Механические колебания. Вибрация


 Вибрация - вид механических колебаний, возникающих при передаче телу механической энергии от источника колебаний. Согласно ГОСТ 24346-80 "Вибрация. Термины и определения" вибрацией называют движение точки или механической системы, при котором происходит поочередное возрастание и убывание во времени значений, по крайней мере, одной координаты. Так же, как и шум, вибрация является одним из факторов физической среды обитания человека.

Вибрация как фактор производственной среды встречается в различных отраслях промышленности (металлургической, машиностроительной, химической, авиа- и судостроительной и других), на транспорте, в сельском хозяйстве. Она используется в ряде технологических процессов: при виброуплотнении, формовании, прессовании, вибрационном бурении, рыхлении, вибротранспортировке и т.д.

Вибрацией сопровождается работа стационарных и передвижных механизмов и агрегатов, в основу действия которых положено вращательное и возвратно-поступательное движение.

В условиях городской среды интенсивным источником вибраций являются рельсовый городской транспорт (трамвай, метрополитен), железнодорожный транспорт, инженеро-техническое оборудование зданий (лифты, насосные установки), система отопления, канализации, мусоропроводов.

1 Характеристика основных параметров вибрации

Вибрация – это механическое колебание упругих тел. Вибрация делится на транспортную, транспортно-технологическую и технологическую. Транспортная вибрация возникает в результате движения машин. Если одновременно с движением машин выполняется технологический процесс, то здесь имеет место транспортно-технологическая вибрация. Технологическая вибрация характерна при работе стационарных машин и технологического оборудования.

Основными параметрами, характеризующими вибрацию, являются:

1.                Амплитуда смещения (А, м, см) – величина наибольшего отклонения колеблющейся точки от положения равновесия;

2.                Амплитуда колебательной скорости (V, м/с, см/с) – максимальное значение скорости  колебательной точки. Скорость V (м/с) колебаний тела (точки) определяется по формуле:

V = 2pAf

 где А – амплитуда колебаний тела, м;

f – частота колебаний тела, Гц

3.                Амплитуда колебательного ускорения (w, м/с2, см/с2) максимальное из значений ускорения колебательной точки. Ускорение w (м/с2 ) колебаний тела определяется при А до 0,02 мм при f = 15 Гц из выражения:

w =4pAf2

4.                Период колебаний (Т, с) – время, в течение которого совершается одно полное колебание.

5.     Частота (f, Гц) – количество колебаний в секунду.

В практике виброакустических исследований весь диапазон частот вибрации разбит на октавные диапазоны, где верхняя граничная частота в два раза больше нижней.

Среднестатистические частоты октавных полос стандартизированы и составляют 2, 4, 8, 16, 32, 63, 125, 250, 500, 1000, 2000 Гц. От 16 до 32 Гц – низкочастотные октавные полосы, выше 32 Гц – высокочастотные. Учитывая, что абсолютные значения параметров, характеризующих вибрацию, изменяются в широких пределах, в практике виброакустических исследований используют понятия уровня параметров.

Уровень параметра – это логарифмическое отношение абсолютной величины параметра к некоторому его пороговому значению.

Логарифмическая величина, характеризирующая уровень виброскорости, Lv(дБ):




где V –фактическое значение виброскорости, м/с;

V0 – пороговая величина виброскорости принимается равной 5·10-8 м/с.

Логарифмическая величина, характеризирующая уровень виброускорения, Lw(дБ):                                      

где w - фактическое значение виброускорения, м/с2;

w0 – пороговая величина виброускорения, принимается равной 3∙10-4 м/с2.

 

 

Рис.1. Спектры вибраций:

а,б - дискретные; в - непрерывный;
г - непрерывный дискретный

Использование логарифмической шкалы для гигиенической оценки воздействия вибрации обусловлено еще и тем обстоятельством, что чувствительность организма к действию вибрации изменяется пропорционально логарифму интенсивности воздействия.

Вибрации, происходящие в реальных производственных условиях, представляют сложный колебательный процесс, состоящий из отдельных синусоидальных колебаний с различными частотами и амплитудами. Для характеристики таких вибраций используют спектры действующих значений параметров характеризующих вибрацию. Поскольку действие вибрации на организм определяется количеством энергии колебаний, а она в любой момент времени пропорциональна квадрату колебательной скорости, то основными характеристиками вибраций являются спектры уровней виброскорости. Они могут быть дискретными, сплошными (или непрерывными) и смешанными (рис. 1).

 

2 Действие вибрации на организм человека

Вибрация является одним из энергетических факторов,  обладающих высокой биологической активностью. Глубина, направленность и характер физиологических изменений различных систем организма определяется уровнем, спектральным составом вибраций, а также физиологическими свойствами тела человека.

Тело человека можно рассматривать как сложную колебательную систему, первичная механическая реакция которой на вибрацию предопределяет все последующие физиологические эффекты.

Действие вибрации на организм обусловлено следующими явлениями:

·        физическим воздействием на поверхность контакта;

·        распространением колебаний по тканям;

·        непосредственной реакцией на воздействия в органах и тканях и раздражением рецепторов.

На первом этапе воздействия вибрации определяющим является механический импеданс (сопротивление). Это важнейшая биодинамическая характеристика тела человека, зависящая от направления вибрации, точки ее приложения, положения тела, его мышечного тонуса.

Второй этап воздействия вибрации определяется механическими свойствами тканей и структур тела, третий этап - типом и количеством раздражаемых рецепторов.

В отличие от шума вибрацию человек ощущает при контакте с колеблющимися твердыми предметами: инструментом, оборудованием и т.д.

В зависимости от способа передачи на человека вибрацию различают общую и локальную.

Под общей вибрацией понимают вибрацию рабочего места, передающуюся через опорные поверхности на тело сидящего или стоящего человека. Вибрация, передаваемая через руки работающего, определяется как локальная.

Локальную вибрацию создают ручные машины ударного, ударно-вра-щательного и вращательного движения. К виброопасному оборудованию относятся клепальные, рубильные, отбойные молотки, бетоноломы, трамбовки, вибраторы, дрели, шлифовальные машины, электропилы и др. Воздействие вибрации усугубляется интенсивным шумом, возникающим при работе этих машин.

В производственных условиях чаще всего имеет место сочетание локальной и общей вибрации.

Таким образом при длительном воздействии вибрации на организм человека возникают заболевания двух видов: общие и местные (локальные).

Общие заболевания могут появиться через 4-12 месяцев, в тех случаях, если работа сопровождается постоянной вибрацией рабочих мест. При этом возникают головные боли, зрительные расстройства, возбудимость, повышение температуры, расстройства со стороны желудка и сердечно-сосудистой системы. На колебания с частотой ниже 20 Гц (при больших амплитудах вибрации) реагируют центры, ведающие равновесием нашего тела. Эти колебания вызывают «морскую болезнь».

Вибрация, передающаяся на организм человека, вне зависимости от места контакта распространяется по всему телу. Этому способствует относительно хорошая проводимость механических колебаний тканями тела, особенно костной системой. По мере удаления от места контакта интенсивность вибрации обычно ослабевает. Но на некоторых частотах интенсивность воздействия может возрастать на определенных частях тела вследствие резонансных явлений, обусловленных наличием собственной частоты колебаний разных частей тела.

Различные частоты вибрации по-разному действуют на организм человека. Для человека стоящего на вибрирующей поверхности имеется два резонансных пика: на частотах 5-12 Гц и 17-25 Гц, а для сидящего – на частотах 4-6 Гц. Для головы резонансные частоты лежат в области 20-30 Гц. Для большинства внутренних органов частота собственных колебаний лежит в диапазоне 3-5 Гц. Большую роль в проявлении резонанса имеет рабочая поза, которая трансформирует колебания, передающиеся на тело человека. Эффективность гашения телом механических колебаний в положении сидя  меньше, чем в положении стоя.

Колебания рабочих мест с указанными частотами очень опасны и могут привести даже к разрыву этих органов. Систематическое воздействие вибрации в резонансной или околорезонансной зоне может привести к вибрационной болезни, обусловленной стойким расстройством центральной нервной, вегетативной, сердечно-сосудистой систем, вестибулярного аппарата, нарушению обменных процессов.

Эти нарушения проявляются в виде головных болей, головокружения, плохого сна, нарушения сердечной деятельности.

Локальные формы заболеваний возникают при действии вибрации на отдельные участки тела (руки, ноги и др.). Локальная вибрация, передаваемая на руки работающих, может оказывать как непосредственное травмирующее действие в зоне контакта, так и опосредованное, воспринимаясь через механорецепторы нервной системы и влияя в первую очередь на нервную и сердечно-сосудистую системы.

Низкочастотная локальная вибрация приводит чаще всего к поражению мышц, так механическое сопротивление руки в этих условиях определяется жесткостью системы; ни масса, ни трение в этом диапазоне частот не влияют на механический импеданс.

Для высокочастотных вибраций область распространения ограничивается зоной контакта из-за больших потерь энергии в структурах тела. Передаваемая на руки вибрация, отражаясь от жестких структур (кости), создает высокую плотность энергии в мягких тканях и возбуждает более интенсивные колебания в стенках кровеносных сосудов. При этом возможны спазм и атония сосудов. Чем выше частота колебаний и меньше диаметр сосудов, тем выраженнее сосудистые изменения.

В целом происходят изменения нервной и костно-суставной систем, повышается артериальное давление, снижается мышечная сила, уменьшается вес человека, появляются спазмы сосудов. Срок развития болезни 3-8 лет. Локальная вибрация преимущественно средне-высокочастотная 35-125 Гц.

Все изменения и общих и локальных форм заболевания усиливаются в холодный период года и уменьшаются в теплый. Совокупность изменений в организме работающих, которые длительно контактируют с вибрацией, рассматривается как вибрационная болезнь. Виброболезнь относится к группе профессиональных заболеваний, эффективное лечение возможно лишь на начальной стадии, а в особо тяжелых случаях в организме наступают необратимые изменения, приводящие к инвалидности.

Воздействию вибрации подвергаются не только работающие; вибрация может привести к преждевременному износу, разгерметизации и разрушению производственного оборудования и инженерно-строительных сооружений. Передаваясь через грунт на стены зданий, вибрация способствует их неравномерной усадке, приводящей к разрушению.

3 Нормирование вибрации

Нормативными документами, регламентирующими параметры производ-ственной вибрации, являются:

1. ГОСТ 12.1.012-90 "Вибрационная безопасность.  Общие требования".

2. Санитарные нормы СН 2.2.4/2 1.8.566-96 "Производственная вибрация, вибрация в помещениях жилых и общественных зданий".

Гигиеническими характеристиками вибрации, определяющими ее воздействие на человека, являются среднеквадратические значения виброскоростиV (м/с) или логарифмические уровни виброскоростиLV (дБ) в октавных полосах частот, которые могут быть измерены с помощью приборов или вычислены по формулам:

V = 2pAf ,          

 где  А –  амплитуда механических колебаний, м;

f  частота механических колебаний, Гц;

V0 – условная среднеквадратичная скорость при пороговой величине звукового давления 2*10-5 Па для тона с частотой f = 1000 Гц;

V0 = 5·10-8 м/с.

Вибрация, воздействуя на человека, нормируется отдельно в каждой стандартной октавной полосе, различно для общей и локальной.

Общая вибрация нормируется с учетом свойств источника ее воздействия и делится на:

·        транспортную;

·        транспортно-технологическую;

·        технологическую.

Нормы по ограничению общих вибраций, т.е. вибраций рабочих мест, устанавливают величину логарифмического уровня колебательной скорости в октавных диапазонах со среднегеометрическими значениями:

2, 4, 8, 16, 32, 63 Гц,

а нормы по ограничению локальной вибрации – в октавных полосах частот со среднегеометрическими значениями:

16, 32, 63, 125, 250, 500, 1000 Гц.

         Гигиенические нормы производственной вибрации, воздействующей на человека на постоянных рабочих местах в производственных помещениях, приведены в таблице 2.

Для гармонических колебаний нормируемым параметром является амплитуда виброперемещения (мм), установленная с учетом частоты и характера выполняемой работы, которая используется для расчетов строительных конструкций при проектировании (таблица 3).

Таблица 2

Среднегеометрические частоты октавных полос, Гц

Общая вибрация

Локальная вибрация

V, м/с

L, дБ

V, м/с

L, дБ

2

1,30

108

 

 

4

0,45

99

 

 

8

0,22

93

5,00

120

16

0,20

92

5,00

120

32

0,20

92

3,50

117

63

0,20

92

2,50

114

125

 

 

1,80

111

250

 

 

1,30

108

500

 

 

0,90

105

1000

 

 

0,65

102

Примечание: гигиенические нормы вибрации установлены для длительности рабочей смены 8 часов.

Таблица 3

Допустимые амплитуды виброперемещения общей технологической

вибрации (для расчета строительных конструкций при проектировании)

Частота

Амплитуда виброперемещения, А.10-3 м

гармонической

составляющей, Гц

на постоянных рабочих местах в производственных помещениях

в производственных
помещениях без
вибрирующих машин

в помещениях административно-управленческих и для работников умственного труда

1

2

3

4

2

1,4

0,57

0,2026

1

2

3

4

4

0,25

0,1

0,0354

8

0,063

0,025

0,0090

16

0,0282

0,112

0,0039

31,5

0,0141

0,0056

0,0020

63

0,0072

0,0028

0,0010

Для других значений частот f гармонических колебаний амплитуда виброперемещенияАi определяется по интерполяционной формуле:

где - ближайшая к  меньшая частота (таблица 3), Гц;

А1 - амплитуда виброперемещения на частоте , м;

А2- амплитуда виброперемещения на ближайшей к большей частоте

(таблица 3), м.

Санитарные нормы СН 2.2.4/2 1.8.566-96 предусматривают нормирование локальной производственной вибрации, вибрации рабочих мест, вибрации в жилых помещениях, палатах больниц, санаториев, в административно-управленческих
помещениях общественных зданий. Согласно упомянутым нормам гигиеническая оценка вибрации, воздействующей на человека, должна производиться следующими методами:

·        частотным (спектральным) анализом нормируемого параметра;

·        интегральной оценкой по частоте  нормируемого параметра;

·        интегральной оценкой с учетом времени вибрационного воздействия по эквивалентному (по энергии) уровню нормируемого параметра.

При частотном анализе нормируемыми параметрами являются средние квадратические значения виброскорости и виброускорения или их  логарифми-ческие уровни Lv, Lw .

При интегральной оценке по частоте нормируемым параметром является корректированное значение виброскорости и виброускорения или их логарифмические уровни, измеряемые с помощью корректирующих фильтров или вычисляемые по формулам:

или

где: n - число частотных полос в нормируемом частотном диапазоне;

Ki, Lki-  весовые коэффициенты для i -ой частотной полосы соответственно для абсолютных значений или логарифмических уровней.

При интегральной оценке вибрации с учетом времени ее воздействия по эквивалентному уровню нормируемым параметром является эквивалентное корректированное значение виброскорости или виброускорения (Uэкв.) или их логарифмический уровень (Lэкв.), вычисленные по формулам:

где Ui- корректированное по частоте значение контролируемого параметра виброскорости (м/ч) или виброускорения (м2/с);

ti - время действия вибрации, ч;

n - общее число интервалов действия вибрации

 

4 Защита от вибрации

Общие методы снижения вибраций основаны на анализе уравнений, описывающих колебания машин и аппаратов. Как правило, эти уравнения достаточно  сложны, поскольку любое технологическое оборудование – это система со многими степенями подвижности, имеющая ряд резонанских частот. Если для простоты анализа принято, что на систему действует переменная возмущающая сила, подчиняющаяся синусоидальному закону, то уравнение, выражающее связь между амплитудами виброскорости (Vm) и возмущающей силы (Fm), имеет вид:

где: m - масса системы, кг ;

q - коэффициент жесткости системы, Н/м;

w - угловая частота возмущающей силы, рад/c.

Знаменатель в данном уравнении выражает полное механическое сопротивление системы воздействию возмущающей силы, при этом величина m характеризует активную часть этого сопротивления, а величина () - реактивную часть.

В режиме резонанса, когда частота колебаний системы равна частоте возмущающей силы,  ,реактивное сопротивление равно нулю и амплитуда колебаний резко возрастает.

Анализ приведенного уравнения позволяет определить основные технические меры борьбы с вибрацией:

1. Снижение вибраций воздействием на источник возбуждения:

·        совершенствование кинематических схем (изыскание конструкций для безударного взаимодействия деталей, увеличение жесткости или массы для уменьшения амплитудных колебаний, устранение резонансных явлений);

·        замена возвратно-поступательного движения вращательным;

·        соединение трубопроводов с установками при помощи гибких патрубков.

Меры первой группы должны быть реализованы еще на стадии конструирования машин и проектирования  технологических  процессов.  При  этом особое  внимание  должно  быть  уделено исключению или максимальному сокращению динамических процессов,  вызванных ударами, резкими ускорениями.  Эти  меры  совпадают с мерами защиты от механического шума (см. защиту от шума).

2. Устранение резонансных режимов при работе технологического
оборудования
:

·        изменением характеристик системы (массы или жесткости);

·        установлением нового рабочего режима.

3. Вибродемпфирование – это процесс уменьшения уровня вибраций защищаемого объекта путем превращения энергии механических колебаний данной колеблющейся системы в тепловую энергию. Вибродемпфирование может быть осуществлено путем использования композиционных материалов, в частности, двухслойных – сталь-алюминий, сталь-медь. Наиболее предпочтительным является использование в качестве конструкционных материалов пластмасс, дерева, резины.

Жесткие вибродемпфирующие покрытия:

·        многослойные – выполненные из слоя вязкоупругого материала (твердой пластмассы, рубероида, изола, битумизированного войлока) и слоя фольги, увеличивающей жесткость покрытия;

·        металлические покрытия (на основе меди, алюминия, свинца, олова).

Мягкие вибродемпфирующие покрытия – мягкие пластмассы, материалы типа резины (пеноэласт, технический винипор), поливинилхлоридный пластик, пенопласт.

4. Виброгашениеприсоединение к защищаемому объекту системы, реакции которой уменьшают размах вибрации объекта в точках присоединения системы.

Динамическоевиброгашение осуществляют установкой машин и агрегатов на фундаменты, массу которых рассчитывают так, чтобы амплитуда колебаний подошвы фундамента не превышала 0,1-0,2 мм, а для отдельных сооружений - 0,005 мм.

Кроме этого, увеличение реактивной составляющей сопротивления колебательной системы может быть произведено с помощью динамических виброгасителей, которые представляют собой колебательную систему, собственная частота которой настроена на основную частоту колебаний данного объекта. Виброгаситель жестко крепится на вибрирующем объекте и потому в нем возникают колебания, находящиеся в противофазе с колебаниями этого объекта.

5. Виброизоляция. В тех случаях, когда перечисленные выше меры защиты оказываются недостаточно эффективными и не удается снизить уровень вибрации до допустимых  значений, используют виброизоляцию. Она основана на уменьшении передачи колебаний от источника возникновения защищаемому объекту с помощью устройств, помещаемых между ними. Между источником колебаний и защищаемым объектом появляется упругая связь, ослабляющая уровень вибрации. В качестве таких упругих элементов могут быть использованывиброизоляторы в виде пружин, рессор, резиновых прокладок и т.д.

Виброизоляторы– снижают виброизоляцию за счет деформации упругих элементов.

6. Изменение конструктивных элементов машин и строительных конструкций.

Рабочим, выполняющим работу с ручным виброинструментом, должны выдаваться средства индивидуальной защиты. Это рукавицы, перчатки, гасящие вибрацию, специальная обувь с использованием упругодемпфирующих материалов. Работа с вибрирующим оборудованием должна проводиться в отапливаемых помещениях с температурой воздуха не менее 16о С при влажности 40-60% и скорости движения воздуха не более 0,3 м/с.