Общие методы снижения вибраций

Основными направлениями по решению проблемы виброзащиты являются автоматизация производства и внедрение робототехники.

В тех случаях, когда это не представляется возможным, используют специальные методы, большинство из которых основаны на решении дифференциальных уравнений движения колебательных систем.

Эти уравнения очень сложны.

С точки зрения охраны труда наибольший интерес представляют вибрации вблизи резонанса. В этом случае задача упрощается, так как машины и агрегаты можно рассматривать как колебательные системы с одной степенью свободы.

Рассмотрим систему в виде сосредоточенной массы (m), покоящейся на пружине, другой конец пружины жестко закреплен. Система, кроме того, обладает трением μ (рисунок 6.3).

В этой системе элементы упругости, массы и трения отделены друг от друга. Такие системы называются системами с сосредоточенными параметрами. Для простоты анализа будем считать, что на систему воздействует переменная возмущающая сила, изменяющаяся по синусоидальному закону:

F = Fm × sinωt.                       (6.5)

Уравнение колебательного движения тела m в этом случае имеет вид

mx// + μx/ + gx = Fm × sinωt,                                (6.6)

где m - масса системы, кг;

Рисунок 6.3 – Колебательная система

g - жесткость пружины, численно равная силе, которую необходимо приложить к пружине, чтобы вызвать ее единичную деформацию, Н/м;

х - текущее значение колебательного смещения пружины, м;

x/ = dx/dt - текущее значение колебательной скорости, м/с;

x// = dv/dt - текущее значение колебательного ускорения м/с;

μ – постоянная, которая называется коэффициентом вязкого сопротивления, Нc/м;

Fm - амплитуда возмущающей силы, Н;

ω - частота возмущающей  силы, рад/с.

Решение этого уравнения даёт соотношение между амплитудами колебательной скорости Vm и возмущающей силой Fm:

.                      (6.7)

Знаменатель этого выражения характеризует сопротивление, которое оказывает система возмущающей переменной силе, и называется полным механическим сопротивлением, или импедансом колебательной системы.

Величина μ составляет активную, а величина   - реактивную часть этого сопротивления.

Реактивное сопротивление, в свою очередь, состоит из двух сопротивлений: упругого g/ω и инерционного mω.

Единица механического сопротивления - Нс/м.

Анализируя формулу, можно сделать следующие выводы о путях снижения вибрации:

1 Борьба с вибрацией в источнике ее возникновения заключается в том, что еще на стадии конструирования машин и проектирования 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.

Например:

а) замена кулачковых и кривошипно-шатунных механизмов равномерно вращающимися;

б) замена ковки и штамповки прессованием;

в) замена ударной правки вальцовкой;

г) замена пневматической клепки и чеканки гидравлической клепкой и электросваркой;

д) для снижения уровня вибраций редукторов применяются шестерни со специальными видами зацепления - глобоидным, шевронным, вместо обычных шестерен - применение шестерен с прямым зубом.

2 Устранение резонансных режимов при работе технологического оборудования может быть осуществлено двумя путями:

а) изменением массы и жесткости системы;

б) установлением нового режима работы, т.е. изменением частоты возмущающей силы.

Как можно изменить жесткость системы?

Жесткостные характеристики системы изменяются введением в конструкцию ребер жесткости или изменением ее упругих характеристик.

3 Вибродемпфирование - это уменьшение уровня вибраций защищаемого объекта путем превращения энергии механических колебаний данной колеблющейся системы в другие виды энергии.

Увеличение потерь энергии в системе может осуществляться:

а) использованием в качестве конструкционных материалов с большим внутренним трением (резина, дерево, пластмассы, сплавы);

б) нанесением слоя упруговязких материалов, обладающих большими потерями на внутреннее трение (мастика-антивибрит на основе эпоксидной смолы), применяется для покрытия днищ автомобиля;

в) использованием поверхностного трения (например, при колебаниях изгиба двух скрепленных и плотно прилегающих друг к другу пластин).

4 Виброгашение. Под виброгашением понимают уменьшение уровня вибраций защищаемого объекта путем введения в систему дополнительных (реактивных импедансов) масс:

а) чаще всего виброгашение реализуется путем установки агрегатов на самостоятельные фундаменты. Массу фундамента подбирают таким образом, чтобы амплитуда колебаний подошв фундамента в любом случае не превышала 0,1-0,2 мм;

б) путем установки виброгасителей.

Принцип работы: дополнительная колебательная система с массой "m" имеет частоту, которая настроена на основную частоту колебаний системы с массой "М", но находится с ней в противофазе.

Этот метод борьбы с вибрацией удобен, когда частота колебаний постоянна, например, вибрация судовых двигателей. В компрессоростроении к этому методу борьбы с вибрацией можно отнести установку на нагнетательном трубопроводе буферных емкостей.

5 Виброизоляция осуществляется посредством введения в колебательную систему упругой дополнительной связи, препятствующей передаче вибрации от машин, - источника колебаний - к основанию или смежным элементам конструкции.

Эффективность виброизоляции оценивается коэффициентом передачи (КП):

,                          (6.8)

где Fm - сила, действующая на основание при наличии упругой связи;

F - сила, действующая на основание при жесткой связи.

Если КП =, то виброизоляция хорошая. Коэффициент передачи рассчитывается по формуле

,                             (6.9)

где f - частота возбуждающей силы;

f0 - собственная частота колебаний системы на виброизоляторах.

Рисунок 6.4 - Система с виброизоляцией