CC BY
6Результаты лабораторных испытаний гашения вибрации на фундаменты промышленных зданий от оборудования
Кущев Иван Евгеньевич,
д.т.н., профессор кафедры ПГС Рязанского института (филиала) ФГАОУ ВО «Московский политехнический университет»
Тукаев Илья Эдуардович,
магистрант кафедры ПГС Рязанского института (филиала) ФГАОУ ВО «Московский политехнический университет»
Одним из вариантов продления эффективной работы станочного оборудования является устранение вибрации, которая является следствием динамических нагрузок от вращающихся неуравновешенных элементов. Одним из вариантов продления эффективной работы станочного оборудования является устранение вибрации, которая является следствием динамических нагрузок от вращающихся неуравновешенных элементов. Статья посвящена изучению гашению среднечастотных вибраций на фундаменты промышленных зданий станочного оборудования с использованием физических моделей с рассеиванием энергии колебаний в упругих и вязкоупругих средах. В качестве объекта исследования была выбрана гибридная система гашения вибраций пружинного типа с резиновыми прокладками. 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 при черновом обтачивании, которая составляет до 20 мм, при частоте вращения до 5 об/мин. Ключевые слова: станочное оборудование, фундамент, вибрация, гашение колебаний.
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 лобовые, за счёт 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 при черновом обтачивании, которая составляет до 20 мм, при частоте вращения до 5 об/мин. Учитывая то, масса лобового токарного станка составляет от 10 т, а масса лабораторной установи 5 кг, то частоту вращения в эксперименте можно было принимать от 0 до 894 об/мин. Нами было выбрано значение для полнофакторного эксперимента 280 об/мин.
Для проведения полнофакторного эксперимента (ПФЭ) была выбрана матрица 33, приведённая в табл. 1.
Таблица 1
лабораторного ПФЭ.
№ п/п Х1 Х2 Х3 Y № п/п Х1 Х2 Х3 Y
1 - 1 - 1 - 1 15 1 0 0
2 0 - 1 - 1 16 - 1 1 0
3 1 - 1 - 1 17 0 1 0
4 - 1 0 - 1 18 1 1 0
5 0 0 - 1 19 - 1 - 1 1
6 1 0 - 1 20 0 - 1 1
7 - 1 1 - 1 21 1 - 1 1
8 0 1 - 1 22 - 1 0 1
9 1 1 - 1 23 0 0 1
10 - 1 - 1 0 24 1 0 1
11 0 - 1 0 25 - 1 1 1
12 1 - 1 0 26 0 1 1
13 - 1 0 0 27 1 1
14 0 0 0
Рандомизация проведения опытов производилась с учётом оптимизации настройки установки на проведение эксперимента. В качестве первого фактора была принят вес грузов дисбаланса с максимальным смещением по внутреннему отверстию 0 24 при диаметре вала вибратора 10 мм. Вес одной шайбы дисбаланса составлял 92 гс. Соответственно Х11 = - 1 = 92 гс, Х12 = 0 = -=184 гс, Х13= 1 = 276 гс. Величина зажатия пружинного
X X
о
го А с.
X
го т
о
м о м м
сч сч о сч
О Ш 00
<
00 о
амортизатора составляла Х31 = - 1= 12 мм, Х32 = 0 = 6 мм, Хзз = 1 = 0 мм. Толщина резинового амортизатора в первой серии была равна Х21 = Х22 = Х23 = 9 мм (3 слоя). Схемы настройки установки представлены на рисунках 1, 2 и 3.
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. Рисунок 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 обо-
рудование;
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.
Рисунок 2 - Схема устройства для гашения динамических нагрузок на массивные фундаменты промышленных сооружений с тремя гасящими вибрацию резиновыми подушками при средней 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.
Рисунок 3 - Схема устройства для гашения динамических нагрузок на массивные фундаменты промышленных сооружений с тремя гасящими вибрацию резиновыми подушками при минимальной затяжке пружины.
Результаты первой серии лабораторных испытаний представлены в таблице 2 и рисунке 4.
Таблица 2
Результаты первой серии лабораторных испытаний.
№ № Х1 Х2 Х3 Y № № ран- Х1 Х2 Х3 Y
п/п рандом п/п дом
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
1 - точки (25, 26, 27); 2 - точки (16, 17, 18); 3 - точки (7, 8, 9) Рисунок 4 - Значения функции отклика по точкам проведенных лабораторных экспериментов.
Следующая серия опытов была связана с переходом фактора Х2 на Х21 = = Х22 = Х23 = 6 мм (2 слоя), а факторы Х1 и Хз менялись как и первой серии. Результаты экспериментов приведены в табл.3 и рисунке 5.
Таблица 3
№ № Х1 Х2 Хз Y № № Х1 Х2 Х3 Y
п/п рандом п/п рандом
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
У, мм 1,8
1,6
1,4
1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 О
3 А /ид, мм \ А/У 1? / ^-¿-ЯГ^
-//Г / /
/ /У/ /
92
184
276 Стд, 1С
1 - точки (4, 5, 6); 2 - точки (13, 14, 15); 3 - точки (22, 23, 24) Рисунок 5 - Значения функции отклика по точкам проведенных лабораторных экспериментов.
Резкое увеличение вибрации во второй серии испытаний по всей видимости связано с попаданием нагрузочной вибрационной системы в резонанс. Данная причина, резкого возрастаний колебаний, в работе не рассматривалась, т.к. проведение таких исследований требует проведение исследований, как минимум 55, что не позволяет объём исследований магистерской диссертации. Хотя это безусловно интересный факт предупреждающий исследователей о возникновении резонансов, а следовательно об ограничении частоты вращения источника вибрации п, т.к. при п ^ « Дt ^ 0, а следовательно и импульс ударной силы в резонансе JF ^ что при больших значениях п может привести к разрушению исследовательской установки.
Общие схемы настройки установки во второй серии представлены на рисунках 6-8.
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.
Рисунок 6 - Схема устройства для гашения динамических нагрузок на массивные фундаменты промышленных сооружений с двумя гасящими вибрацию резиновыми подушками при максимальной затяжке пружины.
Рисунок 7 - Схема устройства для гашения динамических нагрузок на массивные фундаменты промышленных сооружений с двумя гасящими вибрацию резиновыми подушками при средней затяжке пружины.
Рисунок 8 - Схема устройства для гашения динамических нагрузок на массивные фундаменты промышленных сооружений с двумя гасящими вибрацию резиновыми подушками при минимальной затяжке пружины.
Последней серией лабораторных исследований были связаны с переходом фактора Х2 на Х21 = = Х22 = Х23 = 3 мм (1 слой), факторы Х1 и Хз менялись также как и в предыдущих сериях. Результаты и схемы экспериментов приведены в табл. 4 и рисунках 9-12.
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.
Рисунок 9 - Схема устройства для гашения динамических нагрузок на массивные фундаменты промышленных сооружений с одной гасящей вибрацию резиновой подушкой при максимальной затяжке пружины.
I I
О
Ш >
П.
I
ш т С
ю о К) К)
Таблица 4
Результаты третьей серии лабораторных испытаний.
см см о см
о ш CQ X
<
CQ О X X
№ № X! X2 Хз Y № № Х1 Х2 Хз Y
п/п рандом п/п рандом
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
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
Рисунок 10 - Схема устройства для гашения динамических нагрузок на массивные фундаменты промышленных сооружений с двумя гасящими вибрацию резиновыми подушками при средней затяжке пружины.
12 3456 7 89 10
ill и
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.
Рисунок 11 - Схема устройства для гашения динамических нагрузок на массивные фундаменты промышленных сооружений с тремя гасящими вибрацию резиновыми подушками при минимальной затяжке пружины.
Y, мм 1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0
3
/вд, мм \ У „У \ k --^
2 / X J^/f
6/ \ \л/
S? / // /
/
о
92
184
276 G;l, гс
1 - точки (1, 2, 3); 2 - точки (10, 11, 12); 3 - точки (19, 20, 21) Рисунок 12 - Значения функции отклика по точкам проведенных лабораторных экспериментов.
В результате проведённых экспериментов можно отметить следующее:
- при постоянной мощности источника вибрации значительную часть её 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 произойдёт и с передаваемой на анкерное крепление и продлит его срок эксплуатации, правда при этом вибрационная мощность воспринимаемая гасящей вибрацию резиновой подушкой приведёт к повышенному истиранию последней и её замене при текущих поверках лобовых станков, которое производится раз в три месяца, когда станок останавливается для шабрения и поверки направляющих;
- средний срок службы лобовых станков составляет 50 лет, анкерные крепления, на которых он установлен, обычно заменяются через 10 лет, ввиду появления микротрещин. При установке системы вибрационного гашения колебаний (особенно регулируемого) анкерные крепления могут эксплуатироваться в течении всего срока службы;
- 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
1. Васильев А.В., Глейзер А.И., Чернов Н.С. Снижение вибрации и низкочастотного шума энергетических установок и присоединённых 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 - 287 https://cyberleninka.m/artide/n/snizhenie-vibratsii-i-nizkochastotnogo-shuma-energeticheskih-ustanovok-i-
prisoedinennyh-mehanicheskih-sistem-s-ispolzovaniem (последнее обращение 12.11.2022).
2. Кашин С.Г. Защита от вибрации: Учеб. пособие / С.Г. Кашина. - Казань: Изд-во Казанского гос. ун-та, 2012. - 133с.
The results of laboratory tests of vibration damping on the foundations
of industrial buildings from equipment Kushchev I.E., Tukaev I.E.
Ryazan Institute (Branch) of FSAEI HE Moscow Polytechnic University JEL classification: C10, C50, C60, C61, C80, C87, C90
One of the options for extending the effective operation of machine tools is to eliminate vibration, which is a consequence of dynamic loads from rotating unbalanced elements. One of the options for extending the effective operation of machine tools is to eliminate vibration, which is a consequence of dynamic loads from rotating unbalanced elements.
The article is devoted to the study of the damping of medium-frequency vibrations on the foundations of industrial buildings of machine tools using physical models with the dissipation of vibration energy in elastic and viscoelastic media. A hybrid spring-type vibration damping system with rubber gaskets was chosen as the object of study. This choice is justified by the fact that heterogeneous vibration damping systems are more difficult to bring into resonance. As the main indicator for laboratory tests, the maximum vibration value of frontal lathes during rough turning, which is up to 20 mm, at a rotation speed of up to 5 rpm, was taken.
Keywords: machining equipment, foundation, vibration, vibration damping.
References
1. A. V. Vasil'ev, A. I. Gleizer, and N. S. Chernov, Russ. Reduction of vibration
and low-frequency noise of power plants and associated mechanical systems using gas pressure fluctuation dampers and active compensators // Proceedings of the Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences, vol. 13, Mechanics and Engineering No. 4, 2011 - p. 281 - 287 https://cyberleninka.ru/article/n/snizhenie-vibratsii-i-nizkochastotnogo-shuma-energeticheskih-ustanovok-i-prisoedinennyh-mehanicheskih-sistem-s-ispolzovaniem (last accessed 11/12/2022).
2. Kashin S.G. Vibration protection: Proc. allowance / S.G. Kashin. - Kazan:
Publishing House of the Kazan State. un-ta, 2012. - 133 p.
X X
о
го А с.
X
го m
о
м о м м
