НОРМИРОВАНИЕ ВИБРАЦИИ

Производственная вибрация подразделяется на техническую – это вибрация самого оборудования, и гигиеническую – это вибрация опорных поверхностей рабочих мест, фундаментов оборудования, кабин транспортных машин, ручек управления и инструмента, воздействующая непосредственно на человека.

Гигиеническая вибрация действует на человека в виде общей вибрации на весь организм и локальной вибрации, действующей главным образом на руки человека.

В свою очередь общая вибрация подразделяется на:

* транспортную, которая возникает в салоне или кабине машины при работе двигателя;

* транспортно-технологическую, которая возникает в кабине управления при работе грузоподъемных машин, выполняющих технологические операции в стационарном положении.

* технологическую, которая возникает при работе стационарных машин, станков, насосных агрегатов и другого оборудования.

В соответствии с ГОСТ 12.1.012-2004 ССБТ «Вибрационная безопасность.Общие требования». производится следующее нормирование гигиенической вибрации.

Весь нормируемый частотный диапазон вибрации заключен в 11 октавных полюсах со следующими среднегеометрическими значениями – ¦_ср:

Таблица 5.1

Частотные полосы (спектры) сформированы по принципу ¦₁/¦₂ = 2, и начиная с 8-ой полосы, третий знак сделан кратным 5 или 0. Среднегеометрическая частота ¦_ср в каждой полосе определена по формуле :

_____

¦_ср = Ö¦₁¦₂,

где ¦₁ и ¦₂ – граничные частоты, при этом отношение ¦₁/¦₂ = 2.

При больших частотах ¦ > 1400 Гц любая вибрация действует отрицательно на человека и не нормируется (не допускается).

Гигиеническое нормирование – это допустимый уровень виброскорости U_m, воздействующий на человека при общей и локальной вибрациях.

Полоса с частотой ¦_СР = 63 Гц считается базовой, при этом вибрации в других полосах сравнивают с вибрацией в базовой полосе.

Из рис. 5.1 и 5.2 видно, что наибольшую опасность представляет общая вибрация, действующая на весь организм, так как допустимая область общей вибрации и по абсолютным значениям уровней виброскорости и по площади занимаемой на графике значительно меньше тех же параметров в локальной вибрации. Некоторые критические величины вибрации, действующие на человека: f = 0.7 Гц – морская болезнь, f = 6...9 Гц – резонанс внутренних органов, f = 25 Гц – резонанс головы человека.

Рис. 5.1. Общая вибрация Рис. 5.2. Локальная вибрация

в производственных помещениях

По направлению действия на человека различают вибрацию вертикальную, действующую вдоль тела по позвоночнику – ось Z, горизонтальную, действующую перпендикулярно грудной клетке – ось Х, и горизонтальную, действующую по плечевому поясу – ось Y. Наибольшую опасность представляет вибрация, действующая по оси Y по плечевому поясу, например, в кабинах транспортных машин, в которых вибрация распространяется в горизонтальном направлении по осям X и Y.

При локальной вибрации, действующей на руки при работе, например с пневмомолотком, ось Z совмещается с направлением усилия работающего (сверху вниз), а ось X совмещается с осью обхвата рукой рукоятки, ось Y в этом случае не нужна.

5.3. АНАЛИЗ ПРОСТЕЙШЕЙ КОЛЕБАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

В общем виде для одномассовой колебательной системы существуют шесть степеней свободы, n = 6, из которых три степени имеют продольные направления вдоль осей Х, Y и Z, а другие три имеют крутильные направления относительно соответствующих осей.

Рассмотрим простейшую одномассовую колебательную систему с одной степенью свободы, действующей по оси X, с пружиной растяжения, жестко закрепленной на одном конце (рис. 5.3.).

Рис. 5.3. Колебательная система:

1 – упругий элемент – пружина растяжения с коэффициентом жесткости К, Н/м;
2 – масса колебательной системы m, кг; 3 – сопротивление колебательной системы
с коэффициентом сопротивления m, H×с/м; х, v – смещение и скорость колебательного
процесса, мм, мм/с; 4 – сила внешнего воздействия F_В, H

Определим силы, действующие в колебательной системе.
Сила инерции из 2-го закона Ньютона: F_U = ma, (а - ускорение массы, м/с²).

Сила упругости пружины F_УП = ХК, H.

Сила сопротивления колебательной системы F_С = um.

Коэффициент сопротивления системы определяется, Н×с/м.

где h – коэффициент трения колебательной системы, включает в себя внешнее трение (вязкость масла в подшипниках, трение в электромагнитном поле) и внутреннее трение (трение в металлах, из которых изготовлены детали машины).

Сила внешнего воздействия: F_В = F_msin (wt + j₀).

где F_m – амплитуда внешней силы, H; w – угловая частота колебательного процесса, Гц; t – время, с; j₀ – начальная фаза колебательного процесса, град.

Произведем сложение всех сил, результат представим в дифференциальной форме. Начальную фазу j₀ не учитываем.

(5.2)

Это уравнение простейшей колебательной системы. Решение этого уравнения после подстановки в него величины смещения х в комплексной форме
х = А_Мe^jwt дает выражение для определения амплитуды виброскорости колебательного процесса, м/с.

(5.3)

Знаменатель представляет собой полное сопротивление системы - импеданс, H×c/м.

, ( 5.4)

где m – активное сопротивление; mw – k/w – реактивное сопротивление; mw – инерционная составляющая реактивного сопротивления; k/w – упругая составляющая реактивного сопротивления.

Определим амплитуду виброскорости в различных областях работы машины.

· Резонансная область работы машины, w = w ₀ . Известно, в резонансе реактивное сопротивление равно 0, т.е. инерционная и упругая составляющие равны между собой, mw₀ – k/w₀ = 0,

отсюда

где w ₀ – резонансная угловая частота вращения машины.

ляя , получаем

(5.5)

· Зарезонансная область работы машины, т.е. w > w ₀ . Тогда mw > k/w.

В случае незначительной величины m полное сопротивление принимается равным инерционному:

Z = mw , тогда, подставляя Z в (5.3), получим:

V_m = F / mw. (5.6)

· Дорезонансная область работы машины, т.е. w < w₀ . Тогда mw < k/w .

При m близкой к нулю Z = k /w , а выражение (5.3) принимает вид:

V_m = F_mw/к, (5.7)

Из (5.5), (5.6), (5.7) следуют выводы:

Во всех областях работы вращающихся машин для снижения вибрации, т.е. для уменьшения величины V_m, следует прежде всего уменьшать величину внешней силы F_m .

В резонансной области снижение вибрации достигается увеличением активного сопротивления: либо за счет увеличения жесткости колебательной системы k , либо за счет увеличения коэффициента трения h внешнего, например в подшипниках, или внутреннего в металлах, из которых изготавливается машина (5.5).

В зарезонансной области снижение вибрации достигается увеличением массы колебательной системы m , как правило, увеличением массы фундамента (5.6).

В дорезонансной области снижение вибрации достигается увеличением жесткости колебательной системы k (5.7).

Увеличение частоты вращения машины w в дорезонансной и резонансной областях работы приводит к увеличению вибрации (5.5 и 5.7). Увеличение частоты вращения машины в зарезонансной области работы приводит к уменьшению вибрации (5.7).

Сделанные выводы по снижению вибрации в различных областях работы машины можно представить графически на рис. 5.4.

Рис. 5.4. Резонансные характеристики колебательной системы:

m₁ > m₂ > m₃> m₄ = 0; X_ст = F_m/K – статический прогиб ротора машины при w = 0

Из рис. 5.4 следует, что наибольший эффект снижения вибрации достигается в резонансной области увеличением активного сопротивления m. В до и зарезонансных областях – увеличением параметров К и m – соответственно.