Физические характеристики вибрации

В соответствии с ГОСТ 24346 – 80 под вибрацией понимается движение точки или механической системы, при котором происходит поочередное возрастание и убы­вание обычно во времени значений какой – либо величины, его характеризующей.

По механизму генерации различают вибрации с силовым, кинематическим и па­раметрическим возбуждением.

Силовое возбуждение вибрации – это возбуждение вибрации системы вынуж­дающими силами и (или) моментами. Источниками их являются: возвратно-поступа­тельные движущиеся системы (кривошипно-шатунные механизмы, ручные вибраторы и перфораторы, вибротрамбовки, виброплиты, вибробункеры и т.п.); неуравновешан­ные вращающиеся массы (ручные электрические и пневматические шлифовальные машины, режущий инструмент станков, вентиляторы и т.п.); ударные системы (ковоч­ные и штамповочные молоты, подшипниковые узлы, зубчатые передачи и т.п.).

Кинематическое возбуждение вибрации – возбуждение вибрации системы сооб­щением каким-либо ее точкам заданных движений, не зависящих от состояния сис­темы. Причинами его являются воздействие профиля дороги на автомобили и строи­тельно-дорожные машины, электрокары и ручные тележки в помещениях, колебания пола помещений и т.п.

Параметрическое возбуждение вибрации – это возбуждение колебаний (вибрации) системы не зависящим от состояния системы изменением во времени одного или нескольких ее параметров (массы, момента инерции, коэффициентов жесткости и сопротивления). Источниками являются двигатели внутреннего сгорания при изменении давления газов в цилиндрах, пневматические двигатели и т.п.

По характеру изменения во времени различают колебания детерминированные (периодические или почти периодические), случайные (стационарные или нестацио­нарные) и импульсные или затухающие, которые могут быть простыми и сложными.

Сложные колебательные процессы могут быть представлены в виде простых гармонических (синусоидальных) колебаний с помощью ряда Фурье.

Колебания подразделяются на свободные и вынужденные. Свободные колебания – колебания (вибрация) системы, происходящие без переменного внешнего воздейст­вия и поступления энергии из вне. Вынужденные колебания – колебания (вибрация) системы, вызванные и поддерживаемые силовым и (или) кинематическим возбужде­нием.

Основными величинами, характеризующими вибрацию, происходящую по сину­соидальному закону, являются: амплитуда виброперемещения S_а – величина наиболь­шего отклонения колеблющейся точки от положения равновесия; амплитуда вибро­скорости V_а – максимальное значение скорости колеблющейся точки; амплитуда виб­роускорения а_а – максимальное значение ускорения колеблющейся точки; период ко­лебаний Т – наименьший интервал времени, через который при периодических коле­баниях (вибрации) повторяется каждое значение колеблющейся величины, характери­зующей вибрацию, и частота колебаний f – величина, обратная периоду колебаний.

Виброскорость и виброускорение связаны с виброперемещением и частотой ко­лебаний соотношениями:

V = 2 p × f × S и a = ( 2 p × f)² × S.

Учитывая, что абсолютные значения величин, характеризующих вибрацию, из­меняются в очень широких пределах, в практике виброакустических исследований и инженерных расчетах используют логарифмические уровни колебаний. Под ним по­нимается сравнительная характеристика колебаний двух одноименных физических ве­личин, пропорциональная десятичному логарифму отношения оцениваемого и исход­ного значений величины

L = 20 × lq (b × b_о ^-1),

где b – оцениваемое значение величины (скорость, ускорение и т.п.);

b_о – ис­ходное значение величины (скорости, ускорения и т.п.).

Так, например, уровни виброскорости и виброускорения определяются соответ­ственно как

L_V = 20 × lq (V × V_o ^-1) и L_A = 20 × lq (a × a_o ^-1),

где V и а – оцениваемые значения соответственно виброскорости и виброуско­рения;

V_o и а_о – исходные (пороговые) значения виброскорости и виброускорения.

Согласно меж­дународ­ному соглашению принято

V _о = 5 × 10 ^{- 8} м/с и а_о = 3 × 10 ^-4 м/с².

Уровни колебаний (вибрации) измеряются в децибелах (дБ).

В общем случае физическая величина, характеризующая вибрацию (например, виброскорость) является некоторой функцией времени: V = V(t). Математическая теория показывает, что такой процесс можно представить в виде суммы бесконечно долго длящихся гармонических (синусоидальных) колебаний с различными амплитудами и периодами. В случае периодических колебаний частоты этих составляющих кратны основной частоте колебаний (процесса):

f_n = n × f ₁,

где n = 1,2,3,..;

f ₁ – основная частота колебаний.

Основной характеристикой в производственной безопасности или охране труда является спектр вибрации, под которым понимается совокупность соответствующих гармоническим составляющим значений величины, характеризующей колебания (вибрации), в которой указанные значения располагаются в порядке возрастания частот гармонических составляющих. Периодическим и почти периодическим колебаниям соответствует дискретный спектр, непериодическим – не­прерывный спектр. Если колебания представляют собой наложение периодических и случайных колебаний, то спектр имеет смешанный характер.

Интенсивность вибрационных воздействий на человека, приборы и другие объ­екты зависит от частоты. Поэтому весь диапазон частот колебаний принято разбивать на отрезки (полосы частот) и определять уровни вибрации для каждой полосы в от­дельности. В качестве стандартных частотных полос при оценке вибрационной безо­пасности принимают октавные полосы, у которых отношение верхних граничных час­тот к нижним частотам равно 2. Каждую октавную полосу принято обозначать средне­геометрическим значением ее граничных частот, определяемым по формулам

f_c = (f_max × f_{m in}) ^0,5 = 2 ^0,5 f_min @ 1,41 f_min,

где f_min – нижняя граничная частота,

f_max – верхняя граничная частота, Гц, причем f_max = 2 f_min.

При необходимости октавные полосы делят на третьоктавные, для которых f_max = 2^1/3 f_min @1,26 f_min. Например, первая октавная полоса имеет граничные частоты 0,7 и 1,4 Гц, а ее среднегеометрическая частота f_c = 1 Гц; следующая, соответственно 1,4….2,8 Гц и 2 Гц и т. д.