Расчет амортизаторов

Основным методом защиты от вибрации является амортизация.

Перемещение объекта на амортизаторе при гармоническом возбуждении описывается равенством

, м, (8.11)

где Z_ст – статическая осадка амортизаторов, м;ω – круговая частота вынужденных колебаний, Гц; ω₀ – круговая частота собственных колебаний, Гц; t – период колебания, с.

Статическая осадка Z_ст амортизаторов, м, под действием статически приложенной силы P:

Z_ст = , м, (8.12)

где P = m×g – максимальное значение давления возбуждающей силы, Па; (m – масса объекта, кг; g – ускорение свободного падения, м/с²); k_ж – жесткость подвески амортизатора, кг/с².

Круговая частота колебаний, Гц:

ω = 2π·f, (8.13)

где f – частота колебаний, Гц; π = 3,14.

Величина Z_ст в формуле (8.11) характеризует перемещение, вызванное действием силы P, приложенной статически, а множитель |μ| = 1/(1 - ω²/ ) характеризует динамичность действия этой силы. Абсолютная величина этого множителя называется динамическим коэффициентом виброизоляции μ . Графически его можно представить следующим образом, рис. 8.4.

Рис. 8.4. Зависимость динамического коэффициента μ от отношения частот
вынужденных ω и собственных колебаний ω₀

График имеет три области: одну до резонанса (ω/ω₀ = 0—1) и две после (ω/ω₀ = 1—1,41 и ω/ω₀ > 1,41). В первой и второй областях динамический коэффициент |μ| ≥ 1, поэтому перемещение не может быть меньше статической величины. В случае, когда ω/ω₀ > 1,41, динамический коэффициент быстро падает и при достаточно большой величине отношения амплитуда колебаний имеет малое значение. Поэтому для достижения виброизоляции необходимо подобрать такое значение жесткости подвески (амортизатора), которая обеспечила бы частоту собственных колебаний значительно ниже частоты возбуждения. Практика показывает, что можно принимать ω/ω₀ = 2—5.

Учитывая (8.13), динамический коэффициент |μ| может быть представлен в виде

, (8.14)

где f и f₀ – соответственно частота вынужденных и собственных колебаний, Гц.

Частоту вынужденных колебаний можно определить по формуле

f = n / 60 , (8.15)

где n – частота вращения, 1/мин, или число двойных ходов в минуту (при возвратно-поступательном движении) источника вибрации.

Частота собственных колебаний

, (8.16)

где Z_ст – статическая осадка амортизатора под действием массы подрессоренного объекта, м; π = 3,14; g – ускорение свободного падения, м/с²;

Круговая частота собственных колебаний

, м/с. (8.17)

Под виброизоляцией понимается величина

ВИ = 20· . (8.18)

Эффективность виброизоляции оценивают в процентах:

β = (1 - μ)·100, (8.19)

где μ берется по модулю.

Последовательность расчета амортизаторов следующая.

1. Определяют частоту f и круговую частоту ω вынужденных колебаний по формулам (8.15) и (8.13). По рассчитанной частоте f определяем, к какой октавной полосе относится эта частота, уточняя для выбранной октавной полосы ее нижнее и верхнее значение по формуле (7.5).

2. Определяют статическую осадку Z_cт амортизаторов по (8.12).

3. Определяют круговую частоту собственных колебаний ω₀ по (8.17).

4. Определяют максимальную амплитуду Z колебаний по формуле (8.11), принимая sin ωt = 1.

5. Определяем виброскорость V, м/с, по (8.1), где А = Z, для рассчитанной частоты f вынужденных колебаний.

6. Определяем по (8.3) логарифмический уровень виброскорости L_V, дБ.

7. Сравниваем рассчитанный логарифмический уровень виброскорости L_V с нормируемым логарифмическим уровнем виброскоростидля выбранной по рассчитанной частоте f октавной полосы.

8. Если имеется превышение рассчитанного логарифмического уровня виброскорости над нормируемым уровнем, производим расчет необходимой жесткости элементов виброизоляции из условия обеспечения динамического коэффициента виброизоляции |μ| < 1,41 или ω₀ < .

8.7. Контроль вибрационных характеристик машин

Нормативная документация на виброактивные машины должна содержать норму вибрации. Эта норма вносится в технические условия на конкретные машины или в стандарты на группы машин. При этом должны быть указаны условия, для которых установлены нормы вибрации, и методы контроля вибрационных характеристик (ВХ) машин.

В паспорте, техническом описании, инструкциях или других сопроводительных документах на технологическое оборудование и ручной инструмент, являющиеся источниками локальной вибрации должны быть указаны:

- вибрационные характеристики (средние квадратические значения виброскорости или виброускорения или их логарифмические величины, измеряемые в октавных полосах частот, в диапазоне от 8 до 100 Гц, а также их корректированные значения или уровни), приведенные для всех номинальных режимов работы инструмента и измеренные в трех направлениях ортогональной системы осей координат в точках соприкосновения с руками оператора (например, корпус инструмента, правая и левая рукоятки, вставной инструмент и др.), точки измерения должны быть указаны на чертеже;

- шумовые характеристики (уровни звуковой мощности в октавных полосах частот в диапазоне 31,5—8000 Гц и ее корректированные уровни, дБА, а также уровни звука в дБА);

Вибрационная нагрузка на оператора нормируется для каждого направления действия вибрации.

В качестве нормируемых показателей ВХ машин используют кинематические (виброперемещение, виброскорость, виброускорение) или динамические (сила, момент силы) параметры. Кинематическими параметрами ВХ являются амплитуда виброперемещения, среднее квадратическое значение виброскорости или виброускорения. Динамические параметры ВХ выбирают в соответствии с ГОСТ 26043-83 «Вибрация. Динамические характеристики стационарных машин. Основные положения».

Для машин, имеющих контакт с телом человека (руками, опорными поверхностями) ВХ нормируют только для точки (зоны) контакта в направлении максимальной вибрации. При наличии нескольких точек контакта ВХ может быть установлена только для точки максимальной вибрации. Для машин, не имеющих точек контакта с телом человека, ВХ устанавливают в местах крепления машин к основаниям.

Норма вибрации машин устанавливается в виде предела значений ВХ, обеспечивающего соблюдение установленных для определенных условий применения машины норм вибрационной нагрузки на оператора.

При оценке вибробезопасности машины время воздействия на оператора генерируемой ею вибрации принимают в соответствии с коэффициентом внутрисменного использования или другими временными режимами и показателями работы машины, являющимися ее технической характеристикой, например, ограничениями на продолжительность непрерывной работы машины и т.п.

Для вибробезопасных машин нормой вибрации является допустимая вибрационная характеристика (ДВХ).

Для машин, не являющихся вибробезопасными, норма вибрации устанавливается в виде технически достижимой вибрационной характеристики (ТДВХ). При этом выполнение санитарных норм, установленных для условий применения конкретных машин, должно быть обеспечено использованием средств виброзащиты вне машины.

ТДВХ обосновывают сравнением достигнутой ВХ машины с лучшими изделиями-аналогами, а также экспертными оценками применяемых в ней средств виброзащиты, ограничений условий применения и технических, экономических и организационных возможностей снижения вибрации как машины, так и вне ее.

При внесении в НД нормы вибрации в виде ТДВХ должен быть разработан план мероприятий по снижению вибрации или переходу к ДВХ за срок действия документа.

Значения ВХ и дата их определения должны вноситься в паспорт или другой документ, удостоверяющий качество и безопасность машин.

Для машин, изготовляемых в единичных образцах, значения ВХ вносят в паспорт по результатам их определения на единичном образце.

Для машин серийного и массового производства в паспорт вносят:

при сплошном контроле – значения ВХ, полученные при испытании каждой машины;

при выборочном контроле – представительные значения ВХ, полученные для контролируемой выборки машин.

Требования к ВХ ручных машин, методам их установления и контроля устанавливаются в соответствии с СанПиН 2.2.2.540-96 «Гигиенические требования к ручным инструментам и организация работы» и комплексом ГОСТ 30873-2006 «Машины ручные. Измерения вибрации на рукоятках. Части 2-14».

Ручные инструменты относятся к вибрирующим, если они генерируют вибрацию, уровни которой составляют не менее 25% от предельно допустимых уровней.

Ручные инструменты относятся к виброопасным, если они генерируют вибрацию, уровни которой превышают ПДУ при оценке по корректированному уровню или абсолютному значению.

Нормируемыми параметрами вибрации ручных инструментов являются абсолютные значения виброскорости или виброускорения, а также их логарифмические уровни. Вибрационными характеристиками инструмента являются корректированные уровни вибрации и уровни нормируемых параметров в октавных полосах частот. Характеристикой вибрационного воздействия на оператора является эквивалентный корректированный уровень вибрации.

Контроль вибрационных характеристик машин должен проводиться в условиях, которые воспроизводят или имитируют типовые условия эксплуатации. При контроле вибрации должен быть определен показатель превышения вибрационной нагрузки на оператора в реальных условиях производства.

Типовые условия контроля выбирают из наиболее распространенных (по времени или числу случаев) условий практического применения контролируемого объекта, соответствующих его назначению и правилам эксплуатации, при этом выбираются условия, когда на работника может воздействовать максимальная вибрация.

Контроль вибрации на рабочих местах должен производиться:

при аттестации рабочих мест;

периодически;

по указанию (требованию) органов Роспотребнадзора и технической инспекции профсоюзов.

Защита от вибрации

Защита работника от воздействия вибрации осуществляется техническими средствами, организационными мероприятиями и применением средств индивидуальной защиты.

Средства снижения вибрации:

- устранение вибрации в источнике возникновения при разработке новых и модернизации существующих машин и оборудования;

- подгонка деталей, высокоточная обработка трущихся деталей, смазка;

- применение виброизоляции и вибропоглощения.

Устранение или ослабление вибрации в источнике достигается следующими конструктивными и технологическими мерами:

- выбором кинематических и технологических схем, при которых динамические процессы, вызванные ударами, резкими ускорениями, были бы исключены или предельно снижены (например, замена кривошипных механизмов равномерно вращающимися, ковки и штамповки – прессованием, пневматической клепки и чеканки – гидравлической клепкой и сваркой);

- уравновешиванием, балансировкой вращающихся частей для обеспечения плавности работы машины; устранением дефектов и разболтанности отдельных частей (например, устранение асимметрии магнитной системы электромашины);

- встречным спариванием, при котором происходит уничтожение вертикальных и сложение горизонтальных составляющие центробежной силы (например, установка на валу двух машин таким образом, чтобы их движение расходилось по фазе на 180°);

- правильным выбором рабочих режимов (в первую очередь, исключение резонансных режимов работы, т. е. отстройка собственных частот агрегата и его отдельных узлов и деталей от частоты вынуждающей силы).

К основным средствам виброзащиты относятся виброизоляция, вибродемпфирование и динамическое гашение.

Уменьшение передачи колебания от источника возбуждения защищаемому объекту при помощи промежуточных устройств (амортизаторов), помещаемых между ними, называется виброизоляцией.

В качестве амортизаторов используют стальные пружины, рессоры, прокладки из резины, пробки и др. При выборе прокладки необходимо, чтобы собственная частота системы была в 2—3 раза меньше возбуждающей частоты. Толщина и площадь прокладок определяются расчетным путем или по графикам.

Вибродемпфирование заключается в уменьшении уровня вибраций защищаемого объекта путем превращения энергии механических колебаний данной колеблющейся системы в тепловую энергию. Увеличение потерь энергии в системе достигается использованием в качестве конструкционных материалов с большим внутренним трением, а также покрытием вибрирующих поверхностей демпфирующими материалами с большим внутренним трением или вязкостью.

С точки зрения снижения вибрации наиболее предпочтительно в качестве конструкционных материалов использовать пластмассы (могут использоваться также дерево и резина), что позволяет снизить уровень виброскорости в широкой полосе средних и высоких частот на 8—10 дБ.

В качестве демпфирующих материалов широко используют антивибрационную мастику, мягкие пластмассы, войлок, пенопласт, резину и другие мягкие покрытия, которые наклеивают несколькими слоями на колеблющуюся поверхность. Мягкие вибродемпфирующие покрытия наиболее эффективны на высоких частотах.

Жесткие вибродемпфирующие покрытия, эффективность которых проявляется главным образом на низких и средних частотах, выполняются, как правило, в виде многослойной конструкции: покрытия из слоя вязкоупругого материала (твердой пластмассы, рубероида, изола, битумизированного войлока) и слоя фольги приклеивают к поверхности особо жестким клеем.

Хорошими вибропоглощающими свойствами обладает «слоеный металл»: металлические листы, склеенные слоем вязкого вещества, либо пакеты металлических листов с разными характеристиками.

Для снижения вибрации возможно также использование ударных виброгасителей, в которых кинетическая энергия относительного движения контактирующих элементов переходит в энергию деформации соударяющихся элементов виброгасителя.

Принцип действия динамического гашения заключается в увеличении реактивного сопротивления колебательных систем за счет установки динамических виброгасителей. Наибольшее распространение в машиностроении получили динамические гасители вибраций, представляющие собой механическую колебательную систему с резонансной частотой, совпадающей с частотой вибраций, которые нужно ослабить. При жестком креплении упругого элемента гасителя к вибрирующей части конструкции в нем возбуждаются колебания, находящиеся в противофазе с колебаниями конструкции.

Организационные мероприятия по:

- проведение периодических эксплуатационных проверок вибрации в сроки, установленные нормативно-технической документацией, но не реже одного раза в год для общей вибрации и не реже двух раз в год для локальной вибрации;

- контроль за наличием вибрационных характеристик в паспортах вновь поступающих машин, а при их отсутствии и, в случае необходимости, организацию входного контроля этих машин; эксплуатация не отвечающих вибрационным характеристикам машин не разрешается;

- использование машин в соответствии с их назначением и установленными режимными характеристиками (скорость, частота вращения и т. п.);

- своевременное проведение планово-предупредительного ремонта машин и оборудования (с балансировкой движущихся частей), проверкой крепления агрегатов к полу, фундаменту, строительным конструкциям с обязательным послеремонтным контролем вибрационных характеристик;

- своевременный ремонт профиля путей, поверхностей для перемещения машин, поддерживающих конструкций;

- рациональная планировка технологических процессов и производственных помещений;

- исключение контакта работающих с вибрирующими поверхностями за пределами рабочего места или рабочей зоны путем установки ограждений, сигнализации, блокировки, предупреждающих надписей и др.;

- введение режимов труда, регулирующих продолжительность воздействия вибрации на работающих.

При рациональной планировке технологических процессов и производственных помещений оборудование, вызывающее вибрацию, для устранения динамического эффекта переставляют с середины пролета к опорам, либо на более жесткие элементы конструкции.

Для ослабления передачи колебаний по строительным конструкциям вибрирующее оборудование устанавливают на самостоятельные фундаменты, виброизолированные от пола и других конструкций здания. Для этого вокруг фундамента устраивают разрывы (акустические швы) без заполнения, с заполнением или с подпорными стенками. Массу фундамента подбирают таким образом, чтобы амплитуда колебаний подошвы фундамента в любом случае не превышала 0,1—0,2 мм, а для особых сооружений – 0,005 мм. Для небольших объектов между основанием и агрегатом устанавливают массивную опорную плиту.

Режим труда при использовании виброопасных ручных инструментов должен быть таким, чтобы суммарное время контакта с источником вибрации в течение рабочей смены не превышало значений, указанных в табл. 8.4.

Длительность рабочей смены не должна превышать 8 ч (480 мин). Трудовые операции рекомендуется распределять между работающими так, чтобы продолжительность непрерывного воздействия вибрации, включая микропаузы, не превышала 15 мин. При этом необходимо делать два регламентированных перерыва, учитываемых при установлении нормы выработки: 20 мин через 1—2 ч после начала смены (для активного отдыха, проведения производственной гимнастики по специальному комплексу, гидропроцедур, сочетающих ванночки при температуре воды 38 °С и самомассаж для верхних конечностей) и 30 мин — через 2 ч после обеденного перерыва. Время этих регламентированных перерывов включается в рабочее время, соответственно, учитывается при составлении норм выработки. Обеденный перерыв должен быть продолжительностью не менее 40 мин.

Таблица 8.4

Допустимое время воздействия локальной вибрации

Не допускается работа в условиях воздействия локальной вибрации с уровнями, превышающими гигиенические нормативы более чем на 12 дБ (в 4 раза) по интегральной оценке.

В качестве средств индивидуальной защиты от вибрации применяют специальные рукавицы и специальную обувь, изготавливаемые с использованием упругодемпфирующих материалов в соответствии с требованиями ГОСТ 12.4.002-97 «ССБТ. Средства защиты рук от вибрации. Технические требования и методы испытаний», ГОСТ 12.4.010-75 «ССБТ. Средства индивидуальной защиты. Рукавицы специальные. Технические условия», ГОСТ 12.4.024-76 «ССБТ. Обувь специальная виброзащитная. Общие технические требования», которые регламентируют эффективность гашения вибрации, толщину упругодемпфирующего материала, преимущественную область распространения и другие требования к защитным изделиям этого типа.

К работе с вибрирующим оборудованием допускаются лица не моложе 18 лет, прошедшие медицинский осмотр, имеющие соответствующую квалификацию и ознакомленные с характером воздействия вибрации на организм. Работающие ежегодно проходят периодические медицинские осмотры. При поступлении на работу в виброопасную профессию следует учитывать, что начало работы с ручными инструментами в возрасте 45 лет и старше является фактором риска развития вибрационной болезни.

Для повышения сопротивляемости организма работающих при воздействии вибрации следует проводить витаминопрофилактику (витамины С, В, и никотиновая кислота) два раза в год (в периоды октябрь-ноябрь и февраль-март) по назначению врача. Для работников виброопасных профессий с учетом всей совокупности неблагоприятных производственных факторов режим труда и отдыха устанавливается на основе изучения изменения работоспособности и других неблагоприятных воздействий на организм человека.

Контрольные вопросы к разделу 8:

1. Что означает понятие – вибрация?

2. Что является источниками вибрации на производстве?

3. Какое влияние оказывает вибрация на организм человека?

4. Какие физические величины характеризуют вибрацию?

5. Какие физические величины относятся к гигиеническим характеристикам вибрации?

6. Как классифицируют на виды вибрацию по способу передачи на человека?

7. По каким признакам и как классифицируют вибрацию?

8. Как подразделяется общая вибрация по источнику возникновения?

9. На сколько и какие категории подразделяется общая вибрация?

10. Как подразделяются вибрации по характеру спектра?

11. Как подразделяются вибрации по частотному составу?

12. Как подразделяются вибрации по временным характеристикам?

13. Как подразделяются непостоянные вибрации?

14. Сколько осей ортогональной системы координат используют при нормировании и измерении локальной и общей вибрации?

15. Как направлены координатные оси при определении действия вибрации на работника?

16. Какое влияние оказывает вибрация на организм человека?

17. Что такое – вибрационная болезнь?

18. Какие профессии на железнодорожном транспорте относятся к «виброопасным»?

19. Какие параметры постоянной и непостоянной вибрации, действующей на человека, исследуются при ее гигиенической оценке?

20. Какой частотный диапазон установлен для нормирования локальной вибрации?

21. Какой частотный диапазон установлен для нормирования общей вибрации?

22. Как производится гигиеническая оценка воздействующей на работника постоянной общей и локальной вибрации?

23. Как производится гигиеническая оценка воздействующей на работника непостоянной общей и локальной вибрации?

24. Как производится гигиеническая оценка воздействующей на работника в течение рабочего дня (смены) как постоянной, так и непостоянной вибрации?

25. Какой параметр вибрации является предпочтительным при оценке вибрационной нагрузки на работника?

26. Для какой продолжительности смены установлены гигиенические нормы показателей вибрационной нагрузки на работника?

27. Какова должна быть длительность измерений при непрерывном измерении спектров и корректированных по частоте значений вибрации локальной, общей?

28. Какова должна быть длительность наблюдений при непрерывном измерении эквивалентного корректированного значения вибрации локальной, общей?

29. Каким должен быть интервал между снятием отсчетов при дискретном измерении спектров и корректированных по частоте значений вибрации локальной, общей?

30. Какое оборудование применяется для измерения вибрации?

31. При каких условиях наступает резонанс собственных и вынужденных колебаний объекта?

32. Какие показатели вибрационных характеристик машин используют в качестве нормируемых параметров?

33. Какой показатель является нормой вибрации для вибробезопасных машин?

34. Какой показатель является нормой вибрации для машин, не являющихся вибробезопасными?

35. При каких условиях ручные инструменты относятся к вибрирующим?

36. Какой параметры вибрации являются нормируемыми для ручных инструментов?

37. Когда и в каких условиях должен производиться контроль вибрации на рабочих местах?

38. С какой периодичностью должен производиться контроль вибрационных характеристик ручных машин?

39. С какой периодичностью должен производиться контроль вибрационной нагрузки на оператора при воздействии общей, а также локальной вибрации?

40. Какие вопросы должна содержать программа контроля при оценке вибробезопасности на рабочих местах или контроля вибрационных характеристик машин?

41. Какие средства и методы применяются на рабочих местах для снижения вибрации?

42. Что относится к основным техническим средствам защиты работника от воздействия вибрации?

43. Что такое – виброизоляция?

44. Что такое – вибродемпфирование?

45. В чем заключается принцип динамического гашения вибрации?

46. Какие организационные мероприятия могут быть проведены для снижения воздействия вибрации на работника?

47. Какие средства индивидуальной защиты от вибрации применяют при работах в шумных помещениях?