belov_s_v_red_bezopasnost_zhiznedeyatelnosti

Рис. 11.38. Виброизоляция:

Различают два вида возбуждения: силовое и кинематическое; при этом соответственно большую массу имеет приемник и его считают неподвижным или источник и закон его движения считают заданным.

ваемой на приемник. Импеданс виброизолятора определяется формулой (11.51). Импеданс вибросистемы

Г 2

Z — ZM +ZR G(О Л+Jч°>0СО -1

Поток энергии на входе в ЗУ определяется усредненной за цикл мощностью вынуждающей силы [3]:

Поток энергии на выходе из защитного устройства определяется усредненной за цикл мощностью реакции защитного устройства [3]:

Отношение мощностей W^/JV" называют силовым коэффициентом защиты kF = z/zr- ИЗ соотношений Ft =zv и FR =zRv видно, что он при определенных условиях равен отношению амплитуды вынуж-

дающей силы к амплитуде силы, переданной на приемник.

При кинематическом возбуждении цель защиты обычно заключается в уменьшении передаваемого смещения. Степень реализации

391

этой цели характеризуют динамическим коэффициентом защиты кх, равным отношению амплитуды смещения источника к амплитуде смещения приемника. Можно показать, что КХ = Z/ZR.

В общем случае энергетический коэффициент защиты можно выразить в виде kw = kFkx.

По формуле (11.39) эффективность виброизоляции

В области высоких частот импеданс z ® ZM (см. выше) и эффективность виброизоляции равна е « 401gw/wo — 101g(l + л2 ).В частности, если демпфирующее сопротивление мало влияет на движение системы, то величиной г| можно пренебречь. Тогда е = 401go)/o)o, т. е. в области высоких частот почти вся энергия затрачивается на движение массы; поток энергии, передаваемой на приемник, обратно пропорционален квадрату частоты возбуждения, и эффективность виброизоляции тем выше, чем больше частота со.

В области низких частот z « ZG и эффективность виброизоляции 101g(l + г|2), т. е. отрицательна или равна нулю.

В общем случае из выражения (11.52) следует, что эффективность виброизоляции

е = lOlgh2 + (ш2/о2о - I)2] - 101g(l + л2)-

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

е = 201g(a>2/a>o — 1).

Из последнего выражения видно, что цель виброизоляции (е > 1) обеспечивается в частотном диапазоне: со > л/2со0 .

На рис. 11.39 представлены коэффициент виброизоляции т и эффективность виброизоляции е в зависимости от отношения частоты вынуждающей силы к собственной частоте вибросистемы при разных значениях отношения импеданса демпфирующего элемента к его критическому значению.

В качестве виброизоляторов используют упругие материалы и прежде всего металлические пружины, резину, пробку, войлок. Выбор того или иного материала обычно определяется величиной требуемого статического прогиба и условиями, в которых виброизолятор) будет работать (например, температурой, химической агрессивно-

392

т

ции е (б) в зависимости от отношения частот и при значениях отношения S/SKp\

кривая 7 — 0; кривая 2—0,4; кривая J — 0,8; кривая 4—1

стью рабочей среды и т. д.). Зависимость между статическим прогибом и собственной частотой для некоторых материалов показана на рис. 11.40.

393

Резина имеет малую плотность, хорошо крепится к деталям, ей легко придать любую форму и она обычно используется для виброизоляции машин малой и средней массы (ДВС, электродвигателей и др.). В виброизоляторах резина работает на сдвиг и (или) сжатие. Жесткость резиновой подушки, работающей на сжатие, зависит от ее размеров и конструктивных особенностей, направленных на предотвращение распучивания резины в стороны при действии нагрузки.

Металлические пружины применяют обычно тогда, когда требуется большой статический прогиб или когда рабочие условия (например, температура, агрессивность среды) делают невозможным применение резины. Конструктивно пружинные виброизоляторы можно выполнить для работы практически на любой частоте. Однако металлические пружины имеют тот недостаток, что, будучи спроектированы на низкую частоту (например, 15 Гц для ДВС), они пропускают более высокие частоты.

Большое применение находят конические дисковые пружины (рис. 11.41, а). Изменяя отношение h/t, получают необходимый прогиб. Конструктивно отдельные дисковые пружины можно соединят^ параллельно (см. рис. 11.41, б) или последовательно (см. рис. 11.41, в).

394

При параллельном соединении нагрузка при заданном прогибе возрастает пропорционально числу дисков, при последовательном — прогиб при заданной нагрузке увеличивается пропорционально их числу. Отношение диаметров 2R/B в большинстве случаев выбирают равным 1,5...3,5.

Пробку используют при нагрузке 50... 150 кПа, отвечающей рекомендованному диапазону упругости. Обычно установку сначала устанавливают на бетонные блоки и уже последние отделяют от фундамента с помощью нескольких слоев пробковой плитки толщиной 2... 15 см. Увеличение толщины будет понижать частоту, выше которой виброизоляция эффективна, но при большой толщине возникает проблема устойчивости. Поэтому пробку не применяют в области низких частот. Нефть, вода, умеренные температуры оказывают незначительный эффект на рабочие характеристики пробки, но с течением времени от нагрузки пробка сжимается.

Войлок толщиной 1...2,5 см, занимающий площадь 5 % общей площади основания машины,— весьма распространенный изолирующий материал. Он имеет относительно большой коэффициент потерь (л «0,13) и поэтому эффективен на резонансных частотах. Обычно войлок применяют в частотном диапазоне свыше 40 Гц.

Динамическое виброгашение. Защита от вибраций методами поглощения, основанная на общих принципах, изложенных ранее, осуществляется в виде динамического гашения и вибропоглощения.

При динамическом гашении виброэнергия поглощается ЗУ. Это устройство, отбирающее виброэнергию от источника — объекта защиты — на себя, называют инерционным динамическим виброгасителем. Его применяют для подавления моногармонических узкополосных колебаний. Инерционный динамический виброгаситель 2 простейшего типа выполняют в виде твердого тела, упруго присоединяемого к объекту защиты 1 в точке, колебания которой требуется погасить (рис. 11.42, а). Защитное устройство, увеличивающее рассеяние энергии в результате повышения диссипативных свойств системы, называют поглотителем вибраций. На рис. 11.42, бпоказана схема простейшего поглотителя вибраций 3 вязкого типа, включающего твердые тела и демпфирующий элемент. Возможно применение комбинированных защитных устройств, использующих одновременно коррекцию упругоинерционных и диссипативных свойств системы. В этом случае говорят о динамических виброгасителях с трением 4 (см. рис. 11.42, в).

395

fl

Рис. 11.42. Динамические виброгасители:

а — инерционный; б — поглотитель; в — с трением

Рассмотрим принцип динамического гашения на простейшем примере. Для инерционного динамического гасителя (см. рис. 11.42, а) можно записать систему двух уравнений, описывающую вибрации:

Уже из второго уравнения видно, что при v* * 0 виброскорость v объекта защиты будет равна нулю, если массу М* и жесткость G* динамического гасителя выбрать из условия / М* = со, где со — частота вынуждающей силы Fr Если это условие не выполняется (например, из-за некоторого отклонения частоты со вынуждающей силы от номинального значения, на которое настроен гаситель), то динамический гаситель может оказаться вредным. Поэтому инерционные динамические гасители применяют только в тех случаях, когда частота вынуждающей силы строго фиксирована в условиях эксплуатации (например, для гашения колебаний опор генераторов переменного тока). При возможном непостоянстве частоты вынуждающей силы необходимо вводить демпфирование.

Вибропоглощение. Вибропоглощение — метод снижения вибраций путем усиления в конструкции процессов внутреннего трения, рассеивающих виброэнергию в результате необратимого преобразования ее в теплоту при деформациях, возникающих в материалах, из которых изготовлена конструкция, и в местах сочленения ее элементов (заклепочных, резьбовых, прессовых и др.).

Количество рассеянной энергии принято характеризовать коэффициентом потерь г|. С увеличением коэффициента г| эллипс у петли гистерезиса (см. рис. 11.37) становится шире и все большая часть энергии переходит в тепловую. Если же г| = 0, то механическая энер-* гия не переходит в тепловую: энергия, передаваемая системе от ис-

396

точника в течение одного полупериода, возвращается к источнику за время второго полупериода. Можно показать, что коэффициент потерь связан с коэффициентом демпфирования соотношением 8 = tig>O/2. Подстановка этого выражения в формулу (11.47) наглядно показывает, что с увеличением коэффициента потерь вибрации прекращаются быстрее; метод вибропоглощения нацелен на получение повышенных значений коэффициента потерь в конструкции. В табл. 11.21 приведены ориентировочные значения коэффициента потерь некоторых материалов.

Механические конструкции из небольшого числа разнородных деталей относительно большой толщины (например, корпус судна) имеют коэффициент г| « 3 • 10~3 при/< 500 Гц и г| « 10~3 при/> 1000 Гц; металлические конструкции из относительно большого числа разнородных толстостенных деталей (например, двигатель) или малого числа тонкостенных деталей (например, корпус автомобиля) имеют коэффициент г| « 10~2, металлические конструкции из относительно большого числа разнородных деталей малой толщины (небольшие сложные агрегаты) имеют г| « 5 • 10~2 при / < 500 Гц и г| « 10~2 при

/> 1000 Гц.

Та б л и ц а 11.21. Механические свойства и коэффициенты потерь

некоторых материалов

В настоящее время вибропоглощение осуществляется преимущественно путем применения конструкционных материалов с повышенным значением коэффициента потерь и вибропоглощающих покрытий.

Конструкционные материалы с большим внутренним трением обычно создаются искусственно. В специальных сплавах коэффициент потерь может достигать значений Ю-1...2 • 10~2: сплавы магния — 0,3; сплавы меди — 0,2; хайдаметы (сплавы Ni — Со, Со — Ti, Си — Ni) — 0,15; сплавы марганца — 0,01 — 0,06; у капрона и текстолита коэффициент потерь соответственно равен 0,4 и 0,35. В качестве

397

конструкционных материалов используют также высокомолекулярные соединения, у которых коэффициент потерь имеет порядок 10~2. Для полимеров типична сильная зависимость коэффициента потерь от температуры и частоты.

Перспективным в вибропоглощении является нанесение на колеблющиеся поверхности элементов конструкции высокоэффективных вибропоглощающих материалов. Они могут изготовляться на основе меди, свинца, олова, битумов и других материалов. Большое распространение получила многокомпонентная система на основе полимера, способного рассеивать механическую энергию в большом количестве при основных деформациях: растяжении, изгибе, сдвиге. Из других компонентов полимерной системы главными являются пластификаторы и наполнители. Пластификаторы (низкомолекулярные труднолетучие вещества, например сложные эфиры, некоторые парафины и масла) придают полимеру требуемое сочетание свойств эластичности и пластичности. Наполнители (сажа, графит, слюда и др.) сообщают материалу необходимые эксплуатационные свойства; они могут, например, повысить его прочность, облегчить обработку, снизить стоимость и т. д. Вибропоглощающий материал выпускается промышленностью в отвержденном в виде листов и мастичном состояниях.

Листовой материал приклеивается к вибрирующей поверхности; мастику наносят методом штапелирования или напыления. В большинстве случаев вибропоглощающим материалом демпфируют изгибные колебания конструкций типа пластин. При жестком наружном покрытии (рис. 11.43, а) поверхность 1 пластины накрывается слоем жесткого вибропоглощающего материала 2. Такое покрытие рассеивает энергию колебаний при своих продольных деформациях, имеющих характер растяжений — сжатий. Коэффициент потерь кон-

где Е21 = Е2/Е1 И h2X = h2/hx — отношения соответственно модулей упругости и толщины (см. рис. 11.43, а), г|2 — коэффициент потерь материала покрытия.

Жесткое наружное покрытие с прокладкой имеет повышенный по сравнению с предыдущим коэффициент потерь, так как между слоем вибропоглощающего материала и пластиной расположен слой легкого жесткого полимера (например, пенопласта) (см. рис. 11.43, б). Он удаляет вибропоглощающий материал от нейтральной плоскости (не испытывающей деформаций при изгибе), при этом увеличивается его

398

Рис. 11.43. Наружные покрытия:

1 — вибрирующая пластина; 2 — вибропоглощающий материал; 3 — прокладка

Л

виброскорость, возрастает деформация растяжения и, следовательно, увеличиваются потери энергии в покрытии. С увеличением частоты покрытие эффективно работает до тех пор, пока в прокладке не возникнут деформации сдвига. При возникновении последних прокладка перестает эффективно передавать на вибропоглощающий слой растягивающие усилия от изгибов пластины.

Кроме жестких покрытий, применяют также: армированные покрытия, когда на слой вибропоглощающего материала наносится тонкий слой другого материала (обычно металла), который упрочняет, усиливает или защищает вибропоглощающий слой; слоистые покрытия, когда толщина упрочняющего металлического слоя близка к толщине пластины; и мягкие наружные покрытия, которые представляют собой слой вибропоглощающего материала, легко сжимаемого по толщине и рассеивающего энергию изгибных колебаний в результате деформаций в поперечном направлении. В рассмотренных жестких покрытиях коэффициент потерь зависит от частоты. При этом его наибольшие значения приходятся на область низких — средних частот.

Эффективность вибропоглощения

е = Ьц+ - Ьц - = 101gr|+Af,

где L - и Ьц+ — уровни рассеиваемой энергии до и после осуществления вибропоглощающих мероприятий.

Чтобы учесть рассеивание энергии вследствие применения конструкционных материалов, введем сквозную нумерацию слоев: материал, на который наносится вибропоглощающий слой, назовем нулевым слоем; над нулевым слоем располагается первый слой, над первым — второй и т. д. Тогда, пользуясь формулой (11.38), запишем

где е, и г|/ — соответственно максимальная потенциальная энергия и коэффициент потерь /-го слоя; п — число слоев.

399

11.3.3. Защита от шума, электромагнитных полей и излучений

Уровень интенсивности в свободном волновом поле. Уравнение плоской волны, не затухающей с расстоянием, в комплексной форме имеет вид

(11.53)

здесь йт = umd^u — комплексная амплитуда; г — радиус-вектор рассматриваемой точки; к — волновой вектор, численно равный волновому числу

к = со/с — 2 лД,

где с и X — соответственно скорость распространения и длина волны. Распространение волны всегда связано с переносом энергии, которая количественно характеризуется мгновенным вектором плотности потока энергии I,. На практике обычно пользуются понятием интенсивности волны /, которая равна модулю среднего значения вектора I, за время, равное периоду Т полного колебания. Найдем интенсивности звука и электромагнитной волны. Для этого введем понятие

импеданса среды при распространении волны.

Комплексным импедансом среды при распространении звуковой волны назовем отношение

i = P/у ,

где р и v — соответственно звуковое давление и колебательная скорость.

Комплексным импедансом среды при распространении электромагнитной волны назовем отношение поперечных составляющих элек-

В дальнейшем все основные соотношения, которые будут использоваться при рассмотрении звуковых и электромагнитных полей, являются однотипными. Поэтому удобно ввести следующее обозначение: и = р для звука и и = Едля электромагнитного поля. С учетом этого обозначения при определении интенсивности звуковой волны или при определении интенсивности электромагнитной волны можно использовать одну и ту же форму*:

* См. [3].

400