Понятие механических колебаний

В технике и в окружающей среде, помимо поступательного

и вращательного движений, есть и другой вид механического

движения – колебания. Существует несколько видов колебаний.

Собственные колебания – такие колебания, которые со-

вершаются при отсутствии воздействия на колеблющуюся сис-

тему из внешней среды и возникают при появлении какого-либо

отклонения этой системы от равновесного состояния. Вынуж-

денные колебания – колебания, которые возникают под дейст-

вием внешних сил. Например, колебания силы тока в электро-

цепи, которые вызываются переменой э.д.с.; колебания маятни-

ка, которые вызываются переменой внешних сил. В жизни

наиболее распространенными являются вынужденные колеба-

ния. Тело в свободном колебании постепенно приближается к

равновесному состоянию из-за присутствия разного рода со-

противлений. Такие колебания называются затухающими. За-

тухание происходит быстрее при большем сопротивлении.

При очень большом сопротивлении движения возникает тол-

чок, при котором тело вне положения равновесия возвращается

к исходному своему положению, то есть покою. При этом очень

важно учитывать время действия толчка и его амплитуду. Ав-

токолебания -это колебания, которые сопровождаются влия-

нием внешних сил на данную систему, и моменты времени за-

даются этой колеблющейся системой. Пример: часы, в которых

маятник получает толчки за счет действия на него гири или

пружины. Параметрические колебания – это колебания, кото-

рые возникают при изменении параметров колеблющейся сис-

темы. Бывает, что система становится неустойчивой и из-за

случайных действий приводит к возникновению и нарастанию

колебаний. Такое явление называют параметрическим возбуж-

дением колебаний.

Есть сила, которая каждый раз, когда тело выходит из

равновесия, возвращает его в исходное положение. Происхо-

ждения этой силы разные. При наличии только двух сил –

возмущающей и возвращающей тело к начальному положе-

нию – колебаний не было бы. Для начала колебательного

движения нужна сила, которая не даёт маятнику остановить-

ся, -этосила инерции тела.

Общим признаком механических колебаний являются

повторы движения через промежуток времени. Период коле-

баний (T) - самый маленький интервал времени, через кото-

рый проходит повтор движения тела и измеряется в секундах.

Частота определяет количество колебаний за 1 секунду. Еди-

ница измерения частоты -1 Гц.

Периодические – колебания, у которых значения всех фи-

зических величин, характеризующих колебательную систему

и изменяющихся при её колебаниях, повторяются через рав-

ные промежутки времени.

Гармонические – колебания, описываемые уравнением:

x = x0 cos(ωt + φ0),

где x – смещение тела от положения равновесия,

ω– циклическая частота колебаний,

t– параметр времени.

Амплитуда колебаний – максимальное значение смеще-

ния А тела от положения равновесия.

Фаза гармонического колебания – величина, стоящая под

знаком косинуса (φ) и выражающаяся следующим уравнени-

ем: φ= ωt+ φ0.

Начальная фаза – фаза колебаний φ0в начальный момент

времени t= 0.

При совершении гармонического колебательного дви-

жения, материальное тело обладает некоторым запасом энер-

гии. Этот запас энергии состоит из кинетической энергии

движения Ек и потенциальной Еn, возникающий благодаря

восстанавливающей силе.

В заводских условиях чрезвычайно редко встречаются

простые колебания, в основном они имеют сложный характер.

Также механическое движение представляет собой вибрация.

Основные характеристики вибрации.

Измерение вибрации

Вибрация– это движение механической системы или же

точки, во время которого происходит поочерёдное убывание и

возрастание во времени каких- либо значений, по крайней мере

одной координаты. Возбуждение вибрационных движений

происходит вследствие возникающих при работе машин и агре-

гатов неуравновешенных силовых воздействий. Их источниками

являются возвратно-поступательные движущие системы, на-

пример, кривошипно-шатунные механизмы, ручные перфора-

торы, вибротрамбовки и агрегаты виброформования. Также их

источниками являются неуравновешенные вращающиеся мас-

сы, например, ручные электрические и пневматические шлифо-

вательные машины, режущий инструмент станков и т.д. Вибра-

ции могут создаваться ударами деталей, например, зубчатые за-

цепления, подшипниковые узлы. Величина дисбаланса во всех

случаях приводит к появлению неуравновешенных сил. Неод-

нородность материала вращающегося тела, несовпадение цен-

тра массы тела и оси вращения, деформация деталей от нерав-

номерного нагрева при горячих и холодных посадках – всё это

может явиться причиной дисбаланса.

Воздействие вибрации на человека чаще всего связано с

колебаниями, обусловленными внешним переменным сило-

вым воздействием на машину либо отдельную её систему. Воз-

никновение такого рода колебаний может быть связано не

только с силовым, но и с кинетическим возбуждением, напри-

мер, в транспортных средствах при их движении по неровному

пути. Вибрация, состоящая из одной частной составляющей,

называется моногармонической (гармоническая). На практике

более часто встречается полигармоническая вибрация.

Для количественной оценки вибрации рассматривают

следующие ее параметры: двойная амплитуда (размах колеба-

ний) используется для оценки, когда смещение деталей машин

является, с точки зрения допустимых механических напряжений

и зазоров, критическим. Колебательная энергия, соответствую-

щая среднему квадратическому значению амплитуды, характе-

ризует разрушительное действие колебаний. Очевидно, что

единственным параметром вибрации не может быть механиче-

ское движение (вибросмещение объекта). Виброскорость и виб-

роускорение не менее применимы для изучения.

Производная по времени от вибросмещения – виброско-

рость. Производная по времени от виброскорости -виброуско-

рение (виброперемещение) - измеряется при низкочастотной

вибрации с верхней границей частотных составляющих

100-200Гц. Эти измерения актуальны при балансировке ро-

тов, в строительной виброакустике, при исследовании машин

с малыми зазорами между узлами и при прогнозе усталостных

разрушений.

Виброускорение применяется при виброакустической

диагностике, измеряется при наличии широкополостной

вибрации, в диапазоне 100-10000Гц.

Виброскорость характеризует колебательную энергию,

самый «измеряемый»параметр вибрации. Амплитуда частот-

ных составляющих виброскорости в достаточно широкой по-

лосе (10-1000Гц) равномерна, что повышает достоверность и

упрощает измерение. По уровню виброскорости определяют

о техническом состоянии машин, их узлов и деталей.

Виды вибрации

Воздействие вибрации на человека классифицируют:

· по направлению действия вибрации;

· по способу передачи колебаний;

· по временной характеристике вибрации.

В зависимости от способа передачи колебаний человеку

вибрацию подразделяют:

· на общую, передающуюся через опорные поверхности

на тело сидящего или стоящего человека;

· на локальную, передающуюся через руки человека.

Общей вибрации подвергаются транспортные рабочие,

операторы мощных штампов, грузоподъемных кранов и неко-

торых других видов оборудования. Локальной -работающие с

ручным электрическим и пневматическим механизированным

инструментом. В некоторых случаях при работе на строительно-

дорожных машинах и транспорте работник может в одно и то

же время испытывать общую и локальную вибрации.

Вибрации общие разделяются по возможности регули-

рования их интенсивности:

· транспортные -появляются в результате движения ма-

шин по агрофонам, безрельсовым дорогам, по местности и

промышленным площадкам, и их интенсивность может ме-

няться за счет изменения скорости движения;

· транспортно-технологические -получаются при работе

машин в стационарном положении, и их интенсивность и

воздействие на человека может ослабляться оператором в ог-

раниченных пределах лишь на транспортном режиме;

· технологические -получаются при движении узлов, ме-

ханизмов и систем стационарных машин, и их интенсивность

воздействия на человека жестко регулируется технологиче-

скими предписаниями и не может ослабляться по желанию

оператора;

· внешние -вызываются машиной, располагающейся вне

помещения, в котором находятся рабочие места, вибрация не

связана с выполняемой работой, но она вызывает раздражаю-

щее действие при выполнении умственным и точных работ.

Вибрация -это фактор высокой биологической активно-

сти. Ответные реакции обусловливаются силой энергетиче-

ского воздействия и биомеханическими свойствами человече-

ского тела как сложной колебательной системы. Мощность -

главный параметр колебательного процесса в зоне контакта -

и время контакта определяет развитие вибрационных патоло-

гий. Структура последних зависит от: частоты, амплитуды ко-

лебаний, продолжительности воздействия, места приложения

и направления оси вибрационного воздействия, демпфирую-

щих свойств тканей, явлений резонанса и других факторов.

Между уровнем воздействующей вибрации и ответными

реакциями организма нет линейной зависимости. Причина

этого явления заложена в резонансном эффекте.

Вибрационная болезнь

Вибрационная болезнь относится к группе профзаболе-

ваний, и эффективное её лечение возможно лишь на ранних

стадиях. Восстановление нарушенных функций протекает

очень медленно, а в особо тяжелых случаях в организме на-

ступают необратимые изменения, приводящие к инвалидно-

сти. В диапазоне частот от 1 до 63 Гц проводят гигиеническую

оценку общей вибрации, от 8 до 1000 Гц - локальной вибра-

ции. Важной характеристикой является направление действия

вибрации на человека – уровни вибрации оцениваются в трех

взаимно перпендикулярных плоскостях. Вибрация имеет

биологическое действие.

Стадии вибрационной болезни:

· начальная стадия. Проходит без особо выраженных сим-

птомов. Могут возникать боли и парестезии в руках, а также

снижается чувствительность кончиков пальцев;

· умеренно выраженная стадия. Сильно проявляются боль

и чувство онемения, снижение чувствительности охватывает

все пальцы и даже предплечье, понижается кожная темпера-

тура на пальцах, выражены гипергидроз и цианоз кистей рук;

· выраженная стадия. Более сильные боли в пальцах рук,

кисти холодные и влажные, как правило;

· стадия генерализованных расстройств. Встречается не-

часто и то среди рабочих с большим стажем. Наблюдаются

сосудистые нарушения на руках и ногах, спазмы сердечных и

мозговых сосудов.

Замечено, что эта болезнь проходит компенсаторно, в

этот период больные могут работать. Среди профессиональ-

ных заболеваний вибрационная патология стоит на втором

месте. Наблюдая отклонение в состоянии здоровья при виб-

рационном воздействии, можно отметить, что частота заболе-

ваний определяется величиной дозы, а особенности клиниче-

ских проявлений формируются под влиянием спектра вибра-

ций. Существуют три вида вибрационной патологии от

воздействия общей, локальной и толчкообразной вибраций.

Нервная система и анализаторы (вестибулярный, зрительный,

тактильный) страдают в первую очередь, при действии на ор-

ганизм общей вибрации.

К факторам производственной среды, усугубляющим

вредное воздействие вибраций на организм, относятся чрез-

мерные мышечные нагрузки, неблагоприятные микроклима-

тические условия, особенно пониженная температура, шум

высокой интенсивности, психо-эмоциональный стресс.

Методы снижения вибраций

Мероприятия по снижению производственных вибра-

ций должны разрабатываться одновременно с комплексной

механизацией и автоматизацией производства. Введение дис-

танционного управления цехами и участками позволит пол-

ностью решить проблему защиты от вибраций.

Основные методы борьбы с вибрациями оборудования:

· снижение вибраций при помощи воздействия на источ-

ник возбуждения (посредством ликвидации или снижения

вынуждающих сил). При конструировании машин и при про-

ектировании технологических процессов предпочтение

должно отдаваться таким кинематическим и технологическим

схемам, при которых динамические процессы, вызванные

ударами, резкими ускорениями и т.п., были бы исключены

или предельно снижены. В настоящее время разработаны мо-

дификации известных технологических процессов, которые

позволяют снижать вибрацию. При конструировании машин

и агрегатов необходимо изыскивать конструктивные решения

для безударного взаимодействия деталей и плавного обтека-

ния их воздушными потоками;

· отстройка от режима резонанса при помощи рацио-

нального выбора жесткости или массы колеблющейся систе-

мы. Для ослабления вибраций существенное значение имеет

исключение резонансных режимов работы, т.е. отстройки соб-

ственных частот агрегата и его отдельных узлов и деталей от

частоты вынуждающей силы. Резонансные режимы при рабо-

те технологического оборудования устраняют двумя путями:

либо изменением характеристик системы (массы и жесткости),

либо установлением нового режима работы;

· вибродемпфирование – это увеличение механического

импеданса колеблющихся конструктивных элементов с по-

мощью увеличения диссипативных сил при колебаниях с час-

тотами, являющимися близкими к резонансным. Это процесс

уменьшения уровня вибраций защищаемого объекта путем

превращения энергии механических колебаний данной ко-

леблющейся системы в энергию тепловую;

· динамическое гашение колебаний – это присоединение

к защищаемому объекту такой системы, у которой реакции в

точках присоединения системы уменьшают размах вибрации

объекта. Одним из способов увеличения реактивного сопро-

тивления колебательных систем является установка динами-

ческих виброгасителей. Он жестко крепится на вибрирующем

агрегате, поэтому в нем в каждый момент времени возбужда-

ются колебания, находящиеся в противофазе с колебаниями

агрегата;

· виброизоляция. Защита при помощи этого метода осу-

ществляется за счет уменьшения передачи колебания (от ис-

точника возбуждения) защищаемому объекту, взаимодействуя

с устройствами, помещенными между ними. Виброизоляция

осуществляется введением в колебательную систему дополни-

тельной упругой связи, препятствующей передаче вибраций

от машины -источника колебаний к основанию или смеж-

ным элементам конструкции; эта упругая связь может исполь-

зоваться для ослабления передачи вибраций от основания на

человека либо на защищаемый агрегат.

Шум

Звук- это упругие колебания волны, распространяю-

щиеся в твердой, жидкой или газообразной среде, если эти

колебания лежат в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц. Коле-

бания с частотой ниже 16 Гц называются инфразвуком, с часто-

той выше 20 кГц -ультразвуком и те и другие не слышимы для

человека.

Шум-это нежелательный для человека звук, не несу-

щий полезной информации, или беспорядочное передвиже-

ние частиц в пространстве. Шум на производстве снижает

производительность труда, особенно при выполнении точных

работ, маскирует опасность от движущихся механизмов, за-

трудняет разборчивость речи, приводит к профессиональной

тугоухости, а при больших уровнях может привести к меха-

ническому повреждению органов слуха. Шум в бытовых усло-

виях, особенно в ночное время, мешает нормальному отдыху.

Воздействие на человека инфразвука вызывает чувство трево-

ги, стремление покинуть помещение, в котором есть инфра-

звуковые колебания. Действие ультразвука вызывает головные

боли, быструю утомляемость. Длительное воздействие шума,

ультра- и инфразвука приводит к расстройству центральной

нервной системы.

Область пространства, в которой распространяются зву-

ковые волны, называется звуковым полем. В каждой точке зву-

кового поля давление и скорость движения частиц воздуха

изменяются во времени. Разность между мгновенным значе-

нием полного давления при прохождении звуковой волны и

средним значением давления в невозмущенной среде называ-

ется звуковым давлением. Звуковое давление Р измеряется в пас-

калях [Па].

При распространении звуковой волны происходит пере-

нос энергии звуковых колебаний. Средний поток энергии в ка-

кой-либо точке поля, отнесенный к единице поверхности, пер-

пендикулярной направлению распространения волны, называ-

ется интенсивностью звука в данной точке I[Вт/м2]. Для воздуха

скорость звуковой волны (скорость звука) u= 343 м/с (при нор-

мальных условиях). Следует также заметить, что интенсивность

звука может быть определена как среднее по времени значение

плотности потока энергии, которую несет с собой звуковая вол-

на. Плотность потока энергии волны U= Wu,где W– объемная

плотность энергии волны, u– скорость распространения волны.

Фаза колебаний – это смещение колебаний относительно пер-

воначального момента времени. Звуковые волны начинают вы-

зывать болевые ощущения при значениях Р = 2•102 Па или

I= 100 Вт/м2, что соответствует уровню интенсивности звука

(звукового давления) 140 дБ. Временное снижение слуховой чув-

ствительности называется адаптацией слуха. Для точной оценки

частотных составляющих в спектре шума применяют анализа-

торы спектра (октавные и третьоктавные с соответствующим

распределением полос пропускания, например 63, 125, 250, 500,

ных фильтров).

Шум в жилых помещениях нормируется ГОСТ 12.1.036-81

«ССБТ. Шум.Допустимые уровни в жилых и общественных

зданиях»на уровне 40 дБ днем и 30 дБ в ночное время. Макси-

мальный допустимый уровень шума в жилой зоне в дневное

время – 55дБ, а уровень шума в помещении для программи-

стов – 50 дБ. Максимальный уровень непостоянного шума на

рабочих местах не должен превышать 110 дБ, а максимальный

уровень звука импульсного шума -125 дБ. Запрещается даже

кратковременное пребывание в зонах с уровнями звукового

давления свыше 135 дБ в любой октавной полосе. Зоны с

уровнем звука более 85 дБ должны быть отмечены соответст-

вующими знаками опасности, а работающие в этих зонах

обеспечены средствами индивидуальной защиты.

Меры борьбы с шумом -конструктивные (увеличение же-

сткости конструкций, замена металла на пластмассы, замена

зубчатых передач на фрикционные и т.п.), технологические

(замена ударной штамповки выдавливанием, изменение ско-

ростей резания и т.п.), санитарно-гигиенические (удаление

рабочих мест из шумных зон, перепланировка помещений,

дополнительный отдых рабочих шумных производств), при-

менение экранов и глушителей для аэродинамических шу-

мов, применение индивидуальных средств защиты (наушни-

ки, шлемы, вкладыши). Так как инфразвук свободно проника-

ет через строительные конструкции, то эффективная борьба с

ним возможна только подавлением в источнике за счет изме-

нения режимов работы оборудования, изменения жесткости

конструкции, увеличения быстроходности агрегатов. Ультра-

звуковые колебания быстро затухают в воздухе, поэтому для

уменьшения вредного воздействия ультразвука необходимо

исключить непосредственный контакт человека с источником,

а для подавления звуковых волн применять защитные кожухи.

Для снижения уровня шума в жилых помещениях необходи-

мы соответствующие градостроительные решения (вывод из

жилых зон, заглубление или подъем на эстакады транспорт-

ных потоков, ориентация жилых помещений домов в направ-

лении минимального уровня шума, использование малоэтаж-

ной застройки или зеленых насаждений в качестве акустиче-

ских экранов и т.п.), административные (запрет движения тя-

желого транспорта в ночное время в жилых районах),

конструктивные (снижение уровня шума разрабатываемых

транспopтных средств, применение вместо обычного остекле-

ния зданий в шумных районах стеклопакетов и т.п.), органи-

зационные (поддержание на качественном уровне дорожных

покрытий, рельсового и коммунального хозяйства) и т.п.

Излучения

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: