Основные параметры и характеристики вибрации.

Вибрационная безопасность персонала производственной и социально-бытовой сферы деятельности

 

Учебно-методическое пособие для практических занятий по БЖД студентов АлтГТУ всех форм обучения

 

Барнаул 2011

 

 

УДК 658.382

 

Стуров Д. С., Гергерт В.Р., Калин А.Ю. Вибрационная безопасность персонала производственной и социально-бытовой сферы деятельности: Учебно-методическое пособие для практических занятий по БЖД/ Алт. гос. техн. уни-т им. И.И. Ползунова – Барнаул, изд-во АГТУ, 2011

 

Учебно-методическое пособие для практических занятий по БЖД рассмотрено методической комиссией кафедры БЖД и одобрено для использования.

2011 г.

 

 

Общие теоретические сведения о вибрации.

 

В основу разработки учебно-методического пособия положены государственные нормативно-правовые документы:

· ГОСТ 12.1.012-90. ССБТ, Вибрационная безопасность.

· СН 2.2. 4/2. 1.8.566-96, Санитарные нормы. Производственная вибрация, вибрация в помещениях жилых и общественных зданий.

 

Термины и определения, источники и причины вибрации.

 

Вибрация – это механические колебания упругих тел и материалов, отдельных частей машин, механизмов, фундаментов, строительных конструкций и т.п., при воздействии на них знакопеременной возмущающей силы.

С физической точки зрения между шумом (т.е. звуковыми колебаниями) и вибрацией принципиальной разницы нет. Разница имеет место лишь в восприятии колебаний: вибрация воспринимается вестибулярным аппаратом и органами осязания, а шум – органом слуха. Механические колебания упругих тел с частотой до 20 Гц воспринимаются организмом как вибрация, фактически это инфразвук, т.е. неслышимые колебания, а колебания с частотой более 20 Гц – воспринимаются одновременно и как вибрация и как звук. Примером этому может служить струна музыкального инструмента – она колеблется и звучит.

Источниками вибрации являются: различные технологические процессы (рубка металла, механическая обработка, размол и измельчение продукта и т.д.); машины, механизмы и их рабочие органы; ручные механизированные инструменты (электродрели, пневмонаждаки и т.п.); органы ручного управления машинами и оборудованием, и т.д.

Причины возникновения вибрации во многом обусловлены техническим прогрессом, характеризующимся увеличением скоростей движения, возрастанием мощностей, усилий, производительности оборудования. Но современная техносфера не совершенна: имеют место неуравновешенность и неравномерность движения механизмов, неточность изготовления, увеличенные зазоры в шарнирных сочленениях, неоднородность материалов движущихся деталей машин и механизмов и т.п. Всё это вместе или по отдельности является источником возникновения возмущающих знакопеременных сил, порождающих вибрацию.

 

Основные параметры и характеристики вибрации.

 

Техногенные вибрации могут быть простые, когда колебания совершаются по одной из трёх координат (X,Y,Z) и сложные, когда колебания объекта происходят одновременно по всем координатным направлениям с разной амплитудой и частотой.

Простейшим видом колебаний являются гармонические синусоидальные колебания по одной из трёх осей координат (рисунок 1).

 

Рисунок 1. Гармонические синусоидальные колебания точки m:

- колебательное смещение (виброперемещение)

- колебательная скорость (виброскорость)

- колебательное ускорение (виброускорение)

 

Основными параметрами характеризующими вибрацию являются:

- амплитуда смещения колеблющейся точки m от положения равновесия.

Формула движения точки m:

, м (1)

где - максимальное смещение точки от положения равновесия (от оси рис.1)

- круговая частота,

- - частота колебаний, Гц.

- 1 Герц (Гц) равен числу периодов колебаний в 1 секунду.

. Если, например, период одного колебания равен 1 с, то

частота Гц

Если число периодов колебаний в 1 секунду будет равно 10, то время одного периода колебаний равно 0,1 с, и тогда Гц.

Максимальное значение амплитуды вибросмещеня по формуле (1) будет равно

- Скорость колебаний (виброскорость) точки ,

, м/с (2)

Максимальное значение виброскорости (амплитуда виброскорости) , м/с

- виброускорение точки ,

, м/с (3)

Максимальное значение виброускорения по формуле (3) равно

, м/с

В общем случае физические величины, характеризующие вибрацию (например, виброскорости), являются некоторой функцией времени, т.е. . В таких случаях, по математической теории, колебательный процесс представляется в виде суммы бесконечно длящихся синусоидальных колебаний с различными частотами и амплитудами. Это называют полигармоническим колебательным процессом. При этом процесс может быть периодическим или квазипериодическим, частотные спектры которых считаются дискретными. (рис.2а)

Если же колебательный процесс является случайным или одиночным кратковременным – спектр вибрационных параметров считается непрерывным (рис.2б).

В реальных условиях наиболее часто вибрация представляется в виде периодических полигармонических колебаний. Тогда в силу специфических свойств органов чувств человека определяющими, т.е. действующими на организм человека, являются не максимальные значения параметров вибрации (амплитуды, скорости и ускорения), а среднеквадратичные их значения (это примерно 0,67…0,75 от их максимума). Более точное определение среднеквадратичных значений виброскорости и виброускорения выполняется по формулам:

; (4)

где - число составляющих гармоник в спектре

- значения колебательной скорости и ускорения.

В практике виброизмерений абсолютные значения параметров вибрации изменяются в очень широких пределах. Например, амплитуда колебаний при морской качке доходит до 10 метров, а амплитуда колебаний на корпусе домашней электробритвы всего лишь 0,01 мм. Точно также в широких пределах изменяются скорость и ускорение. Отличие максимального значения параметров от минимально ощутимого (порогового) значения достигает , т.е. в один миллион раз максимум параметра больше его минимума. Это создаёт большие неудобства в практических расчётах и исследованиях. В целях резкого сокращения измерительных шкал, для удобства пользования, применяют логарифмические шкалы величины параметров вибрации, получившие название – уровни виброскорости , дБ и уровни виброускорений , дБ (децибел):

· , дБ (5)

· , дБ (6)

где - пороговое (минимально ощутимое организмом человека) значение виброскорости;

а_о =1·10^-6 м/с² =1·10^-4 см/с² =1·10^-3 мм/с²- пороговое (минимально ощутимое организмом человека) значение виброускорения;

 

б) 0

a) 0

f=2 Гц

f=4 Гц

f=6 Гц

f=8 Гц

f=10 Гц

1с

1с

1с

1с

1с

f, Гц

LV

AV

t, c

f, Гц

AV

LV

t, c

 

 

Рисунок 2: Полигармонические спектры производственной вибрации:

- a) периодический колебательный процесс-спектр вибрационных параметров дискретный;

- б) кратковременный одиночный колебательный процесс - спектр вибрационных параметров непрерывный.

 

и - среднее квадратическое значение виброскорости и виброускорения, соответственно.

- Уровень виброскорости - есть логарифмическое отношение абсолютной величины виброскорости к пороговому значению виброскорости в децибелах (дБ).

- Уровень виброускорения - есть логарифмическое отношение абсолютной величины виброускорения к пороговому значению виброускорения в децибелах (дБ).