LS-Sb88870

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

ШУМ И ВИБРАЦИЯ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ

Методические указания

Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2012

УДК 621.45.026.8: 629.5.015.6 (07)

Шум и вибрация электрооборудования: методические указания / Сост. А. В. Карасев. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2012. 47 с.

Приведены алгоритмы и примеры расчетов основных характеристик шума и вибрации, эффективности используемых технических средств борьбы с шумом и вибрацией. Отдельное внимание уделено расчетам уровней вибрации судового электрооборудования при несинусоидальности и несимметрии напряжения сети переменного тока в судовой электроэнергетической системе, а также выбору амортизаторов и расчету их эффективности.

Предназначены для бакалавров и магистров специальности 220200 «Автоматизация и управление».

Утверждено редакционно-издательским советом университета

вкачестве методических указаний

©СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2012

2

Введение

Создание современных электроэнергетических систем невозможно без анализа шума и вибрации, источниками которых являются механизмы и оборудование. К основным задачам такого анализа относятся определение источников вибрации и шума, разработка мероприятий по снижению их уровня и защите человека от их вредного влияния, оценка их влияния на работу механизмов и оборудования, а также определение технического состояния систем по параметрам шума и вибрации. При решении этих задач необходимо учитывать условия, особенности и режимы работы оборудования, а также контролировать увеличение уровня шума и вибрации в процессе эксплуатации из-за износа различных узлов механизмов и оборудования.

Одна из основных задач при изучении курса «Шум и вибрация электрооборудования» – получение практических навыков в определении уровней шума, вибрации различных источников, их анализе и разработке эффективных методов борьбы с этими явлениями. Первые занятия посвящены изучению нормативных документов по различным аспектам измерения и обработки результатов измерений, средствам защиты, допустимым уровням виброакустических сигналов. Основные термины, определения и обозначения, которые используются при анализе уровней шума и вибрации, а также при разработке методов их уменьшения представлены в стандартах. Отраслевые стандарты, например, для судового электрооборудования, определяют не только наиболее важные термины и определения, но и допустимые уровни шума и вибрации как для самого оборудования, так и для помещений различного назначения, в том числе и тех, где это оборудование непосредственно не установлено. Последующие занятия посвящены расчетам по основным темам учебной программы. Это расчеты основных характеристик шума и вибрации, ожидаемых уровней вибрации асинхронного двигателя, акустической эффективности звукопоглощающей облицовки и звукоизолирующего ограждения. Для судового электрооборудования важно качественно и количественно оценить влияние несимметрии и несинусоидальности напряжений в судовой электроэнергетической системе на ожидаемые уровни вибрации. Такие расчеты выполняются на примере асинхронного двигателя. Естественным завершением такого цикла расчетов является выбор амортизаторов и расчет их акустической эффективности для судовых условий эксплуатации (качка и вибрация корпуса судна).

3

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ШУМА И ВИБРАЦИИ

Шум и вибрация представляют собой сложные виды механических колебаний однородных сред и конструкций. Данные колебания создаются вынуждающими силами различной природы. Наиболее разнообразны они на подвижных объектах. Выделяются следующие шумы:

–шум механического происхождения – шум, возникающий вследствие вибрации поверхности машин и оборудования, а также одиночных или периодических ударов в сочлененных деталях или конструкции в целом;

–шум аэродинамического происхождения – шум, возникающий вследствие стационарных и нестационарных процессов в газах;

–шум электромагнитного происхождения – шум, возникающий вследствие колебаний элементов электромеханических устройств под влиянием переменных магнитных сил (колебания статора и ротора электрических машин, сердечников трансформаторов и др.);

–шум гидродинамического происхождения – шум, возникающий вследствие стационарных и нестационарных процессов в жидкостях;

–воздушный шум – шум, распространяющийся в воздушной среде от источника возникновения до места наблюдения;

–структурный шум – шум, излучаемый поверхностями колеблющихся конструкций, стен, зданий в звуковом диапазоне частот.

В электрооборудовании подвижных объектов основными источниками шума являются силы аэродинамического происхождения, возникающие при вращении роторов электрических машин, работе систем принудительного воздушного охлаждения. Несколько меньший вклад в общий уровень шума вносит излучение звука вибрирующими поверхностями механизмов, конструкций и шинопроводов, которые создаются силами различного происхождения. Наиболее интенсивными источниками вибрации электрооборудования являются вынуждающие силы механического происхождения, возникающие при работе мощных механизмов, например, при вращении роторов электрических машин в опорах, а также силы электромагнитного происхождения, действующие в зазорах магнитопроводов, и магнитострикционного происхождения, действующие в материалах, а также вынуждающие аэродинамические силы.

Электрооборудование не относится к самым интенсивным источникам шума и вибрации в промышленности и на подвижных объектах. Однако оно

4

широко используется и устанавливается во многих помещениях, где постоянно могут находиться люди, что связано с необходимостью соблюдения более жестких требований по уровню шума и вибрации. В ряде случаев предъявляются жесткие требования и к уровням вибрации электрических машин, входящих в состав точных приборов и систем. Выполнение требований по уровню шума и вибрации может привести к увеличению массы и габаритов электроэнергетических установок, усложнению изготовления отдельных узлов, использованию соответствующих технологий и материалов, а также к установке специальных конструкций, что, в конечном итоге, ведет к росту их стоимости. Средства и методы защиты от шума классифицируются следующим образом:

1.Средства индивидуальной защиты.

2.Средства и методы коллективной защиты:

1)средства, снижающие шум в источнике возникновения: а) средства, снижающие возбуждение шума;

б) средства, снижающиезвукоизлучающуюспособностьисточника;

2)средства, снижающие шум на пути его распространения:

а) средства, снижающие передачу воздушного шума; б) средства, снижающие передачу структурного шума.

3.Средства защиты в зависимости от использования дополнительного источника энергии:

1)пассивные;

2)активные, с дополнительными источниками энергии.

4.Средства и методы коллективной защиты:

1)акустические:

а) звукоизоляции (кожухи, кабины, экраны); б) звукопоглощения (облицовки, объемные поглотители);

в) виброизоляции (опоры, прокладки, конструктивные разрывы); г) демпфирования; д) глушители шума;

2) организационно-технические:

а) применение малошумных технологических процессов; б) использование дистанционного и автоматического управления; в) применение малошумных машин; г) совершенствование ремонта и обслуживания; д) рациональные режимы труда.

5

Средства и методы защиты от вибрации также достаточно разнообразны. Для них часто используется вышеприведенная терминология. Наиболее эффективные методы уменьшения вибрации самих механизмов связаны с конструктивными, технологическими решениями и выбором материалов; если необходимо, разрабатываются достаточно сложные автоматические системы активного виброгашения. Что касается снижения уже возникшей вибрации на пути ее распространения, то широко используются следующие средства: амортизаторы различной конструкции, специальные покрытия поверхностей и разрывные (с точки зрения распространения вибрации) конструкции, в частности, шарнирные передачи. Одним из эффективных методов уменьшения уровней вибрации электрооборудования, особенно подвижных объектов, является улучшение качества электроэнергии питания, в частности, нормирование появления высших гармоник напряжения в сетях переменного тока и несимметрии напряжения.

Борьба с шумом и вибрацией судового электрооборудования направлена в первую очередь на снижение излучаемой акустической и вибрационной энергии за счет уменьшения вынуждающих сил или изменения механического сопротивления в точках их воздействия. Кроме того, она может вестись и на пути распространения шума и вибрации, для чего используются методы и средства звуко- и виброизоляции, звуко- и вибропоглощения, а также резонансные методы. В методических указаниях рассматриваются также вопросы влияния качества электроэнергии (несимметрия и высшие гармоники напряжения сети переменного тока) на вибрацию электрооборудования судов. В отдельных случаях борьба с такой вибрацией имеет первостепенное значение.

Для измерения шумовых характеристик существуют следующие методы: точный, технический и ориентировочный. Очень большое значение имеет методика определения шумовых характеристик источников шума в различных условиях: в специальных реверберационной и заглушенной камерах (точный метод), на открытых площадках или в больших помещениях, при этом обычно специально оговаривается наличие звукоотражающих плоскостей. На практике, например в судостроении, используют ориентировочный метод. Обеспечить идентичные условия измерения, особенно в производственных условиях, сложно. Поэтому точность измерения обычно составляет 0,5 дБ при условии, что в процессе измерения температура не должна меняться более чем на 10 ºС. Если измерения производятся не в специальных

6

камерах, то существенное значение имеет уровень шумовых помех. Обычно процессу измерения шумовых характеристик источников шума предшествует измерение уровней помех при отключенных источниках – ∆L. Это значение затем вычитается из полученного результата в предположении, что этот уровень стационарен, что далеко не всегда соответствует действительности. Уровень помех ∆L можно не учитывать, если он более чем на 10 дБ ниже уровня шума измеряемого источника. Если эта разница меньше, необходимо вносить поправку (табл. 1).

Нормирование производственного шума и вибрации – один из показателей уровня культуры производства и решения социальных вопросов. Такие нормы обычно называют санитарными нормами шума и вибрации. Очень важно, чтобы они отвечали не только требованиям медицины, но и реальному техническому состоянию оборудования. Особенно важно нормирование шума на судах, где условия жизнедеятельности плавсостава отличны от условий, в которых трудятся сотрудники промышленных предприятий.

В Советском Союзе первые нормы и правила по ограничению шума на производстве были разработаны в 1956 г., а на морских, речных и озерных судах введены в 1962 г. В США предельный допустимый уровень шума на производстве был введен в 1969 г. (закон Уолша–Хилли), в Великобритании «Правила работы в условиях шумовой экспозиции» были приняты в 1972 г., а во Франции и ФРГ ограничительные директивные документы были приняты в 1969 и 1970 гг. соответственно. В какой-то мере это объясняется тем, что долгое время считалось, что вредное воздействие шума и вибрации на организм человека носит локальный характер, т. е. может привести или к потере слуха, или к вибрационной болезни. Сейчас ясно, что шум отрицательно воздействует на весь организм в целом, в том числе и на сердечно-сосудистую систему. К сожалению, нормативные документы далеко не всегда связывают численные значения нормы допустимого шума на рабочем месте с реальным временем воздействия, а опираются на фиксированный рабочий день. В настоящее время такой подход вряд ли соответствует действительности. Однако продолжительность непрерывного пребывания членов экипажа и пасса-

7

жиров на борту учтена в «Санитарных правилах при определении категорий морских судов» (от 1 категории – более 5 суток, до 4 категории – 8 ч.). Для постоянного шума нормируются уровни звукового давления на рабочих местах в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц.

Характеристикой постоянного шума на рабочих местах является уровень звукового давления L, выраженный в дБ в октавных полосах этих частот, который определяется по формуле:

L = 20 lg P ,

P0

где P – среднее квадратичное значение звукового давления, Па; P0 – стан-

дартное звуковое давление, в воздухе P0 = 2 · 10 5 Па.

Для оценки постоянного широкополосного шума принимается уровень звука в дБ А, измеренный с учетом коррекции «A» шумомера:

LA = 20 lg PA ,

P0

гдеPA – среднее квадратичное значение звукового давления, измеренное с

такой коррекцией, Па.

Нормативные документы на машины, механизмы, средства транспорта и др. устанавливают предельные значения их шумовых характеристик. Данных характеристик довольно много, однако в обычной практике, например, судостроения, ГОСТ предусматривает следующие шумовые характеристики:

–уровень звуковой мощности в полосах частот Lp, дБ;

–корректированный уровень звуковой мощности LPA , дБ А;

–уровень звука в контрольных точках LA, дБ А;

–уровень звукового давления в полосах частот в контрольных точках

Li , дБ.

Основные характеристики шума вычисляются по следующим формулам:

8

Работа людей в зоне с уровнем звука свыше 85 дБ А обязательно предполагает наличие индивидуальных средств защиты, а свыше 135 дБ А запрещена. Основные виброакустические характеристики, их обозначение и единицы измерения приведены в табл. 3. Одной из основных объективных характеристик природных и искусственных веществ является их акустическое сопротивление. Такая важнейшая характеристика конструкций, как звукоизолирующая способность, определяется ее массой и акустическим сопротивлением. Значения акустического сопротивления газов (при t = 20 ºС), жидкостей и твердых тел приведены в табл. 4.

Нормативные документы по вибрации, разработанные по аналогичной структуре, устанавливают обозначения и единицы величин. В первую очередь это виброперемещение, виброскорость, виброускорение, частотные характеристики (резонансная частота, собственная частота и др.) и коэффициенты, определяющие физические характеристики (поглощение, сопротивление, жесткость и др.). Стандарты нормируют требования к измерительным приборам, методам измерения; диапазоны и погрешность измерения ( 1 дБ).

10