием на машину либо на отдельную её систему. Возникновение такого рода колебаний может быть связано не только с силовым, но и кинематическим возбуждением, например, в транспортных средствах при их движении по неровному пути.

Воздействие вибраций на человека

Различают общую и локальную вибрации. Общая вибрация вызывает сотрясение всего организма. Локальная (местная) вовлекает в колебательное движение отдельные части тела.

Общей вибрации подвергаются транспортные рабочие, кузнецы, штамповщики, водители и другие.

Локальной вибрации подвергаются лица, работающие с пневматическим ударным инструментом, обрубщики, клепальщики и другие.

Для большинства внутренних органов собственные частоты лежат в диапазоне 6 – 9 Гц. Колебания рабочих мест с указанными частотами весьма опасны, т. к. могут вызвать механическое повреждение или даже разрыв органов.

Систематическое воздействие вибраций может стать причиной вибрационной болезни – стойких нарушений физиологических функций организма, обусловленных преимущественно воздействием вибраций на ЦНС. Данные нарушения проявляются в виде постоянных головных болей, головокружений, пониженной работоспособности, плохого сна и т. д. Локальная вибрация вызывает спазмы сосудов концевых фаланг пальцев, а затем они распространяются на всю кисть, предплечье, захватывают сосуды сердца. Вследствие этого ухудшается снабжение конечностей кровью. Данные процессы сильнее проявляются в холодный и переходный периоды года и замедляются летом.

Виброболезнь является профессиональным заболеванием, которое возможно эффективно вылечить на ранних стадиях.

Основные параметры, характеризующие вибрацию

Основные параметры вибрации, изменяющейся по синусоидальному закону, являются следующие: амплитуда виброперемещения X_m; амплитуда колебательного ускорения a_m; период колебаний Т; частота f. Частота – количество колебаний в секунду. Она связана с периодом следующей зависимостью: f = 1/T.

В общем случае физическая величина, характеризующая вибрацию (например, виброскорость V_m), является некоторой функцией времени V = f(t). Математическая теория показывает, что такой процесс можно представить в виде сумм бесконечно делящихся синусоидальных колебаний с различными периодами и амплитудами. В случае периодического процесса частоты этих составляющих кратны основной частоте процесса: f_n = n  f, (n = 1, 2, 3… f – основная частота процесса).

Можно сказать, что спектр периодического или квазипериодического колебательного процесса является дискретным, а случайного или кратковременного процесса – непрерывным. Чаще всего в дискретном спектре наиболее ярко выражена основная частота колебаний. Если процесс представляет собой сложение нескольких периодических процессов, частоты отдельных составляющих в его спектре могут быть не кратными друг другу, т. е. имеет место квазипериодический процесс.

Изображение непрерывного спектра требует обязательной оговорки о ширине Δf элементарных частотных полос, к которым относится изображение. Характеристики вибрации определяются в стандартных октавных полосах.

Если f₁ – нижняя граничная частота данной полосы частот, f₂ – верхняя граничная частота, то в качестве частоты характеризующей полосу в целом, берется среднегеометрическая частота:

В практике виброакустических исследований весь диапазон частот разбивают на октавные диапазоны. В октавном диапазоне верхняя граничная частота в два раза больше нижней f₂/f₁ = 2. Среднегеометрические частоты октавных полос частот вибраций стандартизированы и составляют 1, 2, 4, 16, 31,5, 63, 125, 250, 500, 1000 Гц.

В практике виброакустических исследований используют понятие логарифмического уровня колебаний. Это относительная величина.

Логарифмический уровень колебаний – характеристика, сравнивающая две одноименные физические величины пропорциональные десятичному логарифму отношения оцениваемого и исходного значения величины. Измеряются уровни в децибелах.

Уровень виброскорости определяют по формуле:

, Дб

V₀ = 510^-8, м/с – пороговое значение виброскорости, стандартизированное в международном масштабе.

Снижение уровня вибраций определяют разностью

ΔL = L_V1 – L_V2,

где L_V1 – уровень вибраций до проведения мероприятий;

L_V2 – уровень вибраций после проведения мероприятий.

Способы борьбы с вибрациями базируются на основании уравнений, описывающих колебания машин и агрегатов в условиях производства. Эти уравнения сложны, т. к. любой вид технологического оборудования также как и его отдельные элементы, являются системой со многими степенями подвижности и обладают рядом резонансных частот.

Прежде всего, следует снижать вибрацию вблизи резонансов.

В практике широко распространены следующие способы борьбы с вибрациями:

а) снижение вибраций воздействием на источник возбуждения (посредством снижения или ликвидации вынуждающих сил);

б) отстройка от режима резонанса путем рационального выбора массы или жесткости колеблющейся системы;

в) вибродемпфирование – увеличение механического импеданса колеблющейся системы или конструктивных элементов путем увеличения диссипативных сил при колебаниях с частотами, близкими к резонансным;

г) динамическое гашение колебаний – присоединение к защищаемому объекту системы, реакции которой уменьшают размах вибрации объёма в точках присоединения системы;

д) изменение конструктивных элементов машин и строительных конструкций.

Борьба с вибрацией воздействием на источник возбуждения заключается в том, что при проектировании машин и механизмов технологических процессов предпочтение отдается кинематическим и технологически схемам, при которых динамические процессы, вызванные ударами, резкими ускорениями полностью исключались бы.

Отстройка от режима резонанса, т. е. отстройка собственных частот агрегата и его отдельных узлов и деталей от частоты вынуждающей силы.

Собственные частоты отдельных конструктивных элементов определяют либо расчётным путем, либо экспериментально на специальных стендах.

Резонансные режимы при работе технологического оборудования устраняют двумя путями: либо изменением характеристик системы (массы m и жесткости q), либо установлением нового рабочего режима (отстройка от резонансного значения угловой частоты вынужденных колебаний). Графически явление резонанса представлено на рис. 1.

Вибродемпфирование – процесс уменьшения уровней вибраций защищаемого объекта путём превращения энергии механических колебаний заданной системы в тепловую.

Увеличение потерь энергии в системе может быть достигнуто: использованием в качестве конструкционных материалов с большим внутренним трением; нанесением на вибрирующие поверхности слоя упруговязких материалов, обладающих большими потерями на внутреннее трение; применением поверхностного трения; переводом механических колебаний в энергию токов Фуко или электромагнитного поля.

Динамическое виброгашение осуществляют путем установки агрегатов на фундаменты (при ω > ω₀). Массу фундаментов подбирают таким образом, чтобы амплитуда колебаний подошвы не превышала 0,1 – 0,2 мм, а для особо ответственных сооружений 0,005 мм.

Рис. 1. Зависимость амплитуды вибрации от частоты колебаний (μ₀ < μ₁ < μ₂ < μ₃ < μ₄ – коэффициенты сопротивлений)

Виброизоляция заключается в уменьшении передачи колебаний от источника возбуждения защищаемому объекту при помощи устройств, помещаемых между ними.

Эта упругая связь может также использоваться для ослабления передачи вибрации от основания на человека, либо на защищаемый агрегат.

Эффективность виброизоляции определяют коэффициентом передачи КП, который имеет физический смысл отношения амплитуды виброперемещения, виброскорости, виброускорения или действующей на объект силы к амплитуде той же величины источника возбуждения при гармонической вибрации

КП = F_m.осв/F_m.маш = V_m.осв/V_m.маш.

Чем меньше это соотношение, тем выше виброизоляция.

Обычно эффективность виброизоляции определяют в децибелах:

Выражения для собственной частоты в герцах с учетом, что m_q/q = x_cm можно представить в виде:

x_ст – статическая осадка системы на виброизоляторах под давлением собственной массы.

Чем больше статическая осадка, тем ниже собственная частота, тем эффективнее виброизоляция. Но данное свойство противоречит экономическим, и в ряде случаев, техническим требованиям, т. к. приводит к сложным и дорогостоящим конструкциям виброизоляторов с большими габаритами, а сами системы приобретают большую подвижность.

Поэтому существует оптимальное соотношение между частотой возбуждения и собственной частотой колебаний в пределах f/f₀ = 3  4, что соответствует КП = 1/8  1/5, рис. 1.

В случае, когда параметры вибраций неизвестны, необходимо выполнять данное условие f/f₀ = 3  4. Значения частоты возбуждающей силы определяют по параметрам рабочего процесса, например, для электродвигателей f = n/60. Используя связь между статической осадкой x_ст и частотой собственных колебаний системы f₀, можно построить график зависимости для определения x_ст.