Нет колебаниям

Вибрация – это колебательное движение элементов машин, их отдельных узлов. Вибрации сопровождают работу каждой машины, и они особенно интенсивны в машинах, где вибрационные явления используются для различных технологических процессов. Вибрации играют исключительную роль в современной технике. С каждым годом существенно возрастает спектр вибраций – от долей герц до сотен мегагерц. Соответственно усиливается негативное влияние на человека – оператора упаковочной техники. В рамках одной статьи мы попытаемся рассмотреть эту проблему, а также возможные пути ее решения.

Проблема виброзащиты, в широком понимании этого слова, представляет собой проблему защиты окружающей среды и охраны природы и имеет международное значение. Работами по устранению вредных воздействий вибрации занимались многие выдающиеся ученые, такие, как: Боголюбов Н. Н., Фролов К. В., Болотин В. В., Генкин М. Д., Блехман И. И. и другие. Однако не все достижения, к сожалению, воплощаются в технике по причине недооценки воздействия колебаний на работоспособность оборудования и здоровье человека.

Характерной особенностью современных машин являются большие мощности, высокие скорости рабочих процессов и значительные усилия, возникающие в процессе работы. Современное оборудование вообще работает в тяжелых динамических условиях. Работа практически любого оборудования, как уже говорилось выше, сопровождается вибрациями и ударами. Знакопеременные напряжения, вызванные вибрационными воздействиями, приводят к накоплению повреждений в материале, что вызывает появление усталостных трещин и разрушение. Кроме усталостных разрушений наблюдаются явления, приводящие к постепенному ослаблению неподвижных соединений («разбалтывание») и относительному смещению сопряженных поверхностей в соединениях. При этом изменяется структура поверхностных слоев сопрягаемых деталей, возрастает их износ и, как результат, уменьшение силы трения в соединении, что вызывает изменение диссипативных свойств объекта (диссипация – способность к рассеиванию энергии – характеризует переход части механической энергии в другие формы, обычно в тепло, за счет наличия сил сопротивления), смещает его собственные частоты, а также наблюдаются прочие вредные явления. В резьбовых соединениях для борьбы с самоотвинчиванием, вызванным вибрацией, применяется стопорение (например, устанавливаются гайки увеличенной высоты, контргайки, пружинные шайбы, «сажают на краску» и т. п.). Это вызывает определенные трудности: увеличивает стоимость, усложняет и удлиняет технологию сборки и разборки при ремонте, а в случае применения краски серьезно затрудняет последнюю, причем повторное использование элементов резьбовых соединений зачастую невозможно (кто откручивал что-либо, «посаженное на краску», подтвердит). И если отвинтившуюся гайку можно подтянуть и застопорить, то неразъемные соединения, например заклепочные или сварные, придется переделывать. Подвижные соединения узлов и деталей оборудования, выполняемые с зазорами, под действием вибрационных сил, могут работать с соударениями сопрягаемых поверхностей, что приводит к их разрушению. Вибрационные и ударные воздействия, не вызывая разрушение оборудования, могут приводить к нарушению его нормального функционирования.

Комбинация сил

Практически во всех автоматических линиях имеет место комбинация вибрационного и ударного воздействия. Если при вибрационном воздействии нагрузки изменяются плавно во времени в зависимости от частоты возмущений, то ударные воздействия, в силу своей природы, создают силы, приводящие к значительному изменению скоростей точек объекта. Удар, являющийся совокупностью явлений, возникающих при столкновении движущихся деталей, длится малое количество времени – 10^-4-10^-5 с. За это врем силы в точке контакта изменяются в широких пределах и достигают значений, при которых средние напряжения на площадках контакта имеют порядок 100 тыс. атмосфер. Следствиями ударного воздействия могут быть остаточные деформации, звуковые колебания, нагревание деталей, изменение механических свойств их материалов, а при скоростях соударения, превышающих критические, – разрушение деталей в месте ударного возмущения (критическая скорость, медь – 15 м/с, сталь – 150 м/с и более). Механические воздействия влияют на точность приборов, устанавливаемых в системах управления движением и служащих для измерения движения. Под действием вибрации и ударов резко увеличивается количество ошибок измерений, производимых приборами, устанавливаемыми в системах управления движением для измерения параметров того же движения. Электронные устройства также подвержены неблагоприятному воздействию вибрации. Электроника, как известно, наука о контактах. А контакт как раз и теряется вследствие того, что пайка разрушается, разъединяются штыревые соединения (вилки выскакивают из розеток), причем контакт может потеряется не полностью. Бывает также, что контакт возникает там, где он не требуется. Ярким примером (причем зачастую очень ярким и даже очень громким) может служить короткое замыкание, особенно проводов питания. Изоляция спасает лишь в том случае, если она не перетирается вследствие пространственных перемещений и контактного взаимодействия с элементами конструкции под действием вибрации. Предотвратить вышеназванные явления очень сложно, чаще всего невозможно (например, если усилия, возникающие при вибрации, превышают предел прочности пайки). Найти неисправность и ликвидировать ее также очень сложно, во всяком случае, гораздо сложнее, чем в механике. Использовать некоторые весьма полезные устройства, такие, как «винчестер», в условиях вибрации нельзя, т. к. она для них просто смертельна.

Вибропрочность

Способность оборудования не разрушаться при механических воздействиях принято называть вибропрочнстью оборудования. Как правило, разрушение узлов оборудования при вибрационных возмущениях происходит из-за резонансных явлений. Разрушение встречается лишь при грубых нарушениях правил проектирования оборудования и встречается достаточно редко. Чаще встречается проблема нормального функционирования оборудования, характеризующаяся виброустойчивостью. Недостаточная способность нормально функционировать под действием вибрации часто приводит к отказам различных узлов оборудования, т. е. нарушениям работы без необратимых изменений.

Вибрация, возникающая при работе машин различных типов, влияет не столько на технические объекты, сколько на людей, находящихся вблизи источника вибрации. Длительное воздействие вибрации нарушает нормальное состояние человека и непосредственно влияет на производительность труда и качество выполняемой работы.

Человек и машина

В современных условиях отдельно взятая машина уже потеряла свое доминирующее значение – сегодня характерными являются линии машин, объединенные современными системами управления, включая работника – оператора. Профессиональное заболевание опытного работника (проработавшего на оборудовании более шести лет) приводит к экономическим потерям, соизмеримым с выходом из строя автоматизированной линии на аналогичное время. Человек и оборудование следует рассматривать как единое целое. Введение электронных систем приводит к повышению нервно-психологической нагрузки на человека и, к сожалению, не избавляет его от вредных последствий вибрационного воздействия.

Различают вредные нарушения физиологического и функционального состояния. Симптомами физиологического нарушения являются головная боль, онемение пальцев рук, боли в кистях и предплечье, судороги, смещение порогов болевой чувствительности, повышение чувствительности к охлаждению, бессонница. При подобных нарушениях или, иначе говоря, вибрационной болезни возникают и развиваются патологические изменения спинного мозга, сердечно-сосудистой системы, костных тканей и суставов, изменяется капиллярное кровообращение. Функциональные нарушения выражаются в ухудшении зрения, изменении реакции нарушении координации движений, возникновении галлюцинаций, а также в более быстрой утомляемости. В качестве примера, тоническое напряжение мышц под действием вибрации приводит к нарушениям равновесия. В частности, вибрация сухожилий передних большеберцовых мышц приводит к отклонению тела вперед.

Влияние вибрации на различные органы человека и на состояние человека в целом интенсивно изучаются с 50-х гг. прошлого века. Как показали работы Института машиноведения (ИМАШ), наиболее значительные нарушения для здоровья отмечены для водителей транспортных средств, пилотов и работников с пневмоинструментом. В меньшей степени страдают работники других отраслей. При этом, в зависимости от характера применяемого оборудования, возникают различные профессиональные заболевания. Вибрация является очень сильным катализатором, способствующим проявлению скрытых и сложно диагностируемых на начальном этапе развития. При длительном воздействии вибрации малой амплитуды происходит накопление вредного эффекта, как при воздействии электромагнитного излучения. Поэтому были выработаны ряд рекомендаций, некоторые из которых вошли в ГОСТы. К сожалению, не везде данные рекомендации учитываются. Это приводит к экономии в малом на короткий период времени и созданию больших проблем со здоровьем персонала в последующем. Сухие высказывания о вреде вибрации мало о чем говорят. Поэтому в качестве иллюстрации приведем пример из работы Мелькумовой А. С., "Клиника и патогенез вибрационных заболеваний". Рассмотрим опыт с собакой, которую поместили на вибростенд, и в течение длительного времени подвергали воздействию внешних возмущений. Через две недели животное перестало чувствовать боль (не реагировала на уколы). Через месяц не могла воспринимать окружающих и не реагировала на движение (атаксия). Через три месяца начала отказываться от пищи, а также наблюдалось резкое похудание, расстройства. Человек, также как и животное, является млекопитающим, поэтому аналогичные процессы происходят и с ним. Различие наблюдается только в диапазоне частот и интенсивности воздействия (дозы вибрационного воздействия).

Основные нормы, регламентирующие допустимые уровни вибрации, изложены в: следующих нормативных документах.

1. Вибрация. Общие требования безопасности, ГОСТ 12.1.012-90, действует с 1990 г.

2. Санитарные нормы допустимых вибраций в жилых домах, Минздрав СССР, введен в 1981 г.

3. Оценка воздействия на человека общей вибрации. Общие требования. Международный стандарт ISO 26310-85, введен с 1985 г.

4. Вибрация. Допустимые уровни общей вибрации на рабочих местах. Стандарт СЭВ 1932-79, введен в 1982 г.

Вибрационное воздействие

Рассмотрим схему типичного процесса производства на линии (см. рисунок 4) на примере производства пельменей.

Выявим основные источники вибрационного воздействия. Косвенные признаки, по которым можно определить узлы, представляющие интерес: механизмы плоскопараллельного движения, узлы, имеющие повышенный шум, большой износ, частые сбои системы управления.

Основным источником вибраций является силовой привод всех подсистем, входящих в линию. Кроме него возможны вибрации от циклически или ударно двигающихся частей.

Так, в рассматриваемой линии, в зависимости от блоков, возможны превышения уровней вибрации в следующих узлах:

1) тестораскатка (вибрации при изменении давления и колебания прижимных механизмов);

2) система раздачи (периодичность подачи приводит к необходимости применения ударных процессов);

3) конвейер (колебания в процессе движения, в том числе и виброударные режимы);

4) тестомес (вибрации в процессе работы);

5) циклон-измельчитель обрезков текста (колебания роторов при осуществлении резки).

При упаковке в любой линии применяется нагревание, горячее формование, расфасовывание, сваривание, вырубка. Перечисленные процессы могут выполняться либо на отдельных типах оборудования, входящих в состав линии, либо в едином корпусе, как это показано на рис. 5, для фасовочно-упаковочных машин. Основные вибрационные процессы происходят на стадиях формовки и вырубки как наиболее энергоемких и требующих применения механизмов с возвратно-поступательным движением.

Необходимость снижения вибраций обуславливается слабой защитой блока управления и элементов коммутации от колебаний перечисленных выше устройств. Стандарты по оборудованию за рубежом значительно менее жесткие по сравнению с российскими. Этим пользуются, когода говорят, что оборудование соответствует стандартам ЕС. В области низких частот, не слышимых для человека (инфразвук), но на которых происходят резонансные явления основных наших внутренних органов, стандарты ЕС не учитывают всего спектра воздействий. Характерной особенностью является то, что уровень вибрационного воздействия упаковочного оборудования не указывается в рекламных проспектах. Для примера фирма Honda указывает уровень шума на всю свою продукцию, хотя уровень шума от одного двигателя значительно меньше, чем от автоматической линии по упаковке. Этот аспект не позволяет утверждать, что все упаковочное оборудование безопасно по нормам вибро- и шумобезопасности и имеет высокую вибропрочность и виброустойчивость.

Способы защиты

Цель виброзащиты технического оборудования сводится к повышению его вибропрочности и виброустойчивости.

Снижение вибрационного воздействия на систему «оборудование – человек-оператор» достижимо как динамическим гашением, так и виброизоляцией.

Кроме того, возможно внесение изменений в конструкцию либо путем уменьшения уровней механических воздействий, возбуждаемых источником (снижение виброактивности источника), либо изменением конструкции объекта, при котором заданные механические действия будут вызывать менее интенсивные колебания оборудования или отдельных его узлов (внутренняя виброзащита объекта).

Внесение изменений в конструкцию оборудования необходимо четко согласовывать с производителем. Поэтому способы, требующие кардинального изменения конструкции трудно реализуемы.

Серийное оборудование можно улучшить либо применяя динамическое гашение колебаний, либо различные способы ослабления связей между источником и оборудованием, используя различные типы виброизоляции.

Рассмотрим каждый метод более подробно.

Виброизоляция сводится к уменьшению динамических воздействий, передаваемых оборудованию, за счет ослабления связей между источником колебаний и объектом виброзащиты. Ослабление связей сопровождается возникновением некоторых нежелательных явлений. При применении виброизоляции увеличиваются статические смещения узлов оборудования относительно источника возмущений, возрастают амплитуды относительных колебаний при низкочастотных воздействиях и при ударах, увеличиваются габариты. Поэтому применение виброизоляции как метода виброзащиты обычно требует нахождения компромиссного решения, удовлетворяющего множеству разнообразных требований. Компоновка подвеса осуществляется из серийно выпускаемых виброизоляторов, различающихся упругодемпфирующими характеристиками (различным сочетанием виброизолирующих ударно защитных свойств), долговечностью, габаритами, способом монтажа.

 Метод динамического гашения колебаний состоит в присоединении к объекту виброзащиты дополнительных устройств с целью изменения его вибрационного состояния. Проще говоря, динамическое гашение сводится к присоединению к узлу оборудования динамического гасителя. Работа динамических гасителей основана на формировании силовых воздействий, передаваемых на объект. Динамический гаситель формирует дополнительные воздействия, прикладываемые к узлу в точках присоединения гасителя. Динамическое гашение осуществляется при выборе параметров гасителя, при котором воздействие гасителя направлено в противофазе динамическому воздействию от источника возбуждения и компенсирует его.

Изменение вибрационного состояния оборудования при присоединения динамического гасителя может осуществляться как путем перераспределения колебательной энергии от объекта к гасителю, так и в направлении увеличения расстояния энергии колебаний. Перераспределения колебательной энергии реализуется изменением настройки системы «объект – гаситель» по отношению к частотам действующих вибрационных возмущений путем коррекции упругоинерционных свойств системы (Бабицкий В. И. Вибрации в технике. Справочник под ред. Фролова К. В., т. 6. Защита от вибраций и ударов). Присоединяемые гасители используют свою инерционность для настройки на требуемую частоту и поэтому их принято называть инерционными динамическими гасителями (ИДГ). ИДГ применяют для подавления моногармонических или узкополосных случайных колебаний.

При действии вибрационных нагрузок более широкого частотного диапазона более эффективно увеличивать рассеяние энергии колебаний. Это достигается повышением диссипативных свойств системы путем присоединения к объекту дополнительных специально демпфируемых элементов. Динамические гасители диссипативного типа называют иногда поглотителями колебаний.

Разделение динамических гасителей на ИДГ и поглотители условно. Дело в том что реальные конструкции выполняются с учетом комбинирования гашения основных частот возмущений и поглощения вибрационного воздействия на остальных частотах. Подобные устройства называют динамическими гасителями с трением. Они осуществляют одновременную коррекцию упругоинерционных и диссипативных свойств системы.

При реализации динамических гасителей противодействие колебаниям объекта осуществляется за счет реакций, передаваемых на него присоединенными телами. Поэтому значительные усилия при ограниченных амплитудах корректирующих масс могут быть достигнуты лишь при относительно большой массе (моменте инерции) присоединенных тел, составляющей 5-20 % приведенной массы исходной системы по соответствующей форме колебаний, в окрестности частот которой выполняется гашение.

Динамические гасители применяют для достижения локального эффекта: понижения виброактивности ответственных узлов оборудования в местах крепления гасителей. Это может привести к ухудшению вибрационного состояния в других, менее ответственных узлах.

Динамические гасители могут быть конструктивно реализованы на основе пассивных элементов (масс, пружин, демпферов) и активных, имеющих собственный источники энергии (систем автоматического регулирования, использующих электрические, гидравлические и пневматические управляемые элементы)

Динамическое гашение применимо для всех видов колебаний (продольных, изгибных, крутильных) при этом вид колебаний, осуществляемых присоединенным устройством, как правило, аналогичен виду подавляемых колебаний.

В процессе создания устройств по гашению колебаний и виброизоляции различных промышленных объектов современной наукой накоплен огромный потенциал. Исследования в области виброозащиты, проводимые ИМАШ РАН позволяют эффективно бороться с вредными последствиями вибрации и использовать положительные стороны, повышая эффективность оборудования, работающего в виброударных режимах. В зависимости от спектра колебаний может быть создана эффективная система защиты комбинированием динамических и виброизолирующих свойств.

Дмитрий Ларионов,

Брысин А. Н.

2003 #2

Версия для печати