Виброизоляция инженерного оборудования, машин, агрегатов

Для виброзащиты инженерного оборудования, машин и агрегатов применяют различные комбинации следующих методов:

• Установка механизма на пружинные виброопоры
• Применение в системе виброизоляции демпфирующих прокладок различной формы или изоляция агрегата от фундамента с помощью слоя демпфирующего материала
• Установка массивного основания - железобетонной плиты, блока, балки, жесткой опорной рамы между агрегатом и пружинными виброопорами
• Обустройство конструкции «плавающего» пола

Самый простой вариант однозвенной виброизоляции включает только одно из перечисленных средств - установку либо на виброопоры, либо на упругое основание. Куда больший эффект дает применение двухзвенной виброизоляции, в которой агрегат устанавливается на пружинные амортизаторы и пол на упругом основании и/или на дополнительную массивную плиту, жесткую раму и т. п.

Подбор определенного типа виброизоляторов и других элементов, равно как и расчет виброизоляции – весьма сложная задача, требующая учета многих нюансов и параметров как виброизолирующих материалов, так и виброизолируемого агрегата. Одна из наиболее важных характеристик, на которую необходимо ориентироваться при проектировании виброизоляции – собственная частота колебаний виброизолированной установки, или резонансная частота виброизолирующего основания. Снижение колебаний основания, то есть, фактически, сама виброизоляция, происходит только в том случае, если собственная резонансная частота установки значительно ниже диапазона частот, на котором требуется такое снижение. Воздействие на виброизолированную установку с той же частотой, что и ее собственные колебания, или близкой к ней, приводит в лучшем случае к отсутствию результата от вибоизоляции, а в худшем и к прямо противоположному эффекту – резонированию системы и резкому усилению колебаний. Поэтому главный принцип качественной виброизоляции оборудования – выбор виброизоляторов с минимальной собственной частотой колебаний.

Частота колебаний виброизолированной установки зависит от двух параметров: жесткости используемых виброизоляторов и общей массы виброизолированной конструкции (включительно с массой железнобетонной плиты, рамы и т.п.). Уменьшить собственную резонансную частоту системы можно, увеличивая ее массу и уменьшая жесткость виброизолятора. К сожалению, полностью погасить колебания невозможно, однако когда в конструкции обеспечено оптимальное соотношение жесткости амортизаторов и общей массы, достигаются максимальные показатели виброизоляции.

Таким образом, для разработки качественной виброизоляции в первую очередь следует с минимальной погрешностью определить массу виброизолируемой установки и жесткость виброизоляторов, используемых в системе, а кроме того – знать характеристики вибраций, которые необходимо снизить: их частоту, амплитуду, реальный и желаемый уровень значений. Необходимо также вычислить, в каком месте виброизоляторы будут наиболее эффективны: непосредственно под агрегатом, между основанием агрегата и фундаментом или же под самим фундаментом.

Пружинные виброизоляторы станут оптимальным выборов в том случае, когда необходимо виброизолировать машину или агрегат с рабочей частотой меньше 18-20 Гц. Они обеспечивают более высокие показатели виброизоляции на низких частотах, чем разнообразные упругие материалы, поскольку обладают меньшей собственной резонансной частотой. Немаловажный момент: пружинные амортизаторы следует располагать таким образом, чтобы их центр жесткости оказался на одной вертикали с центром масс агрегата. Осадка пружин при этом должна быть одинаковой.

На средних и высоких частотах эффект от применения пружинных виброизоляторов будет крайне невелик. Для улучшения виброизоляции на частотах выше 20 Гц между пружинным амортизатором и фундаментом необходимо использовать упругие эластомерные или резиновые прокладки. При этом следует учитывать, что виброизоляция на средних и высоких частотах возрастает с частотой, увеличением коэффициента потерь, формы прокладки и ее толщины. Поэтому на этих частотах лучшие результаты виброизоляции демонстрируют перфорированные резиновые прокладки и прокладки из материалов ячеистой структуры. А вот тонкие резиновые прокладки, вопреки существующему мифу, не в силах обеспечить достаточную виброзащиту на высоких и средних частотах.

Уровень колебаний агрегата снижается, а его устойчивость на пружинных амортизаторах увеличивается при установке на дополнительное массивное основание – железнобетонную плиту, блок, опорную раму (по системе «фундамент-пружина-железнобетонная плита-агрегат»). За счет такого разделения виброизоляция установки в целом заметно увеличивается. Для предотвращения возможного снижения виброизоляции в отдельных полосах частот рекомендуется при установке машины использовать большее количество виброизоляторов меньших номеров, а не наоборот. Еще одно важное правило для улучшения виброизоляции – соблюдать минимальные размеры, но максимальную толщину плиты. Противопоказано для качественной виброизоляции использование больших по площади плит, и тем более – установка на них нескольких агрегатов.

В любом современном здании устанавливается достаточно много инженерного оборудования с самыми разными характеристиками. Основную его часть (например, вентиляционные узлы, главный механизм лифта и т.д.) размещают на техническом этаже в одном или нескольких помещениях). В этом случае наиболее простой, «усредненный» способ виброизоляции - установка так называемого «плавающего» пола на упругом основании. Конструкция плавающего пола выглядит следующим образом: на плиту перекрытия укладывается слой упругого материала, который покрывается гидроизоляцией, а сверху наносится армированная металлическими конструкциями массивная бетонная стяжка толщиной как минимум 50 мм (чем больше - тем лучше).

Для «плавающего» пола, как и для установок на виброизоляторах, чрезвычайно важен показатель собственной резонансной частоты, зависящий от модуля упругости основания, толщины такого основания (в обжатом состоянии) и поверхностной плотности бетонной стяжки. Соответственно для улучшения эффективности конструкции «плавающего» пола необходимо подбирать материалы с оптимальным динамическим модулем упругости, увеличивать толщину упругого слоя и массу бетонной стяжки (то есть опять-таки ее толщину). При расчете соотношения этих величин следует учитывать и массу устанавливаемого оборудования: чем она больше, тем ниже собственная частота всей системы.

Наиболее подходят для применения в качестве упругого слоя в конструкциях «плавающего» пола волокнистые и эластомерные материалы. К первым относится акустическая стекловата и минеральная вата на основе базальтовых пород плотностью не менее 90–150 кг/м³ (плиты Шумостоп, AcousticWool Sonet F). Динамический модуль упругости волокнистых материалов при нагрузке 2 КПа колеблется в диапазоне от 0,27-0,5 МПа, а при 5 КПа- от 0,3 до 0,65 МПа. Однако подобные материалы обладают высокой степенью сжатия при нагрузках, а значит, для качественной виброизоляции может понадобиться значительно увеличить их толщину, что не всегда возможно.

Эластомерные материалы производятся на основе полиуретана, вспененного полиэтилена, полипропилена и характеризуются гораздо более низкими, чем у волокнистых материалов, показателями относительного сжатия, что позволяет уменьшить толщину упругого слоя. Динамические модули упругости большинства эластомеров не превышают 0,2- 0,66 МПа, когда нагрузка составляет 2 КПа и 0,34–0,85 МПа при нагрузке 5 КПа. Отдельную группу эластомерных материалов представляет линейка уникального австрийского эластомера Sylomer с динамическими модулями упругости материалов от 0,15 до 10,8 МПа.

Ожидаемый уровень виброизоляции монтаж «плавающего» пола даст только при выполнении некоторых условий. Самое главное из них – устранение любых жестких связей (акустических мостиков) между конструкциями пола и здания. Бетонная стяжка в местах соприкосновения со стенами, плитой перекрытия должна быть изолирована прокладкой из упругого материала с заделкой шва нетвердеющим герметиком. Между упругим слоем и стяжкой обязательно укладывают слой гидроизолирующего материала, предотвращающего просачивание бетона при заливке и образование таким образом акустических мостиков с плитой пола.

Если размеры стяжки превышают 8-10 м, целесообразно выполнить разделительные швы для предупреждения растрескивания поверхности. Швы также уплотняются прокладками из волокнистых или эластомерных материалов и заделываются специальным акустическим герметиком. Оптимальное расположение для оборудования - в центре образованного швами участка. Ни в коем случае не следует размещать отдельные машины, агрегаты или инженерные узлы непосредственно на швах, и не рекомендуется - вблизи от них.

Следует отметить, что плавающие полы сами по себе не в состоянии обеспечить надлежащую виброизоляцию на низких частотах, поэтому при такой необходимости они используются в комплексе с пружинными виброизоляторами. Такое сочетание гарантирует качественную виброизоляцию на всех основных диапазонах частот. В роли единственного виброизолирующего элемента плавающий пол может выступать тогда, когда речь идет о виброизоляции оборудования с рабочей частотой 45-50 Гц.