Методические указания по выполнению лабораторной работы №5 по курсу «Безопасность жизнедеятельности»
| скачать «МГТУ им. Н.Э. Баумана» «МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ ОТ ВИБРАЦИЙ» МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ по выполнению лабораторной работы № 5 по курсу «Безопасность жизнедеятельности» Смирнов С.Г. Москва, 2008 г. Цель работы: ознакомиться с приборами и методом измерения характеристик вибрации; изучить влияние массы, трения и упругости системы на интенсивность колебаний и эффективность виброзащиты.
Вибрация, подобно трению, может быть нежелательна и вредна, а для некоторых технических устройств необходима. Она часто оказывается причиной неисправности машин и приборов, приводит к аварии. Кроме того, вибрация на транспорте, при обслуживании технологического оборудования, работе с механизированным инструментом оказывает вредное влияние на здоровье человека, является причиной шума. Однако имеется достаточно широкий класс машин, в которых колебания и вибрация служат основой рабочего процесса, например, в виброконвейерах, при создании виброкипящего слоя, разрушении материалов, вибросепарации и др. Во всех приведенных случаях необходимо либо вовсе избавляться от вибрации, либо локализовывать ее. Воздействие вибрации на человека классифицируется:
По способу передачи на человека различают общую и локальную вибрацию. Общая вибрация передается через опорные поверхности на тело сидящего или стоящего человека. Локальная вибрация передается через руки. Вибрация, воздействующая на ноги сидящего человека, на предплечья и на локти, контактирующие с вибрирующими поверхностями рабочих столов, может быть отнесена к локальной вибрации. ^ вибрацию подразделяют в соответствии с направлением осей ортогональной системы координат. Например, для общей вибрации ось Z0 – вертикальная, перпендикулярная к опорной поверхности; ось Х0 – горизонтальная от спины к груди; ось Y0 – горизонтальная от правого плеча к левому. Вибрационная нагрузка на человека нормируется для каждого направления действия вибрации отдельно. ^ различают: постоянная вибрация, для которой контролируемый параметр (смещение, скорость, ускорение) за время наблюдения изменяется не более чем в 2 раза (на 6 дБ); непостоянная вибрация, для которой эти параметры за время наблюдения изменяются более чем в 2 раза (более 6 дБ).
Вибрация, как любой колебательный процесс характеризуется следующими параметрами:
Нормируемый диапазон частот устанавливается в октавных полосах со среднегеометрическими частотами:
На практике для оценки воздействия вибрации используют не амплитудные, а средние квадратические значения параметров  в виде логарифмических уровней вибрации в дБ. Уровень определяется относительно пороговых значений параметров на опорной частоте 1000 Гц. Для виброперемещения пороговое значение x0=8·10-12м, а уровень виброперемещения  Для виброскорости пороговое значение v0=5·10-8м/с, уровень виброскорости  ;Для виброускорения пороговое значение a0=3·10-4м/с2, уровень виброускорения  .
Для снижения вибрации в источнике возникновения уменьшают силу, вызывающую колебания: проводят статическую и динамическую балансировку роторов, заменяют кинематику возвратно-поступательного движения на вращательное, повышают точность формы сопрягаемых деталей в редукторах и подшипниках, совершенствуют аэродинамические характеристики объектов и т.д. Для пояснения методов снижения вибрации на путях ее распространения от возмущающей силы к человеку рассмотрим основные характеристики колебательной системы. К ним отнесем частоту возмущающей силы ω, рад/с, частоту собственных колебаний ω0, механический импеданс – комплексное сопротивление вибрирующей системы Z, зависящей от силы инерции, трения и упругости. Рассмотрим эти характеристики на примере простейшей колебательной системы с одной степенью свободы. Такую систему можно изобразить в виде элемента массы m (кг), элементов упругости q (Н/м) в виде пружины и демпфирования-трения S (H·c/м) в виде поршня в цилиндре (рис. 1).  Рис.1 На рис. 1 точка О обозначает положение статического равновесия, от которого отсчитывается координата х – смещение тела массой m под действием гармонической возмущающей силы  . К телу также приложены сила инерции  , сила упругости  и демпфирующая сила трения  ,  – переменные текущие значения смещения, скорости и ускорения.В соответствии с принципом Д’Аламбера имеем  , что соответствует уравнению движения  . При этом  ,  , тогда уравнение движения через колебательную скорость приобретет вид  Механический импеданс при гармонических колебаниях в комплексной форме определяется как отношение силы к скорости  т.е. состоит из трех импедансов: - импеданса демпфирования (трения) Żs=S; - импеданс массы Żm=jωm; - импеданс упругости (жесткости)  Żq= .^ импеданса определяется трением S (энергия колебательного движения переходит в тепло), мнимая – упругостью и инерцией (  ) – энергия перераспределяется во времени, преобразуясь из переменной в постоянную.Модуль механического импеданса  . Зависимость элементов механического импеданса от частоты возмущающей силы ω представлена на рис. 2.  Рис.2 Как известно, явление резонанса характеризуется совпадением частоты возмущающей силы ω и собственной частоты вибрирующей системы ωо, в точке пересечения импеданса массы Żm и импеданса упругости Żq (рис. 2). Инерция и жесткость системы перестает играть существенную роль в колебательном процессе. При этом мнимая часть импеданса становится равной нулю ( )=0, а амплитуда вибросмещения Аx и виброскорости Аν достигает максимального значения. Таким образом, собственная частота системы  или  .Анализируя поведение составляющих импеданса в зависимости от частоты возмущающей силы ω, можно выделить следующие пять методов снижения вибрации:
Вибродемпфирование (вибропоглощение) Из рис. 2 видно, что в резонансной области при ω = ωо импедансы Żm и Żq взаимоисключают друг друга, а поведение системы определяется импедансом трения (демпфирования) Żs. Метод, основанный на увеличении внутреннего трения, повышении диссипативных свойств системы – масляные демпферы, применении специальных материалов с высоким коэффициентом потерь η, называют вибропоглощением (вибродемпфированием). Рассеивание энергии упругодиссипативной системой определяется с помощью коэффициента потерь  , который характеризует долю потери энергии за один период колебаний. Например, коэффициент потерь энергии на частоте 1000 Гц для:
Эффективность вибродемпфирования в дБ определяется как  , где η1 и η2 – коэффициент потерь системы соответственно до и после применения вибродемпфирования (вибропоглощения).Отстройка от резонанса за счет изменения жесткости системы На низких частотах при ω < ωо в дорезонансной области колебания определяются импедансом упругости (жёсткости) Żq (рис. 2) и чем ниже частота ω, тем важнее для снижения вибрации высокая жёсткость системы. Конструктивные меры, связанные с включением в конструкцию рёбер жёсткости, шпангоутов, дополнительных опор, стальных оттяжек для мачт и т.п. – называют отстройкой системы от резонанса. При увеличении жёсткости q увеличивается собственная частота системы ωо и резонанса удаётся избежать. Виброгашение (отстройка от резонанса за счет инерционных сил) На высоких частотах при ω > ωо в зарезонансной области, как видно из рис. 2 колебательное движение определяется в основном импедансом массы Żm. Таким образом высокочастотные вибрации можно легко устранить, применяя массивные корпуса машин, станины и фундаменты, которые порой в 20 ÷ 40 раз превышают массу оборудования (вспомним соотношение массы молотка по сравнению с массой наковальни). Два последних метода снижения вибрации основаны на введении в колебательную систему дополнительных импедансов – это виброизоляция и динамическое виброгашение. Виброизоляция Этот метод наиболее распространён и заключается в ослаблении связи между источником вибрации и объектом виброзащиты путем размещения между ними виброизолирующего устройства (виброизолятора). Это может быть пружины, рессора, резиновый, резино-металлический или пневматический элемент с упругостью q1 на несколько порядков меньше упругости вибрирующей системы q (рис. 3). При этом у металлических виброизоляторов коэффициент трения S1 – мал и близок к нулю; у виброизоляторов, содержащих резиновые элементы, он может достигать существенных значений и влиять на уровень вибрации в резонансной зоне (см. вибродемпфирование).  Рис. 3 Показателем эффективности виброизоляции является коэффициент передачи КП, который показывает какая доля динамической возмущающей силы передаётся через виброизоляцию (рис. 3) КП = Fп/Fв, где Fп – амплитуда передаваемой динамической силы; Fв – амплитуда возмущающей силы. Если пренебречь затуханием в виброизоляторах, коэффициент передачи, можно рассчитать по формуле  , а для оценки виброизоляции в дБ  .На рис. 4 представлена графическая зависимость КП от отношения частот  , из которой видно, что в области частот, близкой к резонансной, виброизоляция не только не даёт эффекта, но даже приносит вред КП>1. Рис. 4 Виброизоляция начинает уменьшать передаваемую динамическую силу при отношении  . Для этого снижают жёсткость виброизолятора q1, резонансная частота ωо смещается в зону низких частот и при отношении ω / ωо > 5 ÷ 10 коэффициент передачи стремиться к нулю КП → 0.Просто подложить кусак резины в качестве виброизолятора недостаточно. Дело в том, что резина практически несжимаема. Кусок резины податлив только в той мере, в какой он может раздаваться в стороны; если же расплющиваться ему некуда, или его боковая поверхность мала, то резина ведет себя как жёсткое тело, и никакой изоляции не происходит. Поэтому резиновые или резино-металлические виброизоляторы необходимо сконструировать так, чтобы материал работал на сдвиг. При использовании стальных пружин с малым демпфированием S1 ≈ 0 (рис. 4) амплитуды колебаний при резонансе выше, нежели при использовании резиновых виброизоляторов с S2 >> S1, у которых значительно более высокий коэффициент потерь – внутреннего трения. Динамическое виброгашение Способ динамического виброгашения нежелательных низкочастотных резонансов основана на присоединении к защищаемому объекту массой m дополнительной массы m1 с упругой связью q1 (рис. 5). Если собственная частота  присоединенного устройства (виброгасителя) будет равна частоте вибрационного воздействия ω, то основной защищаемый объект m останется неподвижным, хотя именно к нему приложена переменная сила  . Динамический виброгаситель колеблется с достаточно большой амплитудой в режиме резонанса, забирая энергию внешнего воздействия на себя. Рис. 5 4. Описание лабораторного стенда. Внешний вид лабораторного стенда представлен на рис. 6. Стенд включает в свой состав: вибростенд (1), на вибростоле (2) которого устанавливается защищаемый объект (3) и сменный элемент из пружин (4). Этот элемент представляет собой устройство, состоящее из двух параллельных пластин, между которыми установлены пружины. Защищаемый объект (3) представляет собой набор алюминиевых или стальных пластин, укрепленный на установочной платформе. Защищаемый объект (3) и сменные элементы из пружин (4) хранятся в чемодане (7). К защищаемому объекту (3) крепится с помощью гайки в направлении измерения вибрации Z вибродатчик (8) ДН-4М1. На лабораторном стенде размещены генератор низкочастотных сигналов (6) и измеритель вибрации (5) ВШ-003-М2 (Далее генератор и измеритель соответственно). ^ Для подготовки генератора к работе соединить его выходные гнезда (1) с клеммами вибростенда. Регулятор выходного напряжения Uвых (2) установить в положение «5». Переключатель диапозонов частот (3) в положение «2-20». Регулятор изменения частоты (4) установить в крайнее левое положение против часовой стрелки. Подключить генератор к сети 220 В и установить тумблер на задней панели в рабочее состояние. Для измерения частоты выходного сигнала медленно и плавно вращать по часовой стрелке регулятор (4). Цифровой индикатор (5) показывает частоту выходного сигнала в Гц. ^ Для проведения измерений суммарного уровня вибрации L в дБ включить прибор в сеть. Переключатель рода работы (1) установить в положение S (медленно). Переключатель «ФЛТ» (2) установить в положение «ЛИН». Измерение уровня вибрации в дБ осуществляется по нижней шкале (4) стрелочного прибора. Последовательным вращением переключателей «ДЛТ1, ДЛТ2» (3) добиться положения стрелки индикатора в диапозоне от «0 до 10» дБ. Результат измерения получают путем суммирования показателей стрелки от «0 до 10» дБ и числом верхней шкалы дБ (5) на лицевой панели прибора, под которым горит красный диод (6). Нижний ряд кнопок и переключатель «ФЛТ, ОКТ» в данной работе не используется. ^ К работе со стендом допускаются лица, ознакомленные с его устройством, принципом действия. При эксплуатации и ремонте генератора и измерителя возможна опасность поражения персонала электрическим током напряжением 220 В, частотой 50 Гц. Поэтому при работе с генератором и измерителем необходимо соблюдать следующие требования безопасности:
ВНИМАНИЕ! При смене виброизолирующих модулей на вибростоле вибростенда выключить генератор низкочастотных сигналов. ^ В ниже следующих экспериментах необходимо оценить эффективность наиболее распространенных методов снижения вибрации  , где - уровень вибрации технического устройства в исходном состоянии; - уровень вибрации при наличии одного из исследуемых средств защиты.При резонансе, как было сказано выше, происходит совпадение собственной частоты технического устройства  , зависящей от его массы и жесткости, и частоты действующей силы  , которая часто на практике вызвана дисбалансом вращающихся масс. Частота возмущающей силы может зависеть, например, от частоты вращения рабочих органов устройства. , Гц, где n – частота вращения, об/мин.^ 1.1 Смонтировать на вибростоле техническое устройство, состоящее из четырех алюминиевых пластин суммарной массой m1 =0,455 кг и элемента из пружин №1 жесткостью q1. Представим, что данное устройство является «Динамической моделью вентиляторной установки» с массой вращающегоcя рабочего колеса m1 и жесткостью всей конструкции установки q1, включая жесткость вала. 1.2 Включить измеритель ВШВ003-М2, установить переключателями ДЛТ 1 и ДЛТ 2 (3) уровень 90 дБ. 1.3 Включить генератор сигналов. Вращая рукоятку частоты, добиться резонанса, при котором общий уровень вибрации достигнет максимального значения по стрелке измерителя. Зафиксировать действующую частоту  равную собственной частоте динамической модели  в Гц и уровень вибрации  в дБ.Значения величин занести в таблицу отчета. Выключить генератор. 1.4 Принять, что вибрация «Динамической модели вентиляторной установки» вызвана силой дисбаланса с частотой вращения рабочего колесе гипотетического ветилятора  , об/мин.Определить n1 и суммарную жесткость пружин q1 элемента №1 по его известной массе m1 и собственной частоте:  .Результаты расчета занести в таблицу отчета. ^ 2.1 Представим, что для исключения резонанса и, следовательно, снижения вибрации условии эксплуатации технической системы (вентиляторной установки) не допускают изменения жесткости q1 и режима ее работы n1. В этом случае можно увеличить массу системы m2 > m1, т.е. повысить составляющую импенданса zm системы за счет инерционной силы (см. рисунок 2, метод виброгашения). В «динамической модели ветиляторной установки» заменить алюминиевые пластины на четыре стальные массой m2 = 0,980 кг. На практике, например, это может соответствовать замене рабочего колеса из алюминия на стальное колесо вентиляторной установки. 2.2 Включить генератор. При уже зафиксированной частоте (по заданию I) для нового сочетания массы m2 и жесткости q1 определить общий уровень вибрации L2 в дБ. Выключить генератор. 2.3 Рассчитать собственную частоту системы, состоящей из элемента четырех пружин №1 жесткостью q1 и новой массы m2 ,  , Гц и сравнить ее с частотой возмущающей силы .Определить эффективность виброгашения  , дБ.Результаты расчета занести в таблицу отчета. ^ 3.1 Представим, что для снижения вибрации, технические условия функционирования «вентиляторной установки» не допускают увеличения массы m1 и изменения режима ее работы, т.е. частоты вращения рабочего колеса n1. В таком случае можно увеличить жесткость конструкции q2>q1, т.е. повысить составляющую импенданса системы zq за счет упругой силы (см. рис. 2 метод отстройки от резонанса). На практике это может соответствовать, например, повышению жесткости корпуса вентилятора за счет монтажа дополнительных ребер из стальных уголков, на которые опираются подшипники вала рабочего колеса. Четыре алюминиевые пластины массой m1=0,455 кг смонтировать на элементе их четырех более жестких пружин №2 жесткостью q2 и закрепить на вибростоле. 3.2 Включить генератор. На фиксированной действующей частоте , по заданию I, определить общий уровень вибрации L3 в дБ. Выключить генератор.3.3 Рассчитать эффективность метода отстройки от резонанса  , дБ. Результат занести в таблицу отчета.3.4. Включить генератор. Вращая рукоятку частоты (4), постепенно увеличивая значения в Гц, добиться максимального значения в дБ по стрелке измерителя уровня вибрации ВШВ003-М2. Зафиксировать эту частоту, которая является ее новой собственной частотой  в Гц, и по которой можно определить жесткость q2 элемента из четырех пружин №2 (выражение  ).Сравнить значения собственных частот ,  и и сделать вывод (см. рис. 2).Задание IV. Метод измерения режима работы (изменение частоты действующей возмущающей силы) 4.1 Допустим, что технические условия не допускают изменения массы m1 и жесткости конструкции «вентиляторной установки» q1, но могут позволить изменить частоту вращения рабочего колеса вентилятора и увеличить его в два или три раза. 4.2 Смонтировать на вибростоле систему аналогичную заданию I, состоящую из четырех алюминиевых пластин массой m1 и элемента их четырех пружин №1 жесткостью q1. 4.3 Включить генератор. Вращая рукоятку частоты, установить действующую частоту  , Гц. Определить общий уровень вибрации L4 в дБ. Затем установить на генераторе действующую частоту  , Гц и определить соответствующий уровень вибрации L5 в дБ.Выключить генератор. 4.4 Зная действующую частоту  и  , определить частоту вращения модели гипотетического вентилятора n2 и n3, об/мин. Рассчитать эффективность применяемого метода  , дБ. Результаты занести в таблицу отчета.^ 5.1 Представим, что технические условия эксплуатации «гипотетического ветилятора» не допускают изменения массы m1, жесткости конструкции cистемы q1 и режима его работы  , т.е. параметры «Динамической модели вентиляторной установки» должны оставаться неизменными по заданию I.В таком случае для снижения вибрации существующую конструкцию, состоящую из четырех алюминиевых пластин массой m=0,455 кг и элемента №1 необходимо смонтировать на упругом основании – виброизоляции. Для этого в существующую систему «Динамической модели» вводится дополнительный импенданс, т.е. дополнительный элемент из четырех пружин №3 меньшей жесткости q3<<q1. Необходимо на вибростоле (2) рис. 6 зафиксировать элемент №3, а сверху на нем с помощью механических прижимов (взять в чемодане) смонтировать элемент №1 с алюминиевыми пластинами. 5.2 Включить генератор на частоте и определить по измерителю вибрации общий уровень вибрации L6 в дБ. Выключить генератор.5.3 Рассчитать эффективность виброизоляции  , дБ.Результаты занести в таблицу отчета. 5.4 Сделать общие выводы. Контрольные вопросы
^ «Исследование методов снижения вибрации». Задание I. Исследование явления резонанса
Задание II. Метод виброгащения
Задание III. Метод отстройки от резонанса
^ Задание IV. Метод изменения режима работы
Задание V. Метод виброизоляции
Общие выводы:
|
, Гц
, дБ
, Гц
, дБ
, Гц
,
, Гц
, 
, об/мин
, дБ
, дБотлично
1 