Статья посвящена изучению гашения среднечастотных вибраций на фундаменты станочного оборудования промышленных зданий методом затяжки анкерных болтов с использованием физических моделей с рассеиванием энергии колебаний в трехслойных, двухслойных, однослойных демпферах.
Ключевые слова: станочное оборудование, фундамент, вибрация, гашение колебаний.
The paper studies damping of medium frequency vibration on machining equipment industrial building foundations via anchor bolt tightening through physical model application with vibration energy dissipation in three-layer, double-layer, single-layer damper pads.
Keywords: machining equipment, foundation, vibration, vibration damping.
Глава 1. Влияние затяжки анкерных болтов станков на гашение вибрации при трехслойных прокладках
Одним из вариантов продления эффективной работы станочного оборудования является устранение вибрации, которая является следствием динамических нагрузок от вращающихся неуравновешенных элементов. Особую опасность в таких случаях представляют ситуации разгона шпинделей и планшайб, когда в процессе разгона происходит переход через резонансные частоты [1].
В тяжелом машиностроении нашли широкое применение токарные станки, которые часто называют лобовыми, за счет того, что детали, устанавливаемые на них, устанавливаются не в патрон, а в планшайбы.
В качестве объекта исследования была выбрана гибридная система гашения вибраций пружинного типа с резиновыми прокладками [2]. Данный выбор обосновывается тем, что разнородные системы гашения колебаний сложнее ввести в резонанс.
В качестве основного показателя для лабораторных испытаний была принята максимальная величина вибрации токарных лобовых станков Y при черновом обтачивании h, при частоте вращения шпинделя n, масса лобового токарного станка — m, масса лабораторной установи m 1 , расчетная частота вращения шпинделя– n 1 (в соответствии с законом о сохранении количества движения и соотношением масс).
Рандомизация проведения опытов производилась с учетом оптимизации настройки установки на проведение эксперимента. В качестве первого фактора была принят вес грузов дисбаланса с максимальным смещением по внутреннему отверстию Ø 24 при диаметре вала вибратора 10 мм. Вес дисбалансов соответственно составлял Х 11 = — 1 = 92 гс, Х 12 = 0 = 184 гс, Х 13 = 1 = 276 гс. Величина зажатия пружинного амортизатора составляла Х 31 = = (– 1) = 12 мм, Х 32 = (0) = 6 мм, Х 33 = (1) = 0 мм. Толщина резинового амортизатора в первой серии была равна Х 21 = Х 22 =Х 23 = 9 мм (3 слоя). Схемы настройки установки представлены на рисунках 1, 2 и 3. Результаты первой серии лабораторных испытаний представлены в таблице 1 и рис. 4.
Таблица 1
Результаты первой серии лабораторных испытаний
|
№ п/п |
№ рандом |
X 1 |
X 2 |
X 3 |
Y |
№ п/п |
№ рандом |
X 1 |
X 2 |
X 3 |
Y |
|
1 |
27 |
1 |
1 |
1 |
0,50 |
6 |
18 |
1 |
1 |
0 |
0,70 |
|
2 |
26 |
0 |
1 |
1 |
0,15 |
7 |
9 |
1 |
1 |
– 1 |
0,95 |
|
3 |
25 |
– 1 |
1 |
1 |
0,08 |
8 |
8 |
0 |
1 |
– 1 |
0,45 |
|
4 |
16 |
– 1 |
1 |
0 |
0,15 |
9 |
7 |
– 1 |
1 |
– 1 |
0,18 |
|
5 |
17 |
0 |
1 |
0 |
0,35 |
Рис. 1. Схема устройства для гашения динамических нагрузок на массивные фундаменты промышленных сооружений с тремя гасящими вибрацию резиновыми подушками при максимальной затяжке пружины
1 — пол цеха; 2 — бетонный подлив под технологическое оборудование; 3 — технологический прилив оборудования для крепления к фундаменту; 4 — гасящая вибрацию резиновая подушка; 5 — технологическая полость оборудования для крепления к фундаменту; 6 — анкер; 7 — гайка; 8 — верхняя шайба; 9 — пружинный амортизатор; 10 — нижняя шайба
|
|
|
|
Рис. 2 . Схема устройства для гашения динамических нагрузок на массивные фундаменты промышленных сооружений с тремя гасящими вибрацию резиновыми подушками при средней затяжке пружины |
Рис. 3 . Схема устройства для гашения динамических нагрузок на массивные фундаменты промышленных сооружений с тремя гасящими вибрацию резиновыми подушками при минимальной затяжке пружины |
Рис. 4. Значения функции отклика по точкам проведенных лабораторных экспериментов: 1 — точки (25, 26, 27); 2 — точки (16, 17, 18); 3 — точки (7, 8, 9)
Глава 2. Влияние затяжки анкерных болтов станков на гашение вибрации при двухслойных прокладках
Главным элементом в гашении вибрации является диссипация, т. е. — рассеивание энергии колебаний. Как правило, колебательная энергия движения переводится в тепловую. Поэтому данная серия опытов была связана с переходом фактора Х 2 на Х 21 = Х 22 = Х 23 = 6 мм (2 слоя), а факторы Х 1 и Х 3 менялись от (– 1), (0) и (+ 1).
Общие схемы настройки установки во второй серии представлены на рисунках 5, 6, 7.
Рис. 5. Схема устройства для гашения динамических нагрузок на массивные фундаменты промышленных сооружений с двумя гасящими вибрацию резиновыми подушками при максимальной затяжке пружины
1 — пол цеха; 2 — бетонный подлив под технологическое оборудование; 3 — технологический прилив оборудования для крепления к фундаменту; 4 — гасящая вибрацию резиновая подушка; 5 — технологическая полость оборудования для крепления к фундаменту; 6 — анкер; 7 — гайка; 8 — верхняя шайба; 9 — пружинный амортизатор; 10 — нижняя шайба
|
|
|
|
Рис. 6. Схема устройства для гашения динамических нагрузок на массивные фундаменты промышленных сооружений с двумя гасящими вибрацию резиновыми подушками при средней затяжке пружины |
Рис. 7. Схема устройства для гашения динамических нагрузок на массивные фундаменты промышленных сооружений с двумя гасящими вибрацию резиновыми подушками при минимальной затяжке пружины |
Результаты экспериментов приведены в табл. 2 и рисунке 8.
Таблица 2
Результаты второй серии лабораторных испытаний
|
№ п/п |
№ рандом |
X 1 |
X 2 |
X 3 |
Y |
№ п/п |
№ рандом |
X 1 |
X 2 |
X 3 |
Y |
|
1 |
4 |
– 1 |
0 |
– 1 |
0,17 |
6 |
13 |
– 1 |
0 |
0 |
0,15 |
|
2 |
5 |
0 |
0 |
– 1 |
0,80 |
7 |
22 |
– 1 |
0 |
1 |
0,05 |
|
3 |
6 |
1 |
0 |
– 1 |
1,75 |
8 |
23 |
0 |
0 |
1 |
0,25 |
|
4 |
15 |
1 |
0 |
0 |
1,45 |
9 |
24 |
1 |
0 |
1 |
0,65 |
|
5 |
14 |
0 |
0 |
0 |
0,65 |
Резкое увеличение вибрации в данной серии испытаний, по всей видимости, связано с попаданием нагрузочной вибрационной системы в резонанс. Данная причина резкого возрастания колебаний редко рассматриваются в работах, т. к. проведение таких исследований требует проведение исследований, как минимум 5 5 испытаний, что является чрезвычайно трудоемким процессом. Хотя это безусловно интересный факт предупреждающий исследователей о возникновении резонансов, а следовательно об ограничении частоты вращения источника вибрацииn, т. к. при n→∞ ∆t→ 0, а следовательно и импульс ударной силы в резонансе JF→ ∞, что при больших значениях n может привести к разрушению исследовательской установки.
Рис. 8. Значения функции отклика по точкам проведенных лабораторных экспериментов
1 — точки (4, 5, 6); 2 — точки (13, 14, 15); 3 — точки (22, 23, 24)
Глава 3. Влияние затяжки анкерных болтов станков на гашение вибрации при однослойных прокладках
Самой сложной задачей лабораторных исследований являются эксперименты связанные с фактором Х 2 = Х 21 = Х 22 =Х 23 = 3 мм (1 слой). Так небольшая толщина резиновой подушки практически полностью передает нагрузку на фундамент по количеству и направлению. Факторы Х 1 и Х 2 меняются (– 1), (0) и (+1) [1]. Результаты и схемы экспериментов приведены на рисунках 9, 10, 11 и 12 и в табл. 3.
Рис. 9. Схема устройства для гашения динамических нагрузок на массивные фундаменты промышленных сооружений с одной гасящей вибрацию резиновой подушкой при максимальной затяжке пружины
1 — пол цеха; 2 — бетонный подлив под технологическое оборудование; 3 — технологический прилив оборудования для крепления к фундаменту; 4 — гасящая вибрацию резиновая подушка; 5 — технологическая полость оборудования для крепления к фундаменту; 6 — анкер; 7 — гайка; 8 — верхняя шайба; 9 — пружинный амортизатор; 10 — нижняя шайба
|
|
|
|
Рис. 10. Схема устройства для гашения динамических нагрузок на массивные фундаменты промышленных сооружений с двумя гасящими вибрацию резиновыми подушками при средней затяжке пружины |
Рис. 11. Схема устройства для гашения динамических нагрузок на массивные фундаменты промышленных сооружений с тремя гасящими вибрацию резиновыми подушками при минимальной затяжке пружины |
Таблица 3
Результаты третьей серии лабораторных испытаний
|
№ п/п |
№ рандом |
X 1 |
X 2 |
X 3 |
Y |
№ п/п |
№ рандом |
X 1 |
X 2 |
X 3 |
Y |
|
1 |
3 |
1 |
– 1 |
– 1 |
0,50 |
6 |
12 |
1 |
– 1 |
0 |
0,40 |
|
2 |
2 |
0 |
– 1 |
– 1 |
0,15 |
7 |
21 |
1 |
– 1 |
1 |
0,10 |
|
3 |
1 |
–1 |
– 1 |
– 1 |
0,04 |
8 |
20 |
0 |
– 1 |
1 |
0,06 |
|
4 |
10 |
– 1 |
– 1 |
0 |
0,03 |
9 |
19 |
– 1 |
– 1 |
1 |
0,03 |
|
5 |
11 |
0 |
– 1 |
0 |
0,20 |
Рис. 12. Значения функции отклика по точкам проведенных лабораторных экспериментов
1 — точки (1, 2, 3); 2 — точки (10, 11, 12); 3 — точки (19, 20, 21)
В результате проведенных экспериментов можно отметить следующее:
— при постоянной мощности источника вибрации значительную часть ее часть поглощает система амортизации, так при минимальной затяжке пружинного амортизатора и максимальной толщине гасящей вибрацию резиновой подушки величина мощности переводимой в колебания больше в 3,5 раза больше, чем при минимальной затяжке пружинного амортизатора и минимальной толщине гасящей вибрацию резиновой подушки. А в сравнении при минимальной затяжке пружинного амортизатора и максимальной толщине гасящей вибрацию резиновой подушки и при минимальной затяжке пружинного амортизатора и минимальной толщине гасящей вибрацию резиновой подушки это изменение составляет 15 раз;
— естественно, что соответственное сокращение передаваемой вибрационной мощности произойдет и с передаваемой на анкерное крепление и продлит его срок эксплуатации, правда при этом вибрационная мощность воспринимаемая гасящей вибрацию резиновой подушкой приведет к повышенному истиранию последней и ее замене при текущих поверках лобовых станков, которое производится раз в три месяца, когда станок останавливается для шабрения и поверки направляющих;
— данная система гашения вибрационных колебаний на лобовых станках позволит также снизить вибрационное воздействие через пол на ограждающие конструкции здания, что позволит сократить количество ежегодных герметизаций на зимний период штукатурными смесями, для предотвращения тепловых потерь через образующиеся щели между навесными стеновыми панелями.
Литература:
- Васильев А. В., Глейзер А. И., Чернов Н. С. Снижение вибрации и низкочастотного шума энергетических установок и присоединенных механических систем с использованием гасителей колебаний давления газа и активных компенсаторов //Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 13, Механика и машиностроение № 4, 2011 — с.281–287https://cyberleninka.ru/article/n/snizhenie-vibratsii-i-nizkochastotnogo-shuma-energeticheskih-ustanovok-i-prisoedinennyh-mehanicheskih-sistem-s-ispolzovaniem (последнее обращение 12.11.2022).
- Кашин С. Г. Защита от вибрации: Учеб. пособие / С. Г. Кашина. — Казань: Изд-во Казанского гос. ун-та, 2012. — 133 с.
- Кущев И. Е., Тукаев И. Э. Результаты лабораторных испытаний гашения вибрации на фундаменты промышленных зданий от оборудования // Инновации и инвестиции. — 2022. — № 11. — С. 219–223
