Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния проблемы снижения шума от вибровозбуждённых тонкостенных металлических конструкций 13
1.1 Вибровозбуждённые тонкостенные металлические конструкции как источники шума и возможные пути его снижения 13
1.2 Анализ существующих технических решений по снижению шума от вибровозбуждённых тонкостенных металлических конструкций 21
1.2.1 Средства вибродемпфирования и критериальные требования, предъявляемые к ним 21
1.2.2 Вибродемпфирующие покрытия 26
1.3 Штучные вибродемпфирующие вставки 33
1.4 Цель и задачи исследования 37
1.5 Выводы по первой главе 40
2 Теоретическое исследование эффективности демпфирования возбуждённых тонкостенных металлических конструкций применением штучных вибродемпфирующих вставок 41
2.1 Теоретический анализ факторов диссипации колебательной энергии, возникающих в возбуждённых тонкостенных металлических конструкциях с штучными вибродемпфирующими вставками 41
2.2 Математическая модель снижения шума от возбуждённой пластины с штучными вибродемпфирующими вставками 45
2.3 Выводы по третьей главе 59
3 Методы и средства экспериментальных исследований 60
3.1 Измерение характеристик демпфирующих свойств штучных вибродемпфирующих вставок 60
3.2 Исследование акустической эффективности штучных вибродемпфирующих вставок 63
3.3 Исследование снижения продольной вибрации в пластине штучными вибродемпфирующими вставками 69
3.4 Дополнительные сведения к методикам экспериментальных исследований по ограничениям, допущениям и терминологиям 71
3.5 Обработка результатов исследований 73
3.6 Выводы по второй главе 74
4 Экспериментальное обоснование основных параметров штучных вибродемпфирующих вставок 75
4.1 Общая характеристика штучных вибродемпфирующих вставок и обоснование их использования 75
4.2 Влияние частоты колебаний на эффективность демпфирования 77
4.3 Влияние геометрических размеров вибродемпфирующих вставок на эффективность демпфирования 81
4.4 Влияние температурного фактора на эффективность демпфирования 84
4.5 Выводы по четвёртой главе 87
5 Экспериментальное исследование акустической эффективности штучных вибродемпфирующих вставок 88
5.1 Акустическая эффективность от применения штучных вибродемпфирующих вставок 88
5.2 Влияние перфорации на звуковое излучение пластины 94
5.2.1 Влияние площади перфорации на звуковое излучение пластины 94
5.2.2 Влияние схемы перфорации пластины на её звуковое излучение 100
5.3 Оценка раздельного влияния перфорации и вибродемпфирующих вставок на звуковое излучение пластины.. 103
5.4 Влияние плотности материала штучных вибродемпфирующих вставок на их акустическую эффективность 108
5.5 Влияние высоты штучных вибродемпфирующих вставок на звуковое излучение пластины 113
5.6 Сравнительный анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований акустической эффективности от применения штучных вибродемпфирующих вставок 118
5.7 Выводы по пятой главе 121
6 Экспериментальное исследование эффективности снижения вибрации штучными вибродемпфирующими вставками 122
6.1 Сравнительная оценка эффективности снижения продольной вибрации в тонкостенных металлических конструкциях применением штучных вибродемпфирующих вставок и вибродемпфирующих покрытий 122
6.2 Оценка раздельного влияния перфорации и вибродемпфирующих вставок на эффективность снижения вибрации 126
6.3 Выводы по шестой главе 130
7 Практическая реализация разработки 131
7.1 Примеры и результаты практического применения штучных вибродемпфирующих вставок 131
7.2 Пути совершенствования и перспективы развития разработки 138
7.3 Выводы по седьмой главе 141
Основные выводы и результаты 142
Библиографический список 146
Приложение 159
- Анализ существующих технических решений по снижению шума от вибровозбуждённых тонкостенных металлических конструкций
- Математическая модель снижения шума от возбуждённой пластины с штучными вибродемпфирующими вставками
- Исследование снижения продольной вибрации в пластине штучными вибродемпфирующими вставками
- Влияние геометрических размеров вибродемпфирующих вставок на эффективность демпфирования
Введение к работе
Актуальность темы. Настоящая работа посвящена задаче снижения звуковой вибрации металлических ограждающих панелей, защитных кожухов и оболочек специальных транспортных и транспортно-технологических средств.
В промышленности и на транспорте широко распространены тонкостенные металлические конструкции (ТМК), к которым относятся кузова транспортных, специальных транспортно-технологических средств, оболочки самоходных и стационарных сельскохозяйственных машин, элементы судовых конструкций, технологические дверцы, защитные кожухи (приводов станков, режущего и заточного оборудования и др.) и т.п.
Такие ТМК, являющиеся частью конструкции технологического оборудования и транспортных средств, постоянно находятся в возбуждённом состоянии и становятся мощными источниками и проводниками звуковой вибрации. При этом на рабочих местах в производственных помещениях, а также на водительских и пассажирских местах транспортных средств складываются неблагоприятные условия по шумовому фактору с превышением нормативных значений. Проблема борьбы с шумом от возбуждённых ТМК достаточно масштабна и разветвлена, является актуальной на сегодняшний день и на отдалённую перспективу.
Известно, что наиболее радикальным и рациональным путём борьбы с шумом как с позиций акустической, так и экономической эффективности, является снижение звуковой вибрации в источнике её возникновения, т.е. для решаемой задачи - от поверхностей оболочек и ограждающих панелей.
Выбор унифицированных технических средств по снижению шума и звуковой вибрации от оболочек, ограждающих панелей, защитных кожухов и других элементов технологического оборудования и специальных транспортно-технологических средств осложнён тем, что такие ТМК имеют вари-
антные геометрические формы и размеры, функциональные назначения и различные условия эксплуатации. Кроме этого, для специальных транспортно-технологических средств вводятся жёсткие ограничения по массе конструк-ции в целом. Примерами таких транспортных средств могут служить амфибийные катера на воздушной подушке и сельскохозяйственные машины нового поколения, предназначенные для внесения удобрений в почву и обработки ядохимикатами сельскохозяйственных культур.
Проведённый анализ существующих средств снижения шума в источнике возникновения, используемых для ТМК, показал, что наиболее приемлемо и эффективно использование средств вибродемпфирования (вибро-демпфирующие устройства (ВУ) и вибродемпфирующие покрытия(ВДП)). Однако существующие ВУ и ВДП ограниченнр,применимы,и,_как следствие, недостаточно эффективны для решаемой,задачи. Ограниченность применения заключается прежде всего в их сплошном нанесении на демпфируемые поверхности, что приводит к увеличению массы конструкции, а также наличие выраженной зависимости диссипативных свойств материалов ВДП, что не учитывает использование специальных транспортно-технологических средств в разных климатических условиях.
Этих недостатков лишено предлагаемое техническое решение конструкции нового вибродемпфирующего устройства, которое заключается в применении сквозных штучных вибродемпфирующих вставок (ШВВ), выполненных из резины, наносимых на ТМК через перфорацию, специально предусмотренную для этих целей.
Применение ШВВ для демпфирования вибровозбуждённых ограждающих панелей и оболочек ранее не рассматривалось. Поэтому ранее не исследовалось влияние на виброакустическую эффективность от применения ШВВ таких факторов, как частота возбуждения, температура эксплуатации, геометрические размеры и плотность материала вставок, а также площади покрытия ими вибровозбуждённых ограждающих панелей и оболочек. Не
существовало теоретических представлений и математической модели физической картины диссипации колебательной энергии в ТМК с ШВВ. Отсутствовали расчётные методики по оценке снижения шума от применения ШВВ на вибровозбуждённых ТМК, а также рекомендации по их эффективному применению.
Целью работы является снижение шума от вибровозбуждённых тонкостенных металлических ограждающих панелей, защитных кожухов промышленного оборудования и оболочек специальных транспортных и транс-портно-технологических средств применением штучных вибродемпфирую-щих вставок.
Общая методика исследования построена на сочетании экспериментальных и теоретических методов. В работе применялись: физическое и математическое моделирование; стандартные, адаптированные и оригинальные лабораторные методы исследования с использованием современных измерительных средств и компьютерной техники; натурное обследование объектов заглушения и натурные испытания ШВВ. Полученные результаты обрабатывались по типовым программам с использованием методов теории вероятностей и математической статистики.
Научная новизна работы состоит:
в научном обосновании, разработке и результатах исследования по эффективному применению нового вида технического средства снижения звуковой вибрации от тонкостенных металлических конструкций (ТМК) - штучных вибродемпфирующих вставок (ШВВ);
в разработанной математической модели снижения шума от вибровозбуждённой пластины с ШВВ;
в установлении физических факторов диссипации колебательной энергии в системе «вибровозбуждённая пластина - ШВВ» и их количественной и качественной оценке;
в результатах экспериментального исследования виброакустиче-
ской эффективности ШВВ на физической модели возбуждённой ТМК и натурных объектах;
в экспериментальном установлении виброакустической эффективности от применения ШВВ, сравнимой с эффективностью сплошных вибродемпфирующих покрытий (ВДП);
в установлении высокой эффективности от применения ШВВ для снижения продольной вибрации возбуждённых пластин, в отличие от сплошных ВДП.
Практическая ценность работы. В результате работы созданы и. предложены пригодные для практики:
метод расчёта ожидаемого снижения шума от применения ШВВ на вибровозбуждённых ТМК;
эмпирические выражения для приближённой оценки коэффициента потерь в системе «вибровозбуждённая пластина - ШВВ»;
эмпирические выражения для приближённой оценки акустической эффективности от применения ШВВ на возбуждённых ТМК, учитывающие плотность материала и геометрические размеры вибродемпфирующих вставок, а также площадь покрытия ими вибровоз-. буждённой пластины;
конструкция ШВВ в вариантном исполнении;
рекомендации по эффективному применению ШВВ.
Опытные образцы ШВВ, являющиеся практическим результатом диссертационных исследований, были внедрены на ЗАО «ТОПАЗ ПЛЮС» (г. Воронеж) для снижения звуковой вибрации кузовов и ограждающих панелей моторного отсека специальных транспортно-технологических средств (ТТС), предназначенных для опрыскивания ядохимикатами сельскохозяйственных культур и внесения удобрений в почву.
Результаты натурных испытаний и практика внедрения ШВВ демонстрируют их высокую эффективность по снижению звуковой вибрации, излу-
чаемой возбуждёнными тонкостенными металлическими конструкциями. На защиту выносятся:
математическая модель снижения шума от вибровозбуждённой пла- стины с ШВВ;
результаты экспериментального исследования влияния различных параметров (частоты возбуждения, температуры окружающей среды, плотности материала и геометрических размеров ШВВ) на эффективность демпфирования звуковой вибрации от ТМК и эмпирические выражения, устанавливающие эти зависимости;
результаты экспериментального исследования влияния различных параметров (площади покрытия, плотности материала и геометрических размеров ШВВ) на акустическую эффективность ШВВ и эмпирические выражения, устанавливающие эти зависимости;
результаты экспериментальной оценки раздельного вклада перфорации и вибродемпфирующих вставок на акустическую эффективность от применения ШВВ;
результаты экспериментального исследования снижения продольной вибрации в пластине от применения ШВВ;
- рекомендации по эффективному применению ШВВ.
Апробация работы и публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 7 печатных работах и апробированы на 4 научных конференциях и семинарах (Третья Всероссийская школа-семинар с международным участием «Новое в теоретической и прикладной акустике» 23-24 октября 2003 г., Санкт-Петербург; Международная научно-практическая конференция «Высокие технологии в экологии» 19-21 мая 2004 г., Воронеж; XI Международный конгресс по шуму и вибрации 5-8 июля 2004 г., Санкт-Петербург; 2-я Международная заочная научно-практическая конференция «Составляющие научно-технического прогресса» 21-22 апреля 2006 г., Тамбов; Международная научно-практическая конференция в облас-
ти экологии и безопасности жизнедеятельности «Дальневосточная весна -2006» 27 апреля 2006 г., Комсомольск-на-Амуре; ежегодные научно-практические конференции профессорско-преподавательского состава ВГЛТА 2002-2006 г.г.).
Образцы ШВВ экспонировались и награждены дипломами VI - VII Международной специализированной выставки «Безопасность и охрана тру- да-2002; 2003», проводившейся во Всероссийском выставочном центре (ноябрь 2002; 2003 гг., г. Москва), Всероссийской специализированной выставки «Высокие технологии в экологии-2003», проводившейся в Экспоцентре «Агробизнес Черноземья» (23 мая 2003 г., г. Воронеж), Всероссийской специализированной выставки «Воронежский автосалон», проводившейся в Экспоцентре «Агробизнес Черноземья» (19-21 мая 2004 г., г. Воронеж), 6-ой межрегиональной выставки «РОСПРОМЭКСПО», проводившейся в выставочном комплексе «BETA» (2-4 февраля 2005 г., г. Воронеж), 3-й многоотраслевой промышленной выставки «Воронежская область - ваш партнёр», проводив- шейся в выставочном комплексе «BETA» (21-23 июня 2006 г., г. Воронеж).
Автор выражает свою искреннюю благодарность научному руководителю, заведующему кафедрой «Безопасность жизнедеятельности» ВГЛТА, д.т.н. В.Ф. Асминину и к.т.н. А.Б. Ганбарову за участие и поддержку в работе над кандидатской диссертацией, а также инженерно-техническим работникам, рабочим ряда предприятий за оказанную помощь и содействие при выпуске опытной партии ШВВ и внедрении в производство результатов научных исследований.
Анализ существующих технических решений по снижению шума от вибровозбуждённых тонкостенных металлических конструкций
Современная виброакустика накопила солидный арсенал средств и методов по снижению шума. Многие технические решения могут быть использованы для защиты от шума при звукоизлучении тонкостенных металличе- ских конструкций (ТМК). Несмотря на многообразие, эти технические решения можно разделить условно на два вида [79]: - направленные на индивидуальную защиту от шума; - направленные на коллективную защиту о шума. Исследования, проведённые с помощью современных физиологических методов, показали, что индивидуальные средства защиты от шума (противошумные наушники, вкладыши, шлемы) значительно защищают организм от раздражающего действия шума, обеспечивая предупреждение различных глубоких функциональных нарушений и расстройств. Однако использование средств индивидуальной защиты не решает проблемы борьбы с шумом возбуждённой ТМК, так как вредное воздействие шума на головной мозг происходит не только через слуховой канал, но и посредством костной проводимости. В постоянном ношении они неудобны, вносят дискомфорт, поэтому применяются, как правило, в исключительных случаях и на непродолжительное время [15, 32, 63, 79, 88, 97,112]. Коллективными средствами защиты от шума можно уменьшить распространение звуковой энергии, излучаемой от возбуждённой ТМК или снизить энергию звукоизлучения непосредственно в источнике [15,63,84,86]. Как уже отмечалось, наиболее рациональным и эффективным путём является снижение шума в источнике - демпфированием звуковой вибрации ТМК. Такой подход приводит к уменьшению колебаний поверхностей и излучаемого колеблющимися поверхностями звука как в непосредственной близости к объекту, так и в помещениях, и на открытых пространствах.
Вибродемпфирование - процесс уменьшения звуковой вибрации путём превращения энергии механических колебаний в тепловую энергию. Мерой оценки вибродемпфирования является коэффициент потерь Г}, характеризуемый отношением энергии, поглощаемой в системе за один цикл колебаний (WnogJ1), к максимальной потенциальной энергии в системе (Wnom) [69, 72, 73, 75]: Увеличение потерь вибрационной энергии в возбуждённой ТМК может быть достигнуто следующими способами [62, 67, 79]: 1. нанесением на вибрирующие поверхности материалов с большим внутренним трением; 2. применением поверхностного трения между взаимодействующими поверхностями; 3. переводом механической колебательной энергии в энергию токов Фуко или электромагнитного поля. Вибродемпфирующие устройства любого конструктивного исполнения состоят из рабочего органа, который воздействует на возбуждённую пластину (или ТМК), рассеивает или способствует рассеиванию колебательной энергии, и оснастки для обеспечения фиксации на поверхности ТМК. Рабочие органы демпфирующих устройств, в которых реализованы способы 1 и 2, находятся в непосредственном контакте с ТМК; способ 3 может реализоваться бесконтактным рабочим органом. Для снижения высокочастотной звуковой вибрации от возбуждённых тонкостенных металлических конструкций (в частности, элементов конст рукций технологического оборудования, кузовов транспортных средств, ограждающих панелей моторного отсека) наибольшее распространение получил способ 1 с контактирующим рабочим органом. Для его реализации в качестве рабочего органа используются материалы с большим внутренним трением (эластомеры, пластомеры, древесина и т.д.). Часто эти материалы применяются без фиксации к конструкции в качестве подкладок, пластин и т.п. из материалов с высоким коэффициентом потерь [15, 63, 88, 108]. Наиболее предпочтительна для этих целей резина, т.к. коэффициент потерь резины достигает значения 0,6 [5, 54, 63, 73, 83]. Она очень эффективна для гашения высокочастотной вибрации и, обладая эластичностью, хорошо прилегает к неровностям ТМК.
Помимо этого, резинотехнические изделия можно изготавливать любой геометрической формы и профиля [53, 58, 61, 66, 106,109]. Фиксация рабочего органа может быть осуществлена различными способами, реализуемыми вариантным конструктивным исполнением. Наиболее распространён адгезионный способ фиксации, который осуществляется либо за счёт собственных адгезионных свойств материала, либо дополнительно наносимой клеевой прослойки, либо с предварительной термической обработки, либо в виде наносимых на поверхности отвердевающих мастик [15, 54, 59, 63, 71, 75, 76,102]. В качестве примера на рисунке 1.3 представлены образцы вибродемп-фирующих покрытий, которые выпускаются группой компаний «Стандарт-пласт». Эти материалы предназначены для нанесения на стальные кузовные панели. Вибропласт - гибкий и эластичный вибропоглощающий материал, представляющий собой полимерную самоклеющуюся композицию, сдублированную с алюминиевой фольгой. Визомат - вибропоглощающий битумный материал, представляющий собой многослойную конструкцию, состоящую из лицевого слоя (алюминиевая фольга), листа на основе битумной композиции и клеевого монтажного слоя, защищенного антиадгезионной плёнкой. При монтаже требует нагрева до 50 С. Коэффициент механических потерь этих материалов не менее 0,18. Магнитная фиксация рабочего органа относится к перспективным способам, которая находит применение в последнее время. Основные научные разработки и исследования в этой области были выполнены д.т.н., проф. В.Ф. Асмининым. Им были разработаны съёмные вибродемпфирующие покрытия (СВДП) с магнитной фиксацией [3, 4, 8]. Эти покрытия высокоэффективны для снижения звуковой вибрации, возникающей при механической обработке ТМК ручным инструментом, ударного или абразивного действия.
Однако широкое применение СВДП и материалов с магнитным способом фиксации ограничивается рядом причин: во-первых, магнитная фиксация возможна только на ферромагнетике (стальные конструкции); во-вторых, стоимость материалов с магнитным способом фиксации достаточно высока, а кроме этого, они обладают большой массой, что является следствием применения штучных ферромагнитных вставок или диспергированных магнитных наполнителей (до 87 вес. % в резине); в-третьих, этот способ фиксации более функционально ориентирован на временную постановку демпфирующего материала в процессе механической обработки ТМК. Механический способ фиксации более доступен и универсален, а оснастка для него может быть как с применением дополнительных приспособлений, так и без таковых [15, 54, 63, 75, 102]. В качестве дополнительных приспособлений для механической фиксации могут быть использованы крепления с помощью болтов, заклёпок, зажимов и др. (рисунок 1.4). Фиксация резины и других эластомеров механическим способом возможна без дополнительных приспособлений, путём придания этим материалам определённой формы и профиля на стадии их изготовления. Примером могут служить П-образные уплотнители и демпфирующие точечные вставки (уплотнители по периметру моторных отсеков, дверных проёмов и багажных отсеков автомобилей, точечные вставки под капоты и люки, прикрывающие крышки бензобаков, и др.). Таким образом, для решаемой задачи наиболее оптимальным является создание конструкции вибродемпфирующего устройства, отвечающего следующим требованиям: - обеспечение акустической эффективности в высокочастотном диапазоне; - обеспечение механической фиксации эластомера без дополнительных приспособлений за счёт придания определённой геометрической формы и профиля самому материалу на стадии изготовления; - минимизация массы демпфирующего устройства без снижения эф t фективности демпфирования.
Математическая модель снижения шума от возбуждённой пластины с штучными вибродемпфирующими вставками
Для определения величины снижения уровня звукового давления пластины, снабжённой демпфирующими резиновыми вставками, используем метод волнового сопротивления тонких пластин. Примем следующие обозначения: т - масса одной демпфирующей резиновой вставки, кг; N - количество демпфирующих вставок; р - плотность материала пластины, кг/м ; рг - плотность материала демпфирующей резиновой вставки, кг/м ; pw - плотность воздуха, кг/м ; G - динамический модуль сдвига, Н/м ; кг - коэффициент жёсткости материла вставки, Н/м; Н - высота демпфирующей вставки, м; с - скорость звука в воздухе, м/с; h - толщина пластины, м; у - безразмерная площадь пластины, выражающая отношение действительной площади пластины к единичной площади; d - диаметр отверстия под демпфирующую вставку, м; Е - модуль Юнга, Н/м2; v - коэффициент Пуассона; - поперечное перемещение пластины, м; q - колебательные перемещения демпфирующей вставки, м; Л; - координатная ось пластины, м; у - координатная ось пластины, м; со - частота колебаний, с"1; к - волновое число изгибных волн; F0 - амплитуда поперечных усилий на пластине единичной площади, Н/м2; Fa - сила сопротивления окружающей воздушной среды, отнесённая к единичной площади пластины, Н/м ; Z, Z2 Z3 - волновое сопротивление пластины, демпфирующей вставки, пластины с демпфирующими вставками соответственно; W0 - энергия, излучаемая и поглощаемая пластиной с демпфирующими вставками за половину периода колебаний, Вт; W, - энергия в пластине с демпфирующими вставками, Вт; В - изгибная жёсткость пластины; D - комплексная изгибная жёсткость пластины; г1\ Лг Цг коэффициенты потерь пластины, демпфирующей встав-ки, пластины с демпфирующими вставками (суммарный коэффициент потерь) соответственно; AL - изменение уровня звукового давления, дБ; z=V—1 -мнимая единица.
Изменение уровня звукового давления в воздушной среде может быть определено соотношением [54, 59,104]: Коэффициент потерь гіх((й), входящий в (2.1), может быть определён на основе гипотез Кирхгофа - Лява, согласно которой вводятся следующие допущения [18, 55, 64, 89, 93,113]: - прямолинейный элемент пластины, нормальный к срединной поверхности до деформации, остаётся прямым и нормальным к срединной поверхности, не меняя своей длины; - поперечные деформации в пластине предполагаются малыми; - в пластине реализуется обобщённое плоское напряженное состоя ниє: - деформацию срединной поверхности при изгибе пластины не учитывают. Предполагаем, что на пластину действует нормальная нагрузка F(x,y,t), а на контуре приложены поперечные силы Q, изгибающие и крутящие моменты М: Если для решаемой задачи толщина пластины h=const и D=const, то уравнение колебаний пластины принимает форму: Силовое воздействие на пластину единичной площади будет складываться из возбуждающей силы Fx{x,y,t) и силы сопротивления воздушной среды Fa [18,19,39, 55, 60, 69, 78, 80]. Значение Fa определяется из решения уравнения движения акустической среды, ограниченной с одной стороны колеблющейся поверхностью и свободным пространством. Уравнение движение удовлетворяет одномерному волновому уравнению: определяет приращение давления р и скорость акустических волн V: (2.5)
Если предположить, что при колебательном движении единичного элемента пластины, который может быть описан в форме %(t)=ico%e M, а потенциал допустим в виде решение уравнения (2.4) будет представлено в виде: С учётом уравнений (2.5) и (2.6) получим значение силы сопротивления среды, действующей на единичный элемент пластины: Так как возбуждающая сила или интенсивность поперечных усилий [72] Решение этого уравнения для поперечных смещений пластины необходимо искать в следующей форме: и соответственно для изгибной скорости колебаний пластины уравнение примет следующий вид: Подставляя уравнение (2.10) в (2.9), выполняя дифференцирование и учитывая (2.11), получим следующее уравнение: В этом уравнении комплексная изгибная жёсткость определяется зависимостью: С учётом уравнения (2.12) можно определить волновое сопротивление пластины в условиях демпфирования окружающей воздушной средой: Преобразуя это уравнение и разделяя вещественную и мнимую части, получим:
Исследование снижения продольной вибрации в пластине штучными вибродемпфирующими вставками
Проведённый автором анализ показал: в настоящее время не существует типовой методики, позволяющей возбуждать и измерять продольную вибрацию на пластине, и следовательно не представляется возможным оценить её снижение вибродемпфирующими покрытиями и устройствами, что необходимо в рамках решаемой задачи. Как известно, возбуждение продольной вибрации в металлической пластине в чистом виде, т.е. без изгибных и сдвиговых волн, практически невозможно. Была предложена экспериментальная методика [48], позволяющая возбуждать в пластине преимущественно продольные волны, характеризуемые смещением поперечного сечения пластины в направлении распространения волны, путём действия силы в плоскости пластины, равномерно распределённой и нормально направленной к её торцу. Принципиальная схема установки для оценки снижения продольной вибрации представлена на рисунке 3.6. На основании 1 размещалась стальная пластина 4, размером в плане 500x500 мм и толщиной 2 мм, которая была жёстко закреплена по углам крепёжными болтами 5.
Пластина возбуждалась в торец по всей длине ударником 6, который приводился в движение с помощью электродвигателя 9, вращательное движение которого преобразовывалось в возвратно-поступательное посредством кривошипно-шатунного механизма 8. Значения уровня вибрации (La, дБ) измерялись прибором ВШВ-ООЗ, чувствительный элемент 2 которого был закреплён в центре, на противоположной от возбуждения стороне пластины. Для всей серии экспериментальных исследований, связанных с измере- нием демпфирующих, виброакустических характеристик штучных вибродемпфирующих вставок, материалы пластины и её толщина были выбраны исходя из того, что наиболее распространённые тонкостенные металлические конструкции выполнены из конструкционной стали марки «Ст-2» толщиной 2 мм. Габаритный размер пластины выбран 500x500 мм. Образцы ШВВ фиксировались на пластине через перфорацию. Диаметр отверстий перфорации был постоянным и составлял 10 мм. Отверстия перфорации были равномерно распределены по поверхности металлической пластины. Для учёта влияния перфорированности пластины и количества штуч- ных вибродемпфирующих вставок на виброакустические характеристики введены следующие показатели: - «показатель перфорации» где S0 - суммарная площадь отверстий перфорации в пластине; Sn - площадь пластины. - «показатель вставок» где Se - суммарная площадь отверстий перфорации занимаемых вставками в пластине. - «показатель использования вставок»
Показатель использования вставок (Пи) был постоянным и равен 100%, а показатель перфорации (Пп)и показатель вставок (Пв) варьировался от 1 до 10%. Для изготовления ШВВ, используемых в экспериментальных исследованиях, выбирались образцы листованной резины, выпускаемой по ГОСТ и техническим условиям (ТУ) для различных производственных нужд с известными физико-механическими характеристиками [10, 11, 17, 21, 22, 28, Точность опытов и доверительная вероятность были установлены по рекомендациям [40, 41, 51, 123]. При всех сериях опытов эта величина (Р0) составляла не более 5%, доверительная вероятность а = 0,95. Число и повторность опытов определялись из выражения: где VK - вариационный коэффициент; tT - табличное значение критерия Стьюдента; Р0 - точность опытов. Показатель точности опытов определяется после их проведения: где m = —-=J- - средняя ошибка среднего арифметического. При сравнении полученных данных применялась проверка с помощью гипотезы о равенстве дисперсии по критерию Фишера: % сследований, позволяющие получать достоверные значения различных характеристик и величин, необходимых для достижения поставленных целей и задач данной научной работы: - коэффициент потерь (г;); - уровень звука (L, дБА) и уровень звукового давления (L, дБ); - уровень вибрации (, дБ).
Влияние геометрических размеров вибродемпфирующих вставок на эффективность демпфирования
Для экспериментального исследования геометрических размеров штучных вибродемпфирующих вставок (ШВВ) на эффективность демпфирования были приняты некоторые ограничения и допущения. Как известно, масса конструкции является одной из значимых характеристик колебательных процессов [1, 14, 15, 54, 69,72, 75, 76, 89, 92,104, 113]. Что касается демпфирующих вставок, то их масса зависит от плотности материала и их собственных размеров. Как было указано в разделе 3.4, для всей серии экспериментальных исследований плотность резины как материала для изготовления ШВВ была принята постоянной и составляла 1400 кг/мг, диаметр отверстия перфорации в пластине был выбран постоянным и равен 10 мм. С учётом того, что ШВВ имеют цилиндрическую форму, единственным варьируемым параметром была принята их высота (he). Вся серия экспериментов этого этапа исследования проводилась на перфорированном стальном листе с показателем вставок (Пв) 5%. Высота вибродемпфирующих вставок варьировалась в диапазоне от 2 до 10 мм, причём he=2 мм соответствовала толщине пластины. А вставки высотой более 2 мм размещались в отверстии перфорации таким образом, что торцы их тела были симметричны (равноудалены) относительно средней линии по толщине пластины. Изменение демпфирующих свойств пластины для различных значений he от частоты колебаний (/) представлено на рисунке 4.3. Видно, что высота вставки существенным образом влияет на характер изменения суммарного коэффициента потерь (rjz). При h=2 мм (вставка выполнена заподлицо по толщине пластины) кривая имеет практически проти воположныи характер кривым с высотой вставки 5 и 10 мм во всём рассматриваемом диапазоне частот (100 / 1000 Гц).
Следует отметить, что вид кривых со значениями высоты вставок he=5, 10 мм на рисунке 4.3 идентичен кривым на рисунке 4.1, представляющих собой зависимости изменения суммарного коэффициента потерь пластины с демпфирующими вставками (TJZ) от частоты колебаний (/") и показателя вставок (Пв). Это ещё раз подтверждает правомерность выдвинутой гипотезы, что физическим аналогом штучных вибродемпфирующих вставок является совокупность идентичных локальных антивибраторов с варьируемыми характеристиками. Доминирующее влияние высоты вставок по сравнению с плотностью материала (р), из которого они изготовлены, на эффективность демпфиро 0,025 вания становится очевидным при анализе рисунков 4.3 и 4.4. На рисунке 4.4 представлены зависимости изменения г\г от плотности материала, где высота вставок (he) была величиной постоянной и равной 2 мм (вставка выполнена заподлицо по толщине пластины). Характер кривых при р=1400 кг/м3 и 700 кг/м3 практически полностью идентичен, а цг разнится на значении не более 0,002. Во многом по этим причинам для всей серии экспериментальных исследований, результаты которых представлены на рисунках 4.1-4.3, плотность материла составляла 1400 кг/м2. Поскольку температура является одним из важных факторов, определяющих работоспособность демпфирующего устройства с вязкоупругим материалом, рассмотрение устройства в виде штучных вибродемпфирующих вставок (ШВВ) из резины требует экспериментального исследования влияния температуры на эффективность демпфирования, определяемого суммарным коэффициентом потерь (TJZ). Это исследование проводилось в температурном диапазоне от минус 20 С до плюс 60 С. Указанный диапазон изменения температур, как уже было сказано в разделе 3.1, был выбран из соображений реально возможных условий эксплуатации демпфирующих вставок как на специальных транспортно-технологических средствах, так и на стационарном оборудовании.
На рисунке 4.5 представлены результаты экспериментальных исследований влияния температуры (от -20 до +60 С) на изменение значения суммарного коэффициента потерь пластины с демпфирующими вставками (т7і). на частоте возбуждения /р=1000 Гц. При этом показатель вставок (Пв) составлял 5%. Из рисунка 4.5 видно, что суммарный коэффициент потерь пластины с демпфирующими вставками {r]z) медленно изменяется в зависимости от температуры, так с повышением температуры значение Г]г уменьшается, а с понижением температуры - незначительно возрастает, и в рассматриваемом диапазоне температур достигает своего максимального значения при температуре минус 20 С. Следует отметить, что исследуемая зависимость коэффициента потерь от температуры для пластины с применением демпфирующих вставок носит линейный характер, и при изменении показателя вставок от 1 до 5% имеет следующий вид:
