Защита от вибрации

Нормирование вибрации очень важно для улучшения условии труда и профилактики вибрационной болезни. В стандартах отдельно регламентируются требования к общей и локальной вибрации, а также устанавливаются нормы для вертикальной и горизонтальной составляющих общей вибрации.

В российских стандартах ГОСТ 12.1.012-90(1996) и СН 2.2.4/ 2.1.8.566—96 нормируются как значения виброускорения, так и виброскорости. При этом нормы для этих двух параметров связаны между собой. При нормировании используются также их лога­рифмические уровни.

При интегральной оценке по частоте нормируемым параметром является корректированное значение виброскорости и виброускорения и их логарифмические уровни, измеренные с помощью корректирующих фильтров или вычисленные по специальным формулам

Предельно допустимый уровень (ПДУ) вибраций — это уровень фактора, который при ежедневной, кроме выходных дней, работе, (но не более 40 ч в неделю) в течение всего рабочего стажа не дол­жен вызывать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследований в процессе работы или в отдаленные сроки жизни настоящего и последую­щих поколений. Соблюдение ПДУ вибраций не исключает нару­шения здоровья у сверхчувствительных лиц.

Допустимый уровень вибрации в жилых и общественных здани­ях — это уровень фактора, который не вызывает у человека значи­тельного беспокойства и существенных изменений показателей функционального состояния систем и анализаторов, чувствитель­ных к вибрационному воздействию.

Корректированный уровень вибрации — одночисловая характе­ристика вибрации, определяемая как результат энергетического суммирования уровней вибрации в октавных полосах частот с уче­том октавных поправок.

Эквивалентный (по энергии) корректированный уровень изме­няющейся во времени вибрации — это корректированный уровень постоянной во времени вибрации, которая имеет такое же средне-квадратичное корректированное значение виброускорения и/или виброскорости, что и данная непостоянная вибрация в течение определенного интервала времени.

Общая вибрация в этих стандартах подразделяется на три категории:

♦ категория 1 - транспортная вибрация, воздействующая на человека на рабочих местах транспортных средств при их движении по местности (автомобили, тракторы и комбайны, строительные машины, снегоочистители, и др.);

♦ категория 2 — транспортно-технологическая вибрация, воз­действующая на человека на рабочих местах машин с огра­ниченной зоной перемещения по специально подготовлен­ным поверхностям производственных помещений, про­мышленных площадок, горных выработок (экскаваторы, краны, путевые машины, бетоноуклад­чики и др.);

♦категория 3 — технологическая вибрация, воздействующая на человека на рабочих местах стационарных машин (станки, кузнечно-прессовое оборудование, электрические машины, насосы и вентиляторы и др.) или передающаяся на рабочие места, не имеющие источников вибрации.

Гигиенические нормы общей вибрации установлены СН 2.2.4/ 1.8.566-96.

Амплитуда скорости вибрации (виброскорости) v_m может быть определена по формуле:

где F_m — амплитуда возмущающей вибросилы, Н; μ — коэффи­циент сопротивления, Н ∙ с/м; f — частота вибрации, Гц; т — масса системы, кг; с — коэффициент жесткости системы, Н/м.

На основе анализа формулы можно сделать следующие выводы: для уменьшения виброскорости v_m необходимо снижать силу F_m (снижать виброактивность машины) и увеличивать зна­менатель, а именно — повышать сопротивление системы μ и не допускать, чтобы 2πfm = c/2πf. При равенстве этих членов насту­пает явление резонанса и уровень вибрации резко возрастает.

Таким образом, для защиты от вибрации необходимо приме­нять следующие методы:

♦ снижением виброактивности источника вибрации (уменьшение силы F_m);

♦ отстойка от резонансных частот (2πfm ≠ c/2πf);

♦ применением вибродемпфирующих (вибропоглощающих) покрытий, приводящих к снижению интенсивности про­странственной вибрации конструкции за счет рассеяния энергии механических колебаний (увеличение μ);

♦ динамическим гашением вибрации, при котором к защища­емому объекту присоединяется дополнительная механическая система, изменяющая характер его колебаний. Средства реализации этого метода: динамические виброгасители и фундаменты (основания);

♦ активным гашением вибрации, когда для виброзащиты ис­пользуется дополнительный источник вибрации, который в сравнении с основным источником генерирует колебания той же амплитуды, но противоположной фазы;

♦ повышение жёсткости системы (увеличение с) – для низких и средних частот;

♦ виброизоляцией, когда между источником и защищаемым объектом размещается дополнительное устройство, так назы­ваемый виброизолятор. Различают виброизоляцию при си­ловом и кинематическом возбуждении;

♦ применение индивидуальных средств защиты.

Снижение виброактивности машин(уменьшение силы F_m) дос­тигается изменением технологического процесса, применением машин с такими кинематическими схемами, при которых дина­мические процессы, вызываемые ударами, резкими ускорениями и т. п. были бы исключены или предельно снижены (например, замена клепки сваркой); хорошей динамической и статической балансировкой механизмов, смазкой и чистотой обработки взаи­модействующих поверхностей; применением кинематических за­цеплений пониженной виброактивности (например, использова­ние шевронных и косозубых зубчатых колес вместо прямозубых); заменой подшипников качения на подшипники скольжения; применением конструкционных материалов с повышенным внут­ренним трением.

Отстройка от резонансных частот (2πfm ≠ c/2πf) заключает­ся в изменении режимов работы машины и соответственно час­тоты возмущающей вибросилы; собственной частоты колебаний машины путем изменения жесткости системы с (например, уста­новка ребер жесткости) или изменения массы т системы (на­пример, закрепление на машине дополнительных масс).

Собственная частота f₀ вибрирующей системы определяется по формуле:

Вибродемпфирование(увеличение μ) — это метод снижения вибрации путем усиления в конструкции процессов внутреннего трения, рассеивающих колебательную энергию в результате не­обратимого преобразования ее в теплоту при деформациях, воз­никающих в материалах, из которых изготовлена конструкция. В результате амплитуда упру­гих волн, распространяющихся по конструкциям, уменьшается по мере удаления от источника.

Применяются следующие методы демпфирования конструкций:

♦ изготовление деталей из материалов, обладающих большим коэффициентом потерь: чугун, сплавы меди и марганца, не­которые виды пластмасс (например, сплавы меди имеют ко­эффициент потерь, равный 0,2, а текстолит — 0,4);

♦ нанесение на детали конструкции вибродемпфирующих покрытий;

♦ использование вибродемпфирующих засыпок из сухого пес­ка, чугунной дроби, а также жидкостных прослоек.

В свою очередь вибродемпфирующие покрытия (ВДП) подразделяются на:

♦ жесткие, которые представляют собой слой жесткой пластмассы, нанесенной на конструкцию. В них колебательная энергия поглощается вследствие деформаций растяжения и сжатия вдоль пластины. Иногда между покрытием и демпфируемым листом устанавливают прослойку из легкого жесткого материала, например пенопласта. Отнесение демпфирующего слоя oт пластины создает эффект рычага, увеличивает деформации растяжения-сжатия. При колебаниях пластины, а следовательно, и потери колебательной энергии в покрытии. Покрытии этого типа дают наибольший эффект на низких и средних частотах, на высоких частотах их эффективность падает;

♦ армированные, которые представляют собой слой вязкоупругого материала с нанесенным тонким армирующим слоем жесткого материала (металла). Например, вибродемпфирующее покрытие «Полиакрил-В» состоит из армирующего слоя (алюминиевая фольга) толщиной 0,06 мм и липкого вязкоупругого толщиной 0,1 мм, соединяющего ВДП с деформируемой пластиной;

♦ мягкие, которые представляют собой слой вязкоупругого материала, в котором при поперечных перемещениях поверхности демпфируемой пластины возникают упругие волны (волны сжатия), распространяющиеся по нормали к пласти­не. При определенных частотах, когда по толщине покрытия укладывается целое число полуволн, покрытие интенсивно поглощает колебания основной пластины. Такие волновые резонансы начинаются на частотах в сотни герц, причем, так как коэффициент потерь высок, резонансы не выражены от­четливо. Коэффициент потерь этих материалов достаточно высок. Эффективность мягких вибродемпфирующих покрытий возрастает, если в резиновом массиве сделать воздушные полости. Для расширения диапазона рабочих частот в сторону низких частот можно увеличивать толщину слоя (2-3 толщины демпфируемой пластины);

♦ комбинированные, которые совмещают несколько механиз­мов поглощения и обеспечивают более широкий частотный диапазон работы. Применяются слоеные вибродемпфирующие материалы, например «сандвич» — два стальных листа, между которыми резиноподобный слой. Коэффициент по­терь его максимален на средних частотах.

Слой сыпучего вибродемпфирующего материала ведет себя по­добно мягкому ВДП. Песок применяют в качестве засыпки в пусто­телых конструкциях (их резонансные частоты при этом понижают­ся из-за изменения массы). В качестве сыпучего вибродемпфирую­щего материала используют также чугунную дробь, применяемую для дробеструйных работ (диаметр до 0,5 мм), и алюминиевые гра­нулы. Жидкостные прослойки применяют для вибродемпфирова­ния в виде вязких жидкостей между двумя жесткими слоями. С по­мощью жидкостных прослоек из глицерина, касторового или сили­конового масла можно получить коэффициент потерь порядка 0,1. 11рименение этого типа покрытий ограничивают трудности, связан­ные с необходимостью обеспечения герметизации.

Виброгашение(увеличение т) осуществляют путем установки агрегатов на массивный фундамент (рис. 2.59).

Рис. 2.59. Установка агрегатов на виброгасящем основании:

a — на фундаменте и грунте; б — на перекрытии

Виброгашение наиболее эффек­тивно при средних и высоких частотах виб­рации. Этот способ нашел широкое приме­нение при установке тяжелого оборудования (молотов, прессов, вентиляторов, насосов и т. п.).

Одним из способов подавления вибраций является установка динамических виброгаси­телей, представляющих собой дополнитель­ную колебательную систему с массой т₁ и жесткостью с_1, собственная частота которой f₀₁ = (1/2π) = f, где f — частота вибра­ции, уровень которой необходимо снизить. Схема динамического виброгасителя показа­на на рис. 2.60. Динамический виброгаситель крепится на вибри­рующем агрегате, поэтому в нем в каждый момент времени возбуждаются колебания, находящиеся в противофазе с колебаниями агрегата. Недостатком динамического виброгасителя является то, что он подавляет колебания только определенной частоты, соот­ветствующей его собственной. Такие виброгасители применяют в агрегатах, например турбогенераторах, имеющих характерный, постоянный во времени дискретный спектр вибрации.

Рис. 2.60. Схема дина­мического виброга­сителя

На рис. 2.61 изображен динамический виброгаситель с двумя степенями сво­боды и схема установки виброгасителя на турбогенераторе. Гру­зики перемещаются по резьбе и фиксируются гайками. Это позволяет менять жесткость виброгасителя, а следовательно, его собственную частоту и частоту подавляемых вибраций. Такие виброгасители удобно настраивать на заданную частоту.

Рис. 2.61. a — динамический гаситель с двумя степенями свободы для дизель-ге­нератора;

б — схема турбоагрегата с динамическим виброгасителем

Динамическое виброгашение— это метод виброзащиты, заключа­ющийся в присоединении к объекту виброзащиты дополнитель­ных устройств с целью изменения характера его колебаний.

Изменение колебаний объекта при динамическом гашении мо­жет осуществляться как путем перераспределения колебательной энергииот объекта к гасителю, так и увеличением рассеяния колеба­нии. В первом случае это — инерционные динамические гасители, которые применяют, как правило, для подавления моногармонических или узкополосных случайных колебаний. В случае широко полосной вибрации предпочтительным является присоединение к объекту дополнительных демпфирующих элементов - поглотителей колебаний.

Вибрационная зашита с помощью пассивных систем оказывается малоэффективной при возбуждении в области низких частот, а также при действии вибрации с широким спектром. В этих случаях все большее применение находят управляемые системы виброзащиты, получившие название активных.

Активное виброгашениесводится к компенсации дополнительным источником энергии сил, вызывающих вибрацию защищаемого объекта. Активные системы виброгашения применяются для защиты технических средств в тех областях, где предъявляются особо жесткие требования к допустимому уровню вибрации: при виброизоляции прецизионных станков и стартовых платформ ракет, для защиты пилота от перегрузок и повышения комфортности транспортных средств.

Активные системы виброгашения содержат чувствительные элементы, управляющие, усилительные и исполнительные устройства. В качестве чувствительных элементов используют датчики, регистрирующие силы возбуждения или его кинематические параметры — перемещение, скорость, ускорение. После усиления сигналы подаются в исполнительное устройство, формирующее управляющее воздействие.

В зависимости от вида исполнительного устройства различают гидравлические, пневматические, электромеханические, электромагнитные системы активной виброизоляции. Выбор типа системы определяется предъявляемыми к ней техническими требованиями. При необходимости обеспечения высокой статической жесткости целесообразно использовать гидравлическую систему. Пневматические системы позволяют получать малые величины статической жесткости. Электромагнитные системы обладают малой инерционностью и позволяют в широких пределах варьировать амплитудно-частотные характеристики.

Широкое применение метода активной виброзащиты сдержи­вается невозможностью обеспечения широкой частотной полосы гашения, сложностью необходимой аппаратуры. Однако при сни­жении вибрации на дискретных частотах применение активных методов компенсации может быть целесообразно по техническим, конструктивным и экономическим соображениям.

Повышение жесткости системы(увеличение с), например путем установки ребер жесткости. Как видно из формулы (2.1) этот способ эффективен только при низких частотах и в ряде случаев средних.

Виброизоляциязаключается в уменьшении передачи колеба­ний от источника возбуждения защищаемому объекту при помо­щи устройств, помещаемых между ними. Для виброизоляции чаще всего применяют виброизолирующие опоры типа упругих прокладок, пружин или их сочетания. На рис. 2.62 изображены типовые конструкции пружинных и резиновых виброизолято­ров. Эффективность виброизоляторов оценивают коэффициен­том передачи, равным отношению амплитуды виброперемеще­ния, виброскорости, виброускорения защищаемого объекта или действующей на него силы к соответствующему параметру ис­точника вибрации:

КП = F_осн / F_ист.

Виброизоляция только в том случае снижает вибрацию, ко­гда КП < 1. Чем меньше КП, тем эффективнее виброизоляция. Для виброизолированных систем, в которых можно принебречь трением:

КП = 1/[(f / f₀)² - 1],

где: f — частота вынужденных колебаний; f₀ — собственная час­тота виброизолированной системы.

Рис. 2.62. Виброизолирующие опоры: а — пружинные; б — резиновые виброизоляторы

Как видно из приведенной формулы, только при f /f₀ > КП < 1, т. е. снижает передачу вибрации на защищаемый объект. По конструктивным и экономическим соображениям существует оптимальное значение f /f₀ = 3...4, что соответствует КП = 1/8...1/15.

Собственная частота виброизолированной системы f₀ = 1/2π . Умножив числитель и знаменатель подкоренного выражения на g — ускорение свободного падения, получим

f₀ = 1/2π . Так как mg — сила тяжести машины, mg/c = x_CT — статическая осадка виброизоляторов под действием силы тяжести машины, то

Т. е. чем больше статическая осадка виброизоляторов под действием веса машины, тем меньше f₀, а значит меньше КП и лучше виброизоляция.

Эффективность виброизоляции в дБ можно определить по формуле

Виброизолироваться может источник вибрации или рабочее место обслуживающего установку персонала. На рис. 2.63 и 2.64 показаны примеры виброизоляции рабочего места и источника вибрации — вентиляционной установки.

Для защиты от вибрации человека-оператора применяются разнообразные средства. На рис. 2.65 представлена схема разме­щения средств виброзащиты оператора, а на рис. 2.66 дана клас­сификация средств защиты оператора.

Средства коллективной защиты (СКЗ) располагаются между источником вибрации и оператором. К СКЗ оператора относят­ся подставки, сидения, кабины, рукоятки.

Рис. 2.63. Устройство виброизоляции рабочего места

Рис. 2.64. Устройство виброизоляции вентиляционной установки: 1 — опорная плита;

2 — виброизоляторы; 3 — крышка корпуса; 4 — подвижная часть корпуса; 5 — пружина; 6 — неподвижная часть корпуса; 7— виброизолирующая прокладка

Рис.2.65. Схема размещения средств виброзащиты

Рис. 2.66. Средства виброзащиты операторов

Виброзащитные подставки — наиболее приемлемые средства защиты от общей вибрации при работе стоя. Основной частью подставки является опорная плита, на которой стоит и выполняет работу оператор. Средства виброизоляции могут размещаться сверху плиты, снизу плиты или с обеих сторон одновременно. В зависимости от принятой схемы их взаимного расположения виброзащитные подставки изготавливают с опорными, встроенными, накладными или комбинированными виброизоляторами (рис. 2.67). На практике применяются различные конструктив­ные схемы подставок: с резиновыми и пневмобаллонными виб­роизоляторами (рис. 2.68), с пружинными виброизоляторами (рис. 2.69).

Рис. 2.67. Схемы виброзащитных подставок для виброизоляторов: а – опорного; б- встроенного;

в – накладного; г – комбинированного

Виброзащитные сидения применяют, если оператор выполня­ет работу сидя. Подвижные рабочие места, расположенные на транспортных машинах и перемещающихся технологических аг­регатах, оснащают сидениями со встроенными средствами виб­роизоляции. Отдельные конструктивные варианты виброзащит­ных сидений представлены на рис. 2.70.

Рис. 2.70.Виброзащитные сиденья с виброизоляторами: а — упругая накладка;

б — упругие опоры; в — пружины, встроенные в опору; г — упругие подвески

Виброзащитные кабины используют в тех случаях, когда на человека-оператора воздействует не только вибрация, но другие негативные факторы: шум, излучения, химические вещества и т. д. Виброзащитная кабина в отличии от обычных кабин, защи­щающих человека от вредных факторов, устанавливается на виброизолирующих опорах. В зависимости от действующих одно­временно с вибрацией вредных факторов виброзащитные каби­ны могут быть шумовиброзащитными, пылевиброзащитными и т. п. На рис. 2.71 представлена одна из таких кабин.

Рис. 2.71. Шумовиброзащитная кабина для оператора компрессорной станции: 1 — пневматические виброизоляторы; 2 — основание кабины; 3 — корпус каби­ны; 4 — стол оператора; 5 — кондиционер; 6 — вешалка для одежды

Виброзащитные рукоятки предназначаются для защиты от локальной вибрации рук оператора. Конструктивные схемы виб­розащитных рукояток представлены на рис. 2.72.

Рис. 2.72. Классификация виброзащитных рукояток: а — рукоятки с промежу­точными виброизоляторами; б — рукоятки со встроенными виброизоляторами; в — рукоятки с накладными виброизоляторами; г — рукоятки с комбинирован­ными виброизоляторами

По месту расположения виброизоляторов рукоятки класси­фицируются на:

• рукоятки с промежуточными виброизоляторами, в кото­рых виброизоляторы расположены между корпусом руч­ной машины и рукояткой, охватываемой рукой оператора (рис. 2.72, а);

• рукоятки со встроенными виброизоляторами, размещен­ными непосредственно в теле рукоятки (рис. 2.72, б);

• рукоятки с накладными виброизоляторами, в которых уп­ругие полимерные накладки и облицовки размещены на наружной поверхности рукоятки и контактируют с руками
оператора (рис. 2.72, в);

• рукоятки с комбинированными виброизоляторами, пред­усматривающие различные сочетания промежуточных,

• встроенных и накладных виброизоляторов (рис. 2.72, г).

В качестве средств индивидуальной защиты от вибрации ис­пользуются: 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. Этот элемент выполняется из пороло­на, однако более эффективно использование пеноэласта, губча­той резины. Применяются рукавицы с эластично-трубчатыми элементами (рис. 2.73). На рукавице имеются трубчатые элемен­ты, закрепленные накладками и расположенные вертикальными рядами параллельно друг другу и перпендикулярно оси рукави­цы. Также рукавицы могут выполняться с накладным карманом, в который вставляется накладка с эластично-трубчатыми эле­ментами (рис. 2.74).

Виброзащитная обувь изготовляется в виде сапог, полусапог, полуботинок как мужских, так и женских, и отличается от обыч­ной обуви наличием подошвы или вкладыша из упругодемпфи-рующего материала (рис. 2.75).

Рис. 2.75. Виброзащитная обувь: а — на упругой подошве; б — со съемными уп­ругими каблуками и подметкой; в — с упругой стелькой

В целях профилактики вибрационной болезни для работающих с вибрирующим оборудованием рекомендуется специальный режим труда. Так, при работе с ручными машинами, удовлетворяющими требованиям санитарных норм, суммарное время работы в контакте с вибрацией не должно превышать 2/3 рабочей смены. При этом продолжительность одноразового непрерывного воздействия вибрации, включая микропаузы, входящие в данную oпepацию, не должна превышать для ручных машин 15-20 мин.

При таком режиме труда (если прочие факторы условий труда соответствуют санитарным нормам) рекомендуется устанавливать обеденный перерыв не менее 40 мин и два регламентированных перерыва (для активного отдыха, проведения производственной гимнастики по специальному комплексу и физиопрофилактических процедур): 20 мин через 1—2 ч после начала смены и 30 мин через 2 ч после обеденного перерыва.

Для работающих в условиях вибрации при наличии других неблагоприятных факторов (шума, температуры, вредных веществ излучения и др.), превышающих санитарные нормы, режимы труда и отдыха должны устанавливаться на основе изучения изменения работоспособности, отражающей степень неблагоприятного воздействия всего комплекса факторов условий труда на организм человека.

При работе с вибрирующим оборудованием рекомендуется включать в рабочий цикл технологические операции, не связанные с воздействием вибраций. Рабочие, у которых обнаружена вибрационная болезнь, временно, до решения ВТЭК, должны быть пе­реведены на работу, не связанную с вибрацией, значительным мышечным напряжением и охлаждением рук.

Контрольные вопросы

1. Каковы основные методы защиты от вибрации?

2. Что такое виброгашение и в чем особенность динамического вибро­гашения?

3. Как осуществить отстройку от резонанса?

4. В чем заключается сущность вибродемпфирования и какие материа­лы для него применяются?

5. Для каких частот вибрации применяют виброгашение и повышение жесткости конструкции?

6. В чем заключается сущность виброизоляции?

7. Какие СКЗ и СИЗ применяются для защиты от вибрации?