3.3. Средства снижения негативных энергетических воздействий технических систем

3.3.1 Защита от вибраций

3.3.2 Защита от шума

3.3.3 Защита от электромагнитных излучений (ионизирующих и неионизирующих)

3.3.1 Защита от вибраций

Для защиты от энергетических воздействий используют устройства, обладающие следующими способностями: отражать, поглощать, быть прозрачным по отношению к потоку энергии. На практике обычно комбинируют эти свойства защитных устройств. Наиболее распространенными являются методы защиты изоляцией и поглощением.

Метод изоляциииспользуют тогда, когда источник энергии и её приёмник – объект защиты, разделены защитным устройством. При использовании этого метода осуществляется снижение прозрачности среды. Существует два основных метода изоляции:

- уменьшение прозрачности среды обеспечивается за счет поглощения энергии защитным устройством;

- уменьшение прозрачности среды обеспечивается за счет высокой отражательной способности защитного устройства.

В основе методов поглощения лежит принцип увеличения потока энергии, прошедшего в защитное устройство. Принципиально существует два вида поглощения энергии защитным устройством:

- поглощение энергии за счет отбора её от источника в той или иной форме (в том числе необратимых потерь);

- поглощение энергии за счет большой прозрачности самого защитного устройства.

Т.е метод поглощения заключается в сокращении отраженной энергии, что позволяет не размещать по разные стороны от защитного устройства источник энергии и её приёмник.

Качественная оценка степени реализации целей защиты осуществляется оценкой

1) коэффициента защиты (k_w):

(3.3.1)

Где W₁– поток энергии в данной точке при отсутствии защитного устройства;

W₂ – поток энергии в данной точке при наличии защитного устройства;

2) эффективности защиты (дБ):

(3.3.2)

Методы борьбы с вибрацией базируются на анализе уравнений, описывающих колебания машин и агрегатов в производственных условиях. Эти уравнения сложны, т.к. любой вид технологического оборудования (так же как и его отдельные конструктивные элементы) является системой со многими степенями подвижности и обладает рядом резонансных частот. Однако, все средства защиты от производственных вибраций, основываются на перечисленных выше принципах, реализуемых в источнике, на пути распространения вибраций или при защите объекта.

В зависимости от объекта защиты, средства, с помощью которых реализуются описанные выше методы, подразделяются на две большие группы: коллективные и индивидуальные (рисунок 3.3.1, 3.3.2).

Рисунок 3.3.1 – Коллективные средства защиты от вибраций

Средства коллективной защиты делятся на воздействующие на источник возбуждения и средства защиты от вибрации на путях распространения. К первым относят такие средства защиты как динамическое уравновешивание, антифазная синхронизация, изменение характера возмущающих воздействий, изменение конструктивных элементов источника возбуждения, изменение частоты колебаний. Они, как правило, используются на этапе проектирования или изготовления машины. Средства защиты от вибрации на путях распространения (рис.3.3.2) могут быть заложены в проекты машин и производственных участков, а могут быть применены на этапе эксплуатации.

Итак, основными методами борьбы с вибрациями машин и оборудования являются:

1. Снижение вибраций, воздействуя на источник возбуждения(посредством снижения вынуждающих сил). При конструировании машин и проектировании технологических процессов предпочтение должно отдаваться таким кинематическим и технологическим схемам, при которых динамические процессы, вызванные ударами,

Рисунок 3.3.2 – Средства защиты от вибрации оператора

резкими ускорениями были бы исключены или предельно снижены. При конструировании машин и проектировании технологических процессов предпочтение должно отдаваться таким кинематическим и технологическим схемам, при которых динамические процессы, вызванные ударами, резкими ускорениями были бы исключены или предельно снижены.

К значительному снижению вибрации приводит замена ковки, штамповки – прессованием; ударной правки – вальцовкой; пневматической клепки и чеканки – гидравлической клепкой и сваркой. Причиной низкочастотных вибраций насосов, компрессоров, двигателей является неуравновешенность вращающихся элементов. Действие неуравновешенных динамических сил усугубляется плохим креплением деталей, их износом в процессе эксплуатации. Устранение неуравновешенности вращающихся масс достигается балансировкой.

2. Отстройка от режима резонанса путем рационального выбора массы или жесткости колеблющейся системы. Для ослабления вибраций существенное значение имеет наложение резонансных режимов работы, т.е. отстройка собственных частот агрегата и его отдельных узлов и деталей от частоты вынуждающей силы. Резонансные режимы при работе технологического оборудования устраняют двумя путями: либо изменением характеристик системы (массы или частоты), либо установлением нового рабочего режима (отстройка от резонансного значения угловой частоты вынуждающей силы). Второй метод осуществляют на стадии проектирования, т.к. в условиях эксплуатации режимы работы определяются условиями технологического процесса.

3. Вибродемпфирование– увеличение механического импеданса колеблющихся конструктивных элементов путем увеличения диссипативных сил при колебаниях с частотами, близкими к резонансным. Это обеспечивается с помощью вибродемфирующих покрытий. Эти однородные вибропоглощающие покрытия могут быть двух типов:

- жесткие (модуль динамической упругости ≥10⁹Н/м²) – однородный полимерный слой, связанный клеевой прослойкой с поверхностью металла; их действие связано с деформациями покрытия в направлении параллельном демпфируемой поверхности, поэтому они эффективны на низких и средних частотах;

- мягкие (модуль динамической упругости <10⁹Н/м²) – резиноподобные или пластмассовые покрытия действие которых связано с деформациями покрытия по толщине.

В настоящее время широко распространены армированные покрытия, состоящие из тонкого вибропоглощающего слоя и армирующего металлического слоя.

3. Динамическое виброгашение– присоединение к защищаемому объекту систем, реакции которых уменьшают размах вибраций объекта в точках присоединения систем. Чаще всего динамическое виброгашение осуществляют путем установки агрегатов на фундаменты. Массу фундамента выбирают таким образом, чтобы амплитуда колебаний подошвы фундамента в любом случае не превышала 0,1 – 0,2 мм, а для особоответственных сооружений – 0,005 мм. Для небольших объектов между основанием и агрегатом устанавливают массивную опорную плиту.

4. Вибропоглощение– снижение вибрации путем усиления в конструкции процессов внутреннего трения, рассеивающих виброэнергию в результате необратимого преобразования ее в теплоту. В настоящее время вибропоглощение осуществляется преимущественно путем применения конструкционных материалов с повышенным значением коэффициента потерь (сплавы магния, марганца, меди и т.д.) и вибропоглощающих покрытий (свинца, олова, битумов, многокомпонентные системы на основе полимеров).

5. Виброизоляция– установка между источником вибрации и объектом защиты упругодемпфирующего устройства – виброизолятора – с малым коэффициентом передачи. При устройстве виброизоляции стационарного технологического оборудования в качестве виброизоляторов практически всегда используют пружины или резиновые прокладки. При низкочастотных вибрациях или при неблагоприятных условиях эксплуатации (высокие температуры, пары кислот или щелочей) рекомендуется использование пружин, а при высокочастотной вибрации – резиновых прокладок, т.к. пружины дольше сохраняют свои упругие свойства во времени. Оценивается эффективность виброизоляции по формуле:

(3.3.3)

Где К_П– коэффициент передачи вибрации от источника к защищаемым объектам:

(3.3.4)

Где f и f₀– частота возмущающей силы и собственная частота системы при наличии виброизолирующего слоя (Гц).

Чем выше частота возмущающей силы по сравнению с собственной, тем больше виброизоляция. Так, при f < f₀ возмущающая сила целиком передается основанию, при f = f₀происходит резонанс и резкое усиление вибрации, а при f > 2f₀ обеспечивается виброизоляция, пропорциональная коэффициенту передачи.

Виброизолированное рабочее место оператора, чаще всего, представляет собой массивную железобетонную плиту, установленную на виброизоляторы, опирающиеся на колеблющееся основание (рис.3.3.3). Целью расчета виброизоляции рабочих мест является:

- определение значений коэффициентов эффективности виброизоляции, значений амплитуд виброскорости (виброускорения) и виброперемещения сидения относительно основания;

- определение суммарных среднеквадратических значений виброскорости (ускорения) в каждой стандартной октавной полосе частот;

- сравнение их с допустимыми значениями.

Рисунок 3.3.3 – Виброизолированное рабочее место