Исследование вибрации. Измерение вибрации

Вибрация.
Неблагоприятные воздействия вибрации на организм человека

Вибрация

Вибрация представляет собой механические колебательные движения, непосредственно передаваемые телу человека. Основными физическими характеристиками вибрации являются амплитуда и частота колебаний. Амплитуда вибросмещения измеряется в м или см, а частота колебаний - в герцах.

Учитывая, что при любом колебательном движении непрерывно изменяется скорость и ускорение (наибольшие на осевой линии колебания и наименьшие в крайних позициях), вибрацию оценивают по скорости и ускорению.

Для вибрации отсчет децибел ведется от условной опорной виброскорости, равной 5 10 8 м/с, виброускорения - 3 10 4 м/с 2 .

Виброскорость и виброускорение выражаются в дБ относительно их нулевых порогов. При этом порог восприятия вибрации составляет около 70 дБ.

Виброскорость и виброускорение оцениваются в пределах стандартных октав со среднегеометрическими частотами - 1; 2; 4; 8; 16; 31,5; 63; 125; 250 Гц и выше. Вибрация с частотой до 32 Гц относится к низкочастотной, а более 32 Гц - к высокочастотной.

Преимущества одночисловых интегральных показателей, таких, как доза или эквивалентный уровень, определили интерес исследователей к дозовой оценке вибрации. Если для шума этот подход достаточно обоснован, что нашло отражение в стандарте ИСО R-1999 (1971 г.), то в отношении вибрации имеются лишь единичные работы экспериментального плана.

Необходимо отметить, что действующий ГОСТ 12.1.012-78 регламентирует ПДУ вибрации по кинематическому параметру виброскорости, а доза - параметр энергетический, учитывающий уровень вибрации и время ее действия.

Источниками вибрации являются широко применяемые в промышленности, строительстве, транспорте, сельском хозяйстве и в быту пневматические и электрические ручные механизированные инструменты, различные машины и оборудование, станки, транс-портные средства. Вибрацию широко применяют не только в технике, но и в медицине для лече-ния некоторых нервных и мышечных заболеваний (вибротерапия, вибромассаж).

Вибрация относится к факторам, обладающим большой биологической активностью. Характер, глубина и направленность физиологических сдвигов различных систем организма определяются уровнями, спектральным составом вибрации, а также физиологическими свойствами тела человека. В генезисе этих реакций важную роль играют анализаторы - вестибулярный, двигательный, зрительный, кожный и др.

Следует отметить важную роль биохимических свойств человеческого тела в субъективном восприятии вибрации. Действие вибрации на организм опосредуется следующими явлениями: физическим воздействием на поверхность контакта, распрос-транением колебаний по тканям, непосредственной реакцией на воздействия в органах и тканях, а также раздражением механорецепторов, вызывающим нейрорецепторные и субъективные реакции.

В настоящее время накоплен экспериментальный и клинический материал, под-черкивающий роль рефлекторных регуляторных влияний ЦНС в возникновении функциональных сдвигов в нервно-мышечном аппарате у лиц, подвергающихся воздействию вибрации. Эти исследования показывают, что расстройства двигательной функции, возникающие под воздействием вибрации, обусловлены как нарушениями регуляторных воздействий ЦНС, так и непосредственным поражением мышц. При этом преобладание диффузных сдвигов может быть объяснено преимущественно изменениями в деятельности суперспинальных структур, тогда как большая выраженность локальных изменений в мышцах может быть связана с их непосредственной травматизацией.

Особенно чувствительными к действию локальной вибрации являются отделы симпатической нервной системы, регулирующие тонус периферических сосудов, а также отделы периферической нервной системы, связанные с вибрационной и тактильной чувствительностью.

Доказано, что направленность сосудистых нарушений определяется, в первую очередь, параметрами воздействующей вибрации. Спастические явления в капиллярах происходят при вибрации выше 35 Гц, а ниже наблюдается преимущественно картина атонии капилляров или спастико-атоническое их состояние. Область частот 35-250 Гц наиболее опасна в отношении развития спазма сосудов.

Вибрация может прямым путем мешать выполнению рабочих операций или косвенно отрицательно влиять на работоспособность человека. Ряд авторов рассматривают вибрацию как сильный стресс-фактор, оказывающий отрицательное влияние на психомоторную работоспособность, эмоциональную сферу и умственную деятельность человека и повышающий вероятность возникновения несчастных случаев.

За последние годы установлено, что вибрация, как и шум, действует на организм человека энергетически, поэтому ее стали характеризовать спектром по колебательной скорости, измеряемой в сантиметрах в секунду или как и шум, в децибелах; за пороговую величину вибрации условно принята скорость в 5 10 6 см/сек. Вибрация воспринимается (ощущается) лишь при непосредственном соприкосновении с вибрирующим телом или через другие твердые тела, соприкасающиеся с ним. При соприкосновении с источником колебаний, генерирующим (издающим) звуки наиболее низких частот (басовые), наряду со звуком воспринимается и сотрясение, то есть вибрация.

В зависимости от того, на какие части тела человека распространяются механические колебания, различают местную и общую вибрацию. При местной вибрации сотрясению подвергается лишь та часть тела, которая непосредственно соприкасается с вибрирующей поверхностью, чаще всего руки (при работе с ручными вибрирующими инструментами или при удержании вибрирующего предмета, детали машины и т. п.). Иногда местная вибрация передается на части тела, сочлененные с подвергающимися непосредственно вибрации суставами. Однако амплитуда колебаний этих частей тела обычно ниже, так как по мере передачи колебаний по тканям, и тем более мягким, они постепенно затухают. Общая вибрация распространяется на все тело и происходит, как правило, от вибрации поверхности, на которой находится рабочий (пол, сиденье, виброплатформа и т. п.).

При воздействии вестибулярных раздражителей, к которым относится вибрация, нарушаются восприятие и оценка времени, снижается скорость переработки информации. Низкочастотная вибрация вызывает нарушение координации движения, причем наиболее выраженные изменения отмечаются при частотах 4-11 Гц.

Длительное влияние вибрации приводит к стойким патологическим нарушениям в организме работающих. Всесторонний анализ этого патологического процесса послужил основанием для выделения его в качестве самостоятельной нозологической формы профессионального заболевания - вибрационной болезни.

Вибрационная болезнь продолжает занимать одно из ведущих мест среди всех профессиональных заболеваний. Причиной этого является как использование ручных машин, не отвечающих требованиям санитарных норм, так и развивающаяся специализация труда, ведущая к увеличению времени воздействия на организм вибрации. Опа-сность развития вибрационной болез-ни возрастает с увеличением интенсив-ности и длительности действия вибрации; при этом существенное значение имеет индивидуальная чувствительность. Вредное действие вибрации усиливают шум, охлаждение, переутомление, значитель-ное мышечное напряжение, алкогольное опьянение и др. Условно различают местную вибрацию, дей-ствующую преимущественно на руки работающих, и общую вибрацию, когда при колебании пола, сиденья (рабочего ме-ста) действию вибрации подвергается весь организм.

В отличие от местной при действии общей вибрации возникают клинические симптомы, свя-занные с расстройствами деятельности мозга. При этом особенно часто стра-дает вестибулярный аппарат, появля-ются головные боли, головокружения. По степени выраженности патологиче-ского процесса выделяют 4 стадии за-болевания:

I -- начальная,

II -- уме-ренно выраженная,

III -- выраженная,

IV -- генерализованная (встречается крайне редко).

Помимо стадий, отме-чают наиболее типичные синдромы: ангиодистонический, ангиоспастический, вегетативного полиневрита, невротиче-ский, вегетомиофасцита, диэнцефальный и вестибулярный.

Низкочастотная общая вибрация, особенно резонансного диапазона, вызывая длительную травматизацию межпозвоночных дисков и костной ткани, смещение органов брюшной полости, изменения моторики гладкой мускулатуры желудка и кишечника, может приводить к болевым ощущениям в области поясницы, возникновению и прогрессированию дегенеративных изменений позвоночника, заболеваний хроническим пояснично-крестцовым радикулитом, хроническим гастритом.

У женщин, подвергающихся длительному воздействию общей вибрации, отмечается повышенная частота гинекологических заболеваний, самопроизвольных абортов, преждевременных родов. Низкочастотная вибрация вызывает у женщин нарушение кровообращения органов малого таза.

Ткани человека обладают различной способностью к передаче вибрации. Наилучшим проводником вибрации являются кости, мягкие ткани. Суставы же являются эффективными гасителями колебаний. С повышением частоты вибрации амплитуда колебаний частей тела по мере удаления от точки приложения уменьшается. Так, например, в диапазоне частот 50-70 Гц до головы доходит около 10% энергии передаваемой вибрации человеку, находящегося на виброплатформе. Вибрация частотой более 100 Гц практически не передается по телу человека и является большей частью местной.

Органы, непосредственно воспринимающие вибрации, делятся на две группы. К первой относятся органы равновесия (вестибулярный аппарат), находящиеся во внутреннем ухе. Взаимодействуя с соответствующими связями в мозгу, они работают как интегральный измеритель угловых и линейных ускорений. Информация, посылаемая в мозг органами равновесия, находящимися под влиянием вибраций, может оказаться искаженной, дезориентирующей, а в некоторых случаях раздражающей и вызывающей у человека состояние болезни. Силы и перемещения, вызываемые вибрацией, улавливаются большим числом механорецепторов во всем организме. Некоторые из них, находящиеся в мышцах и сухожилиях, сигнализируют о положении тела и действующих на него нагрузках. Они взаимодействуют с отделом центральной нервной системы, регулирующим положение тела и его движение. Эти рецепторы реагируют на любые изменения, в том числе низкочастотные.

Ко второй группе относятся рецепторы, расположенные в коже и соединительных тканях. Они выполняют функции осязания, реагируя на более высокие частоты (около 30 Гц). Вибрации оказывают определенное влияние на организм также через органы зрения и слуха.

Характер воздействий вибрации на человека зависит от их длительности. Нарушения физиологических функций организма, наступающие под влиянием вибраций, имеют тенденцию к усилению с увеличением длительности воздействия.

Вибрация, высокий вибрационный фон среды представляют опасность для здоровья не только рабочих, в условиях производства, но и для других групп населения. Источниками вибрации в жилых зданиях являются: транспорт, промышленные установки, инженерно-тех-нологическое оборудование зданий. По интенсивности колебаний наиболее воздействует на человека городской рельсовый транспорт: мелкого заложения и открытые радиусы метрополитена, железнодорожные магистрали. Вибрация, возникающая в зданиях от движения поездов, имеет регулярный прерывистый характер. По мере уда-ления от источника амплитуда колебаний снижается.

При распространении колебаний по высоте много-этажного здания на верхних этажах наблюдается как ослабление, так и усиление вибрации, в зависимости от резонанса. Изученные типы конструкций зданий в условиях одинаковых грунтов не оказывают существен-ного влияния на уровни вибрации в жилых помещениях.

В некоторых случаях регистрируются высокие уров-ни вибрации от инженерно-технологического оборудова-ния самих зданий (лифты) и встроенных объектов.

В основе профилактики вибрационной болезни лежит гигиенически обоснован-ное нормирование уровней вибрации. При этом учитываются направленность, продолжительность действия, характер вибрации. В Российской Федерации уровни вибрации на рабо-чих местах в производственных по-мещениях, на горных, сельско-хозяйст-венных, мелиоративных, строительно-дорожных машинах, железнодорож-ном и автомобильном транспорте, на судах регламентируются санитарным законодательством.

Основными нормативными правовыми актами, регламентирующими параметры производственных вибраций, являются: "Санитарные нормы и правила при работе с машинами и оборудованием, создающими локальную вибрацию, передающуюся на руки работающих" № 3041-84 и "Санитарные нормы вибрации рабочих мест" № 3044-84.

В настоящее время около 40 государственных стандартов регламентируют технические требования к вибрационным машинам и оборудованию, системам виброзащиты, методам измерения и оценки параметров вибрации и другие условия.

Список литературы

1) Арустамов Э.А. Безопасность жизнедеятельности. - М.: 2001.

2) Гарин В.М. Экология для технических вузов. - Ростов на Дону: 2001.

3) Криксунов Е.А., Пасечник В.В., Сидорин А.П. Экология. - М.: «Дрофа», 2004.

Основной особенностью низкочастотной вибрации является то, что под действием вынуждающей силы машина или ее элементы колеблются как единое целое. При математическом описании таких колебаний объект диагностирования может быть представлен конечным числом жестких тел с упругими связями между ними, т.е. системой с сосредоточенными параметрами. В зависимости от размеров и сложности формы машин или оборудования низкочастотные колебания имеют частоты ниже 100...300 Гц. Однако эта граница может несколько меняться в зависимости от частот колебательных сил, действующих в машине.

Рис. 4 а. Механизм как простейшая колебательная система

Под действием гармонической вынуждающей силы F(t) с амплитудой F 0 он совершает одномерные в вертикальном направлении колебания, описываемые дифференциальными уравнениями второго порядка вида:

где m - масса механизма; С - суммарная жесткость виброизоляторов;

R м механическое сопротивление, определяющее активные потери колебательной энергии; y(t) - смещение инерционного элемента от положения равновесия; инертные силы,- силы трения, Cy(t) - упругие силы, F(t)=F 0 cos щt - вынуждающая сила.

Колебания организма будут также гармонического вида:

Амплитуда колебаний без учета активных потерь, когда имеет вид:

где F 0 /C=Y ст статистическая деформация виброизоляторов под действием силы тяжести; собственная частота колебаний механизма на виброизоляторах.

Таким образом, амплитуда низкочастотных колебаний механизма Y 0 зависит от параметров вынуждающей силы (ее амплитуды F 0 и частоты щ и от параметров канала передачи (суммарной жесткости виброизоляторов С и собственной частоты колебаний механизма на виброизоляторах щ 0).

На рис.4 б показана зависимость амплитуды низкочастотных колебаний механизма от частоты при постоянной амплитуде вынуждающей силы. Как видно из рисунка, на резонансе (собственная частота щ 0) амплитуда колебаний резко увеличивается. Активные потери в упругих элементах ограничивают амплитуду резонансных колебаний (рис.4 б, пунктирная линия).

Низкочастотная вибрация механизмов, машин и оборудования содержит преимущественно гармонические составляющие, создаваемые вынуждающими силами, часть которых зависит от технического состояния объектов. Диагностическими параметрами низкочастотных составляющих вибрации чаще всего являются амплитуды колебаний на определенных частотах, пропорциональные величине соответствующих вынуждающих сил. Иногда в качестве диагностического параметра используется величина собственной частоты колебаний щ 0 , характеризующая, в первую очередь, свойства упругих элементов.

Выше были рассмотрены особенности одномерных гармонических колебаний. На самом деле объект имеет в пространстве шесть степеней свободы (три поступательных и три вращательных). Сравнение колебаний по каждой из них, а также сопоставление соответствующих им собственных частот дает возможность расширения объема диагностической информации, получаемой из анализа низкочастотной вибрации.

Основные трудности диагностирования машин и оборудования по низкочастотной вибрации связаны, во-первых, с тем, что не все элементы имеют упругие связи, т.е. не все установлены на виброизоляторах, что значительно усложняет описание колебательной системы. Во-вторых, собственные частоты элементов машин или оборудования точно неизвестны, а от их величин в значительной степени зависит амплитуда колебаний, являющаяся, как правило, основным диагностическим параметром.

Вибрация благотворная и вибрация вредная

Вибрация представляет собой механические колебательные движения, непосредственно передаваемые телу человека.

Длительное воздействие вибрации на человека является опасным. Опасна вибрация при определенных условиях и для машин и механизмов, так как может вызвать их разрушение.

Причиной появления вибраций являются возникающие при работе машин и агрегатов неуравновешенные силовые воздействия. Источником такого дисбаланса может быть неоднородность материала вращающегося тела, несовпадение центра массы тела и оси вращения, деформация деталей, а также неправильная установка и эксплуатация оборудования.

Основными параметрами, характеризующими вибрацию, являются:

· амплитуда смещения , то есть величина наибольшего отклонения от положения равновесия;

· амплитуда ускорения ;

· период колебаний – время между двумя последовательными одинаковыми состояниями системы;

· частота .

В производственных условиях почти не встречается вибрации в виде простых колебаний. При работе машин и оборудования обычно возникает сложное движение, имеющее импульсный или толчкообразный характер.

Вибрацию по способу передачи на человека (в зависимости от характера контакта с источниками вибрации) условно подразделяют на:

- общую вибрацию , передающуюся через опорные поверхности на тело сидящего или стоящего человека;

- локальную вибрацию , передающуюся через руки человека.

Вибрация, передающаяся на ноги сидящего человека и на предплечья, контактирующие с вибрирующими поверхностями рабочих столов, относится к локальной вибрации.

В производственных условиях нередко имеет место сочетание действий местной и общей вибрации (комбинированная вибрация).

По направлению действия вибрацию подразделяют на:

· вертикальную, распространяющуюся перпендикулярной к опорной

поверхности;

· горизонтальную, распространяющуюся от спины к груди;

· горизонтальную, распространяющуюся от правого плеча к левому плечу.

По частотному составу вибрации выделяют:

- низкочастотные вибрации (1-4 Гц для общих вибраций, 8-16 Гц - для локальных вибраций);

- среднечастотные вибрации (8-16 Гц - для общих вибраций, 31,5-63 Гц - для локальных вибраций);

- высокочастотные вибрации (31,5-63 Гц - для общих вибраций, 125-1000 Гц - для локальных вибраций).

По временной характеристике различают: постоянную вибрацию, которая за время наблюдения изменяется не более чем в два раза; непостоянную вибрацию, изменяющуюся более чем в два раза.

Вибрация может прямым путем мешать выполнению рабочих операций или косвенно отрицательно влиять на работоспособность человека. Вибрацию рассматривается как сильный стресс-фактор, оказывающий отрицательное влияние на психомоторную работоспособность, эмоциональную сферу и умственную деятельность человека и повышающий вероятность возникновения несчастных случаев.

При увеличении интенсивности колебаний и длительности их воздействия возникают изменения, приводящие в ряде случаев к развитию профессиональной патологии – вибрационной болезни.

Вибрационная патология стоит на втором месте (после пылевых) среди профессиональных заболеваний. Развитие вибрационных патологий зависит от частоты и амплитуды колебаний, продолжительности воздействия, места приложения и направления оси вибрационного воздействия, демпфирующих свойств тканей, явлений резонанса и других условий, при этом существенное значение имеет индивидуальная чувствительность. Вредное действие вибрации усиливают шум, охлаждение, переутомление, значитель­ное мышечное напряжение, алкогольное опьянение и др. Выделяют три вида вибрационной патологии от воздействия общей, локальной и толчкообразной вибраций.

При действии на организм общей вибрации страдает в первую очередь нервная система и анализаторы: вестибулярный, зрительный, тактильный. Эти нарушения вызывают головные боли, головокружения, нарушения сна, снижение работоспособности, ухудшение самочувствия, нарушения сердечной деятельности, расстройство зрения, онемение и отечность пальцев рук, заболевание суставов, снижение чувствительности. Общая низкочастотная вибрация оказывает влияние на обменные процессы, проявляющиеся изменением углеводного, белкового, ферментного, витаминного и холестеринового обменов, биохимических показателей крови.

У женщин, подвергающихся длительному воздействию общей вибрации, отмечается повышенная частота гинекологических заболеваний, самопроизвольных абортов, преждевременных родов. Низкочастотная вибрация вызывает у женщин нарушение кровообращения органов малого таза. Общая вибрация с частотой менее 0,7 Гц, определяемая как качка, хотя и неприятна, но не приводит к вибрационной болезни. Следствием такой вибрации является морская болезнь, вызванная нарушением нормальной деятельности вестибулярного аппарата.

При частоте колебаний рабочих мест, близкой к собственным частотам внутренних органов, возможны механические повреждения или даже разрывы. Низкочастотная общая вибрация, вызывая длительную травматизацию межпозвоночных дисков и костной ткани, смещение органов брюшной полости, изменения моторики гладкой мускулатуры желудка и кишечника, может приводить к болевым ощущениям в области поясницы, возникновению и прогрессированию дегенеративных изменений позвоночника, заболеваний хроническим пояснично-крестцовым радикулитом, хроническим гастритом.

Особенно опасна толчкообразная вибрация, вызывающая микротравмы различных тканей с последующими изменениями.

Локальной вибрации подвергаются главным образом люди, работающие с ручным механизированным инструментом. Локальная вибрация вызывает спазмы сосудов кисти, предплечий, нарушая снабжение конечностей кровью. Особенно чувствительными к действию локальной вибрации являются отделы симпатической нервной системы, регулирующие тонус периферических сосудов. Доказано, что направленность сосудистых нарушений определяется, в первую очередь, параметрами воздействующей вибрации. Спастические явления в капиллярах происходят при вибрации выше 35 Гц, а ниже наблюдается преимущественно картина атонии капилляров. Область частот 35-250 Гц наиболее опасна в отношении развития спазма сосудов.

При воздействии вестибулярных раздражителей, к которым относится вибрация, нарушаются восприятие и оценка времени, снижается скорость переработки информации. В ряде работ показано, что низкочастотная вибрация вызывает нарушение координации движения, причем наиболее выраженные изменения отмечаются при частотах 4-11 Гц.

Установлено, что вибрационная болезнь может длительное время протекать компенсированно, в течение этого периода больные сохраняют трудоспособность и не обращаются за врачебной помощью.

В основе профилактики вибрационной болезни лежит гигиенически обоснован­ное нормирование уровней вибрации. Предельно допустимый уровень (ПДУ) вибрации - это уровень фактора, который при ежедневной (кроме выходных дней) работе, но не более 40 часов в неделю в течение всего рабочего стажа, не должен вызывать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследований в процессе работы или в отдаленные сроки жизни настоящего и последующих поколений. При этом учитываются направленность, продолжительность действия, характер вибрации. В РФ уровни вибрации на рабо­чих местах в производственных по­мещениях, на горных, сельскохозяйст­венных, мелиоративных, строительно-дорожных машинах, железнодорож­ном и автомобильном транспорте, на судах регламентируются санитарным законодательством: "Санитарные нормы и правила при работе с машинами и оборудованием, создающими локальную вибрацию, передающуюся на руки работающих" № 3041-84 и "Санитарные нормы вибрации рабочих мест" № 3044-84.

Соблюдение ПДУ вибрации не исключает нарушение здоровья у сверхчувствительных лиц.

В настоящее время около 40 государственных стандартов регламентируют технические требования к вибрационным машинам и оборудованию, системам виброзащиты, методам измерения и оценки параметров вибрации и другие условия.

К работе с вибрирующими машинами и оборудованием допускаются лица не моложе 18 лет, получившие соответствующую квалификацию, сдавшие технический минимум по правилам безопасности и прошедшие медицинский осмотр.

Работа с вибрирующим оборудованием, как правило, должна проводиться в отапливаемых помещениях с температурой воздуха не менее 16 0 С при влажности 40-60%. Если создание подобных условий невозможно (работа на открытом воздухе, подземные работы и т.д.), то для периодического обогрева должны быть предусмотрены специальные отапливаемые помещения с температурой воздуха не менее 22 0 С.

Наиболее действенным средством защиты человека от вибрации является устранение непосредственно его контакта с вибрирующим оборудованием. Осуществляется это путем применения дистанционного управления, промышленных роботов, автоматизации и замены технологических операций.

В комплексе мероприятий важная роль отводится разработке и внедрению научно обоснованных режимов труда и отдыха. Например, суммарное время контакта с вибрацией не должно превышать 2/3 продолжительности рабочей смены; рекомендуется устанавливать 2 регламентируемых перерыва для активного отдыха, проведения физиопрофилактических процедур, производственной гимнастики по специальному комплексу.

В целях профилактики неблагоприятного воздействия локальной и общей вибрации, работающие должны использовать средства индивидуальной защиты: рукавицы или перчатки (ГОСТ 12.4.002-74. "Средства индивидуальной защиты рук от вибрации. Общие требования"); спецобувь (ГОСТ 12.4.024-76. "Обувь специальная виброзащитная").

На предприятиях с участием санэпиднадзора медицинских учреждений, служб охраны труда должен быть разработан конкретный комплекс медико-биологических профилактических мероприятий с учетом характера воздействующей вибрации и сопутствующих факторов производственной среды.

Борьба с вибрацией в источнике её возникновения предполагает конструирование и проектирование таких машин и технологических процессов, в которых исключены или снижены неуравновешенные силы, отсутствует ударное взаимодействие деталей, вместо подшипников качения используются подшипники скольжения. Применение специальных видов зацепления и чистоты поверхности шестерен позволяют снизить уровень вибрации на 3 – 4 дБ. Устранение дисбаланса вращающихся масс достигается балансировкой.

Вибродемпфирование – это снижение вибрации объекта путем превращения ее энергии в другие виды (в конечном счете, в тепловую). Увеличения потерь энергии можно достичь разными приемами: использованием материалов с большим внутренним трением; использованием пластмасс, дерева, резины; нанесением слоя упруго вязких материалов, обладающих большими потерями на внутреннее трение (рубероид, фольга, мастики, пластические материалы и р.). Толщина покрытий берется равной 2 – 3 толщинам демпфируемого элемента конструкции. Хорошо демпфируют колебания смазочные масла.

Виброгашение – это способ снижения вибрации путем введения в систему дополнительных реактивных сопротивлений. Чаще всего для этого вибрирующие агрегаты устанавливают на массивные фундаменты. Одним из способов увеличения сопротивления является установка виброгасителей. Наибольшее распространение получили динамические гасители. Другим видом гасителей являются буферные емкости, служащие для превращения пульсирующего потока газа в равномерный. Возможно применение комбинированных защитных устройств. В этом случае говорят о динамических виброгасителях с трением.

Вибропоглощение – метод снижения вибрации путем усиления в конструкции процессов внутреннего трения, рассеивающих виброэнергию в результате необратимого преобразования ее в теплоту при деформациях, возникающих в материалах, из которых изготовлена конструкция, и в местах соединения ее элементов (заклепочных, резьбовых, прессовых и др.). В настоящее время вибропоглощение осуществляется преимущественно путем применения конструкционных материалов с повышенным значением коэффициента потерь и вибропоглощающих покрытий. Перспективным в вибропоглощении является нанесение на колеблющиеся поверхности элементов конструкции высокоэффективных вибропоглощающих материалов. Они могут изготовляться на основе меди, свинца, олова, битума и других материалов. Большое распространение получила многокомпонентная система на основе полимера, способного рассеивать механическую энергию в большом количестве при основных деформациях: растяжении, изгибе, сдвиге. Из других компонентов полимерной системы главными являются пластификаторы и наполнители. Пластификаторы придают полимеру требуемое сочетание свойств эластичности и пластичности. Наполнители (сажа, графит, слюда и др.) сообщают материалу необходимые эксплуатационные свойства; они могут, например, повысить его прочность, облегчить обработку. Вибропоглощающий материал выпускается промышленностью в отвержденном виде листов и мастичных состояниях. Листовой приклеивается к вибрирующей поверхности; мастику наносят методом штапелирования или напыления.

При жестком наружном покрытии поверхность пластины накрывается слоем жесткого вибропоглащающего материала. Жесткое наружное покрытие с прокладкой имеет повышенный по сравнению с предыдущим коэффициент потерь, так как между слоем вибропоглащающего материала и пластиной расположен слой легкого жесткого полимера (например, пенопласта).Он удаляет вибропоглощающий материал от нейтральной плоскости (не испытывающей деформации при изгибе), при этом увеличивается его виброскорость, возрастает деформация растяжения и, следовательно, увеличиваются потери энергии в покрытии. С увеличением частоты покрытие эффективно работает до тех пор, пока в прокладке не возникнут деформации сдвига.

Кроме жестких покрытий применяют также: армированные покрытия, когда на слой вибропоглащающего материала наносится тонкий слой другого материала, который упрочняет, усиливает или защищает вибропоглощающий слой; слоистые покрытия, когда толщина упрочняющего металлического слоя близка к толщине пластины; и мягкие наружные покрытия, которые представляют собой слой вибропоглащающего материала, легко сжимаемого по толщине и рассеивающего энергию изгибных колебаний в результате деформаций в поперечном направлении.

Виброизоляция – это способ уменьшения вибрации защищенного объекта посредством введения в систему упругой связи, препятствующей передаче вибрации от источника. Между источником вибрации и человеком, являющимся одновременно объектом защиты, устанавливают устройство – виброизолятор.В качестве виброизоляторов используют металлические пружины, резину, пробку, войлок. Выбор того или иного материала обычно определяется величиной требуемого прогиба и условиями, в которых виброизолятор будет работать.Резина имеет малую плотность, хорошо крепится к деталям, ей легко придать любую форму и она обычно используется для виброизоляции машин малой и средней массы. Металлические пружины применяют обычно тогда, когда рабочие условия делают невозможным применение резины. Конструктивно пружинные виброизоляторы можно выполнить для работы практически на любой частоте. Однако металлические пружины имеют тот недостаток, что, будучи спроектированы на низкую частоту, они пропускают более высокие частоты.

Пробку используют при нагрузке 50-150 кПа, отвечающей рекомендованному диапазону упругости. Обычно установку сначала устанавливают на бетонные блоки и уже последние отделяют от фундамента с помощью нескольких слоев пробковой плитки толщиной 2-15см. Увеличение толщины будет понижать частоту, выше которой виброизоляция эффективна, но при большой толщине возникает проблема устойчивости. Поэтому пробку не применяют в области низких частот. С течением времени от нагрузки пробка сжимается.

Войлок толщиной 1-2,5см, занимающий площадь 5% площади основания машины, - весьма распространенный изолирующий материал. Он имеет относительно большой коэффициент потерь и поэтому эффективен на резонансных частотах. Обычно войлок применяют в частотном диапазоне свыше 40 Гц.

Примером виброзащиты могут служить гибкие вставки в воздуховодах, «плавающие полы», виброизолирующие опоры (для изоляции машин с вертикальной возмущающей силой).

Несмотря на вредное воздействие вибрации, местная вибрация малой интенсивности может благоприятно воздействовать на организм человека, улучшать функциональное состояние ЦНС, ускорять заживление ран и т.п.

Экспериментально установлено, что механическая вибрация возбуждает нервы, утратившие функции, и, наоборот, успокаивает слишком возбужденные. Кратковременное ежедневное применение вибрации способствует увеличению силы мышц, повышению их работоспособности, улучшению кровоснабжения работающих мышц. Степень воздействия аппаратной вибрации на организм зависит от частоты и амплитуды колебаний, а также от продолжительности воздействия.

Вибромассаж оказывает воздействие на сосудистую систему, он улучшает кровообращение, нормализует сердечнососудистую деятельность. Доказано, что низкие колебательные частоты (до 50 Гц) способны вызвать понижение артериального давления, а высокочастотные колебания (до 100 Гц), наоборот, поднимают артериальное давление, а также увеличивают число сердечных сокращений. Аппаратная вибрация улучшает работу органов дыхания, активизирует обменные процессы в организме. Вибромассаж улучшает окислительно-восстановительные процессы в мышечной ткани. Вибромассаж оказывает тонизирующее воздействие на массируемые ткани, а также противоспалительное и обезболивающее. Аппаратная вибрация применяется при лечении заболеваний опорно-двигательного аппарата, последствий переломов и травм, бронхитов и бронхиальной астмы, радикулитов, остеохондрозов, заболеваний центральной нервной системы. Широко применяется аппаратная вибрация в спортивном массаже перед тренировками и после них. Воздействие аппаратной вибрации исправляет осанку, активизирует процесс кровообращения, улучшает цвет лица, обогащает ткани кислородом, стимулирует лимфо-дренаж и повышает эластичность тканей.

Низкочастотная вибрация (НЧВ)

Низкочастотной называют вибрацию турбоагрегата с частотой, близкой к половине рабочей частоты. Она возникает при потере устойчивости вращения вала. Случайно появившееся отклонение вала от состояния устойчивого вращения вызывает появление сил, которые поддерживают эти отклонения и даже усиливают их. Такой вид колебаний называют автоколебаниями . Жесткие роторы практически не подвержены НЧВ. Практически все гибкие роторы имеют первую критическую частоту, примерно равную половине рабочей частоты вращения ротора. Одной из особенностей автоколебаний является их гистерезисный характер, когда формируется пороговое значение мощности турбоагрегата, выше которого из-за повышенной вибрации не удается поднять его нагрузку. По источникам низкочастотную вибрацию делят на масляную и паровую.

Масляная вибрация . Она возникает при потере устойчивости вращения вала на масляной пленке подшипников. Процесс возникновения автоколебаний в масляном слое подшипника комментируется схемой, показанной на рис. 22.11.

Рис. 22.11. Схема возникновения масляной вибрации

Пусть невесомая шейка вала, на которую не действуют никакие силы, вращается в расточке подшипника. В этом случае центр шейки О 1 будет совпадать с центром расточки О и вибрации не будет. Пусть в какой-то момент времени шейка сместится вертикально вниз на расстояние е под действием случайной силы, после чего последняя исчезает. Рассмотрим расходы масла через сечения А-В и С-D в момент смещения шейки вала вниз. Масло, увлекаемое шейкой, в точках В и С имеет скорость wr ш , где r ш – радиус шейки вала. Треугольные эпюры изображают объемные расходы масла через зазор. Количество масла на единицу ширины зазора при входе через сечение А-В равно 0,5(D+е)wr ш , а через сечение C-D выходит количество масла 0,5(D-е)wr ш . Тогда разность объемных сходов еwr ш должна остаться в зазоре слева от линий АВ и CD . Но, так как масло несжимаемая жидкость, то в этой области формируется повышенное давление, которое стремится сдвинуть шейку вала вправо.

Таким образом, из-за появления случайной силы шейка вала не только смещается вниз, но и формируется другая сила С , действующая перпендикулярно смещению. Под действием этой силы шейка вала сдвинется вправо, а точнее, повернется вокруг точки О с некоторой угловой скоростью W, отличной от частоты вращения w . Но при сдвиге шейки вправо уменьшится правый боковой зазор и появится сила, действующая вертикально вверх, которая будет уменьшать верхний зазор и т.д. В итоге процесс формирования силы С создает ее прецессию вокруг центра расточки. Эту силу называют циркуляционной . Очевидно, что перемещение данной силы совпадает с направлением скорости ее прецессионного движения. Поэтому, как и в случае резонанса, создаются условия для роста самоподдерживающейся прецессии, т.е. вибрации. Скорость прецессии W=0,5w , т.е. масляные циркуляционные силы вызывают прецессию с частотой, равной половине рабочей частоты вращения. Данную вибрацию невозможно ликвидировать более тщательной балансировкой. Возникновение интенсивной НЧВ зависит от сочетания упругих и демпфирующих свойств в конкретном подшипнике и при конкретных условиях работы. Чем ниже температура масла, тем больше его вязкость, больше всплытие шейки и тем вероятнее НЧВ. Неравномерный характер распределения радиальной нагрузки по подшипникам также является источником НЧВ для наиболее разгруженного подшипника. При парциальном подводе водяного пара (рис. 22.12) проекции окружной силы R u , формирующейся в регулирующей ступени ЦВД турбины, изменяются по мере открытия клапанов (РК №№1, 2, 3 и 4).

Рис. 22.12. Появление разгружающей силы на шейке вала при парциальном подводе пара:

а - при неправильном порядке открытия РК; б - при правильном открытии РК

При определенном порядке открытия клапанов могут возникать составляющие R 1 и R 2 силы R u , разгружающие передний подшипник турбины (рис. 22.12,а). Это свойство проверяется при развороте турбины с полностью открытыми регулирующими клапанами посредством главной паровой задвижки (ГПЗ) и ее байпаса. При выборе порядка открытия клапанов следует обеспечивать первоначальное открытие тех, которые способствуют дополнительному вертикальному нагружению подшипника (рис. 22.12,б), а также появлению поперечной силы, направленной в сторону вращения ротора (положительного угла нагрузки).

Радикальным способом борьбы с НЧВ является применение подшипников с овальной расточкой вкладышей (см. рис.21.10,г) и самоустанавливающихся сегментных подшипников (см. рис.21.12), в которых циркуляционных сил, вызывающих прецессию вала, не возникает. Они снимают проблему масляной вибрации, но не вибрации вообще.

Паровая НЧВ . Этот вид низкочастотной вибрации роторавозникает из-за появления в проточной части турбины и в ее уплотнениях циркуляционных сил газодинамической природы. Из них венцовые циркуляционные силы формируются на венце рабочих лопаток из-за неравномерной по окружности надбандажной утечки водяного пара из-за разного радиального зазора (рис.22.13).

Рис. 22.13. Схема формирования венцовой циркуляционной силы в турбинной ступени

Природа формирования паровой НЧВ следующая.Допустим, что при случайном отклонении оси ротора, например, вниз, радиальный зазор в надбандажном уплотнении в его нижней части уменьшится, а в верхней - увеличится (d rв >d rн). В результате такого смещения ротора утечка над верхней частью рабочего колеса станет больше на DG у. Поэтому в верхней части турбинной ступени (в ее рабочей решетке – венце) будет формироваться окружное усилие R u меньше по значению, чем в нижней половине венца. Действие этих двух противоположно направленных сил вызывает появление неуравновешенной силы С в , приложенной к центру вала и действующей перпендикулярно вектору смещения r . Эту силу называют венцовой и она создает условия для возбуждения интенсивных колебаний. Такая же сила возникает при появлении в диафрагменном уплотнении неравномерной по окружности утечки. Частота циркуляционной силы равна примерно половине рабочей частоте вращения ротора.

Венцовые силы возбуждают колебания роторов ЦВД преимущественно турбин со сверхкритическим давлением водяного пара на входе (турбин СКД). Эффективным способом борьбы с такими силами является использование виброустойчивых уплотнений в турбинной ступени (с увеличенными радиальными и уменьшенными осевыми зазорами в них). Часто в процессе наладки или эксплуатации турбины происходит постепенное самопроизвольное уменьшение уровня НЧВ вследствие износа радиальных уплотнений из-за задеваний при повышенной вибрации. Для турбин СКД в формировании НЧВ существенную роль играют «бандажные» силы, формирующиеся при нарушении симметрии эпюры скоростей в зазорах. Такая же природа возникновения сил третьей группы – «лабиринтовых » сил, возникающих в каналах промежуточных и концевых уплотнений.