Белов С.В. (ред.) Безопасность жизнедеятельности

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 11.38. Виброизоляция:

а — устройство виброизоляции (1 — источник; 2 — виброизолятор; 3 -

б — схема системы И — ЗУ — П

приемник);

Различают два вида возбуждения: силовое и кинематическое; при

этом соответственно большую массу имеет приемник и его считают

неподвижным или источник и закон его движения считают задан-

ным.

При силовом гармоническом возбуждении силой F

= F

цель

защиты обычно состоит в уменьшении амплитуды силы F

, переда-

ваемой на приемник. Импеданс виброизолятора определяется фор-

мулой (11.51). Импеданс вибросистемы

Z —

(О

Л+J

Г 2

СО

ч°>0

-1

Поток энергии на входе в ЗУ определяется усредненной за цикл

мощностью вынуждающей силы [3]:

Поток энергии на выходе из защитного устройства определяется

усредненной за цикл мощностью реакции защитного устройства [3]:

Отношение мощностей W^/JV" называют силовым коэффици-

ентом защиты k

= z/zr- ИЗ соотношений F

=zv и F

v видно, что

он при определенных условиях равен отношению амплитуды вынуж-

дающей силы к амплитуде силы, переданной на приемник.

При кинематическом возбуждении цель защиты обычно заключа-

ется в уменьшении передаваемого смещения. Степень реализации

391

этой цели характеризуют динамическим коэффициентом защиты к

равным отношению амплитуды смещения источника к амплитуде

смещения приемника. Можно показать, что К

= Z/ZR.

В общем случае энергетический коэффициент защиты можно вы-

разить в виде k

= k

По формуле (11.39) эффективность виброизоляции

e = mgk

-201g

(11.52)

В области высоких частот импеданс z ® Z

(см. выше) и эффек-

тивность виброизоляции равна е « 401gw/wo — 101g(l + л

).В частно-

сти, если демпфирующее сопротивление мало влияет на движение

системы, то величиной г| можно пренебречь. Тогда е = 401go)/o)o, т. е. в

области высоких частот почти вся энергия затрачивается на движение

массы; поток энергии, передаваемой на приемник, обратно пропор-

ционален квадрату частоты возбуждения, и эффективность виброи-

золяции тем выше, чем больше частота со.

В области низких частот z « Z

и эффективность виброизоляции

101g(l + г|

), т. е. отрицательна или равна нулю.

В общем случае из выражения (11.52) следует, что эффективность

виброизоляции

е = lOlgh

+ (ш

/о

о - I)

] - 101g(l + л

Если потери в защитном устройстве отсутствуют (г| = 0), то эф-

фективность

е = 201g(a>

/a>o — 1).

Из последнего выражения видно, что цель виброизоляции (е > 1)

обеспечивается в частотном диапазоне: со > л/2со

На рис. 11.39 представлены коэффициент виброизоляции т и эф-

фективность виброизоляции е в зависимости от отношения частоты

вынуждающей силы к собственной частоте вибросистемы при разных

значениях отношения импеданса демпфирующего элемента к его

критическому значению.

В качестве виброизоляторов используют упругие материалы и

прежде всего металлические пружины, резину, пробку, войлок. Вы-

бор того или иного материала обычно определяется величиной тре-

буемого статического прогиба и условиями, в которых виброизолятор)

будет работать (например, температурой, химической агрессивно-

392

\\ *

-2

\ Л -

-3

"V \

О 0,5 1 1,5 2 2,5 3

©/©о

е, дБ

1,41 2,27 3,13 3,99 4,85 5,71 6,56 7,42 8,28 9,14 10

<о/со

Рис. 11.39. Коэффициент виброизоляции т= 1 /k

(а) и эффективность виброизоля-

ции е (б) в зависимости от отношения частот и при значениях отношения S/S

кривая 7 — 0; кривая 2—0,4; кривая J — 0,8; кривая 4—1

стью рабочей среды и т. д.). Зависимость между статическим проги-

бом и собственной частотой для некоторых материалов показана на

рис. 11.40.

393

Прогиб, см

^Пружин*

>зина

А=15(

Про

бка

h =20см

[

15 см

11см

7,5 см

..войлок

—

f 1

п=

эсм

10 15

20 25 30

Частота, Гц

Рис. 11.40. Зависимость между статиче-

ским прогибом и собственной частотой

некоторых виброизолирующих материалов:

h — толщина материала

7? 77

Рис. 11.41. Поперечное сече-

ние дисковой пружины (а) и

соединения дисковых виброи-

золяторов — параллельное (б)

и последовательное (в)

Резина имеет малую плотность, хорошо крепится к деталям, ей

легко придать любую форму и она обычно используется для виб-

роизоляции машин малой и средней массы (ДВС, электродвигателей

и др.). В виброизоляторах резина работает на сдвиг и (или) сжатие.

Жесткость резиновой подушки, работающей на сжатие, зависит от ее

размеров и конструктивных особенностей, направленных на предот-

вращение распучивания резины в стороны при действии нагрузки.

Металлические пружины применяют обычно тогда, когда требу-

ется большой статический прогиб или когда рабочие условия (напри-

мер, температура, агрессивность среды) делают невозможным при-

менение резины. Конструктивно пружинные виброизоляторы можно

выполнить для работы практически на любой частоте. Однако метал-

лические пружины имеют тот недостаток, что, будучи спроектирова-

ны на низкую частоту (например, 15 Гц для ДВС), они пропускают

более высокие частоты.

Большое применение находят конические дисковые пружины

(рис. 11.41, а). Изменяя отношение h/t, получают необходимый про-

гиб. Конструктивно отдельные дисковые пружины можно соединят^

параллельно (см. рис. 11.41, б) или последовательно (см. рис. 11.41, в).

394

При параллельном соединении нагрузка при заданном прогибе воз-

растает пропорционально числу дисков, при последовательном —

прогиб при заданной нагрузке увеличивается пропорционально их

числу. Отношение диаметров 2R/B в большинстве случаев выбирают

равным 1,5...3,5.

Пробку используют при нагрузке 50... 150 кПа, отвечающей реко-

мендованному диапазону упругости. Обычно установку сначала уста-

навливают на бетонные блоки и уже последние отделяют от фунда-

мента с помощью нескольких слоев пробковой плитки толщиной

2... 15 см. Увеличение толщины будет понижать частоту, выше кото-

рой виброизоляция эффективна, но при большой толщине возникает

проблема устойчивости. Поэтому пробку не применяют в области

низких частот. Нефть, вода, умеренные температуры оказывают не-

значительный эффект на рабочие характеристики пробки, но с тече-

нием времени от нагрузки пробка сжимается.

Войлок толщиной 1...2,5 см, занимающий площадь 5 % общей

площади основания машины,— весьма распространенный изоли-

рующий материал. Он имеет относительно большой коэффициент

потерь (л «0,13) и поэтому эффективен на резонансных частотах.

Обычно войлок применяют в частотном диапазоне свыше 40 Гц.

Динамическое виброгашение. Защита от вибраций методами по-

глощения, основанная на общих принципах, изложенных ранее, осу-

ществляется в виде динамического гашения и вибропоглощения.

При динамическом гашении виброэнергия поглощается ЗУ. Это

устройство, отбирающее виброэнергию от источника — объекта за-

щиты — на себя, называют инерционным динамическим виброгасите-

лем. Его применяют для подавления моногармонических узкополос-

ных колебаний. Инерционный динамический виброгаситель 2 про-

стейшего типа выполняют в виде твердого тела, упруго присоединяе-

мого к объекту защиты 1 в точке, колебания которой требуется

погасить (рис. 11.42, а). Защитное устройство, увеличивающее рас-

сеяние энергии в результате повышения диссипативных свойств сис-

темы, называют поглотителем вибраций. На рис. 11.42, бпоказана схе-

ма простейшего поглотителя вибраций 3 вязкого типа, включающего

твердые тела и демпфирующий элемент. Возможно применение ком-

бинированных защитных устройств, использующих одновременно

коррекцию упругоинерционных и диссипативных свойств системы.

В этом случае говорят о динамических виброгасителях с трением 4 (см.

рис. 11.42, в).

395

///////////////// ///////////////// /////////////////

Рис. 11.42. Динамические виброгасители:

а — инерционный; б — поглотитель; в — с трением

Рассмотрим принцип динамического гашения на простейшем примере. Для инер-

ционного динамического гасителя (см. рис. 11.42, а) можно записать систему двух

уравнений, описывающую вибрации:

Уже из второго уравнения видно, что при v* * 0 виброскорость v объекта защиты

будет равна нулю, если массу М* и жесткость G* динамического гасителя выбрать из ус-

ловия / М* = со, где со — частота вынуждающей силы F

Если это условие не вы-

полняется (например, из-за некоторого отклонения частоты со вынуждающей силы от

номинального значения, на которое настроен гаситель), то динамический гаситель мо-

жет оказаться вредным. Поэтому инерционные динамические гасители применяют

только в тех случаях, когда частота вынуждающей силы строго фиксирована в условиях

эксплуатации (например, для гашения колебаний опор генераторов переменного

тока). При возможном непостоянстве частоты вынуждающей силы необходимо вво-

дить демпфирование.

Вибропоглощение. Вибропоглощение — метод снижения вибраций

путем усиления в конструкции процессов внутреннего трения, рас-

сеивающих виброэнергию в результате необратимого преобразова-

ния ее в теплоту при деформациях, возникающих в материалах, из ко-

торых изготовлена конструкция, и в местах сочленения ее элементов

(заклепочных, резьбовых, прессовых и др.).

Количество рассеянной энергии принято характеризовать коэф-

фициентом потерь г|. С увеличением коэффициента г| эллипс у петли

гистерезиса (см. рис. 11.37) становится шире и все большая часть

энергии переходит в тепловую. Если же г| = 0, то механическая энер-*

гия не переходит в тепловую: энергия, передаваемая системе от ис-

396

точника в течение одного полупериода, возвращается к источнику за

время второго полупериода. Можно показать, что коэффициент по-

терь связан с коэффициентом демпфирования соотношением

8 = tig>O/2. Подстановка этого выражения в формулу (11.47) наглядно

показывает, что с увеличением коэффициента потерь вибрации пре-

кращаются быстрее; метод вибропоглощения нацелен на получение

повышенных значений коэффициента потерь в конструкции. В табл.

11.21 приведены ориентировочные значения коэффициента потерь

некоторых материалов.

Механические конструкции из небольшого числа разнородных де-

талей относительно большой толщины (например, корпус судна) име-

ют коэффициент г| « 3 • 10~

при/< 500 Гц и г| « 10~

при/> 1000 Гц;

металлические конструкции из относительно большого числа разно-

родных толстостенных деталей (например, двигатель) или малого

числа тонкостенных деталей (например, корпус автомобиля) имеют

коэффициент г| « 10~

, металлические конструкции из относительно

большого числа разнородных деталей малой толщины (небольшие

сложные агрегаты) имеют г| « 5 • 10~

при / < 500 Гц и г| « 10~

при

/> 1000 Гц.

Таблица 11.21. Механические свойства и коэффициенты потерь

некоторых материалов

Материал

Модуль упруго-

сти, кН/мм

Модуль сдвига,

кН/мм

Коэффициент

Пуассона

Коэффициент

потерь .

Алюминий

72 27 0,36 < 10~

Сталь

200 77 0,31

10'

...10"

Свинец

17 6 0,43

10~

...10~

Медь

125 45 0,35

•

10~

Латунь

95 36 0,33

« ю-

Цинк

0,33

« Ю-

Оргстекло

5,6

— —

2- 10~

В настоящее время вибропоглощение осуществляется преимуще-

ственно путем применения конструкционных материалов с повы-

шенным значением коэффициента потерь и вибропоглощающих по-

крытий.

Конструкционные материалы с большим внутренним трением

обычно создаются искусственно. В специальных сплавах коэффици-

ент потерь может достигать значений Ю

-1

...2 • 10~

: сплавы маг-

ния — 0,3; сплавы меди — 0,2; хайдаметы (сплавы Ni — Со, Со — Ti,

Си — Ni) — 0,15; сплавы марганца — 0,01 — 0,06; у капрона и тексто-

лита коэффициент потерь соответственно равен 0,4 и 0,35. В качестве

397

конструкционных материалов используют также высокомолекуляр-

ные соединения, у которых коэффициент потерь имеет порядок 10~

Для полимеров типична сильная зависимость коэффициента потерь

от температуры и частоты.

Перспективным в вибропоглощении является нанесение на ко-

леблющиеся поверхности элементов конструкции высокоэффектив-

ных вибропоглощающих материалов. Они могут изготовляться на ос-

нове меди, свинца, олова, битумов и других материалов. Большое

распространение получила многокомпонентная система на основе

полимера, способного рассеивать механическую энергию в большом

количестве при основных деформациях: растяжении, изгибе, сдвиге.

Из других компонентов полимерной системы главными являются

пластификаторы и наполнители. Пластификаторы (низкомолеку-

лярные труднолетучие вещества, например сложные эфиры, некото-

рые парафины и масла) придают полимеру требуемое сочетание

свойств эластичности и пластичности. Наполнители (сажа, графит,

слюда и др.) сообщают материалу необходимые эксплуатационные

свойства; они могут, например, повысить его прочность, облегчить

обработку, снизить стоимость и т. д. Вибропоглощающий материал

выпускается промышленностью в отвержденном в виде листов и мас-

тичном состояниях.

Листовой материал приклеивается к вибрирующей поверхности;

мастику наносят методом штапелирования или напыления. В боль-

шинстве случаев вибропоглощающим материалом демпфируют из-

гибные колебания конструкций типа пластин. При жестком наруж-

ном покрытии (рис. 11.43, а) поверхность 1 пластины накрывается

слоем жесткого вибропоглощающего материала 2. Такое покрытие

рассеивает энергию колебаний при своих продольных деформациях,

имеющих характер растяжений — сжатий. Коэффициент потерь кон-

струкций, демпфированной жестким покрытием:

(3+6E

+4 Е

+2 E\

lx +

(l+E

)[l+2h

(2E

+3E

+2Е

2Х

) + E

где Е

= Е

/Е

И h

= h

— отношения соответственно модулей уп-

ругости и толщины (см. рис. 11.43, а), г|

— коэффициент потерь ма-

териала покрытия.

Жесткое наружное покрытие с прокладкой имеет повышенный по

сравнению с предыдущим коэффициент потерь, так как между слоем

вибропоглощающего материала и пластиной расположен слой легко-

го жесткого полимера (например, пенопласта) (см. рис. 11.43, б). Он

удаляет вибропоглощающий материал от нейтральной плоскости (не

испытывающей деформаций при изгибе), при этом увеличивается его

398

Рис. 11.43. Наружные покрытия:

а — жесткое; б — жесткое с прокладкой;

1 — вибрирующая пластина; 2 — вибро-

поглощающий материал; 3 — прокладка

2 } 3

виброскорость, возрастает деформация растяжения и, следовательно,

увеличиваются потери энергии в покрытии. С увеличением частоты

покрытие эффективно работает до тех пор, пока в прокладке не воз-

никнут деформации сдвига. При возникновении последних проклад-

ка перестает эффективно передавать на вибропоглощающий слой

растягивающие усилия от изгибов пластины.

Кроме жестких покрытий, применяют также: армированные по-

крытия, когда на слой вибропоглощающего материала наносится

тонкий слой другого материала (обычно металла), который упрочня-

ет, усиливает или защищает вибропоглощающий слой; слоистые по-

крытия, когда толщина упрочняющего металлического слоя близка к

толщине пластины; и мягкие наружные покрытия, которые представ-

ляют собой слой вибропоглощающего материала, легко сжимаемого

по толщине и рассеивающего энергию изгибных колебаний в резуль-

тате деформаций в поперечном направлении. В рассмотренных жест-

ких покрытиях коэффициент потерь зависит от частоты. При этом его

наибольшие значения приходятся на область низких — средних час-

тот.

Эффективность вибропоглощения

е = Ь

+ - Ь

- = 101gr|

Af,

где L - и Ь

+ — уровни рассеиваемой энергии до и после осуществле-

ния вибропоглощающих мероприятий.

Чтобы учесть рассеивание энергии вследствие применения кон-

струкционных материалов, введем сквозную нумерацию слоев:

материал, на который наносится вибропоглощающий слой, назовем

нулевым слоем; над нулевым слоем располагается первый слой, над

первым — второй и т. д. Тогда, пользуясь формулой (11.38), запишем

' п Л п

ХЛ/6, /X

/ ,

Л =

/=0

где е, и г|

— соответственно максимальная потенциальная энергия и

коэффициент потерь /-го слоя; п — число слоев.

399

11.3.3. Защита от шума, электромагнитных полей и излучений

Уровень интенсивности в свободном волновом поле. Уравнение пло-

ской волны, не затухающей с расстоянием, в комплексной форме

имеет вид

(11.53)

здесь й

= u

— комплексная амплитуда; г — радиус-вектор рас-

сматриваемой точки; к — волновой вектор, численно равный волно-

вому числу

к = со/с

— 2

лД,

где с и X — соответственно скорость распространения и длина волны.

Распространение волны всегда связано с переносом энергии, ко-

торая количественно характеризуется мгновенным вектором плотно-

сти потока энергии I,. На практике обычно пользуются понятием ин-

тенсивности волны /, которая равна модулю среднего значения векто-

ра I, за время, равное периоду Т полного колебания. Найдем интен-

сивности звука и электромагнитной волны. Для этого введем понятие

импеданса среды при распространении волны.

Комплексным импедансом среды при распространении звуковой вол-

ны назовем отношение

i = P/у

где р и v — соответственно звуковое давление и колебательная ско-

рость.

Комплексным импедансом среды при распространении электромаг-

нитной волны назовем отношение поперечных составляющих элек-

трического (Е) и магнитного (Н) полей в данной точке:

i = E/S. (11.54)

В дальнейшем все основные соотношения, которые будут исполь-

зоваться при рассмотрении звуковых и электромагнитных полей, яв-

ляются однотипными. Поэтому удобно ввести следующее обозначе-

ние: и = р для звука и и = Едля электромагнитного поля. С учетом это-

го обозначения при определении интенсивности звуковой волны или

при определении интенсивности электромагнитной волны можно

использовать одну и ту же форму*:

* См. [3].

400