Виброизоляция

Виброизоляция (англ. vibration-isolation, vibration control) — это способность препятствия (виброизолятора, виброопоры) изолировать конструкцию (оборудование, механизм и т. п.) от распространяющейся по ней вибрации[1][2]. Численно виброизоляция оценивается ослаблением колебаний в защищаемом объекте после установки препятствия между точкой приема и районом расположения источника вибраций. Единица измерения — dB.

Оборудование и механизмы имеют связь с окружающими объектами (опора — опорная связь; трубопровод, кабель — неопорная связь). Виброизоляция является результатом действия двух процессов внутри препятствия — гашения и изоляции колебаний, которые обусловлены физическими свойствами материала препятствий, а также конструктивными особенностями самого препятствия.

Различают пассивную виброизоляцию, когда такой источник дополнительной энергии не применяют и активную виброизоляцию, когда используют энергию дополнительного источника[2].

Пассивная виброизоляция

Гашение и изоляция колебаний

Демонстрация поведения эластомерных материалов с различным соотношением свойств изоляции и гашения колебаний

В системе, состоящей из массы и пружины, и в которой происходит равномерное или с ускорением движение массы, возникают колебания. Функцию пружины могут выполнять корпус, опора или рама транспортного средства. Колебания массы могут создавать шум и вибрацию, распространяемые по воздуху или через жесткие связи. Шум и вибрация, как правило, являются источниками дискомфорта и ускоряют процессы износа деталей машин и механизмов. Поэтому в технике принято бороться с шумом и вибрацией.

Любой материал, помимо основных характеристик, обладает свойствами гашения (демпфирования) или изоляции (снижения амплитуды, отражения) колебаний. К примеру, камень обладает 100 % демпфирующими свойствами и 0 % свойствами изоляции колебаний.

Изоляция колебаний в колеблющейся системе обеспечивает плавное и комфортное снижение амплитуды колебаний, а гашение колебаний обеспечивает поглощение энергии колебаний. К примеру, стойка подвески легкового автомобиля состоит из пружины и амортизатора. В данном случае пружина выполняет функцию изолятора, а амортизатор — гасителя колебаний.

Виброизоляция опорной связи

Виброизоляция опорной связи реализована в устройстве, называемом виброизолятор (виброопора). На иллюстрации представлена зависимость перепада уровней вибрации (передаточная функция), которая измеряется до и после виброизолятора в широком диапазоне частот.

Виброизолятор

Виброизолятор (англ. vibration-isolator, antivibration part) — виброизолирующее устройство для отражения и поглощения волн колебательной энергии, распространяющихся от работающего механизма или электрооборудования, за счет использования эффекта виброизоляции. Устанавливается между телом, передающим колебания, и телом защищаемым (например, между механизмом и фундаментом). На иллюстрации представлено изображение виброизоляторов серии «ВИ», которые применяются в судостроении России, например, на подводной лодке «Санкт-Петербург». Показаны «ВИ» с допускаемыми нагрузками 5, 40 и 300 кг. Они отличаются размерами, но имеют подобную конструкцию. В конструкции использована резиновая оболочка, которая армирована пружиной. Резина и пружина прочно соединены в процессе превращения сырого каучука в резину методом вулканизации. Под действием весовой нагрузки механизма оболочка деформируется, причем витки пружины сжимаются или раздвигаются. При этом в поперечном сечении пруток пружины, скручиваясь, взаимодействует с материалом оболочки, вызывая в ней деформации сдвига. Известно, что виброизоляция в принципе не может осуществляться без наличия вибропоглощения. А величина деформации сдвига в упругом материале виброизолятора является определяющей для оценки эффективности вибропоглощения. При действии вибрации или ударных нагрузок деформации увеличиваются, являясь при этом циклическими, что значительно усиливает эффективность данного устройства. В верхней части конструкции предусмотрена втулка, а в нижней фланец, с помощью которых виброизолятор крепится к механизму и фундаменту.

Технические задачи для виброизоляторов

Виброизоляторы

1. Снижение структурных шумов и вибраций, то есть распространяемых от источника по жестким связям (например, по раме транспортного средства).
2. Компенсация перекосов и деформаций при монтаже и эксплуатации.
3. Замена трения скольжения в шарнире на эластичную деформацию внутренних связей резинового слоя виброизолятора.
4. Демпфирование колебаний, ударов.
5. Предотвращение резонанса.
6. Являться частью кинематической схемы механизма, совершающего периодические колебания.

Некоторые виды виброизоляторов

1. Резинометаллические опоры (коническая, круглая, плоская, клиновидная, сферическая, приборная, бочкообразная, и др).
2. Резинометаллические пружины (коническая, плоская, многослойная, шевронная и др).
3. Гидроопоры, гидровтулки, гидроопоры HALL с переменной жесткостью.
4. Сайлентблоки, обрезиненные втулки.
5. Вспомогательные опоры (прорезиненные упорные шайбы).
6. Резинометаллические упоры и буфера.
7. Резинометаллические опоры трубопроводов.
8. Детали машин и механизмов с функцией виброизоляции (например, звездочка или зубчатое колесо с промежуточным слоем резины между венцом и втулкой, рычаги и др).

Причины разнообразия конструктивных схем виброизоляторов

1. Требования по компоновке виброизоляторов в составе машины или механизма.
2. Действующие нагрузки на виброопору.
3. Требуемая степень виброизоляции в системе координат.
4. Требования по жесткости, а также соотношение жесткостей виброопоры в системе координат.
5. Значения допустимых деформаций в системе координат, если виброизолятор является элементом кинематической схемы механизма.
6. Требования по допустимой эластичной деформации для обеспечения компенсаторной способности виброизолятора.
7. Условия эксплуатации и окружающей среды.

Примеры использования виброизоляторов

 — крепление двигателя внутреннего сгорания и кабины к раме транспортного средства;

 — крепление деталей подвески автомобиля (амортизатор, рычаг и др).

 — соединение моста трактора с рамой;

 — крепление узлов и агрегатов ветроэнергетической установки к гондоле;

 — установка машин и механизмов на основание посредством виброизоляторов;

 — крепление чувствительных к тряске и вибрации приборов к основанию;

 — торсионные шарниры;

 — крепление буксового узла к раме железнодорожной тележки;

 — крепление железнодорожного вагона к раме тележки;

 — шарниры в сложных пространственных механизмах и др.

Физические принципы, позволяющие виброизолятору максимально эффективно выполнять свою функцию

1. Отсутствие трения скольжения в соединении эластомера с металлом. В данном случае необходима связь эластомера с металлом посредством вулканизации.
2. Применяемый эластомер должен обладать свойством поглощать энергию вибрации не разрушаясь при этом.

Виброизоляция неопорной связи

Виброизоляция неопорной связи (трубопровод) реализована в устройстве, называемом виброизолирующий патрубок .

Виброизолирующий патрубок

Виброизолирующий патрубок

Виброизолирующий патрубок — часть трубы с упругими стенками для отражения и поглощения волн колебательной энергии, распространяющихся от работающего насоса по стенке трубопровода. Устанавливается между насосом и трубопроводом. На иллюстрации представлено изображение виброизолирующего патрубка серии «ВИПБ». В конструкции патрубка использована резиновая оболочка, которая армирована пружиной. Свойства оболочки подобны оболочке виброизолятора. Имеет устройство, которое обеспечивает безраспорность от сил внутреннего давления среды в трубопроводе.

Активная виброизоляция

Системы активной виброизоляции содержат, кроме пружины, цепь обратной связи, которая состоит из датчика, например — пьезоэлектрического акселерометра или геофона, контроллера и привода. Показания акселерометра (вибрации) обрабатываются схемой управления и усиливаются. Затем сигнал подается на электромагнитный привод. В результате такое подавление вибраций дает лучший результат, чем обычное демпфирование.

Датчики

• Пьезоэлектрические акселерометры и датчики силы
• МЭМС акселерометры
• Геофоны
• Датчики расстояния
• Интерферометры

Приводы для активной изоляции

• Линейные двигатели
• Пневматические приводы
• Пьезоэлектрические двигатели

См. также

• Вибрация
• Колебания
• Амортизатор
• Сейсмическая изоляция

Примечания

1. А.Колесников «Шум и вибрация». Ленинград. «Судостроение». 1988
2. Гусев Ю. И., Карасев И. Н., Кольман-Иванов Э. Э. Конструирование и расчет машин химических производств. — М., Машиностроение, 1985. — С. 92 — 95