< Предыдущая   Оглавление   Следующая >

19.2. 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 (La), дБ, определяют по формуле

(19.23)

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

Логарифмические уровни виброскорости (Lv), 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 (Uэкв) или их логарифмический уровень (LUэкв).

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

Среднегеометрические частоты октавных по­лос, Гц

Предельно допустимые значения по осям Хп, Yn, Zn

виброускорения

виброскорости

м/с2

дБ

м/с· 102

дБ

8

1,4

123

2,8

115

16

1,4

123

1,4

109

31,5

2,8

129

1,4

109

63

5,6

135

1,4

109

125

11,0

141

1,4

109

250

22,0

147

1,4

109

500

45,0

153

1,4

109

1000

89,0

159

1,4

109

Корректированные и эквивалентные зна­чения и их уровни

2,0

126

2,0

112

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

Среднегеометрические частоты полос, Гц

Допустимые значения по осям Х0, У0, Za

виброускорения

виброскорости

м/с2· 10_3

дБ

м/с · 10~*

дБ

1

2

3

4

5

2

4,0

72

3,2

76

4

4,5

73

1,8

71

8

5,6

75

1,1

67

16

11,0

81

1,1

67

31,5

22,0

87

1,1

67

63

45,0

93

1,1

67

Корректированные и эк­вивалентные корректиро­ванные значения и их уровни

4,0

72

1,1

67

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 FM 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 (Fs = 0) с те­чением времени не затухает.

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

(19.29)

При наличии сил трения (Fs ≠ 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 kх, 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)

< Предыдущая   Оглавление   Следующая >