40. Защита от вибраций

В промышленности осуществляют следующие методы уменьшения вибраций в соответствии с ГОСТ 26568-85*:

- воздействием на источник вибраций;

- снижением вибраций на пути их распространения;

- путем применения соответствующей организации труда,

- а также использования средств индивидуальной защиты и проведением лечебно-профилактических мероприятий.

Общие методы борьбы с вибрацией основаны на анализе уравнений, описывающих колебания машин и агрегатов в условиях производства.

Эти уравнения сложны, так как любой вид технологического оборудования является системой со многими степенями подвижности и обладает рядом резонансных частот.

С точки зрения охраны труда наибольший интерес представляют колебательные системы с одной степенью свободы.

При определении основных направлений борьбы с вибрацией можно ограничиться анализом вынужденных колебаний простой системы, представленной на рис. 3.11.

Рис. 3.11. Схема действия сил при вибрации

Колебания плиты 2 массой т происходят под действием переменной во времени силы F(τ), которая возникает в источнике вибраций 3, и передаются на основание А через упругий элемент 4 с жесткостью q и демпфирующий элемент 1 с коэффициентом трения.

Человек (защищаемый объект) может находиться в контакте с плитой 2 (например, работа оператора на виброплощадке) или располагаться на основании А (например, работа оператора около двигателя, станка, подъемно-транспортных машин).

Основные методы уменьшения вибрации следующие:

- снижение вибраций воздействием на источник возбуждения посредством снижения или ликвидации возмущающих сил;

- отстройка от резонансных режимов в системе рациональным выбором приведенной массы m или жесткости q колеблющейся системы;

- вибродемпфирование уменьшением вибраций за счет увеличения силы трения демпфирующего устройства, то есть перевод энергии колебаний в теплоту;

- виброгашение - динамическое гашение колебаний - введением в колебательную систему дополнительных масс или увеличение жесткости системы;

- виброизоляция - введением в систему дополнительной упругой связи с целью ослабления передачи вибраций смежному элементу конструкции или рабочему месту;

- использование средств индивидуальной защиты.

Дадим краткую характеристику этим методам.

Для снижения вибрации в источнике ее возникновения необходимо, прежде всего, уменьшить силу, вызывающую колебания.

Для этого при проектировании машин и устройств механического типа 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.

Так, замена кулачковых и кривошипных механизмов равномерно вращающимися, а также механизмами с гидроприводами в значительной мере способствует снижению вибраций.

Этому же способствует замена ковки и штамповки прессованием, ударной правки вальцовкой, пневматической клепки и чеканки гидравлической клепкой и сваркой.

Для снижения уровня вибраций редукторов целесообразно применять зубчатые колеса со специальными видами зацеплений - глобоидным, шевронным, двушевронным, конхоидальным вместо прямозубых.

Большое значение имеет повышение класса точности обработки и уменьшение шероховатости поверхности шестерен, выбор режимов работы, замена подшипников качения подшипниками скольжения (когда это возможно).

Для устранения неуравновешенности вращающихся масс применяется статическая и динамическая балансировка в соответствии с ГОСТ 22061-76*.

При кинематическом возбуждении вибраций применяются следующие методы их снижения путем воздействия на источник возбуждения:

изменение конструктивных элементов машин и строительных конструкций; уменьшение неровностей профиля пути самоходных и транспортных машин;

повышение нивелирующей способности опорных элементов самоходных и транспортных машин.

Отстройка от режима резонанса заключается в изменении частоты собственных колебаний машины, установки и т. п. с целью исключения резонанса с частотой возмущающей силы.

Резонансные режимы при работе технологического оборудования устраняют двумя путями:

либо изменением характеристик системы, как правило, жесткости (например, введением в конструкцию машины ребер жесткости),

либо установлением нового режима работы системы.

Вибродемпфирование - это процесс уменьшения уровня вибраций защищаемого объекта путем превращения энергии механических колебаний данной колеблющейся системы в тепловую энергию.

Увеличение потерь энергии в системе осуществляется за счет использования в качестве конструкционных материалов с большим внутренним трением:

резины,

пластмасс,

дерева,

капрона,

сплавов с добавками никеля, меди, магния;

нанесения на вибрирующие поверхности слоя упруговязких материалов, обладающих большими потерями на внутреннее трение,

- мягких покрытий (резина, «Агат», «Адем», пенопласт ПХВ-9, мастика ВД17-59, «Антивибрит»)

и жестких (листовые пластмассы, фольгоизол, стеклоизол, гидроизол);

- применения поверхностного трения (например, прилегающих друг к другу пластин);

- перевода механической колебательной энергии в энергию токов Фуко или электромагнитного поля.

Хорошо демпфируют колебания смазочные материалы.

В системах с низкой и средней частотой вибрации используют жесткие многослойные, а с высокой - мягкие покрытия.

Наибольший эффект вибродемпфирующие покрытия дают в области резонансных частот, так как при резонансе роль сил трения в уменьшении амплитуды виброскорости возрастает.

Вибродемпфирующие покрытия применяют для уменьшения уровня вибрации (шума) при обработке тонкостенных конструкций при клепке, правке (жесткие покрытия); при работе вентиляционных систем, насосов, компрессоров, трубопроводов (мягкие покрытия).

Наибольший эффект дают покрытия большой площади и толщиной, равной двум-трем толщинам демпфирующего элемента конструкции.

Виброгашение чаще всего осуществляют путем установки агрегатов на фундамент (при ω > ω₀).

Массу фундамента подбирают таким образом, чтобы амплитуда колебаний подошвы фундамента в любом случае не превышала 0,1- 0,2 мм, а в особо ответственных случаях 0,005 мм (рис. 3.12).

Этот способ нашел широкое применение при установке тяжелого оборудования (молоты, прессы, вентиляторы, насосы и т. п.).

Рис. 3.12. Установка агрегатов на виброгасящем основании:

а - на фундаменте и грунте; б - на перекрытии

Одним из способов увеличения сопротивления колебательных систем является установка динамических виброгасителей, представляющих собой дополнительную колебательную систему с массой т и жесткостью q, собственная частота которой f₀ = ω₀/2π настроена на основную частоту колебаний данного агрегата, имеющего массу М и жесткость Q (рис. 3.13).

Рис. 3.13. Схема динами- Рис. 3.14. Схема катко-

ческого виброгасителя вого виброгасителя

В этом случае подбором массы и жесткости виброгасителя обеспечивается выполнение условия

(трением принебрегаем).

Виброгаситель жестко крепится 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 только при определенной частоте, соответствующей его резонансному режиму колебаний.

Такие виброгасители применяют в агрегатах, например турбогенераторах, имеющих характерный, постоянный во времени дискретный спектр вибраций.

Гашение колебаний носит иной характер при использовании динамического гасителя каткового типа (рис. 3.14), когда нужный эффект создается благодаря относительному движению катка, небольшого, но достаточно массивного цилиндрического тела, который обкатывает цилиндрическую полость большого диаметра.

При колебаниях основного тела возникает синхронизация движений - каток обкатывает полость с частотой, равной частоте возбуждения.

Такой самонастраивающийся гаситель избавлен от основного недостатка пружинного гасителя - потери эффективности при изменении частоты возбуждения.

Находят применение гасители ударного, камерного и других типов.

Виброизоляция заключается в уменьшении передачи колебаний от источника возбуждения защищаемому объекту при помощи устройств, помещаемых между ними.

Для виброизоляции стационарных машин с вертикальной вынуждающей силой чаще всего применяют виброизолирующие опоры типа упругих прокладок или пружин.

Возможно использование их сочетания (комбинированные виброизоляторы).

Пружинные виброизоляторы по сравнению с прокладками имеют ряд преимуществ.

Они могут применяться для изоляции как низких, так и высоких частот, дольше сохраняют постоянство упругих свойств во времени, хорошо противостоят действию масел и температуры, относительно малогабаритны.

Однако они могут пропускать высокочастотные колебания, поэтому пружинные виброизоляторы рекомендуется в этом случае устанавливать на прокладки из упругих материалов типа резины (комбинированный виброизолятор).

Эффективность виброизоляции определяют коэффициентом передачи (КП), который имеет физический смысл отношения амплитуды виброперемещения, виброскорости, виброускорения защищаемого объекта или действующей на него силы F_ви к амплитуде той же величины источника F_m возбуждения при гармонической вибрации.

Рассчитывают его по формуле

Чем меньше значение этого соотношения, тем выше виброизоляция.

В системах, где можно пренебречь трением,

где f - частота вынужденных колебаний системы;

f₀ - собственная частота.

При вынуждающая сила действует как статическая и целиком передается основанию.

При f = f₀ наступает резонанс; при КП = 1, а при дальнейшем увеличении КП становится меньше единицы, так как система оказывает вынуждающей силе все большее инерционное сопротивление.

Вследствие этого передача вибраций через виброизоляцию уменьшается.

Существует оптимальное соотношение между частотой колебаний системы.

Оно составляет f/f₀ = 3 - 4, что соответствует КП = 1/8 - 1/15.

Эффективность виброизоляции (дБ)

.

Выражение для собственной частоты (Гц) при x_ст = mg/q

можно представить в виде ,

x_ст - статическая осадка системы на виброизоляторах под действием собственной массы.

Чем больше статическая осадка, тем ниже собственная частота и тем эффективнее виброизоляция.

Средства индивидуальной защиты (СИЗ) от вибрации применяются при работе, когда техническими средствами, рассмотренными выше, не удается снизить уровень вибрации до нормы.

В качестве СИЗ по месту контакта работающего с виброинструментом используют:

для рук - рукавицы, перчатки, вкладыши и прокладки;

для ног - специальную обувь, подметки, наколенники;

для тела - нагрудники, пояса, специальные костюмы.

Средства защиты рук должны удовлетворять требованиям ГОСТ 12.4.002-74, а спецобувь для условий общей вибрации - ГОСТ 12.4.024-76*.

Организация труда работников виброопасных профессий должна соответствовать указаниям Минздрава № 4013-85.

В целях профилактики вибрационной болезни для работающих рекомендуется специальный режим труда.

Так, при работе с ручными машинами суммарное время работы в контакте с вибрацией недолжно превышать 2/3 рабочей смены.

При этом продолжительность непрерывного воздействия вибрации, включая микропаузы, не должна превышать 15 - 20 мин.

При таком режиме труда необходимо предусматривать, кроме обеденного перерыва, еще два регламентированных перерыва для активного отдыха (гимнастика, физиопрофилактические процедуры):

20 мин через 1 - 2 часа после начала смены

и 30 мин через 2 часа после обеденного перерыва.

Все работающие с источниками вибрации должны проходить медицинские осмотры перед поступлением на работу и периодически не реже 1 раза в год.

Измерение вибраций проводят в соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.042-84* для локальной вибрации и ГОСТ 12.1.043-84 - для общей.