Захист від виробничих вібрацій

1 Підвищується швидкохідність і одинична потужність машин, в той же час знижується їх металоємність. Таким чином, два прогресивні напрями машинобудування вступають в суперечність. Результат суперечності - виникнення вібрацій.

2 Іноді вібрація - це принцип роботи технологічного устаткування (різні вібробункери, віброгрохоти, віброкиплячий шар, ущільнення бетону і т.п.).

У цьому питанні необхідно знаходити оптимальне співвідношення між "корисністю" машин і її негативними сторонами. За числом своїх жертв віброхвороба займає тверде друге місце після легеневих хвороб (в розвинених індустріальних країнах).

Все це призводить до великих економічних втрат, а також небажаних соціальних результатів (плинність кадрів, низька трудова дисципліна).

Відповідно до наявності у найпростіших одномасових систем 1 ступенів свободи вібрація в загальному випадку реалізується в 1 формах (рис.1.1).

Рисунок 1 - Форми реалізації вібрацій

Вібрація - це рух точки або механічної системи, при якому відбувається почергове зростання або зменшення за часом значень, принаймні, однієї координати.

Причинами вібрації можуть бути:

1) неврівноважені силові дії (зубчасті зачеплення, кривошипно-шатунний механізм в двигунах і компресорах);

2) неврівноважені елементи, які обертаються: нерівномірний розподіл продукту в млинах, центрифугах, сепараторах, що обертаються. Не симетричний знос викликає биття. Дисбаланс через дефекти литва, не симетричний розподіл маси та ін.;

3) вітровий резонанс (на цю причину до 50-х років минулого сторіччя не звертали уваги).

У місті Волгограді є пам'ятник на Мамаєвому кургані - висота 52 метри і ще 28 метрів меч. Стали помічати, що пам'ятник, особливо у вітряну погоду, дзвенить. Верхолази після обстеження помітили, що меч у основи дає тріщину, а амплітуда коливання верхівки меча складає 0,5 метрів. Дослідження показали, що при обтіканні меча повітряними потоками рівномірний ламінарний рух порушувався, завихрення, що зриваються з гострих кромок, спричинюють меч до коливань, частота яких збігалася з власною частотою коливання меча. Виникав резонанс і всі вищезазначені наслідки. За рекомендаціями вчених меч замінили. Новий меч має закруглені кромки і наскрізні отвори для проходження повітря. Ці заходи ліквідовували явище вітрового резонансу.

2. Класифікація вібрацій

1. За способом передачі на людину вібрація поділяється на:

Загальну - що передається через опорні поверхні на тіло людини, яка сидить або стоїть.

Локальну - що передається через руки людини.

2. За напрямом дії вібрації поділяються:

а) такі, що діють вздовж осей системи координат Х, У, Z для загальної вібрації, де Z вертикальна вісь;

б) такі, що діють вздовж осей системи координат Хр, Ур, Zр - для локальної вібрації, де вісь Хр - збігається з віссю місць обхвату робочого інструменту, вісь Zр - лежить в площині, створеною віссю Хр і напрямом подачі або прикладання сили.

3. Загальна вібрація за джерелом її виникнення поділяється на:

транспортну вібрацію (під час руху машин по місцевості);

транспортно-технологічну (при роботі машин, що виконують технологічну операцію в стаціонарному режимі);

технологічну - при роботі стаціонарних машин, або передається на робочі місця, що не мають джерел вібрації.

3. Характеристика вібрацій

Умовно всі найскладніші вібрації або коливання можна подати як суму простих. Найпростішими з коливань є гармонійні коливання, що здійснюються за синусоїдальним законом. Основними параметрами вібрації, що здійснюються за синусоїдальним законом, є:

1. Амплітуда вібропереміщення - Хm.

2. Амплітуда коливальної швидкості - Vm.

3. Амплітуда коливального прискорення - Am.

4. Період коливань - Т.

5. Частота - f, пов'язана з періодом співвідношенням f=1/T.

Вібропереміщення у разі синусоїдальних коливань визначається за формулою

Х = Хm·sin (ωt + φ), (1.1)

де ω - кутова швидкість, ω = 2ωf;

φ - початкова фаза вібропереміщення.

У більшості випадків початкова фаза у завданнях охорони праці значення не має і може не враховуватися.

Через специфічні властивості органів чуття людини визначальними є не амплітудні, а діючі значення параметрів, що характеризують вібрацію.

Так, діюче значення віброшвидкості є середньоквадратичне миттєвих значень швидкості V (t) за час усереднювання Ty.

Математично це виглядає так:

. (1.2)

Враховуючи, що абсолютне значення даних параметрів вібрації змінюються в дуже широкому діапазоні (до 11 порядків) у практиці віброакустичних досліджень (як і при дослідженні шумів), використовуються логарифмічні рівні відповідних параметрів.

Рівень будь-якого параметра вібрації також позначається L з відповідним індексом. Наприклад:

рівень віброшвидкості, дБ:

, (1.3)

де V - фактичне значення параметра віброшвидкості;

Vгр - граничне значення параметра швидкості.

Міжнародною угодою прийнято Vгр = 2·10-8 м/с.

У віброакустиці вібрації досліджують в октавах з такими середньогеометричними частотами, Гц: 1, 2, 4, 8, 11, 31, 5, 13,125,..., 2000. Частоти, більше 31,5 Гц, враховують і звукові коливання.

Частоти до 13 Гц найбільш небезпечні, оскільки вони збігаються з власною частотою коливань різних органів людини.

4. Дія вібрації на організм людини

Дія вібрації на організм людини залежить від величини коливальної енергії, яка поглинута тілом людини:

Q = S·T·I, (1.4)

де Q - енергія, яка поглинута тілом людини, Дж;

S - площа контакту з вібруючою поверхнею, м2;

T - тривалість дії, с;

I - інтенсивність подразника. Вона прямо пропорційна коливальній швидкості і модулю повного механічного імпедансу, який розглядатиметься нижче.

Фізіологічно коливальна швидкість, що дорівнює 10-4 м/с, уловлюється людиною як поріг сприйняття. При швидкості 1 м/с виникає вже больове відчуття.

Як згадувалось при класифікації вібрації, за дією на організм людини розрізняють загальну і локальну (місцеву) вібрації.

Загальна вібрація викликає струс всього організму.

Місцева залучає до коливального руху окремі частини тіла.

Локальним (місцевим) вібраціям піддаються робітники, які працюють з різними видами ручного механізованого інструменту (при зачищенні зварних швів, обрубуванні литва, клепанні і т.п.).

Дія загальних вібрацій на організм людини відбувається по-різному і залежить від частоти.

Загальні вібрації з частотою до 0,7 Гц (колихання), хоча і неприємні, але не призводять до захворювання. У цьому випадку тіло людини і його окремі внутрішні органи рухаються як єдине ціле, не зазнаючи взаємних переміщень. Наслідком такої вібрації є т. зв. “морська” хвороба, яка виникає через порушення нормальної діяльності вестибулярного апарату людини.

Різні внутрішні органи і окремі частини тіла (наприклад, голову і серце) умовно можна розглядати, як коливальні системи з певною зосередженою масою. Як сполучні пружини тут є м'язи, кістки і сполучні тканини. Така система має ряд резонансів, частоти яких залежать також від положення тіла працівника ("стоячи" або "сидячи").

Резонанс на частотах 4-1 Гц відповідає коливанням плечового пояса та стегон; на частотах 25-30 Гц - голови відносно плечей (положення "сидячи").

Для більшості внутрішніх органів власні частоти коливань лежать в діапазоні 1-9 Гц.

Коливання робочих місць із зазначеними резонансними частотами дуже небезпечні, оскільки можуть викликати навіть механічні пошкодження і розрив цих органів. Систематична дія загальних вібрацій в резонансній або біля резонансній частоті може стати причиною виникнення професійного захворювання - вібраційної хвороби. Вона призводить до переродження біологічних тканин:

1) атрофії м'язів;

2) втрати пружності кровоносних судин (стають крихкими, внаслідок чого порушується кровопостачання);

3) втрати рухливості сухожиль (деформація хребта);

4) втрати чутливості нервових закінчень, підвищеної ламкості волосся, нігтів.

Локальна вібрація - діє на організм людини дещо по-іншому:

1) спазми судин, які починаються з кінцевих фаланг пальців, поширюються на всю долоню, передпліччя і охоплюють судини серця;

2) відбувається погіршення постачання кінцівок кров'ю.

Одночасно спостерігається дія на нервові закінчення, м'язові і кісткові тканини. Ця дія виражається в таких проявах:

3) в порушенні чутливості шкіри;

4) в окостенінні сухожиль та м'язів;

5) в болях і відкладеннях солей в суглобах рук.

Зрештою відбувається деформація і зменшення рухливості суглобів.

5. Санітарно-гігієнічне нормування вібрацій

У ГОСТі 12.1 012-90 нормуються вібрації окремо для кожної октавної смуги і для кожного встановленого напряму і виду вібрації. Нормуються як фактичні параметри віброшвидкості і віброприскорення відповідно, м/с і м/с2, так і їх рівні, дБ.

Найбільш наочно нормування вібрацій можна подати графічно (рис.1.1).

1а - транспортна вертикальна вібрація;

1б - транспортна горизонтальна вібрація;

2 - транспортно-технологічна вібрація (вертикальна і горизонтальна);

3а - технологічна вібрація (вертикальна і горизонтальна) у виробничих приміщеннях з джерелами вібрації;

3б - теж саме у виробничих приміщеннях без джерел вібрації;

3в - теж саме у приміщеннях для розумової праці та адміністративно управлінських приміщеннях;

4 - локальна вібрація.

Рисунок 1.1 - Гігієнічне нормування вібрації

При перекладі на коливальну швидкість характерних рівнів це відповідає:

132 дБ-20*10-2 м/с

108 дБ-1,3*10-2 м/с.

6. Загальні методи зниження вібрацій

Основними напрямами вирішення проблеми віброзахисту є автоматизація виробництва і впровадження робототехніки.

У тих випадках, коли це зробити не можливо, застосовують спеціальні методи, більшість з яких заснована на вирішенні диференційних рівнянь руху коливальних систем.

Ці рівняння дуже складні.

З точки зору охорони праці найбільший інтерес становлять вібрації поблизу резонансу. В цьому випадку завдання спрощується, оскільки машини і агрегати можна розглядати як коливальні системи з одним степенем вільності. Розглянемо систему у вигляді зосередженої маси (m), що лежить на пружині, інший кінець пружини жорстко закріплений. Система, крім того, володіє тертям μ (рис 1.2).

У цій системі елементи пружності, маси і тертя відокремлені один від одного. Такі системи називаються системами із зосередженими параметрами. Для простоти аналізу вважатимемо, що на систему діє змінна збуджуюча сила, що змінюється за синусоїдальним законом:

F = Fm·sint. (1.5)

Рівняння коливального руху тіла m у цьому випадку має вигляд

mx // + μx/ + gx = Fm·sint, (1.1)

де m - маса системи, кг;

g - жорсткість пружини, яка чисельно дорівнює силі, яку необхідно прикласти до пружини, щоб викликати її одиничну деформацію, Н/м;

Рисунок 1.2 - Коливальна система з зосередженими параметрами.

х - потокове значення коливального зсуву пружини, м;

x/ = dx/dt - потокове значення коливальної швидкості, м/с;

x // = dv/dt - потокове значення коливального прискорення м/с;

μ - стала, яка називається коефіцієнтом в'язкого опору, Нc/м;

Fm - амплітуда збуджуючої сили, Н;

ω - частота збуджуючої сили, рад/с.

Рішення цього рівняння дає співвідношення між амплітудами коливальної швидкості Vm і збуджуючою силою Fm:

. (1.7)

Знаменник цього виразу характеризує опір, який здійснює система збуджуючій змінній силі, і називається повним механічним опором, або імпедансом коливальної системи.

Величина μ складає активну, а величина - реактивну частину цього опору.

Реактивний опір, у свою чергу, складається з двох опорів: пружного g/ω та інерційного mω.

Одиниця механічного опору - Нс/м.

Аналізуючи формулу, можна зробити такі висновки про шляхи зниження вібрації:

1. Боротьба з вібрацією в джерелі її виникнення полягає в тому, що ще на стадії конструювання машин і проектування технологічних процесів перевага повинна віддаватися таким кінематичним і технологічним схемам, при яких динамічні процеси, викликані ударами, різкими прискореннями і т.п., були б виключені або максимально знижені.

Наприклад:

а) заміна кулачкових і кривошипно-шатунних механізмів такими, що рівномірно обертаються;

б) заміна кування і штампування пресуванням;

в) заміна ударної правки вальцюванням;

г) заміна пневматичної клепки гідравлічною клепкою і електрозварюванням;

д) для зниження рівня вібрацій редукторів застосовуються шестерні із спеціальними видами зчеплення - глобоїдним, шевронним замість звичайних шестерень з прямим зубом.

2. Усунення резонансних режимів при роботі технологічного устаткування може бути здійснено двома шляхами:

а) зміною маси і жорсткості системи;

б) встановленням нового режиму роботи, тобто зміною частоти збуджуючої сили.

Як можна змінити жорсткість системи?

Жорсткість системи змінюються введенням в конструкцію ребер жорсткості або зміною її пружних характеристик.

3 Вібродемпферування - це зменшення рівня вібрацій об'єкта, що захищається, шляхом перетворення енергії механічних коливань даної системи, що коливається, в інші види енергії.

Збільшення втрат енергії в системі може здійснюватися:

використанням конструкційних матеріалів з великим внутрішнім тертям (гума, дерево, пластмаси, сплави);

нанесенням шару пружних матеріалів, що мають великі втрати на внутрішнє тертя (мастика - антивібріт на основі епоксидної смоли), застосовується для покриття днищ автомобіля;

використанням поверхневого тертя (наприклад, при коливаннях двох скріплених і щільно прилеглих одна до одної пружних пластин).

4. Віброгасіння. Під віброгасінням розуміють зменшення рівня вібрацій об'єкта, що захищається, шляхом введення в систему додаткових мас (реактивного імпедансу):

а) найчастіше віброгасіння реалізується шляхом установки агрегатів на самостійні фундаменти. Масу фундаменту підбирають так, щоб амплітуда коливань підошви фундаменту у будь-якому випадку не перевищувала 0,1-0,2 мм;

б) шляхом установки віброгасителів.

Принцип роботи: додаткова коливальна система з масою "m", яка пружно пов’язана з основною з масою "М", має частоту, яка налаштована на основну частоту коливань системи з масою "М", але знаходиться з нею у протифазі.

Цей метод боротьби з вібрацією зручний, коли частота коливань постійна, наприклад, вібрація суднових двигунів. У компресоробудуванні до цього методу боротьби з вібрацією можна віднести установку на нагнітальному трубопроводі буферних місткостей.

5. Віброізоляція здійснюється за допомогою введення в коливальну систему пружного додаткового зв'язку, який перешкоджає передачі вібрації від машини (джерела коливань), до основи або суміжних елементів конструкції (рис.1.3).

Ефективність віброізоляції оцінюється коефіцієнтом передачі (КП):

, (1.8)

де Fm - сила, що діє на основу за наявності пружного зв'язку;

F - сила, що діє на основу при жорсткому зв'язку.

Рисунок 1.3 - Система з віброізоляцією.

Якщо КП =, то віброізоляція добра. Коефіцієнт передачі розраховується за формулою:

, (1.9)

де f - частота збуджуючої сили; f0 - власна частота коливань системи на віброізоляторах.

7. Види віброізоляторів

1. Віброізоляція між стаціонарним устаткуванням і фундаментом здійснюється за допомогою гумових прокладок, пружин і гумовометалевих амортизаторів (рис.1.4).

Рисунок 1.4 - Віброізолюючі опори (амортизатори):

а - пружинні; б - гумові віброізолятори

Пружинні віброізолятори в порівнянні з гумовими мають ряд переваг: вони можуть застосовуватися для ізоляції як низьких, так і високих частот, довше зберігають постійність пружних властивостей в часі, добре протистоять дії мастил і високої температури, відносно малогабаритні. Але вони можуть пропускати коливання високих частот, оскільки матеріал пружин (сталь) має малі внутрішні втрати. Тому пружинні віброізолятори в цьому випадку рекомендується встановлювати на прокладки з пружних матеріалів типу гуми (комбінована амортизація).

2. Акустичні шви фундаментів будівель (за фундаментом будівлі залишають пустоти).

3. Віброізоляція фундаменту від ґрунту.

На Каунаському заводі прецизійних верстатів свого часу не могли добитися необхідної точності виготовлення деталей для точних верстатів. Вихід: самі фундаменти верстатів поставили на віброопори.

4. Пружні вставки між несучими елементами будівель і конструкцій (вентилятори відокремлені пружною вставкою від повітроводів).

5. При роботі з ручним механізованим інструментом застосовуються засоби індивідуального захисту рук від дії вібрації. До індивідуальних засобів захисту відносять:

а) віброізолюючі рукавиці або рукавички; б) віброізолюючі прокладки або пластини, які забезпечені кріпленнями до рукояток; в) спеціальне взуття на високій пружній підошві. Для профілактики вібраційної хвороби для працівників з вібруючим устаткуванням рекомендується проводити комплекс профілактичних заходів: 1) водні процедури; 2) масаж; 3) лікувальну гімнастику; 4) вітамінізацію та ін.

При роботі з вібруючим устаткуванням у робочий цикл включаються технологічні операції, не пов'язані з дією вібрації. Якщо це неможливо, потрібно передбачити 10-15-хвилинні перерви після кожної години роботи.

Помічено, що несприятливі наслідки дії вібрації посилюються в холодних умовах. Тому в зимовий час робітників потрібно забезпечувати теплими рукавицями.

8. Вимірювання вібрації і вібровимірювальна апаратура

У даний час для вимірювання вібрацій застосовуються різні прилади електронної техніки. Їх різновидів дуже багато. Але загальну схему їх можна подати у вигляді (рис.1.5):

Рисунок 1.5 - Схема вимірювання вібрації:

1 - вимірювальний перетворювач (вібродатчик);

2 - попередній підсилювач;

3 - реєструючий прилад

Як первинні вимірювальні перетворювачі найбільш поширені в даний час такі перетворювачі:

1) ємнісні;

2) індукційні;

3) п'єзоелектричні.

Недоліком ємнісних датчиків є їх низький захист від перешкод. Тому їх застосування обмежено. Використовуються вони в основному лише у випадках, коли неприпустимий вплив датчиків на поверхню, що коливається (іншими словами, безконтактні вимірювання).

При установці перетворювача ємності на певній відстані від випробовуваного об'єкта між ними утворюється повітряний конденсатор, який заряджається сталою напругою 200 вольт від попереднього підсилювача.

У результаті вібрацій випробовуваного об'єкта виникає змінна напруга, пропорційна величині вібропереміщення.

Індукційні датчики на відміну від ємнісних відрізняються підвищеною перешкодостійкістю і надійністю. Але ці датчики можуть застосовуватися лише при невеликій частоті вібрацій (не більше 500 Гц).

Недоліком їх також є значні габарити і маса. Це, у свою чергу, призводить до спотворення результатів вимірювань через дію датчиків на поверхню, що коливається.

Для вимірювання вібраційних прискорень на високих частотах (верхня межа вимірювань досягає 15-20 кГц) найбільше розповсюдження отримали п'єзоелектричні перетворювачі віброприскорення - акселерометри.

Вібродатчик акселерометра складається з двох п'єзоелектричних дисків, на яких закріплена важка маса.

Ця маса заздалегідь навантажена жорсткою пружиною. При вібраціях маса створює змінні зусилля на п’єзоелементі, пропорційні віброприскоренню. Внаслідок п'єзоефекту на обкладинках дисків виникає змінна напруга, пропорційна прикладеному зусиллю, а отже, вібро прискоренню.