Wykład 6 Metody obniżania poziomu drgań mechanicznych 6.1. Wprowadzenie

Wykład 6

Metody obniżania poziomu drgań mechanicznych 6.1. Wprowadzenie

Minimalizowanie niepożądanych efektów powodowanych drganiami realizowane może być wieloma sposobami. Należy podkreślić, że najlepsze efekty minimalizacji wpływu drgań na ludzi, na środowisko uzyska się, stosując kilka sposobów jednocześnie. Na rysunku przedstawiono schematycznie metody obniżenia poziomu drgań w maszynach i urządzeniach.

Należy wyraźnie zwrócić uwagę, że w procesie projektowania, konstruowania i wytwarzania maszyn i urządzeń, tworzenia budowli i tras komunikacyjnych itp. powinno się stosować takie rozwiązania, aby ograniczyć do minimum generowanie drgań. Ważnym instrumentem obniżenia poziomu drgań jest ich tłumienie i co z tym jest związane, dobór odpowiednich materiałów.

Wszystkie maszyny i urządzenia znajdujące się w środowisku tworzą układy fizyczny, który pozwala przez zastosowanie odpowiednich modeli przejść do modelu mechanicznego.

Ze względu na złożoność i różnorodność procesów występujących w środowisku (budowlach, maszynach, urządzeniach) trzeba rozpatrywać układy uproszczone w wielu przypadkach wyidealizowane, które prowadzą do stosunkowo prostych zależności — modeli matematycznych. Można uważać za najefektywniejsze te modele, których struktura ułatwia stosowanie do ich rozwiązań metod numerycznych z wykorzystaniem techniki komputerowej.

6.2. Eliminowanie źródeł drgań

Eliminowanie źródeł drgań lub minimalizacja drgań powinna być poprzedzona dokładnym poznaniem procesów dynamicznych zachodzących w środowisku i w pracujących tam maszynach i urządzeniach. Dokładne poznanie procesów dynamicznych zachodzących w środowisku poprzez analizę dynamiczną oraz badania doświadczalne mogą przyczynić się do właściwego sposobu likwidacji zaburzeń, nie powodując zakłóceń w normalnym funkcjonowaniu.

Niektóre zasady eliminowania źródeł drgań:

♦ Odpowiedni dobór kształtów i wymiarów par kinematycznych współpracujących elementów oraz ich parametrów

funkcjonalnych pod kątem minimalizacji składowych dynamicznych sił reakcji. W przypadku par

kinematycznych, w których występują uderzenia ciał, należy dążyć do zmniejszenia masy zderzających się ciał, ich prędkości względnych i współczynnika restytucji (stosowanie podkładek, specjalne zderzaki).

♦ Zmniejszenie wymuszeń pochodzących od uderzeń międzyrębnych w przekładniach przez modyfikację kątów przyporu i stopnia pokrycia przekładni, stosowanie kół o zębach śrubowych zamiast prostych, stosowanie kół zębatych wykonanych z tworzyw sztucznych w przekładniach małej mocy.

♦ Unikanie wymuszeń parametrycznych generowanych przez łożyska toczne, np. poprzez ich zamianę na ślizgowe lub magnetyczne.

♦ Stosowanie sprzęgieł hydrokinematycznych, które nie przenoszą drgań skrętnych, a w wielu przypadkach kompensują wpływ niewspółosiowości połączonych wałów.

♦ Stosowanie elementów maszyn i mechanizmów o zredukowanej wibroaktywności (stosowanie specjalnych łożysk, stosowanie materiałów z tworzyw sztucznych).

♦ Zabezpieczenie przed powstawaniem sił hydrodynamicznych lub aerodynamicznych przez stosowanie kierownic przepływu, właściwe wyprostowywanie i rozdzielanie strumienia, właściwą geometrię urządzeń przepływowych itp.

♦ Odpowiednia eksploatacja urządzeń i maszyn, unikanie zbytniego zużycia i podowanych przez nie luzów, odpowiednie smarowanie, eliminacja zanieczyszczenia pomieszczeń, gdzie pracują urządzenia, odpowiednie zabezpieczenie węzłów specjalnie podatnych na zużycie.

♦ Zmniejszenie amplitud drgań przy obciążeniach krótkotrwałych w drodze zwiększania czasu trwania obciążenia (zawężenie widma obciążenia).

♦ Zmniejszenie nierównomierności ruchu obrotowego przez stosowanie odpowiednich kół zamachowych, stosowanie urządzeń symetrycznych, pracujących w przeciwfazie.

♦ Zmniejszenie sił bezwładności występujących na skutek niewyrównoważenia

statycznie i dynamicznie elementów maszyn pozostających w ruchu obrotowym, jak również w ruchu posuwisto-zwrotnym mechanizmów. Dokładne wyważanie statyczne i dynamiczne mechanizmów, odpowiedni montaż podzespołów, kompensacje luzów, unikanie gradientów termicznych.

♦ Modyfikacje strukturalne przez wprowadzenie dodatkowych połączeń wewnętrznych, przerwanie ciągłości struktury, dodatkowe elementy sprężystotłumiące.

♦ Modyfikacje parametryczne poprzez odpowiedni dobór parametrów układu, właściwy dobór parametrów procesu technologicznego, np.

odpowiedni dobór parametrów skrawania w obrabiarkach.

Podsumowując sposoby obniżenia wibroaktywności źródeł wygodnie jest podzielić przyczyny tych źródeł na dwie grupy.

Do pierwszej można odnieść wszelkie procesy fizyko- chemiczne zachodzące w źródle: procesy spalania zachodzące w silnikach spalinowych i odrzutowych, procesy wzajemnego oddziaływania cieczy z łopatkami turbin, pulsację cieczy lub gazów w przewodach, elektromagnetyczne zjawiska występujące w silnikach elektrycznych i generatorach, różne realizowane procesy technologiczne.

Do tej grupy odnoszą się zjawiska związane z tarciem występującym w parach kinematycznych, które także związane

typu związane jest ze zmianą parametrów procesów fizyko- chemicznych i może być uzyskane sposobami specyficznymi dla danej grupy zagadnień.

Druga grupa generacji drgań związana jest z poruszającymi się ciałami. Ruch ciał, np. obroty wirników, przemieszczenie członów mechanizmów, towarzyszy występowaniu reakcji dynamicznych, łączących źródło z innymi ciałami, a w szcze- gólności z obiektem, w którym maszyna się znajduje.

Zmniejszenie wibroaktywności źródeł w tym przypadku związane jest ze zmniejszeniem reakcji dynamicznych za pomocą wyrównoważenia poruszających się ciał.

Podstawowym źródłem drgań maszyn i urządzeń są siły bezwładności, spowodowane niewyważonymi masami. Stąd głównym zadaniem w konstruowaniu i wykonywaniu wszelkiego rodzaju maszyn i urządzeń jest wyeliminowanie lub ograniczenie do możliwego minimum obciążeń dynamicznych występujących w poszczególnych węzłach maszyny lub urządzenia. Uzyskać to można przez odpowiedni dobór lub korekcję rozkładu mas, tak aby w czasie ich ruchu siły bezwładności równoważyły się wzajemnie całkowicie lub przynajmniej częściowo.

W chwili obecnej stosuje się wiele wyrównoważarek dla celów przemysłowych o różnym stopniu wyposażenia. Podczas wyrównoważania dokonuje się poprawek przez dodawanie lub odejmowanie mas w odpowiednich miejscach wskazanych automatycznie.

W wielu przypadkach zmniejszenie dynamiczności obiektu uzyskać można zmieniając jego strukturę. Modyfikacje strukturalne w urządzeniach technicznych dotyczą dowolnych z dużej liczby zmiennych, przy uwzględnieniu ograniczeń związanych z warunkami technicznymi.

Można wyróżnić trzy główne sposoby zmiany struktury obiektu.

Pierwszy sposób polega na wprowadzeniu do układu dodatkowych połączeń wewnętrznych, np. połączenie elementami sprężysto-pochłaniającymi.

Drugi sposób zmiany struktury polega na przyłączeniu do analizowanego obiektu obiektu dodatkowego złożonego niekiedy z wielu mas.

W trzecim sposobie zmianę struktury obiektu uzyskuje się przerywając jej ciągłość i wstawiając dodatkowy element pośredniczący zwany wibroizolatorem. Ten element ma za zadanie izolację drgań jednego obiektu od pozostałych. Można wtedy w znaczący sposób zmniejszyć dynamiczność obiektów dynamicznych. Przyłączony układ nazywany jest niekiedy dynamicznym eliminatorem drgań.

Eliminatory drgań składają się z jednej masy lub kilku mas

przyłączonych za pomocą elementów

sprężystych do obiektu. Eliminatory

działają w warunkach zbliżonych do swego rezonansu, są to więc układy podatne na wymuszenie o określonej częstości. Ogólna zasada działania dynamicznych eliminatorów drgań polega na tym, iż energia drgań szkodliwych w danym miejscu obiektu jest rozpraszana za pomocą dodatkowego elementu, w którym praca sił zewnętrznych w stosunku do tego elementu jest równa energii kinetycznej jego ruchu.

6.3. Tłumienie drgań

Tłumienie drgań jest to proces fizyczny, podczas którego następuje rozpraszanie energii mechanicznej. Ze względu na charakter tego zjawiska można rozróżnić

♦ rozproszenie energii wskutek efektów powierzchniowych powstających przy ruchu względnym elementów materialnych, oraz

♦ rozproszenie wskutek efektów wewnętrznych, powstających przy odkształcaniu ciał stałych.

Na rysunku pokazano rodzaje rozpraszania energii mechanicznej.

Tłumienie w układach mechanicznych przedstawiamy za pomocą tzw. sił tłumienia. W układach tych wartości sił tłumienia są na ogół mniejsze od sił sprężystości i sił bezwładności. Tłumienie wyznacza ważną granicę pomiędzy

statecznością a niestatecznością ruchu urządzenia, gdyż jest możliwe powstawanie drgań samowzbudnych.

W układach mechanicznych siłami oporu (tłumienia) są siły zależne od prędkości. Skierowane przeciwnie do zwrotu wektora prędkości usiłują zmniejszyć prędkość, a co za tym idzie energię kinetyczną. Zależność siły oporu od prędkości nazywamy charakterystyką tłumienia.

W badaniach drgań najczęściej operuje się siłą oporu zależną liniowo od prędkości, zwaną tarciem wiskotycznym:

( ) x h x

R & = 2 &

Na rysunku pokazano charakterystykę tłumienia dla tej siły.

Siła oporu wiskotycznego występuje w przypadku ruchu ciał w płynie lepkim, przy zachowaniu przepływu laminarnego oraz przy małych prędkościach. Zachodzi to, gdy ciało drgające porusza się w płynie lub w prowadnicy, od której oddziela go warstwa płynu.

Podobne siły występują w specjalnie skonstruowanych tłumikach, w których występuje przepływ płynu.

Opór wiskotyczny (tarcie wiskotyczne) w wielu przypadkach przyjmuje się za opór zastępczy, równoważny innym oporom, gdy opis rzeczywistego oporu nie jest znany lub trudno go opisać, a rodzaj tłumienia drgań jest podobny do tłumienia oporem wiskotycznym. Można więc powiedzieć, że ze względu na łatwiejszą stosunkowo analizę ruchu drgającego z uwzględnieniem sił tłumienia wiskotycznego, zastępuje się siły tłumienia

rzeczywistego innego rodzaju równoważnymi siłami tłumienia wiskotycznego.

Praca tłumienia wiskotycznego w czasie jednego cyklu:

∫ ( )

−

= ^{2π / ω}

0

2h x 2dt

L &

Przy założeniu, że ruch jest opisany funkcją ^x = ^A_cos ω^t , dostajemy x& = −Aωsinωt, otrzymujemy

ω π

2 hA L = −

Z otrzymanego wzoru wynika, że praca sił tarcia wiskotycznego zależy od kwadratu amplitudy przemieszczeń i od częstości przemieszczeń. Na rysunku powyżej linią przerywaną pokazano charakterystyki tłumienia wiskotycznego nieliniowego, Na ogół funkcję R

( )

Przy poruszaniu się ciała w prowadnicy przy braku smarowania lub przy bardzo małym smarowaniu występuje opór zwany tarciem suchym. Można przyjąć, że opór ten jest zbliżony do tzw. tłumienia (tarcia) coulombowskiego.

Wówczas charakterystykę tłumienia opisuje się funkcją:

( ) x Tsign x

R & = + &

gdzie T >0 jest siłą tarcia suchego. Dla

x &

Jak uprzednio wspomniano, różnego rodzaju tłumienia zastępowane są równoważnym tłumieniem wiskotycznym.

Równoważne tłumienie wiskotyczne wyznacza się z porównania pracy siły tłumienia coulombowskiego z pracą tłumienia

wiskotycznego w czasie jednego cyklu drgań. Pracę siły tłumienia coulombowskiego obliczamy z wyrażenia:

∫ ( )

= ^{2π / ω}

0

dt x x R

L & &

Gdy ruch okresowy jest opisany funkcją

x = A _cos ω t

t A

x& = − ωsinω . Funkcja R(x) w przedziale O < ωt < π przybiera wartość + T, a w przedziale π < ωt < 2 π wartość -T. Po podstawieniu tych wartości do całki otrzymujemy

TA tdt

tdt AT

L 4

2

0

−

⎥ =

⎥⎦

⎤

⎢⎢

⎣

⎡ −

−

=

∫

∫

ω π ω

π

ω ω

ω

/ /

sin sin

Z porównania tego wyniku i wzoru dla pracy tłumienia

wiskotycznego L = −2 hA

π

ω

coulombowskiemu:

πω A h 4 T 2 =

Zastępczy współczynnik tłumienia wiskotycznego zależy od częstości i amplitudy przemieszczeń drgań.

W czasie ruchu ciał z dużymi prędkościami w cieczach i gazach występuje tłumienie turbulentne. Jest ono proporcjonalne do kwadratu prędkości i zależne od znaku prędkości. Charakterystyka tłumienia opisana jest wówczas funkcją:

( ) x b x sign x

R & = &

&

gdzie b > O zależy od ośrodka, w którym odbywa się ruch.

Podobnie jak dla tłumienia coulombowskiego obliczyć można zastępczy współczynnik równoważnego tłumienia wiskotycznego.

Określony jest on wyrażeniem:

π ω h 3 bA

2 =

Przy opływie ciała drgającego przez ciecz lub gaz o większych prędkościach tłumienie opisuje się nieliniową funkcją prędkości, zależną od wyższych potęg prędkości.

W każdym materiale przy obciążeniach zmiennych występują siły oporu wewnętrznego. Siły te dzielimy na siły sprężyste i siły dyssypacyjne, powodujące rozproszenie energii. Siły dyssypacyjne nazywamy siłami tłumienia wewnętrznego (materiałowego, strukturalnego, czasami tarciem wewnętrznym).

Mechanizm rozproszenia energii w materiałach jest bardzo złożony. Istnieje wiele hipotez poświęconych temu zagadnieniu.

Tłumienie wewnętrzne w metalach, stanowiących podstawowy materiał konstrukcyjny, jest niewielkie.

Współczynnik tłumienia wewnętrznego (współczynnik tarcia wewnętrznego, współczynnik strat, stratność, względne rozproszenie energii, współczynnik zanikania) jest rzędu 10^-3– 10^-

4.

Współczynnik tłumienia wewnętrznego (współczynnik strat η) określany jest jako iloraz energii straconej w cyklu drgań E_s i energii zmagazynowanej w tym cyklu E_m; dla ogromnej większości materiałów konstrukcyjnych jest on rzędu 10^-2– 10^-4 . Z tego względu zachodzi konieczność stosowania dodatkowych elementów tłumiących, np. pokryć tłumiących.

Przy ruchu względnym ciał stałych występuje tłumienie konstrukcyjne związane jest z procesem tarcia i z międzypowierzchniowymi efektami ścinającymi. Występuje ono w różnego rodzaju połączeniach, np. śrubowych, nitowych, klinowych itp. Można więc powiedzieć, że między elementami połączonymi powstają poślizgi warstw stycznych. Tarcie

występujące w trakcie tych poślizgów nazywa się tłumieniem (tarciem) konstrukcyjnym.

W urządzeniach mechanicznych tłumienie konstrukcyjne stanowi podstawowe źródło rozpraszania energii mechanicznej.

Mimo, że tłumienie konstrukcyjne w układach mechanicznych jest jednym z ważniejszych źródeł rozpraszania energii, jego jakościowy i ilościowy opis jest trudny. Tłumienie to jest zjawiskiem nieliniowym zależnym od amplitudy i częstości drgań, od wartości obciążenia i czasu jego trwania oraz od parametrów geometrycznych i strukturalnych.

6.4. Pokrycia tłumiące. Konstrukcje wielowarstwowe

Zwiększenie dyssypacji w układach technicznych uzyskuje się przez pokrywanie elementów drgających warstwami tłumiącymi lub przez stosowanie konstrukcji wielowarstwowych (sandwiczowych). W wyniku tych zastosowań uzyskuje się m.in. :

1) zmniejszenie amplitud przemieszczeń drgań ustalonych szczególnie w obszarach rezonansowych,

2) szybkie zanikanie drgań swobodnych, a w przypadku uderzeń obniżenie poziomu hałasu pouderzeniowego,

3) wytłumienie fal rozchodzących się w elementach sprężystych.

Wybór odpowiednich materiałów na pokrycie tłumiące, sposobu pokrycia elementów układu lub wybór odpowiednich struktur wielowarstwowych zależy od wielu czynników, m.in. od rodzaju urządzenia, parametrów konstrukcji, warunków funkcjonowania (np. temperatura, wilgotność), częstości i amplitud drgań.

Jeżeli lokalne siły tłumienia są duże lub występują zjawiska nieliniowe, postacie drgań różnią się znacznie od postaci drgań

amplitudy drgań (efekt dynamicznego usztywnienia elementu dla danej częstości drgań). W zależności od warunków dynamicznych istnieją lokalne wartości minimalne amplitud drgań, które od- powiadają lokalnemu tłumieniu. Zwiększenie dyssypacji bez zmiany częstości własnych możliwe jest więc dla ustrojów powierzchniowych przez nałożenie na ich powierzchnie specjalnych materiałów, np. polimerów, elastomerów, szkieł organicznych, gumy, fibrolitu, kapoku, filcu, a najczęściej materiałów na podłożu bitumicznym. Od materiałów wymaga się, aby miały dobre właściwości tłumiące, mały ciężar właściwy, niepalność, małą higroskopijność, nieaktywność korozyjną, wreszcie trwałość właściwości.

Naniesienie pokrycia tłumiącego ma wiele zalet, m.in.

zmniejszenie poziomu hałasu wypromieniowanego przez drgającą powierzchnię (poziom hałasu wypromieniowanego przez drgający ustrój jest proporcjonalny do jego skutecznej prędkości drgań).

Pokrycie utrudnia propagację drgań od źródła do dalszych elementów konstrukcji.

6.5. Wibroizolacja maszyn i urządzeń

Omówione dotychczas sposoby minimalizacji drgań miały na celu ograniczenie generacji przez źródła, co praktycznie sprowadza się do minimalizacji amplitud drgań. W wielu przypadkach technicznych zabiegi minimalizacyjne idą w kierunku; odseparowania ludzi, maszyn i urządzeń, czyli środowiska, od źródeł drgań, tzn. ograniczenie transmisji (propagacji) drgań poprzez przerwanie ciągłości drgającej struktury przez wstawienie (zastosowanie) wibroizolacji. W ogólnym przypadku wibroizolację można podzielić na dwa typowe układy:

♦ wibroizolację siłową,

♦ wibroizolację przemieszczeniową.

W przypadku wibroizolacji siłowej chodzi o ochronę otoczenia przed drganiami wytwarzanymi przez maszynę, czyli izolację siły wymuszającej od obszaru chronionego. Można więc powiedzieć, że wibroizolacja siłowa ma zadanie zmniejszenia skutków sił wymuszających przekazywanych na podłoże.

Wibroizolacja przemieszczeniowa ma zadanie ochronę urządzeń (aparatury) przed drganiami przenoszonymi podłoże.

Chodzi więc o zmniejszenie przekazywanych dynamicznych przemieszczeń układu wrażliwego na drgania.

Obydwa układy mają podobną naturę, a ich liniowe modele matematyczne są równoważne.

Wybór odpowiedniego typu wibroizolatora zależy przede wszystkim od częstotliwości i amplitudy siły wymuszającej, wymagając często kompromisowego rozwiązania z innymi wymogami.

Ogólne zasady wibroizolacje omówimy na przykładzie modelu prostego układu wibroizolacji o 1 stopniu swobody:

Przyjęte oznaczenia: m - masa drgająca, P(t) - -siła wymuszająca, x - przmieszeczenie masy, ξ — przemieszczenie podłoża, k — współczynnik sprężystości wibroizolatora, 2h — współczynnik tłumienia wibroizolatora.

Przy wymuszeniu siłowym, harmonicznym mamy

t P

t

P _{( )} =

_sin ω

ξ ( t ) = 0

gdzie P₀ jest amplitudą siły wymuszającej w N, ω — częstością siły wymuszającej.

Siła działająca na podłoże równa się sumie siły sprężystej i siły przeniesionej przez tłumik:

x h kx

t

R ( ) = + 2 &

Celem wibroizolacji siłowej jest zmniejszenie amplitudy R₀ siły działającej na podłoże (przy wibroizolacji siłowej).

Celem wibroizolacji przemieszczeniowej może być zmniejszenie amplitudy przyspieszenia bezwzględnego obiektu, a także zmniejszenie amplitudy jego drgań względem podstawy.

Stopień realizacji celu wibroizolacji określa się za pomocą bezwymiarowych współczynników efektywności. Przy wymuszeniu siłowym wprowadza się współczynnik wibroizolacji (przenoszenia) określony wyrażeniem:

0 0

P R

R = η oraz współczynnik dynamiczności

0 0

P kx

x = η

Przy wymuszeniu przemieszczeniowym współczynnik wibroizolacji określony jest wyrażeniem:

0 2ξ η_R = ω^ab

gdzie a_b to amplituda przyspieszenia bezwzględnego obiektu, a ξ₀ jest amplitudą przemieszczeń podłoża; współczynnik dynamiczności

0 0

0 ξ

η _' ^x'

x = .

Na rysunkach poniżej przedstawiono zależność współczynników wibroizolacji od ilorazu ω/ω₀ , gdzie ω₀ jest częstością drgań własnych układu.

Warunki wibroizolacji można sformułować w postaci nierówności:

<1

ηR , η_x <1, 1

0 ' <

ηx

Ponieważ współczynniki te zależą od częstości, można mówić o efektywności wibroizolacji dla danej częstości lub w danym przedziale częstości z₁< z <z₂.

Analizując warunek wibroizolacji η_R <1, dochodzimy do wniosku, że jest on spełniony niezależnie od tłumienia dla

2

0

>

= ω z ω

Na podstawie wykresów przedstawionych powyżej można wyciągnąć następujące wnioski:

1. Jeżeli częstość siły wymuszającej ω jest mała w porównaniu z częstością drgań własnych układu ω0, to ηR różni się nieznacznie od 1 i stosowanie wibroizolacji tym przypadku nie ma sensu.

2. Jeżeli iloraz częstości ω/ω0 zbliża się do jedności, tzn. częstość drgań własnych układu ω0 jest bliska częstości siły wymuszającej, to współczynnik ηR rośnie, a przy tłumieniu amplitudy drgań przybiera duże wartości (rezonans). Podparcie sprężyste powinno być tak zrealizowane, aby uniknąć pracy w tym zakresie, gdyż siły przenoszone przez układ wibroizolacji na podłoże mogą mieć wartość większą od wartości sił wymuszających.

3. Wibroizoiacja drgań zachodzi przy ω/ω₀ >

2

4. Ze wzrostem ω/ω₀ wartości η_R zbliżają się do zera, a efektywność wibroizolacji wzrasta. Począwszy jednak od wartości ω/ω₀ = 5 nie polepsza efektywności wibroizolacji.

Uwaga ta jest ważna dlatego, iż wymiary układów wibroizolacji zwiększają się wraz ze zmniejszaniem ich

sztywności. Już przy ω/ω₀ = 2,5 wibroizolatory izolują 81%

wibracji, a przy wartości tego ilorazu 3, 4 i 5 ich efektywność wynosi 87,5, 93 i 96%.

5. Dla ω/ω₀ >

2

6. Współczynnik η_R zmniejsza się tylko w zakresie rezonansowym przy dużym tłumieniu. Ponieważ izolowana maszyna podczas rozruchu może przechodzić przez zakres rezonansowy, należałoby stosować duże tłumienie, aby nie dopuścić do nadmiernych amplitud drgań. Amplituda drgań osiąga jednakże duże wartości tylko wtedy, gdy maszyna dłuższy czas pracuje w zakresie rezonansowym. Zwykle amplitudy drgań przy przechodzeniu przez rezonans są niewielkie, a nawet przy małym tłumieniu mają one skończone wartości. Z tego powodu należy liczyć się z możliwością występowania dużych przemieszczeń izolowanej maszyny względem nieruchomej podstawy. Wibroizolatory należy tak instalować, aby nie ograniczać swobody przemieszczania.

7. Wpływ tłumienia wewnętrznego w zakresie ich pracy ω/ω₀ >

2

Przykłady wibroizolatorów:

Wibroizolator kołpakowy KA ma przykręcaną do podłoża podstawę oraz obudowany kołpakiem gumowy wkład wibroizolacyjny z wystającą do góry śrubą, na której osadzana jest podstawa maszyny. Ze względu na swoje walory jest najczęściej stosowanym wibroizolatorem do większości maszyn wirnikowych, w szczególności wentylatorów. Ustawienie poziomu maszyny realizowane jest nakrętkami nakręcanymi na śrubę wibroizolatora.

KA-50

(do maszyn powyżej 1400 obr/min) Typ, wielkość

odmiana Zalecany zakres obciążeń (kg) KA-50-P0 15 - 25 KA-50-P1 20 - 35 KA-50-P2 30 - 45 KA-50-P3 40 - 60 KA-50-P4 55 - 80 KA-50-P5 75 - 110 KA-50-P6 105 - 160 KA-50-P7 150 - 220

KA-90

(do maszyn powyżej 900 obr/min) Typ, wielkość

odmiana Zalecany zakres obciążeń (kg) KA-90-P0 50 - 80 KA-90-P1 70 - 100 KA-90-P2 90 - 130 KA-90-P3 120 - 180 KA-90-P4 170 - 250 KA-90-P5 240 - 360 KA-90-P6 350 - 500 KA-90-P7 470 - 650

Wibroizolator walcowy ma postać walca, którego jedno lub oba czoła ograniczone są metalowymi tarczami. Tarcze zaopatrzone są w śruby lub otwory gwintowane. Wibroizolatory walcowe wykonywane są o średnicach od 20 do 100 mm, w pięciu odmianach.

Odmiana A ^{Odmiana B Odmiana C Odmiana D Odmiana E}

Wymiary (mm) Typ i wielkość

D H M L E

Nr

charakterystyki Zalecane obciążenie

jednostkowe (kg) Waga 1 szt.

średnio (kg)

W-20 20 20 M6 14 4 3

4 5 - 9

9 - 16 0,02

W-30 30 30 M8 22 6 3

4

10 - 18

18 - 35 0,05

W-30/15 30 15 M8 22 6 3

4 15 - 25

25 - 45 0,04

W-40 40 40 M10 27 8 3

4 20 - 35

35 - 60 0,14

W-40/20 40 20 M10 27 8 3

4 25 - 45

40 - 75 0,09

W-50 50 50 M10 27 8 3

4

35 - 55

55 - 100 0,21

W-50/25 50 25 M10 27 8 3

4 45 - 80

80 - 140 0,15

W-75/55 75 55 M12 37 16 3

4 100 - 180

140 - 220 0,50

W-100/55 100 55 M16 42 18 3

4 220 - 380

300 - 500 1,00

W przypadku ogólnym, gdy maszyna spoczywa na układach wibroizolacyjnych (sześć stopni swobody) oraz gdy działają na maszynę siły wymuszające o szerokim zakresie częstości, powinno się znaleźć sześć częstości własnych układu lub te z nich, które mają okazać się najniebezpieczniejsze przy rezonansie. Przesunięcie częstości własnych można osiągnąć przez odpowiedni dobór sztywności układów wibroizolacyjnych i ich wzajemnego położenia. W praktyce jednak wibroizoluje sie maszyny bezpośrednio na wibroizolatorach, których rozmieszczenie uwarunkowane jest położeniem łap lub miejsc przeznaczonych do mocowania maszyny.

Najczęściej stosowane sposoby instalowania maszyny na układach wibroizolacyjnych pokazano na rysunku poniżej.

Do budowy układów wibroizolacyjnych stosowane są różne materiały. Sprężyny stalowe i gumowe są elementami układów wibroizolacji, które konkurują ze sobą; różnią się one właściwościami i zakresem stosowania.

Wiadomo, że współczynnik wibroizolacji zależy w ogólnym przypadku od stosunku częstości siły wymuszającej do częstości drgań własnych.

Im większe jest zatem ugięcie statyczne sprężyny pod obciążeniem, tzn. im bardziej miękka jest sprężyna, tym lepsza

jest izolacyjność. Jest to słuszne zarówno dla wymuszeń harmonicznych jak również wymuszeń impulsowych (uderzeniowych).

Dla sprężyn stalowych praktycznie można określić wartość ugięcia statycznego pod zadanym obciążeniem. Ugięcie statyczne jest prawie w całym zakresie stosowalności proporcjonalne do obciążenia. Guma ma sprężystość postaciową, a nie objętościową.

Istnieją zatem poważne ograniczenia dotyczące ugięcia statycznego. Charakterystyki sprężystości gumy są nieliniowe.

Sprężyny owe stosuje się w tych przypadkach, gdy częstości sił wymuszających są wysokie, a obciążenia małe, np. w pojazdach mechanicznych.

W ostatnich latach jako układy sprężyste stosowane są elementy pneumatyczne. Układ izolowany spoczywa na poduszce powietrznej o odpowiednim ciśnieniu., Częstość drgań własnych takiego układu jest mała i może się zmieniać w ograniczonym zakresie. Obok omówionych materiałów, jako elementy układów wibroizolacyjch stosuje się płyty izolacyjne z korka, płyty izolacyjne korkowe z wkładką stalową, płyty z włókna jutowego, filc.

6.6. Aktywne układy wibroizolacji

Wraz z rosnącą wibroaktywnością maszyn i urządzeń, związaną ze wzrostem ich mocy i prędkości funkcjonowania, a także z większymi wymaganiami odnośnie do minimalizacji drgań obiektów w szczególności przy wymuszeniach niskoczęstotliwościowych, dotychczas stosowane układy wibroizolacji coraz częściej uzupełniane są lub zastępowane aktywnymi i prostszymi semiaktywnymi układami wibroizolacji.

Aktywne układy wibroizolacji, wprowadzające do urządzenia układy automatycznego sterowania, rozwiązują zagadnienie

urządzenia, niskiego poziomu zaburzających drgań, stateczności i sztywności dynamicznej. Rysunek poniżej przedstawia element sterowania układu tłumiącego.

Układy pasywne mogą tylko rozpraszać energię lub okresowo magazynować, a następnie oddawać energię. Układy aktywne zawierają zewnętrzne źródło energii, które odpowiednio sterowane może dostarczać lub absorbować energię w określony sposób, z dowolnych miejsc urządzenia.

Ze względu na zasadę działania rozróżnia się aktywne układy wibroizolacji sterowane wymuszeniem (rys. a) lub sterowane parametrami pola wibracyjnego (rys. b poniżej).

Na rysunku poniżej przedstawiono przykładowe rozwiązania pneumatycznych, hydraulicznych i elektrycznych aktywnych układów wibroizolacji.

Znacznie prostsze i mniej kosztowne są semiaktywne układy wibroizolacji, które nie generują sił, lecz modyfikują parametry urządzenia. Semiaktywne układy wibroizolacji zawierają elementy bierne (np. pneumatyczne, elektromagnetyczne) i tłumiące (np. hydrauliczne, ciecze elektro-reologiczne), lecz siły sprężyste lub tłumiące mogą być modulowane, np. modulowany element rozpraszający. Wymagają zewnętrznego źródła energii o niewielkiej mocy.

Na rysunku poniżej przedstawiono przykład semiaktywnego zawieszenia siedziska kierowcy.

Na rysunku 1 oznacza sprężynę pneumatyczną, 2 — tłumik hydrauliczny, 3 — zawór sterujący, R — długość dłuższego ramienia dźwigni kątowej, l — długość krótszego ramienia dźwigni kątowej, r — promień krążka, A_c — pole powierzchni efektywnej sprężyny pneumatycznej, A — pole powierzchni tłoka tłumika hydraulicznego. Za pośrednictwem układu sterowania i zaworu realizowane są zmiany tłumienia w zależności od zmian prędkości drgań siedziska i podłoża.