Простейшая система виброизоляции.

Система с одной степенью свободы, возбуждаемая гармонической силой F cos(ω_f t), показана на рис. 4.26. Решающими параметрами виброизолирующего крепления служат жесткость применяемых амортизаторов и масса механизма. Эти два параметра определяют основную частоту колебаний

ω_о = √k/m ,

где ω_о = 2πf₀ - собственная частота колебательной системы,

k – жесткость амортизатора, m – масса механизма.

На рис. 4.26 приведены кривые коэффициентов передач T_F = F_u / F при различных коэффициентах потерь ζ.Обозначения: F — амплитуда возмущающей силы;F_u — амплитуда силы, переданной на фундамент.

Коэффициент передачи T_F зависит, в основном, от величины отношения частоты f_f возмущающей силы к частоте собственных вертикальных колебаний f₀.

Эффективность виброизоляции амортизированной системы несколько уменьшается при ее демпфировании, однако в некоторой степени оно целесообразно, так как ограничивает амплитуду колебаний при прохождении диапазона резонансных частот.

Для простой системы без демпфирования коэффициент передачи определяется формулой

(4.44)

В некоторых случаях возмущающая сила воздействует на механизм непосредственно через фундамент (см. рис. 4.26). Если допустить, что фундамент совершает гармонические колебания scos (ω_ft) (кинематическое возбуждение), то коэффициент передачи по смещению Т_А выражается формулой

(4.45)

где S_k — амплитуда вибрации механизма. Очевидно, что

T_A = T_F

Когда механизм возбуждается силой с постоянной амплитудой и частотой F cos (ω_f t), амплитуда его вибрации зависит от жесткости крепления.

Если f < f_0, сила действует как статическая, полностью передаваясь фундаменту, т.е. T_F = 1 (виброизоляция равна 0). При f_f = f₀ имеет место явление резонанса. Величина амплитуды колебаний будет зависеть от коэффициента потерь.

Начиная со значения f_f = f₀ √2 T_F становится меньше 1, уменьшаясь с увеличением частоты. При f_f / f₀ ≥ 3 виброизоляцию можно оценить по формуле ВИ = 40 lg (f_f / f₀). Резонансную частоту f₀ можно определить по формуле

(4.46)

Статическая осадка х_ст [м] определяется х_ст = P/K , где Р - вес машины в кГ, К – упругость (или жесткость) амортизатора в кГ/м. Статическая усадка упругого амортизатора должна составлять 10-20 % от его толщины.

Пример. Если амортизатор под действием веса машины дал статическую осадку 0,0004 м, то частота собственных колебаний будет:

f₀ = 0,5 / √x_СТ = 0,5 / √0,0004 = 25 Гц

В общем случае виброизоляция является величиной, обратной коэффициенту передач

ВИ = 20 lg 1/ T_F = 20 lg [(f_f / f₀)² – 1] (4.47)

Виброизоляция осуществляется путем установки источников вибрации на виброизоляторы (рис. 4.27.), а также гибких вставок в коммуникациях воздуховодов; применения упру­гих прокладок в узлах крепления воздуховодов, в пере­крытиях, несущих конструкциях зданий, в ручном меха­низированном инструменте и т. д.

В машиностроении для виброизоляции стационарных машин с вертикальной вынуждающей силой чаще всего применяют резиновые, пружинные и комбинированные виброизоляторы. Комбинированный виброизолятор пред­ставляет собой сочетание пружинного виброизолятора с упругой прокладкой; при этом достигается необходимая широта диапазона гасимых колебаний.

Рис. 4.27. Виброизолирующие основание для центробежного вентилятора:

1 – вентилятор;

2 - рама;

3 – пружинный виброизолятор;

4 - фундамент.

Упругие элементы могут быть металлическими, полимерными, волокнистыми, пневматическими, гидравли­ческими, электромагнитными.

Вибропоглощение (вибродемпфирование).Для оценки эффекта вибродемпфирования в конструкциях и элементах конструкций используется коэффициент потерь η, характеризуемый отношением энергии, поглощаемой в системе за цикл колебаний (W_Погл), к максимальной потенциальной энергии в системе (W_Пот)

(4.48)

Вибродемпфирующие покрытия (ВДП), можно разбить на че­тыре типа, различающиеся по виду деформации, определяющей основное поглощение вибрации (табл. 4.10): жесткие, армиро­ванные, мягкие, комбинированные.

Жесткие ВДП.В этих покрытиях поглощение энергии при колебаниях изгиба обусловлено главным образом деформа­циями растяжения — сжатия вдоль поверхности деформируемой пластины. Покрытия называют жесткими условно, так как в действительности они изготовляются из материалов, модуль упругости которых на несколько порядков меньше модуля упру­гости металла. Существует вариант жесткого покрытия с так называемым отнесенным демпфирующим слоем, который отде­лен от демпфируемой пластины прослойкой пенопласта. Отне­сение демпфирующего слоя от нейтральной плоскости пластины увеличивает деформации растяжения — сжатия при колебаниях пластины, а следовательно, и потери колебательной энергии в покрытии.

Жесткие покрытия эффективны на низких частотах коле­баний, на высоких частотах их эффективность падает (рис. 4.28).

Для жестких вибропоглощающих покрытий разрабатываются материалы на основе полимеров и жидких смол с наполните­лями, физико-механические свойства которых зависят от тем­пературы. Рабочая область температур различна для разных материалов и составляет от 20 до 70 °С.

Выпускают ВДП в виде листовых материалов или мастики. Первые наносятся на демпфированную пластину с помощью различных клеев, вторые — напылением или шпателированием. Некоторые из материалов требуют специальной термообра­ботки.

Армированные ВДП. В этих покрытиях вследствие введения металлического (армирующего) слоя основное поглощение ви­брации определяется деформациями сдвига демпфирующего слоя.

Рис. 4.28. Характерные частотные зависимости коэффициентов по­терь различных типов ВДП:

1 — жесткого; 2 — жесткого с проклад­кой; 3 — армированного; 4 — мягкого; 5 — комбинированного (мягкого с тон­ким металлическим поверхностным слоем)

Если толщина армирующего слоя близка к толщине демп­фируемой пластины, то покрытие называется слоеным, или «сандвичем». В этом случае армирующий слой может выполнять одновременно функцию несущей конструкции.

Для армированных ВДП характеристика вибропоглощения имеет вид широкой резонансной кривой с максимумом в об­ласти средних звуковых частот (см. рис. 4.28).

Армированные ВДП — это многослойные специально изго­товляемые конструкции. Так, ВДП «Полиакрил-В» состоит из армирующего слоя (алюминиевая фольга) толщиной 0,06 мм и липкого вязкоупругого толщиной 0,1 мм, соединяющего ВДП с демпфируемой пластиной.

Мягкие ВДП.В этих покрытиях энергия поглощается прежде всего вследствие колебаний растяжения — сжатия в направлении, перпендикулярном к поверхности демпфируемой пластины.

Принцип действия этих покрытий основан на том, что при определенных частотах, когда по толщине покрытия уклады­вается целое число полуволн, покрытие интенсивно поглощает колебания пластины. Поскольку для покрытий этого типа используют резины и пластмассы с малым модулем упругости, волновые резонансы начинаются на частотах в несколько сотен герц. Коэффициент потерь этих материалов достаточно высок — 0,3-0,6, а характеристика поглощения вибрации имеет вид пологой кривой, расположенной в широком диапазоне частот, ют низких до высоких (см. рис. 4.28).

Эффективность мягких ВДП возрастет, если в резиновом массиве сделать воздушные полости.

Соотношение толщины демпфируемой пластины и мягкого покрытия находится в пределах h/h₂ = 2 - 3.

Комбинированные ВДП.Комбинированные ВДП представ­ляют собой многослойные конструкции, сочетание покрытий различных типов. Они обеспечивают поглощение вибрации в более широком диапазоне частот, чем покрытия одного типа (см. рис. 4.28), или увеличение коэффициента потерь в задан­ном частотном диапазоне.

Коэффициент потерь комбинированного ВДП

(4.49)

где η_i — коэффициент потерь, обусловленный i-u механизмом поглощения вибрации.

Таблица 4.10

Классификация вибродемпфирующих покрытий

Виброгашение. Одним из средств борьбы с вибрацией является применение динамических успокоителей колебаний или виброгасителей. Виброгаситель, настраиваемый на одну частоту, представляет собой массу, укрепленную на пружине. При этом соотношение массы гасителя и коэффициента жесткости пружины подбирается таким образом, чтобы, собственная частота колебаний гасителя была равна частоте вынуждающей силы. В этом случае, присоединенная система (гаситель) приходит в резонансное колебание, а главная система прекращает колебательное движение.

По принципу действия виброгасители подразделяются на динамические и ударные. Динамические виброгасители по конструктивному признаку могут быть пружинными, маятниковыми, эксцен­триковыми, гидравлическими. Обычно они представляют собой дополнительную колебательную систему, крепя­щуюся на вибрирующем агрегате и настроенную таким образом, что в каждый момент времени возбуждаются колебания, находящиеся в противофазе с колебаниями агрегата.

Эффективность действия виброгасителей ограничи­вается агрегатами с дискретным возмущающим воздей­ствием практически одной частоты. Ориентировочно маятни­ковые ударные виброгасители используют для гашения колебаний с частотой 0,4—2 Гц, пружинные — 2—10 Гц, плавающие — выше 10 Гц.

Динамическое виброгашение осуществляется также при установке агрегата на массивном фундаменте.

Средства индивидуальной защиты от вибрации классифицируются на средства защиты рук (рукавицы, перчатки и др); средства индивидуальной защиты для ног (обувь, наколенники и др.); специальная одежда.