Wibracje i uderzenia – jak tłumić, izolować i amortyzować?
| TechnikaWibracje i uderzenia występują w czasie normalnej pracy i zatrzymywania urządzeń i maszyn. Jeżeli są nadmierne, mogą świadczyć o nieprawidłowościach, na przykład być oznaką zbliżającej się awarii albo ostrzegać o rozregulowaniu się maszyny. Bez względu na przyczynę, przenosząc się na obudowę i dalej, wzbudzają do drgań sąsiednie urządzenia i struktury, na przykład części budynku (ściany, podłogę).
W rezultacie powodują zmęczenie materiałów, luzowanie się śrub i pękanie spoin, skracając żywotność sprzętu i pogarszają warunki na stanowisku pracy, w skrajnych sytuacjach doprowadzając do wypadków. Mogą również wpływać negatywnie na jakość wyrobów, na przykład w przypadku gdy zakłócają pracę urządzeń do obróbki precyzyjnej. Aby temu zapobiec, stosowane są rozmaite rozwiązania konstrukcyjne izolujące, tłumiące oraz amortyzujące wibracje. Ich przykłady przedstawiamy w artykule.
IZOLACJA A TŁUMIENIE
Na wstępie warto jest rozróżnić dwa terminy, które często, nieprawidłowo, są używane zamiennie. Chodzi o tłumienie oraz izolowanie wibracji. Izolacja drgań zapobiega ich przekazywaniu. Polega to na niedopuszczeniu do tego, by energia wibracji przeniosła się z obiektu, na przykład maszyny albo części budynku, jeżeli to on jest źródłem wibracji, albo na niego, w przypadku gdy to dany obiekt jest odbiornikiem drgań. Tłumienie wibracji z kolei rozprasza energię drgań. W tym celu jest ona pochłaniana albo przekształcana w inny rodzaj energii, dzięki czemu jej ilość docierająca do odbiornika lub oddawana do otoczenia przez źródło wibracji znacząco się zmniejsza.
KLUCZOWE POJĘCIA
Dla zrozumienia oraz rozróżnienia obu podejść, co warunkuje skuteczne zapobieganie propagacji wibracji, kluczowa jest znajomość dwóch terminów. Są to transmisyjność (transmissibility) oraz częstotliwość drgań własnych (natural frequency).
Transmisyjność to stosunek energii wibracji mierzonej w narażonym na nie układzie do energii drgań źródła. Na przykład, gdy materiał użyty do tłumienia ma transmisyjność na poziomie 50%, oznacza to, że jedynie 50% energii wibracji źródła jest przekazywane odbiornikowi.
Częstotliwość drgań własnych to z kolei częstotliwość, przy której obiekt albo struktura drgają swobodnie, tzn. gdy nie działają na nie żadne siły, poza tymi określającymi położenie równowagi i dążącymi do jej przywrócenia. Drgania własne trwają do czasu zakłócenia przez zewnętrzną siłę, która rozproszy energię drgań, tłumiąc je.
IZOLOWAĆ CZY TŁUMIĆ?
Pierwszym krokiem, na drodze do ustalenia, czy w danym przypadku lepiej jest izolować, czy może tłumić wibracje, jest zidentyfikowanie ich źródła i częstotliwości. Jeżeli dany obiekt albo struktura są nieskomplikowane, może się okazać wystarczające zastosowanie izolacji w celu przesunięcia częstotliwości drgań własnych obiektu względem częstotliwości źródła wibracji – skuteczny izolator obniża częstotliwość drgań własnych poniżej częstotliwości wzbudzenia. Ponieważ jednak w przypadku większości rzeczywistych obiektów trudno jest wyróżnić jedną częstotliwość drgań własnych, lepszym sposobem na ograniczenie negatywnego wpływu drgań jest ich tłumienie.
IZOLATORY I TŁUMIKI DRGAŃ – PRZYKŁADY
Izolatory i tłumiki drgań to zazwyczaj komponenty mechaniczne. Przykładem są konstrukcje sprężynowe. Zwykle są zbudowane z dwóch płytek, między którymi zamocowana jest sprężyna. Są one wykonywane z różnych materiałów. Najpopularniejsze są: stal węglowa, stal nierdzewna oraz aluminium.
Popularne są również komponenty elastomerowe. Ich częścią są typowo metalowe elementy, które pełnią funkcję wsporników montażowych, oddzielone materiałem elastomerowym, zapewniającym pożądaną sztywność oraz tłumienie wibracji. Powszechnie używane materiały elastomerowe to: kauczuk oraz neopren, chociaż niektórzy producenci wykorzystują również inne materiały, o specjalnych właściwościach, do specyficznych zastosowań.
AMORTYZACJA UDERZEŃ
Zadaniem amortyzatorów uderzeń (shock absorbers) jest natomiast przyjęcie energii kinetycznej udaru, na przykład od zatrzymywanego obciążenia, oraz przekształcenie jej w energię termiczną. Ciepło to zostaje następnie rozproszone do otoczenia. Dzięki temu amortyzatory zapobiegają oddziaływaniu energii kinetycznej hamowania na obiekty, z którymi rozpędzona masa ma kontakt.
Różnią się pod tym względem w porównaniu z elementami takimi jak sprężyny czy elastomerowe podkładki, które również skutecznie spowalniają i zatrzymują ładunki, jednak przeważnie, oprócz częściowego pochłaniania energii kinetycznej z udaru, jej część oddają z powrotem do narażonego obiektu. Dlatego absorbery udarów pozwalają na szybsze i płynniejsze wyhamowanie rozpędzonego obciążenia.
JAK DZIAŁA AMORTYZATOR UDARU?
W jednym z popularniejszych wykonań amortyzator udarów stanowi cylinder o podwójnej ściance, z tłokiem i z mechanizmem powrotnym dla tłoka. Cylinder wewnętrzny jest wypełniony płynem nieściśliwym, takim jak płyn hydrauliczny albo olej. W jego ściankach wykonane są specjalne otwory dławiące (rys. 1).
Zasada działania amortyzatorów jest następująca: pod wpływem udaru tłok przemieszcza się w cylindrze. To powoduje tłoczenie płynu przez otwory dławiące, co z kolei skutkuje nagrzewaniem się tego medium. Ciepło zostaje rozproszone przez korpus zewnętrzny amortyzatora do otoczenia.
Dzięki specjalnym rozmiarom i rozstawowi otworów dławiących ciśnienie w komorze pozostaje stałe na całej długości skoku. To zapewnia stałe opóźnienie. Po ustaniu udaru sprężyna zwrotna kieruje tłok do pozycji startowej. Dzięki temu amortyzator jest gotowy do kolejnego cyklu.
JAK DOBRAĆ AMORTYZATOR UDARU?
Dobór odpowiedniego amortyzatora udaru nie jest zadaniem skomplikowanym. Na wstępie trzeba zgromadzić następujące informacje: jaka masa ma być wyhamowywana, jaka będzie jej prędkość zderzenia albo najazdu, czy występuje dodatkowa siła napędowa oraz ile cykli amortyzacji jest spodziewanych w określonej jednostce czasu. Następnie trzeba obliczyć wartości kilku wielkości, których wartości graniczne są podawane dla poszczególnych modeli amortyzatorów w ich kartach katalogowych. W zależności od specyfiki hamowanego układu mogą się one różnić.
Przykładowo w przypadku, gdy nie występuje siła napędowa popychająca obiekt (rys. 2a), którego uderzenie powinno zostać zamortyzowane, obliczyć trzeba energię kinetyczną poruszającej się masy. Będzie się ona w takim układzie równała energii całkowitej. Następnie, znając liczbę cykli na godzinę, należy wyznaczyć energię całkowitą na godzinę. Na podstawie wartości energii całkowitej powinno się również wyznaczyć masę efektywną, której maksymalna wartość jest zwykle podana dla danego modelu w jego specyfikacji.
Z JAKICH WZORÓW KORZYSTAĆ?
W przypadku, gdy obiekt jest popychany (rys. 2b) należy dodatkowo obliczyć energię siły napędowej. O wartość tej wielkości trzeba zmodyfikować wartość energii całkowitej, która w takim przypadku stanowi sumę energii kinetycznej i energii siły napędowej. Zwykle odpowiednie wzory, z których należy korzystać przy obliczaniu wartości wyżej wymienionych wielkości, można znaleźć w kartach katalogowych absorberów.
Monika Jaworowska
