Застосування вібраційних машин і технологій у декілька разів пришвидшує технологічні процеси, покращує якість продукції, що виготовляється, дозволяє значно знизити трудові та енергетичні витрати, матеріалоємність процесів і машин, а також реалізувати технології, які без застосування вібраційної техніки практично неможливі (наприклад, виготовлення залізобетонних виробів, укладення та ущільнення бетону в монолітних конструкціях, поглинання свай і шпунта, дроблення, руйнування твердих основ і покриттів, ущільнення ґрунтових і штучних основ і покриттів тощо). Таким чином, будівництво, як жодна інша галузь, насичене джерелами вібрації, яка має негативну дію.
Допустимий рівень коливань технічних об'єктів (машин, будинків, споруд), які піддаються вібрації, визначається: фізіологічною дією коливань на людей, міцністю, стійкістю і довготрива-лістю конструкцій, впливом коливань на технологічні процеси і виробництво; необхідністю збереження достатньої жорсткості та нормованих значень деформацій і згинів.
З усіх видів механічних дій для технічних об'єктів найбільш небезпечною є вібраційна дія. Знакозмінна напруга викликає вібрацію, сприяє накопиченню пошкоджень у матеріалах, появі тріщин і руйнуванню. При полігармонійній дії найнебезпечнішими є гармоніки, які можуть викликати резонанс об'єкта.
Здатність об'єкта не руйнуватися при вібраціях називають віб-роміцністю, а здатність нормально функціонувати — вібростійкістю. Мета віброзахисту технічних об'єктів — підвищення їх віброміцності та вібростійкості.
Виробнича вібрація та засоби захисту від неї_________________________ 173
Вібрація — коливання частин виробничого обладнання та трубопроводів, яке відбувається за незадовільного їх закріплення, поганого балансування частин машин і устаткування, яке рухається й обертається, роботи ударних механізмів тощо. Вібрація характеризується: частотою коливань (Гц), амплітудою (мм або мкм), прискоренням (м/с). При частоті коливань більше 25 Гц вібрація негативно діє на нервову систему, що може призвести до розвитку тяжкого нервового захворювання — вібраційної хвороби.
До шкідливих робіт на будівництві, які утворюють вібрацію, належать роботи, пов'язані з використанням пневматичних ручних машин, вібраторів паркетно-стругальних і шліфувальних машин, роботи із вбивання свай, розпушення мерзлих ґрунтів тощо.
Вібрацію розрізняють:
— загальну (вібрація конструкції або агрегату, на яких перебуває людина);
— місцеву (вібрація, яка виникає від ручної машини, що знаходиться в руках людини, або елемента машини).
Загальній вібрації піддаються робітники, що обслуговують екскаватори, бульдозери, автогрейдери, дробильні установки, вібро-ущільнювальні пристрої тощо. Впливу місцевої вібрації піддаються робітники, які обслуговують пневмоінструмент або електроінструмент ударної чи обертової дії, ручні вібратори. На виробництві часто трапляються випадки комбінованої дії вібрації: загальної і місцевої.
Функціональні порушення, які пов'язані з дією вібрації на людину, проявляються в погіршенні зору, зміні реакції вестибулярного апарату (порушення координації рухів, викликання га-люцінацій тощо), більш швидкій втомлюваності. Хворобливі відчуття від вібрації виникають при прискоренні, вищому 5 % від прискорення сили тяжіння, тобто при g = 0,05 х 10 = 0,5 м/с2. Особливо шкідливі вібрації з частотами, близькими до частот власних коливань тіла людини, більшість яких знаходиться в межах 6—30 Гц.
Резонансні частоти окремих частин тіла такі, Гц: Очі 12—27 Голова 8—27
Горло 6—12 Обличчя 4—27
Груди 2—12 Поперек 4—14
Ноги, руки 2—8 Живіт 4—12
Розділ 6
За напрямком дії вібрації поділяють на діючу вздовж осі ортогональної системи координат:
— X, Y, Z — при загальній вібрації (рис. 6.1);
— X , Y , Z — для кожної вібрації,
де вісь X співпадає з віссю місць схоплення (наприклад, рукоятки), вісь У лежить на площині, утвореній віссю X з направленням подавления або докладення сили (рис. 6.2), Z — вертикальна вісь, перпендикулярна опорній поверхні; X — горизонтальна вісь від спини до грудей; Y — те ж, від правого плеча до лівого.
Рис. 6.1. Напрямок координатних осей при загальній вібрації:
а — положення стоячи; б — положення сидячи
Рис. 6.2. Напрямок координатних осей при локальній вібрації:
а — при охопленні циліндричних поверхонь; б — при охопленні сферичних поверхонь
Розділ б
коливання передаються на людину через підлогу, сидіння, спинку у вигляді загальної вібрації, через рукоятки або елементи управління на руки робочого.
У будівництві трапляються періодичні коливання, які виникають, наприклад, при русі поршня двигуна внутрішнього згоряння (рис. 6.3).
1 2k 3fo Т а б
Рис. 6.3. Види коливань
Механічні удари і пов'язані з ними механічні коливання часто трапляються на виробництві, наприклад, при роботі із засобами малої механізації (відбійними молотками, інструментом для забивання цвяхів, загортання шурупів) або при русі машин по нерівній місцевості. Механічним ударом називають процес, тривалість якого, тобто час передачі енергії, значно менша за період власних коливань системи, яка піддається впливу. Ударна дія визначається площею імпульсу в часі.
Будівельні машини при пересуванні по будмайданчику або роботі створюють широкий частотний спектр механічних коливань, що впливає на людей. Він складається з: періодичних складових (коливання двигуна); випадкових складових (коливні елементи конструкцій, нерівності на проїжджій частині); стрибкоподібних складових (робочий хід механізму, наприклад, захоплення ґрунту ковшем екскаватора, процес вантаження фронтовим навантажувачем, вибоїни при русі автомобілів).
Разом усі ці складові утворюють частотну суміш, яка через сидіння передається на водія.
При використанні в будівництві різних засобів малої механізації на руку передається вібрація. Зазвичай, це періодичні ударні імпульси з випадковими складовими, які через рукоятки або корпус інструмента впливають на робітника. Ця вібрація визначаєть-
Граничнодопустимі рівні (ГОСТ 12.1.012-88) загальної вібрації встановлюються для швидкості як в абсолютних, так і у відносних величинах за спектром частот, які включають 6 октавних частотних смуг із середньогеометричними значеннями частот 2, 4, 8, 16, 31,5, 63 Гц, за амплітудою переміщення при гармонічних коливаннях 3,11 — 0,005 мм і за середньоквадратичним значенням швидкості від 11,2 до 2 мм/с.
Граничнодопустимі величини місцевих вібрацій при частоті обертання 1200—6000 хв_1 дорівнюють 20—100 Гц з амплітудою коливань 1,5 — 0,005 мм.
6.3. Захист від вібрації
У техніці вібрація зустрічається не тільки як шкідливе, а й таке, що супроводжує технологічний процес, явище. Розглянемо методи боротьби лише зі шкідливою вібрацією, безпосередня дія якої на обладнання чи споруду призводить до їх передчасного зношення, недопустимого навантаження або зниження якості, а при дії на людину на робочому місці чи в побуті шкодить здоров'ю.
Захист людини і технічних об'єктів від шкідливої дії вібрації здійснюється вживанням комплексу заходів, що відповідають ГОСТу 26568-85.
Класифікація методів віброзахисту наведена на рис. 6.5. Вібро-активність джерел коливань визначається конструкцією, технологією виготовлення та умовами експлуатації.
Основні конструктивні засоби зменшення віброактивності такі:
— встановлення оптимального співвідношення між енергетичними габаритами і вібростатичними параметрами (в основному, на стадії проектування);
— певна реалізація засобів зменшення збуджуючих сил, що забезпечується зменшенням динамічних реакцій машин, верстатів і обладнання шляхом їх зрівноваження (найчастіше зрівноваження жорстких і гнучких роторів);
'— відповідність власних частот коливань об'єкта частотам збуджуючих сил (відбудовуються проміжні рами, кронштейни, підшипники тощо);
раціональне компонування об'єкта техніки: вузлів із відносно низьким рівнем вібрації, використання роторних конструкцій замість кривошипно-латунних, відмова від редукторних
Розділ б
передач на користь прямолінійних приводів, засувів, елек-тро- і гідродвигунів, які мало шумлять тощо;
— моноблочна конструкція приводних пристроїв, вертикальне розташування плоских роторів, максимально можливе їх полегшення і забезпечення симетрії системи відносно осі обертання;
— використання засобів віброізоляції і вібропоглинання: внутрішня амортизація за рахунок багатошарової конструкції корпусів, спецвкладок під підшипники з матеріалів із високим декрементом затухання, гнучких прокладок, шинопнев-матичних і ресорних пристроїв, які встановлюються між корпусом і станковим механізмом;
— виготовлення деталей технічних пристроїв з матеріалів із високими демпфіруючими якостями: пластиків, металоґу-мових сплавів марганцю і міді, нікелевотитанових сплавів тощо;
— покращення технології виготовлення машин — підвищення точності оброблення і збирання, застосування малошумля-чих підшипників тощо.
Віброізоляція поділяється на силову (активну), коли зменшують дію на основу джерела збудження коливань, і кінематичну (пасивну), коли об'єкт захищають від коливань конструкціями, які його підтримують.
Деякі конструктивні схеми віброізоляції показані на рис. 6.6.
Гасникизастосовуються для зменшення різних видів коливань — поперекових, повздовжніх, закручуючих, які виникають у робочому або запуско-зупинному режимі роботи машини — джерелі коливань, а також коливань, які викликані вітром тощо.
Для гасіння коливань об'єктів у будівництві використовують:
— динамічні гасники (без або з затуханням) — пружинні, маятникові, з обертовим маятником (рис. 6.7);
— ударні гасники — односторонньої дії з нульовим зазором, маятникові, з від'ємним нульовим зазором, пружинні тощо;
— обмежувачі коливань.
виробнича вібрація та засоби захисту від неї
Розділ б
Віброзахист людини забезпечується:
— зниженням віброактивності джерела підвищеної вібрації на стадії проектування, при виготовленні та експлуатації;
— застосуванням віброзахисних пристроїв — віброізолюючих основ і платформ, віброзахисних килимків, рукавиць, взуття тощо.
— регламентацією умов праці оператора — скорочення залежності тривалості робочого дня, додаткові перерви, вибір технологічного режиму;
Приклади передачі вібрації тілу людини наведені на рис. 6.8.
Рис. 6.8. Приклади передачі вібрації тілу людини
За формою використання засоби індивідуального віброзахисту оператора поділяються: для рук — рукавиці; для ніг — спецвзут-тя; для тіла — нагрудники, спецкостюм (ГОСТ 12.4.002-74).
виробнича вібрація та засоби захисту від неї
6.4. Оптимізація конструктивно-динамічних параметрів вібраційних машин
Основним напрямком, що може забезпечити значне підвищення ефективності вібраційних процесів у будівництві, їх вібро- і шу-мобезпечність, є використання ефекту динамічного посилення коливань, тобто не стільки міцності, сили і кількості коливань, скільки динамічних властивостей системи в цілому для відтворення необхідних і найбільш ефективних режимів роботи.
Іншими словами, потрібний перехід на оптимальні в широкому змісті (конструкції, динаміка, технологічні режими) вібраційні системи і машини, що широко використовують принцип резонансного посилення динамічних впливів.
Чим у більшому ступені реалізуються рухи машин і динамічних коливальних систем у режимі резонансу, тим ефективніше використовуються коливальні і вібраційні процеси при менших вимушених зусиллях. У зв'язку з тим, що цю проблему не завжди легко реалізувати, створення найбільш раціональних машин і технічних систем доцільно поділити на такі етапи: вибір принципової схеми динамічних впливів, що забезпечує раціональне вібраційне поле для цього технологічного процесу; синтез динамічної системи, що забезпечує найбільш повне використання її динамічних властивостей для отримання максимального техніко-еко-номічного і соціального ефекту; оптимізація технологічних параметрів функціонування машин; оптимізація конструктивних параметрів, що забезпечують задані технологічні параметри і надійність формування системи.
Прийняття найкращих рішень із кожного етапу й ув'язка їх в єдиному процесі вимагають розроблення оптимальних методів синтезу, розрахунку і вибору параметрів складних динамічних систем.
Реалізації оптимальних динамічних систем сприяє розроблення:
— принципів синтезу динамічних активних вібраційних систем з мінімальними збудливими зусиллями і максимальним технологічним ефектом;
— методів розрахунку, моделювання й опису динамічно активних багатомасних резонансних систем простими й адекватними залежностями;
Розділ 6
— інтегральних і точних методів урахування впливу комплексу сил опорів коливанням, що надзвичайно важливо для розрахунку резонансних систем;
— у вигляді оптимізаційної моделі оптимальних режимів віб-ровпливів.
В основу цього може бути покладено:
— посилення коливань за рахунок ефекту резонансу дозволяє значно спростити конструкції вібраційних технічних систем, отримати досить просто реалізовані ефективні траєкторії руху мас коливання, полічастотні режими вібрації, завдяки використанню динамічних властивостей багатомасних вібраційних систем;
— досить коректні дані для теорії і практики рішення динамічних параметрів резонансних вібраційних технічних систем можливі тільки при врахуванні всього комплексу сил, що діють у системі (пружні, інерційні та дисипативні), які мають місце як у машині, так і в середовищі, яке обробляється;
— порівняння ефективності вібраційних технічних систем різного принципу дії повинно ґрунтуватися на критеріях вібро-впливів, що відображають реальне силове поле в середовищі, яке піддається динамічному впливу;
— практичні розрахунки багатомасних резонансних динамічних систем можуть бути суттєво спрощені і "відкриті" для інженерного аналізу при описі їх у вигляді математичних моделей на основі застосування математичних методів планування для рішення й аналізу систем диференціальних рівнянь.
При попередній оцінці оптимальності прийнятих принципових технічних рішень для вібраційних машин і технологій можна керуватися засадами, що характеризують кількісне та якісне використання таких показників:
— рівня динамічних властивостей системи чи рівня використання системою динамічного посилення реалізованих рухів за рахунок ефекту резонансу;
— характеру реалізованого вібраційного поля і рівня його ВІД' повідності необхідним оптимальним законам руху;
Виробнича вібрація та засоби захисту від неї_________ 187
— рівня імпульсних і ударних впливів;
— рівня динамічної стабілізації рухів (самосинхроіізація);
— рівня надійності системи, обчислювальної за кілкістю найбільш відповідальних агрегатів, вузлів і деталеі;
— відношення складності адекватного опису моделі динамічної системи до її конструктивної складності, прийому складність опису моделі характеризується числом рівнянь, а конструктивна складність — величиною зворотної надійності;
— відношення величин нормованих соціальних показників до їх фактичних значень (наприклад, оцінка рівня шуму, вібрації тощо).
Прийоми оптимізації конструктивних параметрів можуть бути реалізовані як завдяки внесенню в систему нових влгстивостей, що визначають її динамічну активність (наприклад, (агатомасні резонансні установки — для формування збірних залізобетонних виробів, розпушувачі — для мерзлих ґрунтів, системі дозування сипучих вантажів), так і завдяки використанню властивій системі динамічних властивостей (ущільнення й оцінка ступеня ущільнення ґрунтів тощо).
6.5. Віброізоляція стаціонарних машин
Стаціонарні машини (вібраційне устаткування для формування залізобетонних виробів, вентилятори, металооброблюючі верстати, ковальсько-пресове устаткування) встановлюють на фундаменти з пристроєм віброізоляції.
Методика розрахунку віброізоляції стаціонарних машин викладена в ГОСТІ 12.4.093-80 "Вібрація. Машини стаціонарні. Розрахунок віброізоляції підтримуючої конструкції". Метою цього розрахунку є визначення значень динамічних сил, які передаються підтримуючою конструкцією від машини через віброізолято-Ри, і рівень її вібрації; визначають також параметри вібрації самої Машини і порівнюють отримані результати з критерієм якості віброізоляції.
За знайденою жорсткістю віброізоляторів визначаюсь їхні кон-структивні параметри.
Для розрахунку віброізоляторів (пружинних, циліндричних і ґу-м°вих) використовують такі вихідні дані: Сzi ,Сxi Сyi — жорсткості
Розділ є
Типова схема підресорювання сидіння водія (рис. 6.9) складається з таких елементів: направляючого механізму, що з'єднує місце водія з рамою ходової частини машини (виконує роль кінематичного і силового зв'язку, складається з паралелограмних важелів і забезпечує стабільність вертикального положення корпусу водія при коливанні машини); пружини; регулювального гвинта для зміни твердості пружини залежно від маси тіла водія; гідроамортизатора, що поглинає коливання сидіння.
Вимоги до віброізоляції сидіння водія викладені в ДСТ 12.2.011-75*, ДСТ 12.2.019-86* (СТ СЕВ 5071-85, СТ СЕВ 5080-85, СТ СЕВ 5605-86), ОСТ 37.001.413-86, ДСТ 20062-81* Е (СТ СЕВ 4701-84), ДСТ 21398-75*.
Розрахунок віброізоляції робочого місця операторів самохідних машин виконується відповідно до ДСТ 25571-82 на стадії проектування з метою перевірки параметрів вібрації сидінь, обладнаних віброізолятором, на відповідність вимогам державних і галузевих стандартів.
Джерелом коливань сидіння служать коливання його основи (кінематичне порушення).
Вихідними даними для розрахунку є: характеристика коливань основи сидіння; маса оператора, що приходиться на сидіння; маса підресорної частини сидіння; розрахункова схема коливальної системи "оператор — сидіння"; характеристики сил, що виникають у коливальній системі; вільний хід сидіння.
Розділ б
тиску газу), а також діафрагмові, балонні та рукавні пневмоеле-менти (з додатковою камерою і без неї, у тому числі з дроселюванням газу між камерами). Пневмогідравлічні пристрої поділяють на найпростіші (без протитиску) і з протитиском.
Крім того, до гасників коливань належать спеціальні динамічні антивібратори з тертям, шарніри направляючих пристроїв тощо. Усі перераховані пристрої суттєво відрізняються робочими характеристиками, які потрібно вміти визначати й якими необхідно вміти керувати для забезпечення високого рівня якості транспортних машин.
До фрикційних гасників коливань можна віднести всі листові ресори транспортних машин. Листові ресори забезпечують комплексне використання пружних сил і сил міжлистового тертя, вони служать для захисту підресорених мас від ударів з боку великих нерівностей дороги і для гасіння коливань. Принцип дії фрикційного гасника коливань заснований на використанні зовнішнього тертя і зношуванні поверхонь, що труться, обумовлює нестабільність його робочих характеристик при експлуатації.
Існує два основних способи оптимізації чи зниження негативного впливу фрикційних сил у ресорі: зменшення числа пар тертя і значень коефіцієнтів зчеплення і тертя.
Перший спосіб оптимізації робочих характеристик реалізується завдяки використанню пружних опор і впровадженню малоли-стових ресор зниженої металоємності (рис. 6.11),що мають також інші переваги перед багатолистовими ресорами.
Другий спосіб допускає зниження і стабілізацію коефіцієнтів зчеплення і тертя. Це досягається застосуванням пластмасових антифрикційних прокладок на кінцях аркушів. Найменші коефіцієнти зчеплення і тертя ковзання забезпечують фторопласти, що відрізняються винятково високою стабільністю.
Теоретичними й експериментальними дослідженнями встановлено, що найменш матеріаломісткі і найбільш компактні за однакової потужності гідравлічні гасники — гідроамортизатори (рис. 6.12). Вони піддаються регулюванню і мають стабільність робочих характеристик у широкому інтервалі частот коливань (до 20 Гц). Ці переваги властиві також пневмогідравлічним і гідравлічним пружним пристроям з дією, що гасить.
При виникненні різких коливань рами ходової частини зростає опір гідроамортизатора, тому що рідина в ньому не встигає проходити через канали в поршні. У результаті виникаючого гідравлічного гальмування гасяться коливання штока і зв'язаних 3 ним конструктивних елементів.
Розділ б
Гідроамортизатор схожий за поршневий насос. Відмінність полягає в тому, що рідина перекачується тільки всередині гасника з однієї камери в іншу по замкненому колу циркуляції. Тому амортизатори належать до одного з різновидів об'ємних гідравлічних машин, що працюють при середніх і високих тисках (телескопічні — при 3,0—7,5 МПа, важелеві — при 15—ЗО МПа).
Необхідний тиск досягається вибором конструктивних розмірів дроселюючої системи, що є сукупністю всіх прохідних каналів (постійно відкритих і перекритих клапанами), що поєднують одну робочу камеру з іншою чи робочі камери з допоміжними. Дроселююча система повинна бути так розрахована і виконана, щоб при всіх режимах роботи, включаючи екстремальні, забезпечувалася задана характеристика опору і необхідна інтенсивність гасіння коливань. Однією з найважливіших умов забезпечення надійності гідроамортизатора є застосування високоякісних робочих рідин.
Радикальне підвищення якості гідроамортизаторів може бути досягнуто завдяки впровадженню напівавтоматично й автоматично регульованих конструкцій.
У дорожньо-будівельних машинах успішно застосовують пасивну гідропневматичну систему віброізоляції й активну електрогідравлічну віброзахисну систему.
Комбінована ресорно-пневматична підвіска представлена на рис. 6.13. Листова ресора є одночасно пружним пристроєм, що гасить і направляє. У системах підвіски з використанням кручених пружин, торсионів, пневматичних пружніх елементів застосовують гідравлічні гасники коливань — гідроамортизатори. Крім того, гідроамортизатори встановлюють у системах віброзахисту (у підвісках кабіни, сидіннях, апаратурі тощо).
У несучих системах транспортних машин рекомендується застосовувати підвищений непружній опір — демпфірування, у тому числі кероване.
Дія ультразвуку (при механічній обробці матеріалів, зварюванні, лудженні тощо) відбувається через повітря і безросередньо при дотику людини до предметів. Фізіологічна дія ультразвуку викликає у тканинах людини тепловий ефект (підвищення температури), змінний тиск, втомлюваність, біль у вухах, порушує рівновагу та розвиває невроз і гіпотонію.
Для захисту організму людини від дії ультразвукових коливань насамперед запобігають безпосередньому контакту з ними Частин тіла й обмежують розповсюдження звукової енергії (як при захисті від шуму) шляхом влаштування екранів і звукоізо-люючих кожухів.
Ультразвукові коливання поділяють на:
— низькочастотні (1,12х 104 до 1,0 х 105 Гц), які розповсюджуються повітрям і контактним шляхом;
Виробнича вібрація та засоби захисту від неї
Питання для перевірки засвоєння матеріалу
1. Що називають "віброміцністю"?
2. Що таке "вібростійкість"?
3. Яка мета віброзахисту технічних об'єктів?
4. Що таке "вібрація"?
5. Чим характеризується вібрація?
6. Як розрізняють вібрацію?
7. Як поділяють вібрацію за напрямком дії?
8. Які існують категорії загальної вібрації, що діє на операторів будівельних машин?
9. Якими характеристиками вібропроцесу визначається дія вібрації на організм людини?
10. Які основні конструктивні засоби зменшення віброактив-ності?
11. Як поділяють віброізоляцію?
12. Що таке "силова (активна) віброізоляція"?
13. Що таке "кінематична (пасивна) віброізоляція"?
14. Для чого застосовують гасники?
15. Що використовують для гасіння коливань об'єктів у будів ництві?
16. Чим забезпечується віброзахист людини?
17. Що сприяє реалізації оптимальних динамічних систем?
18. Назвіть джерела коливань двигуна.
19. Що є вихідними даними для розрахунку віброізолятора?
20. З яких елементів складається типова схема підресорювання сидіння водія?
21. На які види поділяють амортизатори транспортних ма шин?
22. Як поділяють ультразвукові коливання?
23. Яку фізіологічну дію викликає ультразвук у тканинах людини?
24. Якого значення не повинні перевищувати допустимі рівні Ультразвуку в зонах контакту рук та інших частин тіла оператора з робочими органами приладів і установок?