Размещено на http://www.allbest.ru/

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ЗАЩИТЫ ЧЕЛОВЕКА ОТ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ВИБРАЦИИ

1. Цель работы

Изучение условий возникновения опасности вибрационного воздействия на человека, гигиенической оценки вибрации и методов защиты от нее.

2. Методические указания по организации самостоятельной работы студентов

При подготовке к лабораторной работе студент должен изучить следующие вопросы:

-причины и условия возникновения вибрации производственного оборудования;

-действие вибрации на организм человека;

-гигиеническое нормирование параметров вибрации;

-способы защиты от вибрации производственного оборудования.

Согласно [1] вибрация - это механические колебания твердого тела. Воздействие вибрации на человека классифицируется по следующим признакам:

-по способу передачи колебаний (общая и локальная). Общая вибрация передается через опорные поверхности на тело человека и делится на транспортную, транспортно-технологическую и технологическую. Локальная вибрация воздействует на отдельные части тела, например, руки;

-по направлению колебаний (вертикальная, горизонтальная от спины к груди; горизонтальная от правого плеча к левому;

-по временной характеристике (постоянная и непостоянная). При постоянной вибрации контролируемый параметр за время наблюдения изменяется не более чем в два раза (6 дБ). При непостоянной - более чем в два раза.

При вибрации телу человека передается энергия, которая вызывает переменные механические напряжения и рассеивается в тканях.

При действии общей вибрации прежде всего страдает опорно-двигательный аппарат, нервная система, вестибулярный, зрительный и тактильный анализаторы. Снижается болевая, тактильная и вестибулярная чувствительность. Большие уровни вызывают травмы тканей с последующим изменением физиологических процессов (изменение углеводного, белкового, ферментного, холестеринового обменов и биохимических показателей крови).

Локальной вибрации обычно подвергаются люди, работающие с ручным механизированным инструментом. Она вызывает спазм сосудов кисти, предплечий, нарушение их кровоснабжения, снижение кожной чувствительности, отложение солей и снижение подвижности в суставах. Рабочие жалуются на боли в руках.

При длительном воздействии вибрации на организм человека возникает виброболезнь. Ее симптомами являются головная боль, онемение пальцев рук, боль в костях, суставах и предплечьях, бессонница. Сопутствующими являются сердечно-сосудистые и нервные заболевания, жалобы на плохое самочувствие.

Причиной возникновения производственной вибрации являются неуравновешенные силовые воздействия, возникающие при работе машин и агрегатов. К основным источникам вибрации относятся:

-механизмы возвратно-поступательного действия (кривошипно-шатунный механизм в двигателях и компрессорах, боек в ручных перфораторах, вибрационные механизмы для уплотнения бетона и грунта при строительстве, агрегаты виброформования в литейном оборудовании и проковки сварных соединений, вибростенды для испытания аппаратуры и т.д.);

-детали, соударяющиеся друг с другом в процессе работы (зубчатые колеса редукторов, подшипники, соединительные муфты и т. д.);

-неуравновешенные вращающиеся массы (несбалансированные диски шлифовальных машин, заготовки на токарных станках, роторы электродвигателей, вентиляторов и т. д.).

Различают статическую, динамическую и комбинированную неуравновешенности. На рисунке 1 показано влияние разных видов неуравновешенности на характер движения ротора. Ось уравновешенного ротора (рис. 1 а) при его вращении неподвижна (вибрация отсутствует). При статической неуравновешенности (рис. 1 б) ось ротора описывает цилиндрическую поверхность. При динамической неуравновешенности (рис. 1 в) - коническую поверхность.

а б в

1- ротор; 2 и 3 - соответственно, статическая и динамическая неуравновешенность

Рисунок 1. Характер движения ротора

Статическая неуравновешенность может быть выявлена при установке ротора на горизонтальные рейки (ножи). Под действием силы тяжести ротор повернется массами 2 вниз. Динамическая неуравновешенность может быть выявлена путем принудительного вращения ротора.

Любая конструкция, содержащая источники неуравновешенных силовых воздействий, представляет собой колебательную систему. При определенных условиях колебания в ней могут усиливаться или ослабляться. На рис. 2 показаны кинематические схемы упрощенных колебательных систем с силовым возбуждением, к которым можно свести конструкции многих машин и механизмов. На рис. 2 а - одномассовой, на рис. 2 б - двухмассовой колебательной системы. Будем считать, что колебания в них возможны только в одном направлении.



а б

1- объект; 2 - источник колебания (неуравновешенный ротор); 3 - упругий элемент конструкции (например, пружина амортизатора); 4 - элемент трения (например, демпфер амортизатора); 5 - дополнительная масса (например, динамический гаситель)

Рисунок 2. Схемы упрощенных колебательных систем

Колебания системы (рис. 1 а) в общем случае определяются взаимодействием сил инерции, трения упругости, и возбуждающей силы

, (1)

где - сила инерции; - сила трения; - сила упругости; - возбуждающая сила.

Переходя к скалярной форме, получим уравнение

, (2)

где - масса объекта; a - виброускорение; - коэффициент демпфирования; V - виброскорость; - коэффициент жесткости упругого элемента; - виброперемещение; - время.

Виброскоростью называется скорость перемещения точки, которая колеблется с определенной частотой (первая производная от виброперемещения). Виброускорением называется ее ускорение, равное второй производной от виброперемещения.

В данной системе возможны два вида колебаний: свободные и вынужденные. Свободные колебания возникают при отсутствии постоянного возбуждающего воздействия (), если систему предварительно вывести из равновесия. Они носят затухающий характер. Процесс затухания происходит тем быстрее, чем больше трение (демпфирование). Угловая частота свободных колебаний слабо зависит от трения и приблизительно равна

. (3)

Вынужденные колебания возникают при возбуждающих воздействиях, которые заданы явными функциями времени и не зависят от движения самой системы. Если воздействие задано в виде силы, имеет место силовое возбуждение системы. Частота установившихся вынужденных колебаний совпадает с частотой возбуждающего синусоидального воздействия.

При постоянной частоте синусоидального колебания виброускорение отличается от виброперемещения умножением на константу:

, (4)

где - амплитудное значение виброперемещения; - угловая частота (); - частота.

При вращении статически неуравновешенного ротора (см. рис. 1 б) с постоянной скоростью возбуждающая сила равна

, (5)

где - суммарная величина неуравновешенных масс 2; - расстояние от центра масс 2 до оси ротора 1; - амплитудное значение возбуждающей силы.

Если в подшипниках ротора есть зазоры и трущиеся поверхности с высокой шероховатостью, имеет более сложный вид, а вынужденные колебания имеют сложный смешанный спектр (в данной работе не рассматриваются).

При совпадении частот свободных колебаний системы и возбуждающего воздействия () наступает резонанс - резкое увеличение амплитуды виброперемещения (виброскорости и виброускорения) вынужденных колебаний, который опасен своим разрушающим действием. Резонанс возможен не только в конструкциях аппаратов и механизмов, но и в теле человека, которое также представляет собой колебательную систему. Под воздействием вибрации могут резонировать отдельные части тела, что резко ухудшает состояние здоровья и ускоряет наступление вибрационной болезни.

Различают техническое и санитарно-гигиеническое нормирование вибрации. Первое существует для защиты оборудования и машин (в данной работе не рассматривается). Второе - для защиты человека.

Одним из методов санитарно-гигиенической оценки вибрации согласно [1] является спектральный (частотный). Нормируемыми параметрами вибрации являются средние квадратические значения виброускорения (виброскорости) или их логарифмические уровни в октавных и третьоктавных полосах частот.

Среднее квадратическое значение виброскорости равно

, (6)

где - период функции; - функциональная зависимость виброскорости от времени; - время.

Среднее квадратическое значение виброускорения равно

, (7)

где - функциональная зависимость виброускорения от времени.

Для гармонической функции ее среднее квадратическое значение равно

, (8)

где - максимальное (амплитудное) значение виброперемещения (виброскорости или виброускорения).

Логарифмический уровень виброскорости

, дБ, (9)

где - пороговое значение виброскорости (, м/с).

Логарифмический уровень виброускорения

, дБ, (10)

где - пороговое значение виброускорения (, м/с).

В таблицах Х.1…3 приведены санитарные нормы (максимально допустимые значения) спектральных показателей вибрационной нагрузки на оператора с учетом характеристики условий труда, способа передачи и направления колебаний для длительности воздействия 8 ч [2].

Таблица 1. Предельно допустимые уровни локальной вибрации

Среднегеометрические частоты полос, Гц	Нормативные значения во всех направлениях
	виброускорения	виброскорости
	мс	дБ	мс	дБ
8 16 31,5 63 125 250 500 1000	1,4 1,4 2,7 5,4 10,7 21,3 42,5 85,0	73 73 79 85 91 97 103 109	2,8 1,4 1,4 1,4 1,4 1,4 1,4 1,4	115 109 109 109 109 109 109 109

Таблица 2. Предельно допустимые уровни общей вибрации, действующей на операторов стационарных машин и оборудования или передающаяся на рабочие места, не имеющие источников вибрации

Среднегеометрические частоты полос, Гц	Нормативные значения во всех направлениях
	виброускорения	виброскорости
	мс	дБ	мс	дБ
	в 1/3 окт.	в 1/1 окт.	в 1/3 окт.	в 1/1 окт.	в 1/3 окт.	в 1/1 окт.	в 1/3 окт.	в 1/1 окт.
1,6 2,0 2,5	0,09 0,08 0,071	0,14	49 48 47	53	0,9 0,64 0,46	1,3	105 102 99	108
3,15 4,0 5,0	0,063 0,056 0,056	0,1	46 45 45	50	0,32 0,23 0,18	0,45	96 93 91	99
6,3 8,0 10,0	0,056 0,056 0,071	0,1	45 45 47	50	0,14 0,12 0,12	0,22	89 87 87	93
12,5 16,0 20,0	0,09 0,112 0,140	0,20	49 51 53	56	0,12	0,20	87	92
25,0 31,5 40,0	0,18 0,22 0,285	0,40	55 57 59	62	0,12	0,20	87	92
50,0 63,0 80,0	0,355 0,445 0,56	0,80	61 63 65	68	0,12	0,20	87	92

Таблица 3. Предельно допустимые уровни общей вибрации, действующей на рабочих местах работников умственного труда

Среднегеометрические частоты полос, Гц	Нормативные значения во всех направлениях
	виброускорения	виброскорости
	мс	дБ	мс	дБ
	в 1/3 окт.	в 1/1 окт.	в 1/3 окт.	в 1/1 окт.	в 1/3 окт.	в 1/1 окт.	в 1/3 окт.	в 1/1 окт.
1,6 2,0 2,5	0,0125 0,0112 0,01	0,02	32 31 40	36	0,13 0,09 0,063	0,18	88 85 82	91
3,15 4,0 5,0	0,009 0,008 0,008	0,014	29 28 28	33	0,045 0,032 0,025	0,063	79 76 74	82
6,3 8,0 10,0	0,008 0,008 0,01	0,014	28 28 30	33	0,02 0,016 0,016	0,032	72 70 70	75
12,5 16,0 20,0	0,0125 0,016 0,02	0,028	32 34 36	39	0,016	0,028	70	75
25,0 31,5 40,0	0,025 0,032 0,04	0,056	38 40 42	45	0,016	0,028	70	75
50,0 63,0 80,0	0,05 0,063 0,08	0,112	44 46 48	51	0,016	0,028	70	75

Защита от технологической вибрации осуществляется следующими методами: вибрация виброизоляция демпфирование защита

-снижением вибрации в источнике ее возникновения (заменой и модернизацей старого оборудования, уравновешиванием роторов и т. д.);

-снижением вибрации на пути ее распространения с помощью виброизоляции (введения дополнительной упругой связи (амортизатора), см. рис. 2 а) и вибропоглощения (вибродемпфирования - применения пластмасс, резины, текстолита и других конструкционных материалов с высоким внутренним и внешним трением);

-отстройкой от резонанса (изменением массы и жесткости отдельных элементов конструкции агрегата или режима его работы, например, скорости вращения электродвигателя);

-динамическим гашением (введением дополнительной колебательной системы, которая настроена на резонанс и принимает энергию колебания на себя, см. рис. 2 б). Динамическое гашение возможно лишь на строго определенной частоте, что ограничивает применение данного метода;

-применением средств индивидуальной защиты (специальной обуви, подметок, наколенников, перчаток, нагрудников, костюмов и т. д.).

Эффективность виброизоляции и демпфирования оценивается коэффициентом передачи силы. Его можно определить экспериментально и теоретически. Экспериментально в данной работе его определяют по формуле

, (11)

где и - среднеквадратические значения виброускорения, измеренные на вибростенде №2 (см. рис. 3 б), соответственно, при наличии виброизоляции и без нее. В теоретических расчетах пользуются формулой

. (12)

Из выражения (12) видно, что виброизоляция эффективна () при условии

, (13)

когда исчезает резонансное явление (см. рис. 5). На практике для большей эффективности это отношение принимается в пределах от 2,5 до 5.

Во время самостоятельной работы при подготовке к лабораторной работе рекомендуется литература [2;3;4].

3. Описание лабораторной установки

Лабораторная установка состоит из двух вибростендов и ПК. На рис. 3 а показана функциональная схема первого вибростенда, предназначенного для исследования вибрации при вращении несбалансированного ротора. На рис. 3 б - схема второго вибростенда, предназначенного для исследования виброизоляции и демпфирования. В первом вибростенде происходит силовое, а во втором - кинематическое возбуждение колебательной системы. В обоих вибростендах возбуждающее воздействие имеет синусоидальный характер.

а (вибростенд №1 б (вибростенд № 2 (ВЭДС-10А))

1 - пульт управления; 2 - вибратор электромеханический; 3 - ротор; 4 - вибропреобразователь; 5 - осциллограф; 6 - тахометр; 7- блок генератора синусоидальных колебаний; 8 - блок усилителя; 9 - блок подмагничивания; 10 - вибратор электродинамический ВЭД-10; 11 - амортизатор с установленным на него грузом и вибропреобразователем 4; 12 - блок измерителя вибраций; 13 - стойка управления СУПВ-0,1

Рисунок 3. Функциональные схемы вибростендов

4. Порядок выполнения работы и методические указания по ее выполнению

В данной лабораторной работе выполняется физическое и математическое моделирование.

1) Получить у преподавателя номер варианта исходных данных (табл.4).

Таблица 4. Исходные данные для выполнения пунктов 4, 5, 6, 8

№ варианта	№ пункта выполнения работы
	4	5, 6, 8	7
	№ опыта (задания)
	1	2	3	Параметр	1	2	3	№№ амортизаторов (прокладок)
	Количество винтов
1	5	1	0	, кг	20	20	20	1; 3; 6
				, нс/м	100	150	150
				, н/м	20000	20000	2000
				, н	0,5	0,5	0,5
				, 1/с	31,6	31,6	31,6
2	6	2	0	, кг	50	50	50	1; 2; 5
				, нс/м	350	700	700
				, н/м	200000	200000	20000
				, н	5	5	5
				, 1/с	58	58	58
3	4	1	0	, кг	100	100	100	2; 3; 6
				, нс/м	1500	3000	3000
				, н/м	300000	300000	1200000
				, н	10	10	10
				, 1/с	80	80	80
4	6	3	0	, кг	1000	1000	1000	1; 2; 4
				, нс/м	12000	6000	6000
				, н/м	4000000	4000000	400000
				, н	100	100	100
				, 1/с	60	60	60

2) Проверить ротор на наличие статической неуравновешенности (номер ротора каждому студенту задает преподаватель):

-убедиться в отсутствии питания на пульте управления вибростенда № 1.

Внимание! Запрещается включение пульта управления при отсутствии на вибраторе защитного кожуха.

-снять с вибратора №1 защитный кожух;

-установить исследуемый ротор (вал) на горизонтальные рейки и оценить его с точки зрения наличия статической неуравновешенности.

3) Продемонстрировать свободные затухающие колебания маятниковой рамы вибростенда №1:

-включить питание осциллографа (пульт управления не включать);

-отклонить маятниковую раму вибростенда от положения равновесия вниз на 2…3 мм и отпустить;

-зарисовать осциллограмму (допускается фотографирование с последующей вставкой в отчет).

4) Исследовать вынужденные колебания маятниковой рамы:

-установить на ротор вибратора (вибростенд №1) заданное количество винтов (неуравновешенных масс) в соответствии с заданием для первого опыта;

-установить на вибратор защитный кожух;

-включить питание пульта управления и тахометра;

-вращая регулятор скорости оборотов на пульте управления, с помощью осциллографа и тахометра определить экспериментально резонансную частоту маятниковой рамы;

-зарисовать осциллограмму на резонансной частоте (допускается фотографирование с последующей вставкой в отчет);

-снять частотную зависимость виброускорения маятниковой рамы с помощью тахометра и шкалы осциллографа и занести в таблицу 5.

Таблица 5 Результаты исследования вынужденных колебаний рамы;

Номер опыта	Количество масс (винтов)	Резонансная частота , Гц	Частота вибрации , Гц	Значение виброускорения по шкале осциллографа, мс
1			- 4
			- 2
			+ 10

-отключить питание пульта управления, снять защитный кожух и проделать п. 4 сначала для следующего опыта;

-отключить питание пульта управления, тахометра и осциллографа.

5) Выполнить математическое моделирование свободных затухающих колебаний одномассовой системы в форме задачи Коши (см. табл. 4). В основе модели лежит уравнение (2). Пример моделирования колебаний в среде Mathcad с использованием численного метода показан на рис. 4 (кривая 1).

6) Выполнить математическое моделирование вынужденных колебаний одномассовой системы в форме задачи Коши (см. табл. 4). В основе модели лежат уравнения (2) и (5). Примеры показаны на рис. 4 (кривые 2 и 3).

1 - свободные затухающие колебания; 2 и 3 - вынужденные колебания

Рисунок 4. Пример моделирования колебаний

7) Обработать данные экспериментального исследования виброизоляции и демпфирования, полученные с помощью вибростенда №2.

Внимание! Включение вибростенда №2 (ВЭДС-10А) и измерения на нем физических величин студентами не выполняются. Эти действия выполняет преподаватель или инженер кафедры при строгом соблюдении требований, изложенных в паспорте на вибростенд.

Для выполнения данного пункта студентам необходимо:

-получить у преподавателя данные по исследованию виброизоляции и демпфирования и занести их в табл. 6;

Таблица 6. Результаты исследования виброизоляции и демпфирования

Номер амортизатора	, н/м	, нс/м		Частота вибрации , Гц	Значения виброускорения, мс
					без амортизатора	с амортизатором
			0,5
			1,0
			2,0
			4,0

-рассчитать значения по формуле (11) и занести в табл. 6.

8) Рассчитать и построить частотную зависимость для опытов №1, 2, 3 по формуле (12). Пример расчета в среде Mathcad показан на рис. 5.

Рисунок 5. Частотная зависимость коэффициента передачи силы

9) Проанализировать полученные результаты путем сравнения графических зависимостей между собой;

10) Сделать выводы об условиях возникновения опасности вибрационного воздействия, гигиенической оценке вибрации и способах защиты от нее.

5. Содержание отчета

Отчет должен содержать:

-цель работы;

-функциональные схемы вибростендов и их состав;

-исходные данные;

-табл. 5 и 6 с результатами измерений и расчетов;

-графики, полученные в результате физического и математического моделирования. При посторении графической зависимости виброускорения от частоты (см. табл. 6) отложить также и допустимые значения виброускорения (см. табл. 1… 3);

-выводы о проделанной работе.

6. Контрольные вопросы и задания

1. Дайте определение вибрации. В чем заключается опасность и вред вибрационного воздействия на человека и технику?

2. Перечислите основные причины и источники производственной вибрации.

3. По каким признакам классифицируется действие вибрации на организм человека согласно ДСН 3.3.6.039-99?

4. Дайте определение резонанса и запишите условие его возникновения в одномассовой колебательной системе. В чем состоит опасность резонанса?

5. Раскройте суть спектрального метода оценки вибрации согласно ДСН 3.3.6.039-99. Укажите нормируемые параметры вибрации.

6. Запишите уравнения для свободных и вынужденных колебаний одномассовой системы при ее силовом возбуждении.

7. Перечислите способы защиты от вибрации производственного оборудования и раскройте их сущность.

8. При каких условиях виброизоляция становится эффективной? Обоснуйте свой ответ.

9. Какие параметры амортизатора влияют на виброизоляцию и вибропоглощение?

10. Какие конструкции амортизаторов применялись в данной работе? Опишите их отличительные признаки.

11. Как определялось наличие статической неуравновешенности роторов в данной работе?

12. Как изменялась неуравновешенность ротора в данной работе?

13. Как определялось виброускорение ротора в данной работе?

14. Какие требования охраны труда нужно соблюдать при выполнении данной работы?

Рекомендованная литература

1. Державні санітарні норми виробничої загальної та локальної вібрації ДСН 3.3.6.039-99.

2. Охрана труда в машиностроении / Под ред. Е.Я. Юдина. - М.: Машиностроение, 1976.-242 с.

3. Охрана труда на предприятиях связи / Под ред. Н.И. Баклашова. - М.: «Радио и связь», 1985. - 280 с.

4. Жидецкий В.Ц. и др. Основы охраны труда. - Львов: «Афиша», 2000. - 350с.

Дополнительная

1. Колесник Н. В. Статическая и динамическая балансировка. М. «Машиностроение», 1954. 186 с.

2. Левит М.Е. и др. Балансировка деталей и узлов. - М. «Машиностроение», 1986. 248 с.

3. Бишоп Р. Колебания. - М. «Наука», 1986. - 190 с.

4. Фролов К.В. и др. Прикладная теория виброзащитных систем. - М. «Машиностроение», 1980. - 279 с.

5. Суровцев Ю.А. Амортизация радиоэлектронной аппаратуры. - М. «Советское радио», 1974. - 175 с.

6. Пановко Я.Г. Введение в теорию механических колебаний. - М. «Наука», 1991. - 255 с.

7. Пановко Я.Г. и др. Устойчивость и колебания упругих систем. - М.

«Наука», 1967. - 418 с.

8. Березуцький В.В. та ін. Лабораторний практикум з курсу «Основи охорони праці». - Харків, «Факт», 2005. - 346 с.

9. Половко А.М. и др. Mathcad для судента. - Санкт-Петербург: «БХВ-Петербург», 2006. - 336 с.

10. Гурский Д. и др. Вычисления в Mathcad 12. - М.: «Питер», 2006. - 544 с.

Размещено на Allbest.ru

...