3.Нормирование вибраций.
Гигиеническое нормирование вибраций осуществляется по ГОСТ 12.1.012-90 и СН 2.2.4./2.1.8.566=96. Документы устанавливают нормируемые параметры и их допустимые значения, режимы труда лиц виброопасных профессий.
Различают техническое и гигиеническое нормирование вибраций. В случае гигиенического нормирования производят ограничение параметров вибрации рабочих мест и поверхности контакта с руками работающих, исходя из физиологических требований, исключающих возможность возникновения вибрационной болезни. В случае технического нормирования осуществляют ограничение параметров вибрации с учетом не только указанных требований, но и технически достижимого на сегодняшний день для данного вида машин уровня вибрации. При этом учитывают условия установки и режим работы стационарного виброактивного технологического оборудования в цехах, условия эксплуатации ручного механизированного инструмента.
Нормируемыми параметрами при гигиенической оценке вибраций являются средние квадратические значения виброскоростей V (и их логарифмические уровни Lv) или виброускорения для локальных вибраций в октавных полосах частот, а для общей вибрации в октавных или третьоктавных полосах. Возможна интегральная оценка вибраций по частоте нормируемого параметра, а также по дозе вибрации.
Вибрация, воздействующая на человека, нормируется отдельно в каждой стандартной октавной полосе, различно для общей и локальной вибрации. Общая вибрация нормируется с учетом свойств источника её возникновения и делится на вибрацию:
-транспортную, которая возникает в результате движения машин по местности и дорогам;
-транспортно-технологическую, которая образуется при работе, выполняющих технологическую операцию в стационарном положении и при перемещении по специально подготовленной части производственного помещения, промышленной площадке и т.д.;
-технологическую, которая возникает при работе стационарных машин или передается на рабочие места, не имеющие источников вибраций.
Нормы по ограничению общих вибраций, т.е. вибраций рабочих мест, устанавливают величину логарифмического уровня колебательной скорости в октавных диапазонах со среднегеометрическими частотами 2, 4, 6, 16, 32, 63 Гц, а нормы по ограничению локальной вибрации – в октавных полосах частот со среднегеометрическими значениями 16, 32, 63, 125, 250, 500, 1000 Гц. Гигиенические нормы вибрации установлены для длительности рабочей смены 8 ч.
4. Методы снижения вибраций машин и оборудования.
Разработка мероприятий по снижению производственных вибраций должна производиться одновременно с решением основной задачи современного машиностроения – комплексной механизации и автоматизации производства. Введение дистанционного управления цехами и участками позволит полностью решить проблему защиты от вибраций.
В неавтоматизированных производствах осуществляют следующие методы по уменьшению вибраций:
-в источнике возникновения;
-по снижению их по пути распространения;
-снижение вредного воздействия вибрации на работающих путем соответствующей организации труда;
-применение средств индивидуальной защиты;
-лечебно-профилактические мероприятия.
Прежде всего следует снижать вибрацию вблизи резонансов. В этом случае задача упрощается, так как машины и агрегаты можно рассматривать как колебательные системы с одной степенью свободы. При определении основных направлений борьбы с вибрацией следует ограничиться анализом уравнений вынужденных колебаний такой системы, которую можно представить в виде массы, покоящейся на пружине, другой конец её жестко закреплен. Система кроме этого обладает трением. Из проведенного анализа решения уравнения вынужденных колебаний системы с одной степенью свободы следует, что основными борьбы с вибрациями машин и оборудования являются:
1) снижение вибраций воздействием на источник возбуждения (посредством снижения или ликвидации вынуждающих сил);
2) отстройка от режима резонанса путем рационального выбора массы или жесткости колеблющейся системы;
3) вибродемпфирование – увеличение механического импеданса колеблющихся конструктивных элементов путем увеличения диссипативных сил при колебаниях с частотами, близкими к резонансным;
4) динамическое гашение колебаний – присоединение к защищаемому объекту системы, реакции которой уменьшают размах вибрации объекта в точках присоединения системы;
5) изменение конструктивных элементов машин и строительных конструкций.
БОРЬБА С ВИБРАЦИЕЙ ВОЗДЕЙСТВИЕМ НА ИСТОЧНИК ВОЗБУЖДЕНИЯ. При конструировании машин и проектировании технологических процессов предпочтение должно отдаваться таким кинематическим и технологическим схемам, при которых динамические процессы, вызванные ударами, резкими ускорениями и т.п., были бы исключены или предельно снижены. Необходимо изыскивать конструктивные решения для безударного взаимодействия деталей и плавного обтекания их воздушными потоками. Для снижения уровня вибраций редукторов целесообразно применять шестерни со специальными видами зацеплений вместо обычных шестерен с прямым зубом. Большое значение при этом имеет повышение класса точности обработки и уменьшение шероховатости поверхности шестерен. С этой же целью производят подбор зубчатых пар, что позволяет дополнительно снизить уровень вибраций на 3-4 дБ.
Большое значение имеет правильный выбор рабочих режимов и уравновешивание вращающихся элементов балансировкой.
ОТСТРОЙКА ОТ РЕЖИМА РЕЗОНАНСА – отстройка собственных частот агрегата и его отдельных узлов и деталей от частоты вынуждающей силы. Собственные частоты отдельных конструктивных элементов определяют расчетным путем, либо экспериментально на специальных стендах. В первом случае расчет производится по известному значению массы m и жесткости q системы.
Резонансные режимы при работе технологического оборудования устраняют двумя путями: либо изменением характеристик системы (массы или жесткости), либо установлением нового рабочего режима (отстройка от резонансного значения угловой частоты вынуждающей силы ω). Второй метод осуществляется на стадии проектирования, так как в условиях эксплуатации режимы работы определяются условиями технологического процесса. Жесткость системы изменяют введением в конструкции ребер жесткости или изменением её упругих характеристик.
ВИБРОДЕМПФИРОВАНИЕ – процесс уменьшения уровня вибраций защищаемого объекта путем превращения энергии механических колебаний данной колеблющейся системы в тепловую энергию.
Эффект вибродемпфирования определяется коэффициентом сопротивления μ системы, с изменением которого изменяется механический импеданс системы z.
Увеличение потерь энергии в системе может производиться следующими путями:
-использованием в качестве конструктивных материалов с большим внутренним трением;
-нанесением на вибрирующие поверхности слоя упруговязких материалов, обладающих большими потерями на внутреннее трение;
-применением поверхностного трения;
-переводом механической колебательной энергии в энергию токов Фуко или электромагнитного поля.
Значение коэффициента затухания вибраций η для основных конструкционных материалов в машиностроении (чугунов, сталей) составляет 0,001 – 0,01. Как следствие этого, уровни вибрации большинства конструкций в машиностроении достаточно велики. Поэтому необходимо применять сплавы со значительным внутренним трением. В зависимости от амплитуды напряжения в этих сплавах η составляет 0,02-0,1, например, сплавы марганца с содержанием 15-20% меди и магниевые сплавы. Детали из этих сплавов имеют меньшую, чем чугуны и стали, вибропроводность.
С точки зрения снижения вибраций наиболее предпочтительным является использование в качестве конструкционных материалов пластмасс, дерева, резины. Использование пластмасс позволяет снизить уровень вибрации по виброскорости в широкой полосе средних и высоких частот на 8-10 дБ.
Когда применение полимерных материалов в качестве конструкционных невозможно, для снижения вибраций применяют вибродемпфирующие покрытия. Действие их основано на ослаблении вибраций путем перевода колебательной энергии в тепловую при деформации покрытий. Эффективное действие покрытий наблюдается на резонансных частотах элементов конструкций агрегатов и машин. В зависимости от динамического модуля упругости покрытия подразделяются на жесткие (Е=108 – 109 Па) и мягкие (Е<107 Па). Действие покрытий первой группы проявляется главным образом на низких и средних частотах, второй - на высоких. На эффективность жестких покрытий в большой мере оказывает влияние жесткость материала. Чем она выше, тем больше потери механической энергии в системе. Покрытия этого типа рекомендуется выполнять в виде многослойной конструкции. Наиболее распространенны из покрытий такого рода материалы на основе изола (фольгоизол, стеклоизол, гидроизол).
В качестве мягких покрытий используются мягкие пластмассы, материалы типа резины. Коэффициент потерь этих покрытий 0,05-0,5.
Наибольший эффект вибродемпфирующие покрытия дают при условии, что протяженность вибродемпфирующего слоя соизмерима с длиной волны изгиба в материале конструкции. Это нужно учитывать при демпфировании низкочастотных колебаний, имеющих большую длину волны. Покрытия следует наносить в местах, где генерируется вибрация максимального уровня. Толщина вибродемпфирующих покрытий практически берется равной 2-3 толщинам элемента конструкции, на который оно наносится.
Хорошо демпфируют колебания смазочные материалы. Слой смазки между двумя сочлененными элементами устраняет возможность непосредственного их контакта и, следовательно, появление сил поверхностного трения, которые могут быть причиной возбуждения вибраций.
ДИНАМИЧЕСКОЕ ГЛУШЕНИЕ ВИБРАЦИИ. Чаще всего виброгашение осуществляют путем установки агрегатов на фундаменты. Массу фундамента подбирают таким образом, чтобы амплитуда колебаний подошвы фундамента в любом случае не превышала 0,1-0,2 мм, а для особо ответственных сооружений 0,005 мм. Для небольших объектов между основанием и агрегатом устанавливают массивную опорную плиту.
Одним из способов увеличения реактивного сопротивления колебательных систем является установка динамических виброгасителей. Наибольшее распространение в машиностроении получили динамические виброгасители, уменьшающие уровень вибраций защищаемого объекта за счет воздействия на него реакций виброгасителя. Они представляют собой дополнительную колебательную систему с массой m и жесткостью q, собственная частота которой f0 настроена на основную частоту f колебаний данного агрегата, имеющего массу М и жесткость Q. Виброгаситель жестко крепиться на вибрирующем агрегате, поэтому в нем в каждый момент времени возбуждаются колебания, находящиеся в противофазе с колебаниями агрегата.
Недостатком динамического виброгасителя является то, что он действует на определенной частоте, соответствующей его резонансному режиму колебаний. Даже незначительное изменение частоты вибраций резко снижает эффективность действия виброгасителя, так как выводит его из резонансного режима работы. Поэтому такие виброгасители применяют в агрегатах, имеющих характерный постоянный по времени дискретный спектр вибраций.
Для снижения вибрации также используются ударные виброгасители, в которых осуществляется переход кинетической энергии относительного движения контактирующих элементов в энергию деформации с распространением напряжений из зоны контакта по взаимодействующим элементам. В результате энергия распределяется по объему соударяющихся элементов виброгасителя, вызывая их колебания и вместе с тем рассеяние энергии вследствие действия сил внешнего и внутреннего трения. Ударные виброгасители простейшей конструкции подразделяются по типу на маятниковые, пружинные и плавающие. Тип виброгасителя выбирают в зависимости от частоты колебаний, которые должны быть снижены. Ориентировочно можно считать, что маятниковые ударные виброгасители применяют для гашения колебаний с частотой 0,4-2 Гц, пружинные – 2-10 Гц и плавающие – выше 10 Гц.
ИЗМЕНЕНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ МАШИН И СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ – применяется для снижения вибрации на путях её распространения за счёт увеличения жесткости системы (введение ребер жесткости). В последнем случае помимо изменения упругих свойств колебательных систем нарушается синфазность колебаний отдельных поверхностей, снижается амплитуда смещения отдельных точек. Это в значительной мере способствует снижению уровня вибрации и сопутствующего ей шума в дорезонансной области частот.
ВИБРОИЗОЛЯЦИЯ. Этот способ защиты заключается 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 передачи 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.
Эффективность виброизоляции определяется коэффициентом передачи КП, который имеет физический смысл отношения амплитуды виброперемещения, виброскорости, виброускорения защищаемого объекта или действующей на него силы к амплитуде той же величины источника возбуждения при гармонической вибрации. Рассчитывается по формуле :
КП=Fm осн/Fm Маш.
Чем меньше значение этого соотношения, тем выше виброизоляция. КП в системах, где можно пренебречь трением, может быть рассчитан по формуле:
КП=1/(f/f0)2 -1.
Из этой формулы видно, что чем ниже собственная частота по сравнению с частотой вынуждающей силы, тем выше эффективность виброизоляции.
Кроме виброизоляторов, примером виброзащиты является установка гибких вставок в коммуникациях воздуховодов и в местах их прохождения через строительные конструкции, применение упругих прокладок в узлах крепления воздуховодов при монтаже, разделение гибкой связью перекрытий и несущих конструкций здания и др. Во всех случаях введение дополнительной упругой связи снижает передачу вибраций от источника смежным элементам конструкции (или грунту).
Для виброизоляции стационарых машин с вертикальной вынуждающей силой чаще всего применяют виброизолирующие опоры типа упругих прокладок или пружин. Пружинные виброизоляторы по сравнению с прокладками имеют ряд преимуществ. Они могут применяться для изоляции колебаний как низких, так и высоких частот, дольше сохраняют постоянство упругих свойств во времени, хорошо противостоят действию масел и температуры, относительно малогабаритны.
АКТИВНАЯ ВИБРОЗАЩИТА – предусматривает введение дополнительного источника энергии, осуществляющего обратную связь его от изолируемого объекта к системе виброизоляции, позволяющего регулировать по времени характеристики последней. Это приводит к быстрому затуханию колебаний в виброизолированной системе при внешних воздействиях.