INSTYTUT KLIMATYZACJI I OGRZEWNICTWA WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA
POLITECHNIKA WROCŁAWSKA
ĆWICZENIA LABORATORYJNE Z WIBROIZOLACJI:
BADANIA CHARAKTERYSTYK STATYCZNYCH
WIBROIZOLATORÓW
1. WSTĘP
Stanowisko laboratoryjne znajduje się w pomieszczeniu hali technologicznej w budynku C-6 Politechniki Wrocławskiej.
Zadaniem ćwiczeń laboratoryjnych jest poznanie wybranych metod doświadczalnych określania wielkości niezbędnych do projektowania wibroizolacji maszyn wirnikowych.
Zajęcia obejmują pomiary wielkości statycznych wibroizolatorów sprężynowych i gumowych.
2. CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest poznanie doświadczalnej metody wyznaczania charakterystyk statycznych wibroizolatorów gumowych i sprężynowych. Na podstawie wykonanych pomiarów określić należy zależność ugięcia statycznego wibroizolatora od siły statycznej obciążającej wibroizolator δst = f(Q) oraz stałej sprężystości w zależności od ugięcia statycznego wibroizolatora K = f(δst).
3. WPROWADZENIE DO ZAGADNIANIA
Elementy wirujące maszyn wirnikowych, takich jak np. pompy, wentylatory, sprężarki, powodują powstawanie sił dynamicznych będących efektem ich niewyważenia. Po osiągnięciu przez wirnik stałej prędkości obrotowej składowe sił dynamicznych są siłami harmonicznymi. W celu ograniczenia wielkości sił dynamicznych przenoszonych na fundament maszyny wirnikowe instaluje się na elementach sprężystych zwanych wibroizolatorami.
Istotną własnością wibroizolatorów jest stała sprężystości (sztywności) oznaczana przez K. Jest ona stosunkiem siły statycznej do ugięcia wibroizolatora wywołanego tą siła.
m Q N K
st
δ ,
= gdzie:
K – stała sprężystości wibroizolatora, N/m Q – siła statyczna obciążająca wibroizolator, N δst – ugięcie statyczne wibroizolatora, m.
W praktyce stosuje się wibroizolatory gumowe oraz sprężynowe. Wibroizolatory sprężynowe podzielić możemy na jedno- i wielosprężynowe. Jeżeli wibroizolator składa się z kilku sprężyn (czyli elementów sprężystych współpracujących równolegle). To przy obliczeniach jednej sprężyny bierze się pod uwagę obciążenie przypadające na jedną sprężynę Q1 oraz jej stałą sprężystości k. W takim przypadku wymagane jest jednakowe ugięcie statyczne wszystkich sprężyn, a stałą sprężystości wibroizolatora wielosprężynowego określa wzór:
⋅ N
=
gdzie:
n – liczba sprężyn w jednym wibroizolatorze.
Stała sprężystości jest ważną własnością dynamiczną bezpośrednio wpływającą na częstość drgań swobodnych wibroizolatorów, pod wpływem danej masy obciążającej. Za pomocą pracy Hulla można określić wartość ugięcia statycznego δst pod wpływem przyłożonego obciążenia Q. Zmieniając wartość siły obciążającej Q uzyskujemy różne ugięcia statyczne δst, z których można obliczyć stałą sprężystości K.
Zależnie od typu wibroizolatora wartość δst, a przez to i K, mogą zmieniać się prostoliniowo (dla wibroizolatorów sprężynowych) lub krzywoliniowo (dla wibroizolatorów gumowych).
4. OPIS STANOWISKA POMIAROWEGO
Stanowisko pomiarowe zwane prasą Hulla, której schemat pokazano na Rys. 1, składa się z dźwigni jednoramiennej (4) zamocowanej obrotowo na trzpieniach stożkowych (1). Pod dźwignią ustawia się wibroizolator (2), a żądany nacisk na niego uzyskuje się za pomocą cieżarów (3) mocowanych na ramieniu dźwigni za pomocą śruby. Ciężary mocowane są w jednym z trzech położeń przygotowanych na ramieniu dźwigni (3a, 3b, 3c). Masy elementów obciążających, zarówno ciężarów jak i śruby mocującej zostały na nich opisane.
Rys. 1 Prasa Hulla
Elementy prasy Hulla:
1 – trzpienie stożkowe, 2 – wibroizolator,
3 – ciężary (mocowane w położeniach 3a, 3b, 3c),
4 – ramię dźwigni, 5 – płyta,
6 – punkt pomiarowy, 7 – podłoże prasy Hulla, 8 – suwmiarka stojąca, 9 – śruba mocująca ciężary, 10 – wgłębienie pod dźwignią, 11 – trzpień dotykowy
Siłą obciążającą wibroizolator, która zależy od przyłożonego ciężaru oraz miejscu jego położenia na dźwigni, oblicza się ze wzoru:
N G a Q
Q ai 1 0,
0
+
⋅
= gdzie:
Q – obciążenie wibroizolatora, N
Q1 – siła ciężkości masy w punktach 3a, 3b, 3c, N
ai – odległość środka ciężkości masy od osi obrotu dźwigni, m
a0 – odległość siły działającej na wibroizolator od osi obrotu dźwigni, m
G0 – zredukowany ciężar dźwigni obciążającej wibroizolator (wielkość stała), N i = 1, 2, 3
Dla ułatwienia podano na ramieniu dźwigni w punktach mocowania obciążenia wartości stosunku ai/a0. Położenie punktu pomiarowego (6) względem podłoża prasy Hulla (7) określa się suwmiarką stojącą (8). Za położenie początkowe H0 uważa się takie usytuowanie dźwigni (4) przy którym trzpień (11) styka się z wibroizolatorem nie powodujące jego obciążenia (ugięcia). Przy określaniu położenia H0 pomocne może być użycie kartki papieru, zgodnie z opisem w punkcie 5. Zmiana położenia punktu pomiarowego po obciążeniu wibroizolatora ∆H jest różnicą początkowego położenia dźwigni H0 oraz położeń po jej obciążeniu Hi.
m H H
H = 0 − i,
∆
gdzie:
H0 – początkowe położenie ramienia dźwigni, m Hi – położenia ramienia dźwigni po obciążeniu, m
i = 1, 2, 3 itd. – położenie ramienia dźwigni po obciążeniu jej w punktach 3a, 3b, 3c i/lub poszczególnymi ciężarami
Wraz ze zmianą położenia punktu pomiarowego o ∆H następuje ugięcie statyczne wibroizolataora δst, wyznaczane z zależności:
m a H
a
H
st = 0 ⋅∆ ,
δ gdzie:
a0/aH – stosunek odległości siły działającej na wibroizolator od osi obrotu dźwigni oraz końca ramienia dźwigni, (odwrotność w/w stosunku aH/a0 = 12,1)
Podczas ćwiczeń pamiętać należy o obciążeniu wibroizolatora wynikającym z ciężaru dźwigni, wynosi ono 315N.
5. PRZEBIEG ĆWICZENIA
Po ustaleniu rodzaju wibroizolatora poddanego badaniom (sprężynowy bądź gumowy) ramię dźwigni (4) ustawić w pozycji zbliżonej do pionowej. Wibroizolator ustawić na płycie
środka badanego elementu, obciążając go równomiernie. Przy badaniu wibroizolatorów sprężynowych należy skorzystać z dostępnej na stanowisku płytki zakładanej na górną płaszczyznę elementu, do pytki tej przylegać będzie trzpień dotykowy ramienia. i
Podczas pierwszego pomiaru określić wysokość punktu pomiarowego w położeniu początkowym H0. Aby określić moment w którym trzpień dotykowy styka się z wibroizolatorem, nie powodując jednocześnie jego ugięcia należy skorzystać z kartki papieru.
Kartkę włożyć pomiędzy trzpień dotykowy a wibroizolator i opuszczać dźwignię do momentu kiedy papier nie „zaklinuje się” ona pomiędzy elementami (czujemy opór przy jej wyciąganiu). Następnie wibroizolator obciążyć samym tylko ciężarem dźwigni i określić wysokość położenia punktu pomiarowego. Z określonej różnicy położeń ∆H wyznaczyć ugięcie statyczne wibroizolatora δst. Opisane doświadczenie należy powtarzać obciążając wibroizolator kolejnymi ciężarkami w różnych położeniach 3a, 3b oraz 3c.
Na podstawie wykonanych pomiarów wykreślić charakterystykę statyczną wibroizolatora δst = f(Q), a po odpowiednich przeliczeniach krzywą K = f(δst).
W sprawozdaniu należy zamieścić tabele z wynikami pomiarów oraz sporządzić wykresy δst = f(Q) i K = f(δst). Na podstawie badań określić własności wibroizolatorów.
