Влияние вибрации. Вибрация. Воздействие, нормирование, защита
 Скачать 0.54 Mb.
|
|
10. Индивидуальные средства виброзащиты К средствам индивидуальной защиты оператора относятся платформы, сидения, рукоятки. Виброзащитные платформы (площадки) — наиболее приемлемые сред- ства защиты от общей вибрации при работе стоя. Основной частью под- ставки является опорная плита, на которой стоит и выполняет работу опера- тор. Средства виброизоляции могут размещаться сверху плиты, снизу плиты или с обеих сторон одновременно. В зависимости от принятой схемы их вза- имного расположения виброзащитные платформы изготавливают с опорны- ми, встроенными, накладными или комбинированными виброизоляторами. На практике применяются различные конструктивные схемы платформ: с ре- зиновыми, пневмобаллонными и пружинными виброизоляторами. Виброзащитные сиденья применяют, если оператор выполняет работу сидя. Рабочие места, расположенные на транспортных средствах, оснащают подрессоренными сиденьями. Для эффективной виброзащиты в диапазоне частот 2—20 Гц собственная частота системы сиденье-человек должна быть около 1 Гц, что соответствует статическому перемещению такой системы под собственным весом порядка 25 см. Отдельные конструктивные варианты виброзащитных сидений пред- ставлены на рис. 28. Такие сиденья наряду с упругими и демпфирующими элементами, как правило, направляющие механизмы, обеспечивающие сни- жение вибрации в одном, обычно вертикальном направлении. Широкое рас- пространение получили сиденья с параллелограммным направляющим ме- ханизмом в подвеске, когда упругие и демпфирующие элементы шарнирно закреплены на поворотных рычагах по диагонали параллелограмма. Рис. 28. Виброзащитные сиденья с направляющими механизмами типа: а—параллелограмм; б — «ножницы» Собственная частота таких систем лежит в диапазоне 1,5—2,5 Гц, а от- носительное демпфирование изменяется в пределах 0,2—0,5. Виброзащитные рукоятки предназначены для защиты от локальной вибрации рук оператора. Так для снижения действия вибрации, передаваемой на руку человека отбойным молотком, он оснащается виброгасящей рукояткой, схема которой представлена на рис. 29. Она содержит пружинный упругий элемент и под- шипники качения, располагаемые между поверхностью корпуса и рукояткой для уменьшения трения. Это позволяет в несколько раз снизить уровень пе- редаваемой вибрации. Эффективным способом виброзащиты оператора пневмошлифовальных машин является использование рукояток из эластичных материалов на воз- душной подушке (рис. 30). При этом исключается непосредственный контакт рукоятки с вибрирующим корпусом и достигается существенное снижение уровня вибрации, действующей на человека. В качестве средств индивидуальной защиты от вибрации также исполь- зуются: для рук — виброизолирующие рукавицы, перчатки, вкладыши и прокладки; для ног — виброизолирующая обувь, стельки, подметки. Виброзащитные рукавицы отличаются от обычных рукавиц тем, что на их ладонной части или в накладке закреплен упругодемпфирующий элемент (рис. 31). Этот элемент выполняется из поролона, однако более эффективно использование пеноэласта, губчатой резины. Применяются рукавицы с эла- 4 3 2 3 стично-трубчатыми элементами. На рукавице имеются трубчатые элементы, закрепленные накладками и расположенные вертикальными рядами паралле- льно друг другу и перпендикулярно оси рукавицы. Также рукавицы могут выполняться с накладным карманом, в который вставляется накладка с эла- стично-трубчатыми элементами. Виброзащитная обувь изготовляется в виде сапог и ботинок как мужских, так и женских, и отличается от обычной обуви наличием подошвы или вкла- дыша из упругодемпфирующего материала. 11. Вибрация зданий от движущегося транспорта Вибрации, генерируемые проходящим транспортом, особенно железно- дорожным, распространяется по грунту, вовлекая в колебательный процесс расположенные поблизости здания, где живут и работают люди (рис. 32). В этих зданиях вибрации могут ощущаться находящимися там людьми или из- лучаться в помещения, где они при этом воспринимаются как низкочастотное громыхание. Кроме того, вибрации могут создавать помехи в работе преци- зионных приборов, а в некоторых случаях приводит даже к повреждениям конструкции зданий. Принято считать, что механизм, с помощью которого движущийся поезд возбуждает вибрации грунта, основан на возникновении динамических сил между колесом и рельсом, обусловленных неровностями на поверхностях ка- чения колеса и рельса или дефектами в несущей конструкции дорожного по- лотна. В интервале эксплуатационной скорости движения поездов от 30 до 110 км/ч спектр вибрации, передаваемой грунту, сосредоточен в частотном диапазоне 10—250 Гц. При этом основным фактором образования неровно- стей на поверхностях качения является их волнообразный износ с длиной волны 30 мм—3 м. Кроме того, важным видом износа являются ползуны, об- разующиеся при скольжении колеса по рельсу в процессе торможения. Рис. 32. Возбуждение вибрации и ее распространение по грунту Важной и одновременно сложной задачей является анализ и расчет рас- пространения вибрации по грунту. В грунте могу распространяться два типа волн: волны сдвига (поперечные) и волны сжатия (продольные). При этом продольные волны распространяются со скоростями в 2,5—4 раза большими, чем поперечные волны. Кроме того, наличие свободной поверхности приво- дит к появлению так называемых волн Рэлея. Это поверхностные волны, рас- пространяющиеся со скоростью, немного меньшей, чем скорость поперечных волн. Обычно грунт рассматривается как вязкоупругая среда. Вследствие внутреннего трения распространение волн в грунте происходит с затухани- ем. Затухание амплитуды вибрации А R с расстоянием определится формулой ( 0 ω 2 η ) , R c R A A e − = (14) где A 0 — начальное значение амплитуды вибрации; ω — круговая частота; η — коэффициент потерь в грунте; с — скорость распространения волны в грунте; R — расстояния от начальной точки до точки наблюдения. Из (14) следует, что с ростом частоты затухание увеличивается, и это объясняет тот факт, что вибрации грунта содержат в основном низкочастот- ные составляющие. Формула (14) показывает также, что волны с малой ско- ростью распространения затухают гораздо быстрее. Так как скорость про- дольных волн в несколько раз выше скорости поперечных волн и волн Рэлея, то при значениях коэффициента потерь η≥0,1, как это имеет место для неко- торых грунтов (табл. 4), можно считать, что при расстояниях равных не- скольким длинам волн в передача вибраций в грунте будет осуществлять в основном продольными волнами, при условии, что коэффициенты потерь для различного типа волн примерно одинаковы. Так на частоте 50 Гц расстояние в три длины волны, начиная с которого преобладают продольные волны со скорость распространения 1500 м/с составляет 90 м. Таблица 4 Параметры распространения волн в грунте Вид грунта Скорость распростра- нения продольной вол- ны с, м/с Коэффициент потерь, η Скальный грунт Глинистый грунт Песок, гравий 3500 1500 600 0,01 0,5 0,1 Передача вибрации от движущегося поезда по земле к зданиям зависит от характеристик фундамента здания. В общем, имеется некоторое ослабле- ние уровней вибрации фундамента по сравнению с уровнями вибрации по- верхности земли. Вместе с тем полы, стены и потолки здания вибрируют со значительным усилением по сравнению с фундаментом. При этом типичным является усиление уровня вибрации на 5-15 дБ в диапазоне частот 16−80 Гц. Особенно ярко это проявляется при совпадении собственных частот пере- крытий с частотой возбуждения со стороны грунта. Существуют следующие методы снижения вибрации, вызываемой взаи- модействием колеса и рельса при движении поезда: ограничение в источнике; упругое крепление рельсов; совершенствование конструкции тоннелей и ус- тановка экранов, виброизоляция зданий. Кратко рассмотрим все эти методы. Ограничение вибрации в источнике. Ведется следующими методами: устранение износа и дефектов поверхности качения колес, заключаю- щееся в проточке бандажа колес, что позволяет снизить уровни вибрации на частотах выше 100Гц на 5−10 дБ; предупреждение возникновения износа поверхности качения колес, ос- нованное на применение более совершенных смазочных материалов и мето- дов смазки, повышении износостойкости колес, применение тормозных ко- лодок из композиционных материалов, вместо чугунных; шлифовка рельсов, уложенных на полотне, с помощью рельсошлифо- вальных машин, позволяющая за счет устранения волнообразного износа рельсов добиться значительного снижения вибрации и шума; сварка рельсовых стыков и обеспечение точности относительного распо- ложения рельсов при их болтовом соединении, что смягчает удары и переда- чу нагрузки с одного рельсового звена на другое; снижение жесткости буксовой системы рессорной подвески вагонных тележек, приводящее к снижению уровня вибрации грунта на 10−20 дБ; применение колес, содержащих упругодемпфирующие элементы между бандажом и ступицей колеса, что позволяет снизить не только вибрации, но и излучаемый шум; ограничение скорости движения поездов, позволяющее снижать уровни вибрации на 4−9 дБ (в среднем 6 дБ) при уменьшении скорости в два раза. Рис. 33. Виброизоляция железнодорожного полотна: а― продольное сече- ние; б ― сечение пластиковой шпалы; 1― рельс; 2 ― шпала; 3 ― резиновая оболочка; 4 ― бетонная плита; 5 ― плита из стекловолокна; 6 ― бетонное основание; 7 ― древесно-стружечный слоистый материал Применение упругих элементов в конструкции железнодорожного по- лотна. При этом используются: упругое крепление рельсов, с целью виброизоляции рельса от шпал и грунтового основания пути. Коэффициент постели K, равный жесткости кре- пления, деленной на величину пролета между соседними креплениями, дол- жен составлять порядка 2·10 7 Н/м. Виброизоляция рельсов считается хоро- шей, если она обеспечивает статический прогиб при нагрузке поездом в пре- делах 2−5 мм; упругое основание под шпалами, позволяющее в сочетании с упругим креплением рельсов поучить дополнительное снижение уровня вибрации до 10 дБ; «плавающее» основание пути, представляющее собой бетонную конст- рукцию толщиной 0,2−0,3 м, монолитную или состоящую из отдельных бло- ков длиной 1,5, которая опирается упругие прокладки. Типичный диапазон резонансных частот конструкций с «плавающими плитами» 12-16 Гц. На рис. 33 приведен пример применения упругих элементов в конструк- ции полотна метрополитена города Вены. Эта конструкция состоит из поли- уретановых шпал, заключенных в ребристую резиновую оболочку и утоп- ленных в бетонную плиту, толщиной 26 см, которая опирается на слой прес- сованного стеклопластика, размещенного, в свою очередь, на основании тун- неля. Совершенствование конструкции тоннелей. Массивные тоннельные кон- струкции с толстыми или двойными стенками вызывают меньшую вибра- цию в соседних зданиях. Конечно увеличение толщины связано с повышени- ем затрат на строительство, однако эти затраты будут меньшими, а надеж- ность системы выше, чем у тоннеля с меньшей толщиной стенок, но путь в котором уложен на «плавающие» плиты. Экранирование. Состоит в применении монолитных препятствий в виде бетонной стены в грунте или траншеи, заполненной легким водонепроницае- мым материалом, с целью нарушения процесса распространения волн в грун- те. Для ощутимого снижения вибрации порядка 10 дБ это препятствие долж- но достигать глубины 4-5 м. Виброизоляция зданий. Заключается в установке виброизолирующих прокладок под свайные фундаменты, у основания несущих колони и сводов. Свинцово-асбестовые прокладки для виброизоляции зданий начали приме- нять около ста лет назад. Использование виброизолирующих прокладок мо- жет привести к значительному снижению вибрации. При этом, однако, надо иметь в виду, что должны быть предприняты меры по перекрытию всех пу- тей распространения вибрации. В противном случае она будет распростра- няться по таким неперекрытым путям, сводя почти на нет эффективность проведенных мероприятий. 12. Измерение и контроль вибрации Измерение параметров вибрации (виброперемещения, виброскорости или виброускорения) производится с помощью специальных вибродатчиков. Наибольшее применение находят датчики виброускорения (акселерометры), как правило, пьезоэлектрического типа. Такие акселерометры выпускаются одно- или трехкомпонентными. Последние позволяют проводить измерения по трем координатным осям одновременно. Акселерометры закрепляются на колеблющейся поверхности жестко с помощью резьбовой шпильки или с ис- пользованием воска. При измерении общей и локальной вибрации, дейст- вующей на человека, для установки датчиков используются специальные приспособления (см. обложку). Акселерометры с помощью специальных кабелей соединяются с вибро- измерительными приборами — виброметрами или виброанализаторами. Та- кие системы позволяют проводить измерения вибрации в частотном диапа- зоне от десятых долей герца до десятков килогерц с высоким динамическим диапазоном. При подключении виброметра или виброанализатора к компьютеру функциональные возможности измерительной системы существенно расши- ряется. Так, например, с помощью специального программного обеспечения можно оперативно определить чувствительность рук к механическим коле- баниям и выявить на ранней стадии расстройства, связанные с воздействием локальной вибрации (см. обложку). Заключение 1. В качестве параметра вибрации при ее измерении и нормировании це- лесообразно использовать виброускорение, определяемое в октавных (треть- октавных) полосах частот. 2. Общим подходом к снижению виброактивности машин является уменьшение энергии возмущающих сил за счет снижения частоты вращения и размеров вращающихся масс, а так же повышение точности обработки де- талей и как следствие – уменьшение зазоров в соединениях. 3. Эффективным средством снижения вибрации механических систем является увеличение в них демпфирования путем замены металлических де- талей на пластмассовые и использованием специальных вибродемпфирую- щих покрытий. 4. Основным методом защиты объектов от вибрации является виброизо- ляция. Она эффективна, если частота возбуждающего воздействия будет по крайнем мере в 2 больше собственной частоты системы виброизоляции. 5. Динамические гасители колебаний следует применять для гашения колебаний в узкой полосе частот, когда собственная частота объекта близка к частоте возбуждающего воздействия. Их эффективность в значительной сте- пени зависит от величины демпфирования в системе. 6. Оборудование, являющееся интенсивным источником вибрации сле- дует устанавливать на фундаменты. При этом массу фундамента подбирают так, чтобы амплитуда колебаний подошвы фундамента не превышала допус- тимой величины. 7. Для защиты машин от низкочастотной вибрации, где пассивные сис- темы малоэффективны, следует использовать активные гасители колебаний. 8. Для существенного снижения вибрации, передаваемой через грунт от движущегося железнодорожного транспорта, следует применять целый ком- плекс защитных мероприятий, касающихся снижения вибрации, как в самом источнике, так и на пути ее распространения. ЛИТЕРАТУРА 1. Вибрации в технике: Справочник: в 6- ти т. — М.: Машиностроение. ― Т. 1. Колебания линейных систем / Под ред. В.В. Болотина, 1999. — 504 с. 2. Вибрации в технике: Справочник: в 6- ти т. — М.: Машиностроение. ― Т. 6. Защита от вибрации и ударов / Под ред. К.В. Фролова, 1995. — 456 с. 3. Ильин М.М., Колесников К.С., Саратов Ю.С. Теория колебаний. Учебник для вузов/ Под общ. ред. К.С. Колесникова. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. — 272 с. 4. Фролов К.В., Гончаревич И.Ф., Лихнов П.П. Инфразвук, вибрация, человек. — М.: Машиностроение, 1996. — 368 с. 5. Шум на транспорте/ Пер. с англ. Под ред. В.Е. Тольского, Г.В. Бута- кова, Б.Н. Мельникова. — М.: Транспорт, 1995. — 368 с. 6. ГОСТ 25980−83. Вибрация. Средства защиты. Номенклатура пара- метров. 7. ГОСТ 26043−83. Вибрация. Динамические характеристики стацио- нарных машин. Основные положения. 8. ГОСТ 26568−85. Вибрация. Методы и средства защиты. Классифика- ция. 9. ГОСТ 27242−87. Вибрация. Виброизоляторы. Общие требования к испытаниям. |