книги из ГПНТБ / Шубов, И. Г. Шум и вибрация электрических машин

Второй вид шума преобладает преимущественно в вентилируе­ мых по разомкнутому циклу машинах. Здесь шум обусловлен движущимися потоками воздуха, вызванными вращением ротора и вентилятора. Более подробно этот шум описан в гл. 7.

1-4. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ШУМА

На открытом воздухе звуковые волны распространяются от источника равномерно во все стороны. Если этот источник доста­ точно мал по сравнению с длиной волны, звуковое давление умень­ шается с расстоянием г как Mr, а сила звука— как 1/г3. Зная силу звука на расстоянии 1 м от источника, можно определить силу звука на некотором расстоянии г, отняв от уровня силы

исходного звука величину lOlg-^- или 20 lg— . Следовательно,

при удвоении расстояния от источника звука его уровень сни­ жается на 6 дб. Этот закон ослабления действителен для частот, не превышающих 1000 гц. Если распространение звука не является одинаковым во всех направлениях, то говорят о направленности его распространения. Свойства направленности проявляются, когда размеры машины больше длины волны. Поэтому особенно свойства направленности проявляются на высоких частотах и

вкрупногабаритных машинах.

Взакрытых помещениях на уменьшение силы звука оказы­ вают влияние кроме расстояния, также стены, потолок, пол и на­ личие в этих помещениях оборудования. Чем больше потерь испы­ тывает звук на границах помещения, тем больше заметно умень­ шение силы звука. Сила и частотная характеристика отраженного звука зависят как от поглощающих свойств поверхностей, так и от размеров помещения. Поэтому одной из мер эффективного сни­ жения шума в помещениях является покрытие стен и потолка звукопоглощающими материалами. Возможность экранирования звука внутри помещения зависит от отношения длины волны к ли­ нейным размерам экрана. Благоприятные результаты могут быть получены при больших экранах и коротких звуковых волнах. Размеры поверхности экрана должны быть по меньшей мере вдвое больше длины волны; кроме того, источник звука с одной стороны экрана и место обслуживания с другой его стороны должны на­ ходиться на расстоянии не менее длины одной волны от экрана. Если звуковая волна падает на границу, разделяющую две среды, то часть звука передается в другую среду (поглощается), другая же часть отражается. Отношение силы поглощенного звука к силе па­ дающего звука называется коэффициентом поглощения; отноше­ ние силы отраженного звука к падающему — коэффициентом отра­ жения. Коэффициент поглощения твердыми телами на средних частотах может достигать максимально 3%.

Впрактике имеют место случаи, когда полностью закрытая машина (например, с водяным охлаждением) имеет из-за наличия

11

в корпусе малых отверстий (например, для выводов или уплотне­ ний вала) повышенный уровень шума. Объясняется это тем, что звуковые волны легко проходят через малые отверстия. Сниже­ ние звукоизоляции корпуса АL может быть в этом случае рассчи­ тано по формуле:

растающий до 10 •— для прямоугольных отверстий с отношением их длины к ширине, равным 1000. Эта формула не приемлема для отверстий с большими поперечными сечениями.

Пример 3. В машине с водяным охлаждением в корпусе имеется прямоуголь­ ное отверстие для токоподвода площадью 0,02 ж2. При k = 3 и звукоизолирующей способности корпуса L = 30 дб снижение звукоизоляции корпуса за счет отвер­ стий составляет

ДЕ — 10 lg + 3.-0^ . io30'10 = 8,5 дб.

Поэтому снижение шума в машинах закрытого исполнения может быть также легко достигнуто за счет уплотнения отверстий, имею­ щихся в их корпусе.

1-5. ВРЕДНОЕ ВЛИЯНИЕ ШУМА НА ЧЕЛОВЕЧЕСКИЙ ОРГАНИЗМ

Воздействие шума на человека может иметь последствия двух категорий:

а) отрицательное влияние на всю нервную систему в целом; б) повреждение слухового аппарата.

Многочисленные наблюдения показывают, что работа, и осо­ бенно отдых, при повышенных уровнях громкости шума приводит к повышению кровяного давления и повышенной раздражитель­ ности. Общее самочувствие ухудшается, а трудоспособность, осо­ бенно при умственном труде, понижается. Степень опасности длительного действия шума с точки зрения потери слуха харак­ теризуется американским стандартом Z24 — Х2 следующим об­ разом:

—непрерывное действие шума с уровнем 80 дб в полосе ча­ стот 300—600 гц ежедневно в течение 8 ч практически не вызывает потери слуха в речевом диапазоне частот 1000—2000 гц\

—уровни громкости шума 88—95 дб в том же диапазоне частот

вызывают через 30 лет потерю слуха на частоте 1000 гц 8— 13 дб,

ана частоте 2000 гц 13,5— 19 дб;

—уровень громкости шума 73 дб в полосе частот 1200— 2400 гц вызывает через 7 лет потерю слуха на частоте 4000 гц 5 дб,

ауровни громкости 83 и 88 дб вызывают через 30 лет потерю слуха на той же частоте 27 и 33 дб.

12

Допустимые уровни громкости шума в рабочих помещениях и на рабочих местах, принятые в настоящее время в СССР, ука­ заны ниже:

ж

Глава вторая

ИСТОЧНИКИ ШУМА И ВИБРАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

2-1. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИСТОЧНИКОВ

а. Электромагнитные силы* Эти силы действуют в воздушном зазоре между статором и ротором и имеют характер вращающихся или пульсирующих силовых волн. Их величина зависит от электро­ магнитных загрузок и некоторых конструктивных и расчетных параметров активного ядра машины. Величина вызываемой элек­ тромагнитными силами вибрации во многом зависит от характери­ стик статора как колебательной системы. В большинстве типов электрических машин магнитная вибрация лежит в диапазоне частот 100—4000 гц.

В задачу проектирования обычно входит выбор таких расчет­ ных и конструктивных параметров, которые обеспечили бы макси­ мальное ослабление электромагнитных сил и вибрации, пере­ даваемой на корпус электрической машины.

б. Подшипники качения« Интенсивность этого источника за­ висит от следующих факторов:

—от качества изготовления самих подшипников; здесь имеется

ввиду такое изготовление, которое обеспечило бы минимальные вибрации наружного кольца подшипника при его вращении в спе­

циальной испытательной установке вне машины;

— от точности обработки мест под посадку подшипников и замков в щитах для их фиксации относительно корпуса машины; указанные операции должны обеспечить максимальную соосность подшипниковых узлов и отсутствие искажений геометрических форм дорожек качения при посадке подшипников на вал;

— от виброакустических свойств подшипниковых щитов, ко­ торые при неудачных конструктивных формах могут быть интен­ сивными излучателями шума, возбуждаемого подшипниками.

13

в. Аэродинамические силы« Интенсивность этого источника шума зависит от того, насколько хорошо с точки зрения аэроди­ намики и акустики сконструированы вентилятор и вентиляцион­ ные каналы машины. Здесь имеется также в виду удачный выбор конструктивных форм и геометрических размеров отдельных эле­ ментов вентиляционных путей, по которым проходит охлаждаю­ щий воздух, и допустимые скорости воздуха на отдельных участ­ ках вентиляционной цепи.

Особое внимание здесь уделяется также конструированию тонкостенных воздуховодов, которые могут явиться интенсив-

14

ными излучателями шума. Хорошо выполненная в аэродинамиче­ ском отношении электрическая машина не содержит в спектре шума дискретных составляющих.

г. Механическая несбалансированность роторов. Этот источник возбуждает ощутимые вибрации особенно в быстроходных ма­ шинах со скоростями вращения 3000 об/мин и выше.

Уменьшение небаланса ротора достигается динамическим урав­ новешиванием ротора на балансировочном станке или, в особых

Рис. 2-1. Типовые спектры вибра­ ции электрических машин, указан­ ных в табл. 2-1

процесс изготовления ротора, при котором была бы достигнута максимальная монолитность вращающихся обмоток. Особое зна­ чение при проектировании машины здесь занимает расчет крити­ ческих скоростей вращения ротора, который должен указать гео­ метрию ступеней вала, обеспечивающую достаточное удаление ра­ бочей скорости от критической.

д. Трение щеток о коллектор или контактные кольца. Воз­ буждаемый этим источником шум является преимущественно вы­ сокочастотным, особенно проявляется в крупных машинах по­ стоянного тока с большим щеточным аппаратом.

Интенсивность указанных выше источников шума и вибраций различных электрических машин приведена в табл. 2-1; в ней показано, в какой очередности по степени интенсивности прояв­

15

ляются те или иные источники в воздушном шуме и вибрации, а на рис. 2-1 показаны типовые спектры вибрации корпуса этих машин. Как видно, по мере увеличения скорости вращения воз­ растают вибрации, возбуждаемые небалансом.

По производимому электрическими машинами общему уровню громкости шума на расстоянии 1 м от корпуса их можно подразделить следующим образом:

2-2. РАЗДЕЛЕНИЕ ИСТОЧНИКОВ ШУМА И ВИБРАЦИИ

При экспериментальном исследовании шума и вибрации, созда­ ваемых различными источниками, возникает задача об их разде­ лении. Для этого применяется метод, сущность которого состоит в том, что поочередно исключают или максимально ослабляют все основные источники шума машины, кроме одного исследуе-- мого источника.

Производится это следующим образом:

а. Исключение источника магнитного происхождения произ­ водится максимально возможным снижением потока возбуждения либо полным отключением тока возбуждения.

б. Выделение вибрации, возбуждаемой подшипниками качения, может быть произведено при испытании машины на подшипни­ ках скольжения. В этом случае магнитный поток в машине должен быть полностью снят либо уменьшен до такой величины, при ко-' торой уровень вибрации, возбуждаемой подшипниками скольже­ ния, будет выше магнитной вибрации.

в. Исключение аэродинамического шума, возбуждаемого вен­ тилятором, производится путем отключения вентилятора в маши­ нах с посторонней вентиляцией либо снятием вентилятора с вала в машинах с самовентиляцией. Шум, производимый самим рото­ ром, может быть уменьшен закрытием окон, через которые под­ водится и отводится охлаждающий воздух.

г. Исследование вибрации, создаваемой небалансом ротора, производится на частоте вращения ротора. В машинах перемен­ ного тока эта частота иногда может иметь также магнитную со­ ставляющую. Поэтому необходимо путем регулирования потока возбуждения убедиться, что в этой вибрации нет магнитной со­ ставляющей.

При исследовании небаланса в ряде случаев чрезвычайно важно установить возможность возникновения теплового неба-

16

будут не оправданы. Так, например, надо иметь в виду, что мало­ шумная машина, устанавливаемая в шумном помещении, не ока­ зывает влияния на окружающий шум.

Существующие допустимые уровни громкости шума оборудова­ ния в основном продиктованы не столько санитарно-гигиениче­ скими нормами, сколько техническими возможностями создания

этого оборудования.

Чаще всего эти уровни отражают технический уровень проек­ тирования и производства.

Глава третья

РАСЧЕТ ВИБРАЦИИ И ИЗЛУЧАЕМОГО ШУМА

3-1. МЕТОД РАСЧЕТА ВИБРАЦИИ

Вибрация отдельных элементов конструкции электрической машины может быть рассчитана методом электромеханической аналогии.

Рис. 3-1. Элементы электрических цепей и механических систем

Сущность этого метода заключается в том, что любые колеба­ тельные системы могут быть заменены эквивалентными электри­ ческими цепями.

В качестве основы для построения аналогии между механи­ ческими и электрическими системами используются дифферен­ циальные уравнения, которые описывают колебательные процессы, происходящие в указанных системах.

18

Основными элементами, из которых состоят электрические и механические колебательные системы, являются:

а) для электрической цепи — электрическое сопротивление гЕ, индуктивность L и емкость С;

б) для механических систем: поступательной — механическое сопротивление (трение) гм, масса т и податливость поступатель­ ного упругого элемента (пружины) Хм; крутильной — механиче­ ское сопротивление (трение) гѳ, момент инерции вращающейся массы J , податливость вращательного упругого элемента А,0.

На рис. 3-1 схематически изображены все элементы этих трех систем.

Из решения дифференциальных уравнений механических и электрических систем следует, что подобно тому как масса, по­ датливость и трение в механической системе определяют движение тел, так индуктивность, емкость и сопротивление определяют ток в электрической цепи. Рассмотрим основные колебательные си­ стемы и их электрические аналоги.

3-2. ОДНОМАССОВАЯ КОЛЕБАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА

Одномассовые поступательная и крутильная механические си­ стемы и их электрический аналог показаны на рис. 3-2.

К колебаниям поступательной системы могут быть приведены:

а) вибрация амортизированной электрической машины на фун­ даменте бесконечной массы и жесткости, возбуждаемая остаточным небалансом ротора;

Рис. 3-2. Колебательные системы, к которым приводятся: а — амортизированная машина, возбуждаемая небалансом; сердечник статора, возбуждаемый электро­ магнитными силами; 6 — крутильные колебания ротора при внезапном корот­ ком замыкании; в — электрический аналог

б) вибрация сердечника статора, возбуждаемая электромаг­ нитными силами.

К колебаниям крутильной системы приводятся крутильные колебания ротора электрической машины, сочлененного с ротором, имеющим бесконечный момент инерции. Крутильные колебания возбуждаются при внезапном коротком замыкании статорной об­ мотки.

19