Вибрация машин - Томский политехнический университет

Министерство образования и науки Российской Федерации
Томский политехнический университет
УТВЕРЖДАЮ
Директор ЭЛТИ
____________ Суржиков А. П.
«____» ___________ 2009 г.
ВИБРАЦИЯ МАШИН
Методические указания к выполнению лабораторной работы
по курсу «Безопасность жизнедеятельности» для студентов
всех специальностей
Томск 2009 г.
УДК 628.517 (083.75)
Вибрация машин.
Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу
“Безопасность жизнедеятельности” для студентов всех специальностей.
Томск: Изд. ТПУ, 2009. – 9 с.
Составитель
Рецензент
доц., к.т.н. В.Н. Извеков
доц., к.т.н. А.М. Плахов
Методические указания рассмотрены и рекомендованы методическим семинаром кафедры экологии и безопасности жизнедеятельности
Зав. кафедрой
2
В.Ф.Панин
ЦЕЛЬ РАБОТЫ:
1. Получить общие понятия о вибрации машин и санитарногигиеническом нормировании параметров вибрации.
2. Ознакомиться с некоторыми методами расчёта и измерения параметров вибрации.
3. Научиться определять качество виброизоляции агрегатов.
4. Освоить метод балансировки деталей типа диск.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВИБРАЦИИ МАШИН
Вибрацией называется механические колебания тел, характеризующиеся периодичностью изменения параметров.
Вибрация машин возникает в результате целого ряда причин (неправильной балансировки, регулировки, установки машин, имеющих вращающиеся узлы или органы с движениями возвратно-поступательного и
ударного характера и т.п.).
Колебательное движение характеризуется: амплитудой смещения А,
периодом Т, частотой колебаний f.
Амплитуда упругих колебаний А - это наибольшее смещение колеблющейся точки от положения равновесия. Измеряется она в сантиметрах.
Двойное значение амплитуды называется размахом колебания (2А = S).
Время, в течение которого колеблющееся тело совершает одно полное колебательное движение, называется периодом колебания. Зная период, можно определить частоту колебаний. Для этого используется выражение
f = 1/Т
(1).
Кроме амплитуды и частоты, колебательное движение характеризуется скоростью и ускорением. Скорость колебательного движения может
быть определена по выражению
v = 2fA, см/с
(2),
а ускорение по выражению
g = 42f2A, см/с2
(3).
Работа каждой машины в той или иной мере сопровождается вибрацией. Вред вибрации обусловлен тем, что человек, находящийся на вибрирующем полу (общая вибрация) или контактирующий участками своего
тела с вибрирующими поверхностями машин и инструментов (локальная
вибрация) может заболеть специфической профессиональной болезнью.
Эта болезнь называется вибрационной.
Вибрация вредна не только для здоровья человека. Распространяясь
в окружающей среде, вибрация разрушающе действует на строения и со-
3
оружения, вызывает более быстрый износ деталей и узлов машин, нарушает показания измерительных приборов, способствует ухудшению качества выпускаемой продукции и возникновению брака.
Для ограничения вибраций и сведения их до допустимых пределов
разработаны специальные нормы. Эти нормы делятся на санитарно-гигиенические и инженерно-технические.
Санитарно-гигиенические нормы (СН 2.2.4/2.1.8.566-96 «Производственная вибрация. Вибрация в помещениях жилых и общественных зданий») указывают такие значения параметров вибрации, превышение которых недопустимо, т.к. это может привести к возникновению у человека
вибрационной болезни. Нормируемыми параметрами вибрации являются
величины колебательной скорости и ускорения в октавных полосах частот
или амплитуды перемещения, возбуждаемые работой оборудования и передаваемые на рабочие места в производственных помещениях (сидения,
пол, рабочая площадка). Гигиеническая оценка воздействующей на работника постоянной вибрации (общей и локальной) проводится на основе
нормативных документов Р 2.2.2006-05 «Руководство по гигиенической
оценке факторов рабочей среды и трудового процесса» и СН
2.2.4/2.1.8.566-99 методом интегральной оценки по частоте нормируемого
параметра. При этом для оценки условий труда измеряют или рассчитывают корректированный уровень (значение) виброскорости или виброускорения (согласно приложению к СН 2.2.4/2.1.8.566-99). Гигиеническая
оценка непостоянной вибрации (общей, локальной) проводится методом
интегральной оценки по эквивалентному уровню нормируемого параметра. При этом для оценки условий труда измеряют или рассчитывают
корректированный уровень (значение) виброскорости или виброускорения
(согласно приложению к СН 2.2.4/2.1.8.566-99). Класс условий труда определяется в соответствии с таблицей 3.
Нормирование производственной вибрации в инженерно-техническом аспекте предусматривает указание таких параметров вибрации, которые допустимы на рабочих местах при проектировании строительных конструкций для различных условий воздействия вибраций (ГОСТ 12.1.01290 «Допустимые амплитуды перемещения на рабочих местах при проектировочных расчетах строительных конструкций для различных условий
воздействия вибраций»). Допустимые амплитуды перемещений приведены
в таблице 5.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ВИБРОСТЕНДА
Вибростенд (см. Рис. 1) состоит из электродвигателя 1 и несбалансированного диска 2, установленного на его валу. Электродвигатель укрепляют на плите 3. Плита с электродвигателем отделена от основания 4 сис-
4
темой амортизаторов 5. Для регистрации смещения плиты электродвигателя используются индуктивный датчик 6 и осциллограф 7. Число оборотов электродвигателя определяется с помощью тахогенератора или тахометра 8 и вольтметра 9, отградуированного в единицах чисел оборотов
9
8
2
1
7
10
.
3
2
6
4
3
5
Рис.1. Схема лабораторного вибростенда.
(об/мин). Вращающийся диск вибростенда закрывается защитным кожухом, который крепится к основанию плиты. На диске 2 на одном и том же
радиусе равномерно друг от друга установлено 8 крепёжных болтов 10,
необходимых для производства балансировки. Двигатель подсоединён к
щиту управления с помощью штепсельного разъёма. Его пуск осуществляется кнопочным пускателем.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Определение параметров вибрации несбалансированного агрегата и
сопоставление их с санитарно-гигиеническими и инженернотехническими нормами
Включается двигатель вибростенда. Включение и настройку осциллографа производит преподаватель. После пуска двигателя производится
5
измерение и подсчёт параметров вибрации. Предполагается, что обслуживающий этот агрегат человек находится на плите 3.
При пуске двигателя на экране осциллографа появляется вертикальная светящаяся полоса. Это размах колебания плиты, увеличенный в 150
раз. Измерив размах, по формуле (4) определяется амплитуда колебания А.
А = S/150  2,
(12),
где S - размах колебания, см ;
150 - коэффициент усиления осциллографа.
Частота вибрации подсчитывается по формуле:
f = n/60,
(13),
где n - число оборотов диска.
Скорость колебательного движения определяется по формуле (2).
Полученные данные вносятся в таблицы 1 и 2. В эти же таблицы вписываются допустимые по санитарно-гигиеническим нормам значения скорости колебательного движения, а по инженерно-техническим нормам значения амплитуды, взятые из таблиц 4 и 5. По данным, внесённым в таблицы, делаются выводы о допустимости измеренных параметров вибрации.
2. Определение параметров вибрации несбалансированного
агрегата при его установке на амортизаторах
Между верхней 3 и нижней 4 площадками стенда установлены амортизаторы. Требуется замерить амплитуду вибрации и определить значение
виброскорости в точке основания 4. Предполагается, что после установления амортизаторов обслуживающий персонал будет находиться не
на плите 3, а на основании 4. Для замера индуктивный датчик 6 необходимо переставить с верхней плиты 3 на основание 4. Затем включается
двигатель и с экрана осциллографа снимается величина размаха колебания.
Значение амплитуды определяется по формуле (4), а виброскорости
по выражению (2). Полученные данные записываются в соответствующие
графы таблиц 1 и 2. Сравнивая эти данные с нормами, делается вывод о
допустимости значений параметров вибрации.
3. Определение собственной частоты колебания
вибростенда
При проведении работы по уменьшению вибрации агрегатов, передаваемой на фундамент, необходимо знать частоту собственных колебаний этого агрегата fo. Значение частоты собственных колебаний агрега-
6
та позволяет в ряде случаев избежать поломок и аварий, обусловленных
постоянной работой агрегата в режиме резонансных колебаний.
Явление резонанса возникает в том случае, когда частота возбуждающей силы вибрации f, например, плохо сбалансированного вращающегося узла агрегата совпадает с частотой собственных колебаний этого агрегата, т.е. когда наблюдается равенство f = fo. Соблюдение частот ведёт к
возрастанию амплитуды вибрации агрегата.
Для определения частоты собственных колебаний вибростенда необходимо построить графическую зависимость амплитуды колебаний вибростенда от числа оборотов двигателя А = f(n).
Это осуществляется следующим образом. Первая точка указанной
зависимости снимается после включения электродвигателя вибростенда и
окончания периода его разгона (1150 об/мин), а последующие точки при
1000, 900, 800, 700, 600 и 500 об/мин. Так как стенд не имеет устройства
для регулировки числа оборотов двигателя, то получение данных для построения необходимых точек производится посредством пуска двигателя и
снятия необходимых показаний во время замедления его вращения. Одновременное снятие значений числа оборотов n и величины амплитуды А
возможно только при чёткой организации работы.
По полученным данным строится графическая зависимость А = f(n).
Таблица 1
Данные сопоставления параметров вибрация стенда
с санитарно-гигиеническими нормами
Замеренные и подсчитанные
параметры вибрации стенда
Амплитуда
1
Частота
2
Виброскорость
3
Допустимые
Значение вибро- Значение вибросзначения виброскорости после
корости после
скорости по нор- установки агрегата
производства
мам
на амортизаторе
балансировки
диска
(см/с)
(см/с)
(см/с)
4
5
6
7
Таблица 2
Данные сопоставления параметров вибрации
стенда с инженерно-техническими нормами
Замеренные параметры
вибрации стенда
Число оборотов агрегата,
об/мин.
1
Допустимые
значения
амплитуды
по нормам,
(см)
3
Амплитуда, см
2
Значения амплитуды при установке
агрегата на амортизаторах , (см)
Значение амплитуды
после балансировки
диска, (см)
4
5
Таблица 3
Классы условий труда в зависимости от уровней локальной и общей вибрации по СН 2.2.4/2.1.8.566-96
Фактор, показатель, ед. измерения
Вибрация локальная,
эквивалентный корректированный уровень
виброскорости, виброускорения (дБ/раз)
Вибрация общая, эквивалентный корректированный уровень
виброскорости, виброускорения (дБ/раз)
Допустимый,
кл. 2
Вредный,
кл. 3.1
Вредный,
кл. 3.2
Вредный,
кл. 3.3
Вредный,
кл. 3.4
Опасный, кл.
4
Превышение ПДУ (дБ/раз)
ПДУ
3/1.4
6/2
9/2.8
12/4
>12/4
ПДУ
6/2
12/4
18/6
24/8
>24/8
Таблица 4
Допустимые амплитуды перемещений А, м . 10 по ГОСТ 12.1.012-99
-3
f, гармонич. составляющей, Гц
Постоянные рабочие
места стационарных
машин в производственных помещениях
В производственных
помещениях, не имеющих источников
вибраций
В помещениях работников умственного
труда и персонала, не
занимающихся физическим трудом
2
4
8
16
31,5
63
1,4
0,25
0,063
0,0282
0,0141
0,0072
0,57
0,10
0,025
0,0112
0,0056
0,0028
0,2026
0,0354
0,0090
0,0039
0,0020
0,0010
8
Для других частот fi допустимые амплитуды перемещений можно
определить из соотношения
lg Ai = lg (fi /f1)((lg (A2/A1)/lg 2)) + lg A1
(14),
где f1 – ближайшая к fi меньшая частота; А1 – амплитуда на частоте f1; А2 –
амплитуда на частоте, ближайшей большей к f1.
Таблица 5
ПДУ вибрации технологической тип 3а (на постоянных местах) по СН
2.2.4/2.1.8.566-96
V, м/с
f ср.
геом., Гц
2
4
8
16
31,5
63
1/3 окт.
0,079
0,056
0,056
0,110
0,220
0,450
1/1 окт.
0,14
0,10
0,10
0,20
0,40
0,79
Lv, дБ
1/3 окт.
98
95
95
101
107
113
1/1 окт.
103
100
100
106
112
118
а, м/с2
1/3 окт.
0,63
0,22
0,11
0,11
0,11
0,11
1/1 окт.
1,3
0,45
0,22
0,2
0,2
0,2
Lа, дБ
1/3 окт.
102
93
87
87
87
87
1/1 окт.
108
99
93
92
92
92
По мере уменьшения числа оборотов плавно уменьшается амплитуда
А. Однако при совпадении частот f и fo за счёт наступления явления резонанса будет наблюдаться всплеск (возрастание) амплитуды. Установив
число оборотов двигателя, соответствующее резонансу np по формуле
fo = np /60
(15),
можно определить частоту собственных колебаний вибростенда fo.
4. Определение эффекта существующей виброизоляции стенда
Показателем качества виброизолятора является коэффициент амортизации . Этот коэффициент показывает величину динамического воздействия агрегата через амортизаторы, т.е. он показывает какая доля динамической силы агрегата передаётся через амортизаторы к основанию.
Виброизоляция тем лучше, чем меньше значение коэффициента амортизации. Величина коэффициента амортизации
 = 1/ f/fo)2 - 1
(16).
Из формулы видно, что коэффициент амортизации тем меньше, чем
больше отношение f/fo. Изоляция колебаний амортизаторами достигает
цели при условии, когда отношение частот вынужденных и собственных
колебаний f/fo  2. В условиях практики отношений этих частот принимается в пределах 2,5 - 5.
9
f1/f0
4,5
4
3,5
3
2,5
2
1,5
60
70
80
90
100
Поглощение энергии амортизаторами, %
Рис. 2. Эффективность виброизоляции
Зная соотношение частот, по графику, приведённому на рис. 2, можно определить эффективность виброизоляции, выраженную в процентах.
Значения f и fo были найдены в предыдущем опыте. В отчёте необходимо привести полученную цифру эффективности виброизоляции в
процентах и подсчитать величину коэффициента амортизации.
5. Балансировка несбалансированного агрегата способом
“обхода грузом”
По этому способу плоскость корректирования неуравновешенного
диска делится на 8 равных частей. Точки этих частей, расположенные на
одном и том же радиусе R, нумеруются (1, 2, 3, ....8) так как это уже сделано на диске. Затем в точке 1 устанавливается подходящая по весу “пробная шайба” (в нашем случае груз 6-10 гр.), и диск пускается во вращение.
Амплитуда вибрации определяется способом, указанным ранее. Затем
производится пробный пуск и соответствующие измерения при установке
пробного груза в других точках. Последний, 9-й пуск и замеры производятся без установки пробного груза. Данные замеров амплитуд А 1, А2, А3
... А8, А0 заносятся в таблицу 5.
Таблица 6
Данные амплитуды колебания плиты и балансировка
агрегата по способу “обхода грузом”
Величина пробного
груза в граммах в точках
№ 1…8
Амплитуда колебания в мм
при установке уравновешивающего груза в точке №…
10
G1
G2
G3
G4
G5
G6
G7
G8
G9
А1
А2
А3
А4
А5
А6
А7
А8
А0
По данным таблицы 5 в системе координат амплитуда - развёртка
круга, Рис. 2, откладывают на точках 1, 2, 3 ... 8 ординаты А1, А2, А3 ... А8,
А0, строят кривую, которая приближается к синусоиде. Затем, измерив по
полученной кривой минимальную ординату Амин, по формуле (15) определяется величина уравновешивающего груза Gу.
Gу = Gп Ао/( Ао – Амин)
(15).
где Gп - величина пробного груза, г;
А о - амплитуда колебаний без установки пробного груза;
Амин - минимальная ордината, полученная в результате построения
кривой (с учётом масштаба).
Установив необходимый уравновешивающий груз на диске в точке с
минимальной ординатой, осуществляют пробный пуск и производят измерение амплитуды и подсчёт значения виброскорости. Данные заносятся в
соответствующие графы табл. 1 и 2. По результатам произведённой балансировки делается вывод о её эффективности.
А, мм
А0
А8
.
.
А2
А1
1
.
.
.
.
.
.
.
9
№ точки
Рис. 3. Система координат «амплитуда-развертка круга».
Техника безопасности при выполнении работы
Допуск к работе производится после проверки их знания о порядке
проведения работы.
Перед началом выполнения лабораторной работы студенты проверяют надёжность крепления болтов на диске вращения и крепление защитного кожуха.
Наиболее опасным элементом вибростенда является вращающийся
диск с выступающими болтами. Для того, чтобы избежать травмирования этими болтами, диск при вращении должен быть закрыт специаль-
11
ным защитным кожухом. Пуск двигателя без установленного кожуха
или снятие кожуха, когда двигатель ещё не остановился, категорически
запрещается. Команду на включение или выключение двигателя подаёт
то лицо, которое производит снятие и установку защитного кожуха, установку или снятие груза.
В случае если будут замечены неисправности в электрооборудовании стенда и самом стенде, работа должна быть немедленно прекращена, а о замеченных недостатках сразу же поставлен в известность преподаватель.
Допуск студентов без предварительного проведённого инструктажа
по технике безопасности и без знания порядка выполнения работы и её
особенности, с точки зрения техники безопасности, запрещается.
Вибрация машин
Методические указания
Составитель: Владимир Николаевич Извеков
Подписано к печати 05.01.2002
Формат 60х84/16. Бумага офсетная
Плоская печать. Усл.печ. л., 0,94. Уч.-изд.л. 0,79
Тираж 150 экз. Заказ
. Цена свободная.
ИПФ ТПУ Лицензия ИТ № 1 от 18.07.94.
Типография ТПУ. 634004, Томск, пр. Ленина, 30.
12