Исследование эффективности виброизоляции. Защита от производственных вибраций. Меры снижения вибраций машин и оборудования. Виброизоляция Колебания лопаток турбомашин

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.

Для этого следует:

1. По формуле (1.9) определить частоту собственных колебаний сис­темы. Осадка источника колебаний х ст задается преподавателем или опре­деляется на лабораторном стенде путем измерения.

2. Определить основную частоту вынуждающей силы f в:

f в =n дв /60,

где n дв, - рабочее число оборотов электродвигателя, определяется по таб­личке на электродвигателе.

3. По формуле (1.8) определить коэффициент передачи при виброи­золяции.

4. По формуле (1.10) определить величину снижения вибрации ∆L.

5. Определить измеренную величину ∆L изм как

∆L изм =L 1 –L 2

где L 1 иL 2 - общий уровень виброскорости соответственно без виброизо­ляции и с виброизоляцией.

3. Вопросы для самоконтроля

1. Что понимается под вибрацией?

2. Какие основные величины характеризуют вибрацию?

3. Как связаны виброскорость и виброперемещение между собой?

4. Что понимается под уровнем виброскорости?

5. Что понимается под октавной полосой частот?

6. Как определяется среднегеометрическая частота октавной полосы?

7. На какие виды в зависимости от источника и времени действия делится вибрация?

8. Что понимается под вибрационной нагрузкой и какие показатели к ней относятся?

9. Для какого времени воздействия нормируются спектральные показатели вибрационной нагрузки?

10. Какими способами осуществляется демпфирование и динамическое

виброгашение?

11 . В чем заключается сущность виброизоляции?

12. Что понимается под резонансом?

1 3. При каких условиях виброизоляция будет наибольшей?

14. Каким показателем оценивается виброизоляция?

15. Что является ограничением для уменьшения жесткости виброизолято­ра?

16. На чем основан принцип работы вибропреобразователя?

2. Наименование лабораторной работы.

3. Цели работы.

4. Результаты измерений величин (параметров) вибрации и необхо­димых расчетов.

5. Выводы о соответствии параметров вибрации санитарным нормам и сходимости ∆Lи ∆L изм

Список литературы

1. СН 2.2.4/2.1.8.566 - 96. Производственная вибрация, вибрация в по­мещениях жилых и общественных зданий.

2. ГОСТ 12.1.012 - 90. Вибрационная безопасность. Общие требования.

3. ГОСТ 26568 - 85. Вибрация. Методы и средства защиты. Классифика­ция.

4. ГОСТ 24346 - 80. Вибрация. Термины и определения.

5. Трофимов НА. Защита от вибрации и шума в промышленности: Учебное пособие /Перм. гос. техн.ун-т. - Пермь, 1999. - 144 с.

6. Безопасность жизнедеятельности. Учебник для вузов / С.В.Белов, А.В. Ильницкая, А.Ф. Козьяков и др.; Под. общ. ред. С.В. Белова. 2-е, изд., испр. и доп. - М.: Высш. шк., 1999. - 448 с.

7. Безопасность жизнедеятельности. Безопасность технологических процессов и производств (охрана труда): Учебное пособие для вузов /П.П. Кукин, В.Л. Лапин, Е.А. Подземных и др. - М.: Высш. шк., 1999. -318с.

8. Ивович В.А., Онищенко В.Я. Защита от вибрации в машиностроении. M.: Машиностроение, 1990. - 272 с.

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

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.).