Глава 10 защита от вибрации
Развитие механизации в строительстве и промышленности строительных материалов вызвало широкое использование вибрационной техники, мощных строительных машин и механизмов. В результате возрастает число людей, подвергающихся неблагоприятному воздействию высоких уровней вибрации.
Шум, как правило, является следствием вибрации и поэтому на практике часто рабочие испытывают совместное неблагоприятное действие шума и вибрации. Воздействие вибрации не только отрицательно сказывается на здоровье, ухудшает самочувствие, снижает производительность труда, но иногда приводит к профессиональному заболеванию — виброболезни. По данным Всемирной организации здравоохранения повышенные уровни вибрации и шума являются ведущими факторами в возникновении сердечнососудистых заболеваний.
Основными источниками вибрации и шума являются машины для приготовления, распределения и виброуплотнения бетонной смеси: бетоносмесители, дозаторные установки, виброплощадки, а также строительные машины, компрессоры, бульдозеры и др.
Ручной механизированный инструмент с электро- и пневмоприводом передает интенсивные вибрации на руки рабочего и характеризуется высоким уровнем шума.
При работе машин и механизмов низкочастотные вибрации вызываются инерционными силами, силами трения, периодическими рабочими нагрузками. Высокочастотные вибрации возникают в результате ударов из-за наличия зазоров в соединениях механизмов, ударов в зубчатых и цепных передачах, соударений в подшипниках качения.
10.1. Физические характеристики вибрации
Колебаниями в технике называют движения, обладающие определенной повторяемостью во времени. Простейшими колебаниями являются гармонические, при которых переменная величина изменяется по закону синуса или косинуса:
Х = Х0 ·sinωt (10.1)
где X ‑ амплитуда виброперемещения;
ω ‑ круговая частота колебаний.
По способу возбуждения колебания могут быть свободными или вынужденными. Свободные (или собственные) колебания — это такие колебания, которые совершает механическая система, обладающая упругостью и массой, после выведения из состояния равновесия. Характер свободных колебаний (частота, продолжительность) зависит только от свойств самой системы — массы, упругости, сил затухания.
Рассмотрим свободные незатухающие колебания механической системы, состоящей из массы М, подвешенной на безмассовой пружине, обладающей жесткостью К.
Жесткость — это величина, численно равная силе (Н), которую необходимо приложить к упругому элементу, чтобы получить единичную деформацию, например в 1 см.
Предлагаем, что
силы, вызывающие затухание колебаний
груза, отсутствуют; колебания происходят
только в вертикальной плоскости;
крутильными колебаниями пренебрегаем.
При колебаниях действующие в системе
внутренние силы ‑ упругая сила пружины
КХ
и инерционная сила
‑ должны динамически быть уравновешены.
Поэтому уравнение сил, действующих
внутри системы в каждый момент времени,
можно представить в виде
.
(10.2)
Решением этого уравнения является синусоидальная функция.
Дифференцируя по
времени уравнение (10.1), находим скорость
и
ускорение
колебательного
движения:
(10.3)
Поставив уравнения (10.1) и (10.3) в уравнение (10.2), находим значение
круговой частоты собственных колебаний (с-1):
.
(10.4)
Круговая частота собственных колебаний механической системы зависит от массы груза и жесткости пружины.
Принимая во внимание, что период колебаний Т(с) (т. е. время одного полного колебания) связан с круговой частотой (с-1), отношением
T = 2π/ω; ω = 2πf (c-1) (10.5)
частоту собственных колебаний (Гц) можно выразить в виде
(10.6)
По формуле (10.6) с достаточной точностью (без учета затухания) можно определить частоту собственных колебаний большинства встречающихся в инженерной практике колебательных систем.