Ambient Instal Cluj Napoca.

Vaillant: Cea mai buna caldura - 128 de ani...
Sfaturile practice... - Partea a II-a...
Geberit: Kombifix, Duofix, Pre Wall

Integrarea agregatelor de co-generatoare...

Radson: Cea mai mare emisie...
Analiza numerica cu elemente finite...
O sansa neutilizata: Instalatie...
Incalzirea spatiilor mari - partea a II-a
Honeywell: Un standard in...
Sa ne protejam instalatiile cand nu...
Junkers: Euromaxx - Pentru un confort...
Caracteristicile izolatorilor de vibratii...
Prognoza favorabila... in societatea Meda...
Sile: Turbinox BI; SA Inox BI
Heimeier: Solutia ideala pentru...
Ecuatia conductiei termice cu parametri...
Cazanele murale Protherm: Solutia...
Caracteristici tehnice ale instalatiilor de...
Pornirea motoarelor electrice asincrone cu...
Opinii din domeniu: Alimentarea cu ...
Calendar expozitional

Caracteristicile izolatorilor de vibratii in instalatii

In viata de toate zilele, vibratiile constituie in primul rand un produs al progresului tehnic, un agent mecanic cu actiune nociva asupra oamenilor, cladirilor si masinilor, instalatiilor si abia in al doilea rand o miscare a carei energie este folosita in procese industriale utile. In practica, vibratiile nu pot fi evitate, fiind un rezultat al functionarii masinilor de lucru si al vehiculelor, al actiunii mediului ambiant asupra structurilor mecanice construite de om. Cel mai frecvent, ele apar datorita contactului prin rostogolire sau alunecare intre elementele masinilor, jocurilor si tolerantelor de prelucrare, fortelor neechilibrate ce actioneaza asupra pieselor in miscare alternativa sau de rotatie. Vibratii de nivel relativ scazut se pot propaga in lungul structurii elastice a utilajelor, instalatiilor de ridicare a presiunii apei reci, de ventilare si climatizare, de incalzire, frigorifice sau a cladirilor, excitand vibratia la rezonanta a altor parti ale structurii, care devin astfel surse importante de zgomote si vibratii.
Cu toate progresele recente in descrierea analitica a vibratiilor mecanice, se constata ca practica ridica probleme de vibratii ce inca nu pot fi rezolvate integral teoretic. In unele cazuri, in exploatarea masinilor sau instalatiilor apar fenomene dinamice care, datorita complexitatii utilajului, sunt greu de abordat analitic. In alte cazuri, dificultatea modelarii proprietatilor structurii, sau estimarii sarcinilor dinamice din timpul functionarii normale, face ca vibratiile sa nu poata fi evaluate inca de la proiectare, rezultand utilaje sau instalatii ce nu corespund din punct de vedere al nivelului vibratiilor si zgomotelor produse. Ca urmare, inginerul este chemat sa adopte masuri tehnice de inlaturare sau cel putin de diminuare a efectelor daunatoare ale socurilor si vibratiilor.
Efectele si structurile elastice din componenta masinilor si utilajelor sub influenta solicitarilor la care sunt supuse, acumuleaza energie potentiala de deformatie, care, sub actiunea multiplilor factori perturbatori, se transforma in energie cinetica si invers, aparand fenomenul de vibratii sub cele mai diverse forme de manifestare.
Nivelul ridicat de vibratii reprezinta nu numai un pericol de imbolnaviri profesionale, dar sub influenta vibratiilor intr-un interval mai indelungat scade substantial productivitatea muncii, determina deterioarea in timp a instalatiilor, vibratiile reprezentand indirect cauzele unor accidente de munca in procesul de productie. Vibratiile sunt surse permanente de poluare sonora a mediului ambiant, inclusiv la locul de munca al mecanicului care lucreaza pe masini. Sub actiunea vibratiilor apar mici fisuri in material, care cu timpul se accentueaza si se produce astfel distrugerea materialului prin oboseala.
Fenomenele vibratorii se intalnesc aproape in toate capitolele fizicii. Tehnica moderna, realizand masini cu viteze tot mai mari si constructii tot mai usoare, face ca vibratiile mecanice sa fie tot mai frecvente, iar studiul lor tot mai necesar.
Un corp in vibratie influenteaza intr-un fel sau altul, mediul inconjurator, in primul rand oamenii aflati in vecinatate, apoi masinile, utilajele, instalatiile, cladirile.
Influenta vibratiilor asupra mediului poate fi nociva sau utila. In primul caz sunt necesare masuri de combatere si reducere a efectelor nocive; in al doilea caz - masuri de utilizare a vibratiilor in diferite aplicatii tehnice. In ambele cazuri, inginerul trebuie sa cunoasca bine legile care guverneaza fenomenele vibratorii, spre a aplica, dupa caz, masurile ce se impun.
Vibratiile mecanice se pot clasifica dupa o serie de criterii:
a). dupa numarul de grade de libertate sau parametrii independenti care definesc, la un moment oarecare, pozitia tuturor elementelor sistemului oscilant, sunt: vibratii in sisteme cu unul, cu doua sau mai multe grade de libertate.
b). dupa ecuatia diferentiala a miscarii - din care decurg o serie de propritati ale miscarii - vibratiile sunt: liniare si neliniare.
c). dupa cauzele care provoaca miscarea, vibratiile sunt: libere - datorate unei deplasari sau unui impuls initial - si fortate sau intretinute. Dupa cum, in timpul vibratiei, se consuma sau nu energie mecanica, vibratiile pot fi amortizate si neamortizate.
d). dupa legea variatiei in timp a miscarii, ca si a excitatiei, vibratiile pot fi deterministe si aleatoare. Cazuri particulare de vibratii deterministe sunt cele periodice, iar in cadrul acestora - cele armonice.
Marimi ce intervin in studiul vibratiilor
Elementele caracteristice ale unui sistem oscilant simplu sunt:
o masa m, masurata in kg;
o constanta elastica a arcului k, masurata in N/m, daN/cm, etc.
o coeficientul de amortizare al amortizorului c, masurat in Ns/m, Ns/cm, etc.
Cunoscand aceste caracteristici ale sistemului oscilant, se poate determina principala sa caracteristica vibratorie: pulsatia proprie p, masurata in s-1 sau rad/s.
Intre pulsatia proprie p in s-1, frecventa proprie f in Hz si perioada vibratiei T in s, exista relatiile:
(1)
Principalele marimi ce se urmaresc in studiul vibratiilor sunt:
- pulsatiile proprii, spre a cunoaste daca exista pericol de rezonanta;
- amplitudinile vibratiilor (deplasari, viteze, acceleratii), spre a cunoaste daca sunt daunatoare sistemului oscilant sau mediului.
Problema izolarii si amortizarii vibratiilor
Elementele si structurile elastice din componenta masinilor, utilajelor si instalatiilor din cladiri, sub influenta solicitarilor la care sunt supuse, acumuleaza energie potentiala de deformatie, care, sub actiunea multiplilor factori perturbatori, se transforma in energie cinetica si invers, aparand fenomenul de vibratii sub cele mai diverse forme de manifestare.
Problema fundamentala a izolarii si amortizarii vibratiilor consta in realizarea unui subansamblu de masuri tehnice, atat in etapa de proiectare cat si in etapa de executie, astfel incat regimul de vibratii transmis mecanicului operator si subansamblelor masinii sa fie sub limitele recomandate sau admisibile.
Masurile tehnice impuse de izolarea vibratiilor sunt justificate avand in vedere doua aspecte fundamentale ce privesc relatia om-masina in timpul realizarii procesului tehnologic si anume:
o realizarea parametrilor optimi de ergonomie la postul de operator al mecanicului. Pentru aceasta, se impune ca pe langa alti factori, in mod deosebit, nivelul de vibratii transmise asupra organismului uman sa fie cat mai redus, in scopul evitarii imbolnavirii profesionale si a diminuarii productivitatii muncii.
o realizarea parametrilor de siguranta in functionare (fiabilitate, disponibilitate) ai masinii. Acesti parametri sunt influentati nefavorabil, in mod direct, si de regimul de vibratii transmis partilor componente ale masinii, care contribuie la accelerarea uzurii, fisurarii si ruperii unor repere din alcatuirea blocurilor functionale. Consecinta imediata o constituie stagnarea in functionarea masinii, scoaterea din fluxul tehnologic si executarea lucrarilor de reparatii cu implicatii economice nedorite.
Parametri si conditiile de exploatare impun adoptarea anumitor criterii constructive si functionale, asa incat sa fie asigurate, inca din faza de proiectare, parametrii optimi de fiabilitate, mentenabilitate, ergonomie si design. De asemenea, prin marirea vitezelor de lucru si prin realizarea unor repere mai suple care sa necesite un consum minim de metal se limiteaza, in mod evident, posibilitatea modificarii masei elementelor din structura masinii. De aceea, pentru o proiectare rationala la vibratii se recurge la optimizarea parametrilor de izolare prin modificarea, in mod corespunzator, a sistemelor elastice, parti componente ale utilajelor.
In timpul functionarii masinii in regim de vibratii toate subansamblele se afla in miscare vibratorie si de aceea influenta elementelor masice (inertiale) este deosebit de importanta, atat asupra parametrilor vibratiilor de lucru cat si asupra gradului de vibroizolare.
Necesitatea studiului izolarii vibratiilor
Oriunde exista masini, cu miscare de rotatie uniforma, sau variind dupa diferite legi, se produc forte de inertie perturbatoare, transmise mediului inconjurator, deci generatoare de vibratii. Ele se adauga altor forte neechilibrate datorita functionarii masinilor si instalatiilor. Aceste vibratii pot fi daunatoare oamenilor, cladirilor, masinilor si instalatiilor, de unde rezulta necesitatea de a micsora efectul lor nociv.
Studiul izolarii antivibratorii are ca scop de a proiecta modul de rezemare a motoarelor electrice in asa fel incat sa se inlature sau sa se reduca la minimum efectele nocive ale vibratiilor. Obiectele supuse izolarii se reazema unele pe blocuri din beton armat (sau alte materiale) numite fundatii, alteori direct pe pardoseli sau plansee, prin intermediul unor "izolatori". Impotriva inducerii vibratiilor in partile componente ale instalatiilor imbinarea agregatelor de actionare cu celelalte parti componente ale instalatiilor se face prin intermediul elementelor antivibratile cum ar fi: burdufuri elastice, racorduri elastice etc.
Prin proiectarea izolarii se stabilesc parametri prin care se masoara eficienta acestora, se arata masurile constructive ce trebuie aplicate, respectiv solutiile cele mai economice.
Cauzele vibratiilor masinilor
Vibratiile produse de masini pot avea cauze variate, unele inerente procesului tehnologic sau principiului de functionare al masinii, respectiv schemei sale cinematice, altele datorita unor inexactitati de executie, defecte, uzuri.
Procesul tehnologic este cauza vibratiilor produse de ciocane de forja, concasoare, elevatoare cu cupe, site vibratoare, masini pulsatoare pentru incercari la oboseala. In astfel de cazuri nu se poate actiona asupra sursei vibratiei, ci se construieste o fundatie care sa realizeze o izolare activa pentru protejarea instalatiilor si cladirilor invecinate.
Functionarea masinilor cu miscare alternativa (motoare, compresoare si pompe cu piston) constituie o cauza de forte periodice care produc vibratii. In anumite cazuri, aceste forte periodice pot fi anulate prin echilibrarea maselor, realizata prin constructia masinii. Alta solutie de micsorare a fortelor de inertie este folosirea aliajelor usoare la constructia pistoanelor si bielelor.
Inexactitatile de executie constituie cauze de vibratii chiar si la masinile cu miscare de rotatie uniforma (turbine, motoare electrice, polizoare). Daca un rotor de masa m are centrul de greutate la distanta r de axa de rotatie, se produce o forta centrifuga rotitoare:
(2)
care poate fi descompusa intr-o componenta verticala si una orizontala:
(3)
(4)
unde w este viteza unghiulara; t - timpul
Fortele V si H produc vibratii intretinute verticale si orizontale. Acestea pot fi combatute in primul rand la constructia masinii, printr-o echilibrare statica si dinamica cat mai buna. Intrucat echilibrarea perfecta nu este posibila, se produc intotdeauna vibratii datorita fortelor de inertie ale rotorilor.
Cea mai eficace metoda de combatere a vibratiilor, consta in proiectarea si constructia cat mai reusita a masinii. Printre parametri de competitivitate a masinilor se numara si fortele perturbatoare neechilibrate. Ceea ce nu s-a reusit la constructia masinii, se continua prin proiectarea corespunzatoare a izolarii antivibratorii.
Efectele nocive ale vibratiilor nu se masoara insa numai prin deformatiile si eforturile unitare ale elementelor elastice. Vibratiile se transmit oamenilor, cladirilor, masinilor si instalatiilor, producand efecte incepand de la neplacute, pana la periculoase, distrugatoare. In general, tinand seama de o serie de parametri masurabili, care caracterizeaza vibratiile, efectele lor asupra oamenilor, cladirilor si masinilor se apreciaza pe baza rezultatelor experientei indelungate acumulate.
Problemele de vibratii prezinta o particularitate complet diferita: starea limita poate fi insasi depasita, functionarea normala putand avea loc atat sub, cat si deasupra frecventei de rezonanta. Rezulta de aici importanta determinarii cat mai exacte a frecventei de rezonanta si a luarii de masuri ca functionarea utilajului sa nu aiba loc in zona de rezonanta.
Etape ale studiului izolarii antivibratorii
In proiectarea unor izolari antivibratorii, se parcurg urmatoarele etape:
a). Cunoasterea masinii, respectiv a instalatiei supusa fenomenului de vibratie: dimensiunile de gabarit, greutatea, puterea, turatiile de lucru, schema cinematica, marimea, directia, frecventa si punctele de aplicatie ale fortelor perturbatoare, pozitia centrului de greutate, amplasarea conductelor si a altor accesorii.
b). Cunoasterea mediului: cladirile, masinile si instalatiile invecinate, cu precizarea sensibilitatii lor la vibratii. Este necesar un desen care sa arate amplasamentul masinii si distantele de la ea la cladiri si alte obiecte.
c). Alegerea modelului de calcul si a parametrilor acestuia. Izolarea antivibratorie se poate obtine fie asezand izolatori elastici intre masina si pardoseala (in special la masini mici), fie fixand masina pe un bloc de beton armat, rezemat elastic. In alegerea modelului de calcul, se vor preciza masele, constantele elastice si amortizorii, rezultand numarul de grade de libertate ale sistemului.
d). Se scriu ecuatiile de miscare si se determina pulsatiile proprii ale sistemului. Cunoasterea acestora si a pulsatiilor fortelor perturbatoare permite stabilirea rezonantelor posibile, care trebuie evitate.
e). Calculul amplitudinii deplasarilor. Se determina amplitudinile deplasarilor si cele ale fortelor transmise. Se compara acestea cu valorile admisibile, tragand concluzii asupra calitatii izolarii antivibratorii.
f). Proiectarea de rezistenta. Pe baza sarcinilor statice date si a celor dinamice, rezultate din calculul izolarii, se poate face calculul de rezistenta, deci dimensionarea blocului de fundatie.
g). Masurari. O serie de masurari sunt necesare, atat in vederea proiectarii, cat si pentru verificarea bunei functionari a masinii: masurarea constantelor elastice ale izolatorilor si ale solului, masurarea amortizarilor, masurarea sistematica a vibratiilor masinii si altor obiecte din jurul ei.
Masura amortizarii
Amortizarea unui sistem se masoara mai greu decat elasticitatea lui. In timp ce constanta elastica a unui arc se poate determina experimental printr-o simpla incarcare statica, amortizarea se masoara numai prin studiul vibratiilor. Exista un numar mare de metode de masurare a amortizarii, respectiv de marimi care caracterizeaza aceasta proprietate fizica. Astfel:
a). Coeficientul de amortizare critica:
(5)
in care: k este constanta elastica a arcului; m - masa sistemului.
b). Coeficientul de amortizare efectiv
(6)
in care x este raportul de amortizare
c). Decrementul logaritmic al amortizarii
(7)
unde x1, x2 sunt doua amplitudini succesive ale vibratiilor liber neamortizate.
La amortizari mici (x L 0,1) relatia (8) ia forma:
(8)
d). Capacitatea de amortizare este pierderea relativa de energie pe ciclu
(9)
in care DW este pierderea de energie; W - energia cinetica a sistemului
f).Factorul de pierderi
(10)
g).Factorul de frecare uscata
(11)
Izolatori
Izolatorii sunt corpuri, de forme simple sau complicate, care se deformeaza elastic sub actiunea unor forte, avand drept principala caracteristica de calcul constanta k.
In continuare, se vor da, expresii pentru izolatori de forme mai complicate, solicitati pe diferite directii.
Arcuri din otel
Arcurile din otel reprezinta una dintre cele mai reusite solutii de izolare impotriva vibratiilor. Datorita deformatiilor mari, ele permit realizarea de suspensii cu frecvente proprii joase. Spre deosebire de izolatorii folositi la sarcini mici si mijlocii, arcurile se pot construi pentru cele mai variate sarcini, de la masini usoare pana la masini foarte grele.
Cea mai frecventa constructie este arcul elicoidal, confectionat din otel de sectiune circulara. La un arc se calculeaza:
- tensiunea tangentiala, in N/m2:
(12)
in care: K0 este coeficientul fortei taietoare; Mt - momentul fortei taietoare; Wp -energia potentiala a arcului; F - forta in arc; R = D/2 - raza de infasurare a arcului; d - diametrul sarmei,
- sageata arcului sub sarcina F:
(13)
in care: n este numarul de spire ale arcului; G - modulul de elasticitate transversal al arcului.
Coeficientul K0 care tine seama de efectul fortei taietoare si de faptul ca arcul este o bara curba se determina cu relatia:
(14)
Alegand pentru otelurile de arc valorile G = 8108 , K0 = 4/3 si ta = 4108, relatiile anterioare se transforma in:
(15)
(16)
unde: (17)
in care: ktot este constanta elastica totala a arcului; N - numarul de arcuri.
Daca rezemarea elastica este realizata prin N arcuri asezate in paralel, forta ce revine unui singur arc se calculeaza prin impartirea sarcinii totale Ftot la numarul arcurilor:
(18)
In ceea ce priveste forta de calcul, ea se determina din relatia:
(19)
in care: Ftot st este sarcina statica totala; Ftot din - forta dinamica totala; m = 1,5 - coeficient de oboseala a materialului.
- frecventa proprie fundamentala a arcului rezemat intre doua placi, in Hz, este:
(20)
in care: g este acceleratia gravitationala; g - greutatea specifica a otelului;
Izolatori din cauciuc si elastomeri
Cauciucul este astazi cel mai raspandit material pentru constructia izolatorilor antivibratili, datorita unor proprietati importante: elasticitate mare (neliniara, dar perfecta), adica modul de elasticitate mic; usurinta de fabricare in cele mai variate forme; capacitate de amortizare mare. Se foloseste sub forma de covoare, placi sau izolatori cu sau fara armaturi metalice.
Exista numeroase fabrici al caror principal produs sunt izolatorii din cauciuc. Si la noi in tara, unele fabrici din industria cauciucului produc izolatori de vibratii.
Proprietatile si caracteristicile mecanice ale cauciucului ca izolator de vibratii sunt:
a). modul de elasticitate la compresiune foarte mic ( E = 1...10 MPa), cauciucul se deformeaza mult, fiind capabil sa preia socuri puternice.
b). constanta elastica foarte mica, care permite sa se realizeze o pulsatie proprie cat mai joasa a masinilor izolate.
c). proprietati de amortizare foarte pronuntate. Astfel, tampoanele de cauciuc duc la disipari de energie pana la 30...35% din energia totala a vibratiei. Datorita amortizarilor, amplitudinile de rezonanta ale deplasarilor, la masini asezate pe elemente din cauciuc, sunt numai 10...20% din cele constatate la rezemarea pe arcuri din otel. Din aceste motive, la masini care traverseaza (la pornire si oprire) zona de rezonanta, utilizarea rezemarii elastice pe cauciuc este similara folosirii unor amortizori.
d). cauciucul este un excelent amortizor de zgomot. Viteza de propagare a sunetului in cauciuc este de 45 m/s, in aer de 340 m/s, iar in otel de 5100 m/s. Folosirea pneurilor de cauciuc la autovehicule elimina zgomotul socurilor. La masini cu turatii mari, arcurile de otel pot produce zgomote, pe cand tampoanele de cauciuc, nu.
Ca dezavantaje ale izolatorilor din cauciuc se mentioneaza:
- sub influenta agentilor atmosferici si mai ales a diverselor impuritati ce pot ajunge la cauciuc (apa, uleiuri, acizi), el isi pierde proprietatile elastice. Ca urmare, impotriva unor asemenea agenti corosivi, sunt necesare masuri adecvate de protectie;
- cu timpul (dupa 5...20 de ani), cauciucul "imbatraneste", pierzandu-si proprietatile elastice, producand deplasari ale fundatiei care pot fi periculoase; din acest motiv, la masinile cu durata de viata lunga, trebuie prevazute posibilitati constructive de inlocuire a izolatorilor;
- din punct de vedere al calculelor, trebuie sa se tina seama de faptul ca relatia intre tensiuni si deformatii este neliniara, iar valorile constantelor elastice variaza mult in raport cu compozitia cauciucului;
- izolatorii de cauciuc nu se folosesc la temperaturi peste 70...800C sau sub -200C.
Se vor prezenta, in continuare, unele relatii si valori privind comportarea elastica a izolatorilor din cauciuc.
In problemele de solicitari mecanice ale cauciucului, se foloseste factorul de forma Cf, definit ca raport intre suprafata prin care izolatorul este incarcat si suprafata laterala libera. Pentru un izolator cilindric, factorul de forma este:
(21)
Izolatori cu aer
Exista unele masini si instalatii cu frecventa de lucru destul de joase, de ordinul a 1 Hz sau mai putin la care nu trebuie sa aiba loc rezonante. Pulsatiile proprii foarte joase necesita straturi elastice "moi", deci arcuri sau izolatori cu constante elastice mici. Acest deziderat poate fi satisfacut folosind arcuri metalice sau izolatori din cauciuc numai daca masele suspendate sunt mici, deci daca este vorba de masini sau aparate usoare. Izolatorii cu perna de aer sunt capabili a suporta sarcini statice mari, respectiv putand realiza pulsatii proprii joase. Acesti izolatori necesita o intretinere atenta, fiind conectati cu aparatura automata, care comanda un compresor sau un rezervor sub presiune si ventile, pentru mentinerea presiunii la valoarea prescrisa.
Izolatorii cu aer se folosesc in special la aparatura de precizie de laborator, de exemplu pentru izolarea antivibratorie a microscoapelor electronice.
Concluzii
Ca urmare a cresterii vitezelor de lucru a masinilor si utilajelor unor grupuri de actionare de putere mare, atat in structura masinilor, cat si in ansamblul blocurilor functionale se transmit vibratii. De marimea nivelului vibratiilor transmise de la diverse surse depinde starea tehnica generala de functionare a instalatiilor. Defectarile frecvente provocate de actiunea vibratiilor conduc la o disponibilitate mica in exploatare si la costuri suplimentare pentru reparatii.
De aceea, se impune evaluarea cat mai exacta, pe baza unor cercetari si experimentari de durata, a efectelor vibratiilor asupra instalatiilor si stabilirea unor limite admisibile pentru nivelul de vibratii, astfel incat durabilitatea in functionare din acest punct de vedere sa fie ridicata.
Functie de conditiile de exploatare a masinilor si de destinatia tehnologica a acestora, se impune adaptarea anumitor criterii constructive si functionale, astfel incat sa fie asigurata, inca din etapa de proiectare, parametri optimi de fiabilitate, mentenabilitate si ergonomie. Pentru cea mai mare parte a masinilor, parametri dinamici si de fiabilitate sunt determinati de prezenta, in structura masinilor, a izolatorilor de vibratii.
Bibliografie:
Buzdugan, Gh., Fetcu, I., Rades, M. - Vibratii mecanice, EDP, Bucuresti, 1979.
Buzdugan, Gh. - Izolarea antivratorie, Editura Academiei Romane, Bucuresti, 1993.
Albu, S. - Caracteristici elastice si de amortizare a unor izolatori de vibratii - referat la doctorat nr. 1, U.P. Timisoara, 2000.

Drd. Ing. Simona ALBU
Universitatea "Politehnica" din Timisoara

© Copyright 2006 - Editura Minos