Вибрация и ее влияние на организм человека

Виброизоляция называется активной, если для ее уменьшения используется дополнительный источник энергии.

Пассивная виброизоляция применяется, если требуется  защитить рабочее место от колебаний  вибрирующих машин или защитить остальные машины от колебаний неуравновешенных деталей (ССБТ ГОСТ 12.4.046-78 «Методы и  средства вибрационной защиты. Классификация.»).

Виброизоляция ослабляет передачу колебаний от источника на основание, пол, рабочее  место и.т.д. за счет устранения между  ними жестких связей и установки  упругих элементов (виброизоляторов).

Рис. Схема виброизоляции динамической не уравновешенной машины

В качестве виброизоляторов применяют: стальные пружины или рессоры, прокладки  из резины, войлока, а также резинометаллические, пружинно-пластмасовые и пневморезиновые  конструкции, использующие упругие  свойства материалов и воздуха и т.д. (рис.2.5.11.)

Принцип пассивной виброизоляции хорошо видно на примере виброизоляции  неуравновешенной машине массой М с  эксцентриком массой m на расстоянии R от оси вращения (рис.2.5.12.).

При вращении вала машины с угловой  скоростью ? возникает центробежная сила Fmax=m ? ² R, изменение которой во времени (t) носит гармонический характер:

(2.5.29)

Рис. Пассивная виброизоляция машины

(а) и рабочего места (б)

Для виброизоляции машины установлены пружинные виброизоляторы. Под действием силы (2.5.29) пружины деформируются, и в пружинах возникает сила упругости:

, (2.5.30)

где К-жесткость амортизаторов;

Х-деформация пружины под действием  динамической силы

Эффективность виброизоляции будет  тем выше, чем меньшая динамическая сила передается на основание, т.е. чем меньше (сила возмущения F уравновешивается силой инерции от массы М)

Эффективность пассивной виброизоляции  оценивается коэффициентом передачи ?, который показывает какую долю динамической силы, возбуждаемой машиной, передают амортизаторы на основание:

(2.5.31)

Если пренебречь затуханием колебаний  виброизоляторов, то коэффицент передачи вибраций:

 

Рис. Зависимость коэффициента передачи от f/f₀:

1 - при использовании стальных  пружинных виброизоляторов

(D0); 2 -то же, резиновых виброизоляторов  (D=0,2).

(2.5.32)

где f - частота вынужденных колебаний,

Гц;

f₀ - частота собственных колебаний, Гц.

Следовательно, для достижения малого значения коэффициента передачи необходимо, чтобы частота собственных колебаний была значительно меньше частоты вынужденных колебаний. При f=f₀ наступает резонанс - резкое увеличение интенсивности колебаний виброизоляционной машины (при частоте собственных колебаний близкой к частоте вынужденных колебаний применение виброизоляторов бесполезно), при f/ f₀ >2 резонансные колебания исключаются, а при f/f₀=3-4 достигается эффективность работы виброизоляторов.

Пружинные виброизоляторы широко применяют  в машинах и механизмах. Они обладают высокой виброизолирующей способностью и долговечностью (?=1/90…1/60). Однако из-за небольшого внутреннего трения стальные пружинные виброизоляторы плохо рассеивают энергию колебаний, поэтому затухание колебаний происходит не мгновенно, а за 15-20 периодов, что не всегда целесообразно при использовании машин, работающих в кратковременном режиме (краны, экскаваторы и.т.д).

Рис. Виброизоляторы:

а - резинометаллический типа АКСС с допускаемой нагрузкой до 4000 Н;

б - пружинно-резиновый типа АД с  пневмодемпфированием;

в - Тима АЦП;

г - пневмоамортизаторы;

д - виброизоляторы типа АПН сильнодемпфированные пластмассовые ;

е - виброизоляторы типа ДК.

Пружинные амортизаторы в основном используют для виброизоляции бетоноукладчиков, вентиляторов, двигателей внутреннего сгорания, бетоносмесителей и.т.д.

Рис. Схема пружинно-резиновых амортизаторов: 1, 2, 3-опора машины

Рис. Схемы пружинно-резиновых амортизаторов: 1 - резина; 2 - стальная пружина; 3 - опора виброизолированной машины.

Пружинные амортизаторы в сочетании  с гидроамортизаторами (комбинированные) находят широкое применение и для виброизоляции кабин управления экскаваторов, бульдозеров и т.д.

Для уменьшения времени  затухания колебаний применяют  резиновые виброизоляторы, в которых большое внутреннее трение (коэффициент неупругого сопротивления 0,03-0,25). Однако виброизолирующая способность резиновых виброизоляторов меньше чем пружинных ( ? =1/5…1/20).

Положительные свойства пружинных  и резиновых виброизоляторов  хорошо сочетаются в комбинированных  виброизоляторах с применением  пневмо- и гидроамортизаторов.

Рис. Виброизоляция сиденья оператора 

(1- гидроамортизатор)

Рис. Схемы виброизоляции виброактивного оборудования: а - опорный вариант; б - подвесной вариант; в - виброизоляция от вертикальных и горизонтальных колебаний.

Оценка виброизоляции  оборудования

Одним из способов снижения вибрации оборудования является правильный выбор  виброизоляторов, которые могут  быть резиновыми или стальными в  виде пружин(2.5.19.).

Используя схему расчетов на рис. 2.5.19, рассмотрим пример выбора стальных и  резиновых виброизоляторов.

Необходимо определить количество пружин виброизоляторов для двигателя  весом Q=15000кг. В качестве виброизоляторов  решено использовать стальны пружины  высотой H₀=0,264м, со средним диаметром D=0,132м, с диаметром прутка d=0,016м, с числом рабочих витков i=5,5.

На основе имеющихся данных устанавливаем  индекс пружин . Для расчета жесткости  одной пружины в продольном (вертикальном) направлении (K¹_z: ) необходимо знать модуль упругости на сдвиг G. Для всех пружинных сталей G принимается равным 78453200000 Па.

Согласно рис.2.5.20:

При выборе виброизоляторов H₀/D < 2, в нашем случае .

 

Рис. Выбор виброизоляторов

По графику на рис. 2.5.19. находим  коэффициент (К), учитывающий повышение  напряжения в средних точках сечения  прутка, вследствие деформации сдвига, который равен 1,18. Для определения статистической нагрузки Р_ст необходимо знать допустимое для пружинной стали напряжение при кручений ?. Если нет сведений о сорте стали, то ? принимают равным 392266000 Па. В нашем примере статическая нагрузка будет равна:

H

Общее количество стальных пружин: .

Общая жесткость пружин виброизоляторов  равна:

Для нормальной работы двигателя нужно  установить 4 пружины виброизолятора с Но=0,264м; D = 0,132м; d = 0,016м.

Необходимо определить количество резиновых виброизоляторов для центрифуги весом Q= 14240 кг, которой создается усилие 139694,4 Н. Расчетная величина центробежной силы Рz - 9810Н. Виброизоляторы изготовлены в форме кубиков с поперечным размером А (диаметр или сторона квадрата) равным 0,1м (площадью основания - F =0,01м ²) из резины сорта 4049, динамический модуль упругости Еg - 10787315 Па. Замеренная частота возмущающей силы fo =24Гц. Величину возмущающих сил (P_kz) необходимо уменьшить до 196,2 Н. Учитывая, что имеющиеся в распоряжении виброизоляторы удовлетворяют требованию 0,25 < 0.1 / 0.1 < 1,1, определим жесткость в вертикальном направлении Kz одного резинового виброизолятова ( рис.2.5.19):

,

Оценим минимальное отношение (а_zmin) частоты возмущающей силы к частоте собственных колебаний виброизолированного объекта (рис.2.5.19.).

Теперь можем рассчитать частоту  собственных вертикальных колебаний (fz) виброизолятора при заданном а_zmin: Гц

Общая максимальная вертикальная жесткость Kzmах виброизоляторов равна:

н/м

С учетом жесткости находим необходимое  общее количество (n_p) резиновых виброизоляторов (рис.2.5.19.):

Горизонтальная жесткость (Кх; Ку) резинового виброизолятора с учетом модуля упругости (Па) равна:

Следовательно, для того, чтобы  уменьшить возмущающие силы до 196,2 Н необходимо использовать 5 резиновых виброизоляторов в форме кубика с А? 10см.

Рис. Виброизоляция поста управления:

1 - пневмоамортизатор; 2 - железобетонная  плита; 3 - пульт управления.

На рис. представлена схема виброизоляции  поста оператора с применением  пневмоамортизаторов. Воздух в пневмоамортизаторе находится под давлением 3-20 кПа, а нагрузка на пневмоамортизатор, выполненный в виде автомобильной камеры составляет 1000-4000 Н.

Частота собственных колебаний  виброизолированного поста в  зависимости от нагрузки находится  в пределах 2…4 Гц, что обеспечивает виброизоляцию с µ= 1/ 150 при частоте вибрации 50 Гц.

Рис. Принципиальные схемы пассивной  виброизоляции рабочих мест.

1 - пассивно виброизолированния  плита.

2 - виброизолятор. 

3 - колеблющееся основания .

4 - направления колебания .

5 и 6 - опоры и подвески плиты.

Для рабочего места оператора (рис.2.5.17.) предусматривается виброизолированное сидение с использованием гидравлического  демпфера, обеспечивающего коэффициент  затухания 0.2...0.3, а снижение вибрации на частотах 16…63 Гц достигает 8 дБ

Рис. Схема виброизоляции насосной установки

Вибропоглощение - поглощение амплитуды виброскорости упруговязким материалом. Сущность вибропоглощеня заключается в нанесении на вибрирущую поверхность упруговязких материалов: пластика, пористой резины, вибропоглощающих покрытий и мастик.

Вибропоглощение покрытий эффективно при условии, что протяженность  поглоща-ющего слоя равна нескольким длинам волн колебаний изгиба.

Вибропоглощение малоэффективно при  снижении интенсивности продольных волн, которые переносят большую колебательную энергию на высоких частотах. Выбор материала для покрытий принимают исходя из данных спектра вибраций. В зависимости от величины модуля упругости вибропоглощающие покрытия делятся на жесткие (Е=10⁹ Па) и мягкие (Е=10⁷ Па). Жесткие вибропоглощающие покрытия применяются в основном для снижения колебаний низких и средних частот. Мягкие применяют для снижения интенсивности высокочастотных вибраций. Высокой вибропоглощающей эффективностью обладают комозиционные материалы: «Полиакрил», «Випонит», листовые материалы - винипор, пенопласт и др., которые приклеиваются к металлическим частям оборудования (кожухам) при оптимальной толщине покрытия 2…3 толщины покрываемой конструкции. Такое покрытие эффективно и для снижения уровня шума.

Рис. Динамические гасители вибраций: а - принципиальная схема гасителя; б - динамическое гашение колебаний  дымовой трубы.

Виброгашение

Динамические гасители вибрации наиболее эффективно применяются для уменьшения вибрации машин со стабильной частотой колебаний (насосов, турбогенераторов, силовых установок и т.д.). Работа виброгасителя сводится к следующему (рис.2.5.20). Виброгаситель массой m и жесткостью К^! присоединяется к вибрирующему механизму, колебания которого необходимо погасить (масса механизма М и жесткость К). Колебания механизма под действием возмущающей силы происходят по гармоническому закону F₀ * sin ?t . Массу и жесткость виброгасителя m и К^! подбирают таким образом, чтобы частота собственных колебаний виброгасителя была равна ? = ?₀ . При этом, в каждый момент времени сила F¹ от виброгасителя действует против силы F (виброгаситель входит в резонансные колебания, а колебания механизма массой М уменьшаются). Виброгашение применяется для снижения колебаний высотных объектов (теле- и радиоантенны, дымовые трубы, памятники). Частота собственных колебаний виброгасителей подбирается таким образом, чтобы она совпадала с частотой пульсации ветровой нагрузки. Недостатком применения динамических гасителей является то, что они позволяют снизить вибрацию только на одной частоте(2.5.23).

Виброгасящее основание

Уменьшить воздействие вибрации от динамически неуравновешенных машин  на основные конструкции зданий и  сооружений можно следующим образом: увеличить массу фундамента, выполнить  виброгасящее основание. Конструктивно виброгасящее основание выполняют из легких упругих материалов в виде акустических швов по периметру фундамента вибрирующей машины (дробилки, виброплощадки, мельницы, вентиляторы). На рис.2.5.24-2.5.27.приведены схемы виброгасящих оснований.

 

Рис. Виброгасящее основание:

1 - виброплощадка; 2 - основание (фундамент); 3 - акустический шов.

Рис. Установка агрегатов на виброгасящие основания: а - на фундаменте и на грунте; б - на перекрытии.

Рис. Схема установки резинового коврика  под фундамент виброплощадки.

 

Рис. Виброплощадка на «открытой  воздушной подушке»:

1 - виброплощадка ; 2 - вентилятор;

3 - форма с бетоном

Средства индивидуальной защиты от вибрации

Если техническими средствами не удается  достичь выполнения гигиенических  норм на рабочем месте, то необходимо применять средства индивидуальной защиты: виброзащитные рукавицы и виброзащитную обувь, наколенники, коврики, нагрудники, специальные костюмы. Виброзащитные свойства применяемых упругих материалов нормируются в октавных полосах 8…2000 Гц и должны быть в пределах 1…5 дБ при толщине вставки 5 мм и 1…6 дБ при толщине вставки 10 мм. Сила нажатия при оценке виброзащитных свойств рукавиц варьируется от 50 до 200 Н. Виброзащитные рукавицы должны быть гигиеничны, не стеснять выполнение технологических операций, не вызвать раздражение кожных покровов (Гост 12.4 002-74 «Средства индивидуальной защиты рук о вибрации. Общие технические требования»).

Виброизоляционную обувь изготавливают из кожи (или  искусственных заменителей) и снабжают стельками из упругопластичных материалов для защиты от вибрации на частотах выше 11 Гц. Эффективность виброизоляционной обуви нормируется на частотах 16; 31,5; 63 Гц и должна составлять 7…10 Дб. Требование к изготовлению виброизоляционной обуви и методы определения защитной эффективности приведены в Гост 12.4.024-76* «Обувь специальная виброзащитная. Общие технические требования».

К организационно-профилактическим мероприятиям по снижению вредного влияния вибрации следует отнести рациональный режим труда и отдыха и применение лечебно-профилактических мер. При работе с инструментом, имеющим колебания до 1200 в минуту, рабочим необходим 10 -минутный перерыв после каждого часа работы; при работе с инструментом, имеющим 4000 и более колебаний в минуту, необходим получасовой перерыв после каждого часа работы.

Рис. Виброгасящая обувь:

а - амплитуда колебаний подошвы;