Виброизоляция

Виброизоляция - это процесс изоляции объекта, например, части оборудования, от источника вибрации .

Вибрация нежелательна во многих областях, в первую очередь в инженерных системах и жилых помещениях, и были разработаны методы предотвращения передачи вибрации на такие системы. Вибрации распространяются посредством механических волн, и одни механические связи проводят колебания более эффективно, чем другие. В пассивной виброизоляции используются материалы и механические связи, которые поглощают и гасят эти механические волны. Активная виброизоляция включает в себя датчики и приводы, которые создают помехи, которые нейтрализуют входящую вибрацию.

Пассивная изоляция [ править ]

«Пассивная виброизоляция» относится к виброизоляции или смягчению вибраций с помощью пассивных методов, таких как резиновые прокладки или механические пружины, в отличие от «активной виброизоляции» или «электронного гашения силы» с использованием электроэнергии, датчиков, исполнительных механизмов и систем управления.

Пассивная виброизоляция - обширная тема, поскольку существует множество типов пассивных виброизоляторов, используемых для самых разных применений. Некоторые из этих приложений предназначены для промышленного оборудования, такого как насосы, двигатели, системы HVAC или стиральные машины; изоляция строительных конструкций от землетрясений (изоляция основания), ^[1] чувствительное лабораторное оборудование, ценные скульптуры и высококачественное аудио.

Общее представление о том, как работает пассивная изоляция, о наиболее распространенных типах пассивных изоляторов и основных факторах, влияющих на выбор пассивных изоляторов:

Общие системы пассивной изоляции [ править ]

Пневматические или воздушные изоляторы

Это баллоны или баллоны со сжатым воздухом. Для их обслуживания необходим источник сжатого воздуха. Пневматические рессоры представляют собой резиновые баллоны, которые обеспечивают демпфирование, а также изоляцию и используются в больших грузовиках. Некоторые пневматические изоляторы могут достигать низких резонансных частот и используются для изоляции крупного промышленного оборудования. Надувные столы состоят из рабочей поверхности или оптической поверхности, установленной на воздушных ножках. Эти таблицы обеспечивают достаточную изоляцию для лабораторного прибора при некоторых условиях. Воздушные системы могут протекать в условиях вакуума. Воздушный контейнер может препятствовать изоляции низкоамплитудной вибрации.

Механические пружины и пружины-демпферы

Это сверхмощные изоляторы, используемые для строительных систем и промышленности. Иногда они служат креплениями для бетонного блока, что обеспечивает дополнительную изоляцию.

Прокладки или листы из гибких материалов, таких как эластомеры, резина, пробка, плотный пенопласт и ламинат.

Подушечки из эластомера, плотные пенопласты с закрытыми порами и ламинат часто используются под тяжелой техникой, под обычными предметами домашнего обихода, в транспортных средствах и даже под более производительными аудиосистемами. ^{[ необходима цитата ]}

Формованные и связанные резиновые и эластомерные изоляторы и опоры

Они часто используются в качестве опор для механизмов или в транспортных средствах. Они поглощают удары и ослабляют некоторую вибрацию.

Изоляторы отрицательной жесткости

Изоляторы с отрицательной жесткостью встречаются реже, чем другие типы, и, как правило, были разработаны для исследовательских приложений высокого уровня, таких как обнаружение гравитационных волн. Ли, Говердовский и Темников (2007) предложили систему с отрицательной жесткостью для изоляции автомобильных сидений.

Основное внимание на изоляторах отрицательной жесткости уделялось разработке систем с очень низкими резонансными частотами (ниже 1 Гц), чтобы можно было адекватно изолировать низкие частоты, что имеет решающее значение для чувствительных приборов. Все более высокие частоты также изолированы. Системы с отрицательной жесткостью могут изготавливаться с низким коэффициентом трения, так что они эффективны для изоляции колебаний с низкой амплитудой.

Механизмы отрицательной жесткости являются чисто механическими и обычно включают конфигурацию и нагрузку таких компонентов, как балки или перевернутые маятники. Большая нагрузка на механизм отрицательной жесткости в пределах его работоспособности снижает собственную частоту.

Изоляторы троса

Крепление для спирального кабеля

Эти изоляторы долговечны и могут противостоять экстремальным условиям окружающей среды. Они часто используются в военных целях. ^{[2] [3]}

Опорные изоляторы для сейсмоизоляции зданий, мостов и т. Д.

Изоляторы основания из слоев неопрена и стали с низкой горизонтальной жесткостью используются для снижения собственной частоты здания. Некоторые другие изоляторы основания спроектированы так, чтобы скользить, предотвращая передачу энергии от земли к зданию.

Настроенные массовые демпферы

Настроенные демпферы массы уменьшают эффекты гармонической вибрации в зданиях или других конструкциях. Относительно небольшая масса прикреплена таким образом, что она может гасить очень узкую полосу колебаний конструкции.

Изоляторы своими руками

В менее сложных решениях эластичные шнуры можно использовать в качестве дешевой системы изоляции, которая может быть достаточно эффективной для некоторых приложений. Изолируемый элемент подвешивается на эластичных шнурах. Это сложно реализовать без опасности падения изолированного объекта. Теннисные мячи, разрезанные пополам, с некоторым успехом использовали под стиральные машины и другие предметы. Фактически, теннисные мячи стали де-факто стандартной техникой подвешивания, используемой в культуре DIY rave / DJ, они помещаются под ножки каждого проигрывателя пластинок, что обеспечивает достаточное демпфирование, чтобы нейтрализовать вибрации мощных звуковых систем от воздействия на тонкие, высокочувствительные механизмы. игл поворотного стола. ^[4]

Как работает пассивная изоляция [ править ]

Система пассивной изоляции, такая как амортизатор , обычно содержит массу, пружину и демпфирующие элементы и движется как гармонический осциллятор . Масса и жесткость пружины определяют собственную частоту системы. Демпфирование вызывает рассеяние энергии и вторично влияет на собственную частоту.

Пассивная виброизоляция

Каждый объект на гибкой опоре имеет основную собственную частоту. Когда применяется вибрация, энергия передается наиболее эффективно на собственной частоте, несколько ниже собственной частоты и с увеличением неэффективности (снижающейся эффективности) выше собственной частоты. Это можно увидеть на кривой проницаемости, которая представляет собой график зависимости проводимости от частоты.

Вот пример кривой проводимости. Передаточная способность - это отношение вибрации изолированной поверхности к вибрации источника. Вибрации никогда полностью не устраняются, но их можно значительно уменьшить. Кривая ниже показывает типичные характеристики пассивной системы изоляции отрицательной жесткости с собственной частотой 0,5 Гц. Общий вид кривой типичен для пассивных систем. Ниже собственной частоты коэффициент передачи колеблется около 1. Значение 1 означает, что вибрация проходит через систему без усиления или уменьшения. На резонансной частоте энергия передается эффективно, а входящие колебания усиливаются. Демпфирование в системе ограничивает уровень усиления. Выше резонансной частоты может передаваться небольшая энергия, и кривая скатывается к низкому значению.фильтр нижних частот для вибрации.

проницаемость с отрицательной жесткостью

В общем, для любой заданной частоты выше собственной частоты изолятор с более низкой собственной частотой будет демонстрировать большую изоляцию, чем изолятор с более высокой собственной частотой. Лучшая система изоляции для данной ситуации зависит от частоты, направления и величины присутствующих вибраций, а также от желаемого уровня затухания этих частот.

Все механические системы в реальном мире содержат некоторое количество демпфирования. Демпфирование рассеивает энергию в системе, что снижает уровень вибрации, передаваемой на собственной частоте. Жидкость в автомобильных амортизаторах является своего рода демпфером, как и демпфирование, присущее эластомерным (резиновым) опорам двигателя.

Демпфирование используется в пассивных изоляторах для уменьшения усиления на собственной частоте. Однако увеличение демпфирования снижает изоляцию на более высоких частотах. По мере увеличения демпфирования падение проницаемости уменьшается. Это можно увидеть на диаграмме ниже.

Демпфирующий эффект на проницаемость

Пассивная изоляция действует в обоих направлениях, изолируя полезную нагрузку от вибраций, возникающих в опоре, а также изолируя опору от вибраций, исходящих от полезной нагрузки. Большие машины, такие как стиральные машины, насосы и генераторы, которые могут вызывать вибрацию в здании или помещении, часто изолированы от пола. Однако в зданиях существует множество источников вибрации, и часто невозможно изолировать каждый из них. Во многих случаях наиболее эффективно изолировать каждый чувствительный инструмент от пола. Иногда бывает необходимо реализовать оба подхода.

Факторы, влияющие на выбор пассивных виброизоляторов [ править ]

1. Характеристики изолируемого объекта
   • Размер: размеры изолируемого элемента помогают определить доступный и подходящий тип изоляции. Маленькие объекты могут использовать только один изолятор, в то время как более крупные объекты могут использовать систему с несколькими изоляторами.
   • Вес: Вес изолируемого объекта является важным фактором при выборе правильного изделия для пассивной изоляции. Индивидуальные пассивные изоляторы предназначены для использования в определенном диапазоне нагрузок.
   • Движение: машины или инструменты с движущимися частями могут повлиять на системы изоляции. Важно знать массу, скорость и пройденное расстояние движущихся частей.
2. Рабочая среда
   • Промышленные: Обычно это влечет за собой сильные вибрации в широком диапазоне частот и некоторое количество пыли.
   • Лаборатория: Лаборатории иногда беспокоят определенные вибрации здания от соседнего оборудования, пешеходного движения или воздушного потока HVAC.
   • Внутри или вне помещений: изоляторы обычно предназначены для тех или иных условий.
   • Коррозийный / некоррозионный: в некоторых помещениях может возникнуть опасность коррозии компонентов изолятора из-за присутствия коррозионных химикатов. Необходимо учитывать водную и соленую среду на открытом воздухе.
   • Чистая комната: некоторые изоляторы можно сделать подходящими для чистой комнаты.
   • Температура: Обычно изоляторы предназначены для использования в диапазоне температур, нормальных для окружающей человека среды. Если требуется больший диапазон температур, возможно, потребуется изменить конструкцию изолятора.
   • Вакуум: некоторые изоляторы можно использовать в вакууме. У воздушных изоляторов могут быть проблемы с утечкой. Требования к вакууму обычно включают определенный уровень требований к чистоте помещения, а также могут иметь широкий диапазон температур.
   • Магнетизм: некоторые эксперименты, требующие виброизоляции, также требуют среды с низким магнетизмом. Некоторые изоляторы могут быть сконструированы с компонентами с низким магнитным полем.
   • Акустический шум: некоторые инструменты чувствительны к акустической вибрации. Кроме того, некоторые системы изоляции могут быть возбуждены акустическим шумом. Может потребоваться акустический экран. Воздушные компрессоры могут создавать проблемный акустический шум, нагревание и воздушный поток.
   • Статические или динамические нагрузки: это различие очень важно, поскольку изоляторы рассчитаны на определенный тип и уровень нагрузки.
   • ; Статическая загрузка

     - это, по сути, вес изолированного объекта с низкоамплитудным воздействием вибрации. Это окружение очевидно неподвижных объектов, таких как здания (при нормальных условиях) или лабораторные приборы.

   • ; Динамическая загрузка

     включает ускорения и удары и вибрацию большей амплитуды. Эта среда присутствует в транспортных средствах, тяжелой технике и конструкциях со значительным движением.

3. Расходы:
   • Стоимость обеспечения изоляции: в стоимость входит сама система изоляции, будь то стандартный или нестандартный продукт; источник сжатого воздуха при необходимости; доставка от производителя до места назначения; установка; поддержание; и первоначальное обследование места вибрации для определения необходимости изоляции.
   • Относительная стоимость различных систем изоляции: может потребоваться замена недорогих амортизаторов из-за циклов динамической нагрузки. Более высокий уровень изоляции, который эффективен при более низких частотах и ​​величинах вибрации, обычно стоит дороже. Цены могут варьироваться от нескольких долларов за эластичные шнуры до миллионов долларов за некоторые космические приложения.
4. Регулировка: некоторые системы изоляции требуют ручной регулировки для компенсации изменений в весовой нагрузке, распределении веса, температуре и давлении воздуха, тогда как другие системы предназначены для автоматической компенсации некоторых или всех этих факторов.
5. Техническое обслуживание: некоторые изоляционные системы довольно долговечны и требуют минимального обслуживания или вообще не требуют его. Другие могут потребовать периодической замены из-за механической усталости деталей или старения материалов.
6. Ограничения по размеру. Изолирующая система может поместиться в ограниченном пространстве лаборатории или вакуумной камеры, или в корпусе машины.
7. Характер колебаний, которые необходимо изолировать или смягчить
   • Частоты: по возможности важно знать частоты окружающих вибраций. Это можно определить с помощью обследования участка или данных акселерометра, обработанных с помощью анализа БПФ.
   • Амплитуды: амплитуды присутствующих частот вибрации можно сравнить с требуемыми уровнями, чтобы определить, требуется ли изоляция. Кроме того, изоляторы рассчитаны на диапазоны амплитуд колебаний. Некоторые изоляторы неэффективны при очень малых амплитудах.
   • Направление: знание того, являются ли вибрации горизонтальными или вертикальными, может помочь добиться изоляции там, где это необходимо, и сэкономить деньги.
8. Характеристики вибрации элемента, который должен быть изолирован: многие инструменты или машины имеют уровни вибрации, указанные производителем для рабочей среды. Производитель не может гарантировать правильную работу прибора, если уровень вибрации превышает спецификацию.
9. Некоммерческие организации, такие как ASHRAE (Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха) и VISCMA (Ассоциация производителей виброизоляции и сейсмического контроля), предоставляют спецификации / стандарты для типов изоляторов и требований к отклонению пружин, которые охватывают широкий спектр отраслей, включая электрические, механические, сантехнические и HVAC.

Сравнение пассивных изоляторов [ править ]

^{[ необходима цитата ]}

Виброизолятор отрицательной жесткости [ править ]

Системы виброизоляции с механизмом отрицательной жесткости (NSM) предлагают уникальный пассивный подход для достижения условий с низким уровнем вибрации и изоляцией от вибраций ниже Герца. Устройства NSM «с защелкиванием» или «над центром» используются для уменьшения жесткости упругих подвесок и создания компактных систем с шестью степенями свободы и низкими собственными частотами. Возможны практические системы с вертикальными и горизонтальными собственными частотами от 0,2 до 0,5 Гц. Электромеханические механизмы автоматической регулировки компенсируют изменяющиеся весовые нагрузки и обеспечивают автоматическое выравнивание в системах с несколькими изоляторами, аналогично функции выравнивающих клапанов в пневматических системах. Цельнометаллические системы могут быть сконфигурированы так, чтобы они были совместимы с высоким вакуумом и другими неблагоприятными средами, такими как высокие температуры.

Эти системы изоляции позволяют чувствительным к вибрации инструментам, таким как сканирующие зондовые микроскопы, измерители микротвердости и сканирующие электронные микроскопы, работать в условиях сильной вибрации, которая иногда встречается, например, на верхних этажах зданий и в чистых помещениях. Такая операция нецелесообразна с системами пневматической изоляции. ^{[ необходима цитата ]} Точно так же они позволяют чувствительным к вибрации инструментам производить более качественные изображения и данные, чем те, которые достигаются с помощью пневматических изоляторов. ^{[ необходима цитата ]}

Обобщена теория работы систем виброизоляции NSM, описаны некоторые типовые системы и приложения, а также представлены данные об измеренных характеристиках. Теория изоляционных систем NSM объясняется в ссылках 1 и 2. ^{[ требуется пояснение ]} Для удобства краткое изложение изложено.

Изоляция вертикального движения [ править ]

Показан изолятор вертикального движения. В нем используется обычная пружина, соединенная с NSM, состоящая из двух стержней, шарнирно закрепленных в центре, поддерживаемых своими внешними концами на шарнирах и нагруженных силой Р. Пружина сжимается весом W до рабочего положения изолятора, так как показано на рисунке 1. Жесткость изолятора составляет K = K S -K N, где K S - жесткость пружины, а K N - величина отрицательной жесткости, которая является функцией длины стержней и нагрузки P . Жесткость изолятора может быть доведена до нуля, пока пружина поддерживает вес W.

Изоляция горизонтального движения [ править ]

Изолятор горизонтального движения, состоящий из двух балок-колонн, показан на рисунке. 2. Каждая балка-колонна ведет себя как две неподвижно свободные балочные колонны, нагруженные в осевом направлении весовой нагрузкой W. Без весовой нагрузки балки-колонны имеют горизонтальную жесткость K S При весовой нагрузке жесткость на боковой изгиб уменьшается на величину «балка- столбец "эффект. Это поведение эквивалентно горизонтальной пружине в сочетании с NSM, так что горизонтальная жесткость равна и является величиной эффекта балки-колонны. Горизонтальную жесткость можно довести до нуля, нагружая балки-колонны, чтобы приблизиться к их критической нагрузке продольного изгиба.${\ displaystyle K = K_ {S} -K_ {N}}$${\ displaystyle K_ {N}}$

Изоляция с шестью степенями свободы (шесть степеней свободы) [ править ]

Изолятор NSM с шестью степенями свободы обычно использует три изолятора, установленных последовательно: изолятор наклона поверх изолятора горизонтального движения поверх изолятора вертикального движения. На рисунке 3 показана схема системы виброизоляции, состоящей из утяжеленной платформы, поддерживаемой одним изолятором с шестью степенями свободы, включающим изоляторы, показанные на рисунках 1 и 2. Изгибы используются вместо шарнирных стержней, показанных на рисунке 1. Изгиб наклона служит как изолятор наклона и движения. Винт регулировки вертикальной жесткости используется для регулировки силы сжатия на изгибах с отрицательной жесткостью, тем самым изменяя вертикальную жесткость. Вертикальная регулировка нагрузки винт используются для регулировки для изменения веса нагрузки, поднимая или опуская основание опорной пружины, чтобы сохранить прогибы в их прямых, отогнутых рабочих положениях.

Виброизоляция поддерживать соединение [ править ]

Оборудование или другие механические компоненты обязательно связаны с окружающими объектами (поддерживающим совместным - при поддержке, в unsupporting соединения - труба воздуховод или кабель), таким образом представляя возможность нежелательной передачи вибраций. Используя соответствующую конструкцию, колебательно-разъединитель (абсорбер), вибрация изоляция опорного сустава реализуется. На прилагаемой иллюстрации показано ослабление уровней вибрации, измеренное до установки работающего механизма на виброизолятор, а также после установки, для широкого диапазона частот.

Виброизолятор [ править ]

Это определяется как устройство, которое отражает и поглощает волны колебательной энергии, исходящие от части работающих механизмов или электрического оборудования, и с желаемым эффектом, обеспечивающим изоляцию от вибрации. Цель состоит в том, чтобы установить виброизоляцию между телом, передающим механические колебания, и опорным телом (например, между машиной и фундаментом). На иллюстрации показан виброизолятор из серии «ВИ» (~ «VI» латинскими буквами), используемый в судостроении в России, например, подводная лодка «Санкт-Петербург» (Лада). Изображенные устройства «ВИ» допускают нагрузки от 5, 40 и 300 кг. Они различаются по своим физическим размерам, но все имеют одну и ту же основную конструкцию. Конструкция состоит из резиновой оболочки, которая изнутри усилена пружиной. Во время производства резина и пружина тесно и постоянно связаны в результате процесса вулканизации, который является неотъемлемой частью обработки сырого резинового материала. Под действием весовой нагрузки машины резиновая оболочка деформируется, а пружина сжимается или растягивается. Следовательно, в направлении поперечного сечения пружины происходит скручивание обволакивающей резины. Результирующая упругая деформация резиновой оболочки приводит к очень эффективному поглощению вибрации. Это поглощение имеет решающее значение для надежной изоляции вибрации, поскольку оно предотвращает возможность возникновения резонансных эффектов. Степень упругой деформации резины в значительной степени определяет величину достижимого поглощения вибрации; все устройство (включая саму пружину) должно проектироваться с учетом этого. Конструкция виброизолятора должна также учитывать потенциальное воздействие ударных нагрузок в дополнение к обычным повседневным вибрациям. Наконец, виброизолятор должен быть рассчитан на длительный срок службы, а также на удобную интеграцию в среду, в которой он будет использоваться. Рукава и фланцы обычно используются для того, чтобы дать возможность виброизолятора быть надежно прикреплены к оборудованию и опорной основе.

Вибрация изоляция unsupporting сустава [ править ]

Вибрация изоляция unsupporting сустава реализуется в устройстве с именем патрубок а изолирующая вибрацией.

Патрубок А изоляционной вибрации [ править ]

Патрубок а изолирующей вибрации представляет собой часть трубы с упругими стенками для отражения и поглощения волн колебательной энергии, исходящих от работающего насоса по стенке трубопровода. Устанавливается между насосом и трубопроводом. На иллюстрации представлено изображение виброизолирующего патрубка серии «ВИПБ». В конструкции использована резиновая оболочка, усиленная пружиной. Свойства оболочки аналогичны оболочке вибрации изолятора. Имеет устройство, снижающее осевое усилие от действия внутреннего давления до нуля.

Изоляция подрамника [ править ]

Другой метод, используемый для увеличения изоляции, - использование изолированного подкадра. Это разделяет систему на дополнительную систему масса / пружина / демпфер. Это удваивает спад затухания на высоких частотах за счет введения дополнительных низкочастотных мод, которые могут вызвать ухудшение поведения на низких частотах. Это обычно используется в задней подвеске автомобилей с независимой задней подвеской (IRS) и в передних подрамниках некоторых автомобилей. График (см. Иллюстрацию) показывает силу, действующую на кузов для подрамника, который жестко прикреплен к кузову, по сравнению с красной кривой, показывающей подрамник, установленный с соблюдением требований. На частотах выше 42 Гц лучше подрамник, установленный с соблюдением требований требований, но ниже этой частоты лучше подрамник, закрепленный на болтах.

Полуактивная изоляция [ править ]

Полуактивные виброизоляторы привлекли внимание, потому что они потребляют меньше энергии, чем активные устройства, и управляемость по сравнению с пассивными системами.

Активная изоляция [ править ]

Системы активной виброизоляции содержат, помимо пружины, цепь обратной связи, которая состоит из датчика (например, пьезоэлектрического акселерометра или геофона), контроллера и исполнительного механизма . Сигнал ускорения (вибрации) обрабатывается схемой управления и усилителем. Затем он питает электромагнитный привод, который усиливает сигнал. В результате такой системы обратной связи достигается значительно более сильное подавление вибраций по сравнению с обычным демпфированием. Активная изоляция сегодня используется в приложениях, где конструкции меньше микрометра.должны быть произведены или измерены. Несколько компаний производят продукты активной изоляции как OEM для исследований, метрологии, литографии и медицинских систем. Еще одно важное приложение - полупроводниковая промышленность. В производстве микрочипов самые маленькие структуры сегодня имеют размер менее 20 нм, поэтому машины, которые их производят и проверяют, должны колебаться намного меньше.

Датчики активной изоляции [ править ]

• Пьезоэлектрические акселерометры и датчики силы
• Акселерометры MEM
• Геофоны
• Датчики приближения
• Интерферометры

Приводы для активной развязки [ править ]

• Линейные двигатели
• Пневматические приводы
• Пьезоэлектрические двигатели

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

• Платус, доктор философии, Дэвид Л., Международное общество оптической инженерии SPIE - июль 1999 г., Оптомеханика и контроль вибрации Системы виброизоляции с механизмом отрицательной жесткости
• Харрис, К., Пирсол, А., Справочник Харриса по ударам и вибрации, пятое издание , McGraw-Hill, (2002), ISBN 0-07-137081-1 
• А.Колесников «Шум и вибрация». Россия. Ленинград. Издательство «Судостроение». 1988 г.

Внешние ссылки [ править ]

• Белая книга по активной виброизоляции для литографии и визуализации
• Пассивная изоляция гармонического возбуждения