ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВИБРОЗАЩИТЫ РУЧНЫХ МАШИН УДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ

В настоящее время при проведении различных работ с использованием ручных машин ударного действия возникает вопрос о вибрационной защите, так как вибрация оказывает негативное воздействие на здоровье человека и при превышении определенного уровня вибрации могут возникнуть серьезные проблемы со здоровьем, в результате этого могут произойти необратимые изменения, приводящие к инвалидности.
При работе с ручным инструментом происходит непосредственное взаимодействие человека и машины, поэтому особо велика опасность развития вибротравматизма. 
В ручных машинах ударного действия причиной вибраций является откат или отдача инструмента, заключающаяся во взаимно противоположном перемещении подвижной массы и корпуса механизма относительно друг друга за счет реактивных сил, возникающих в корпусе. Конструкция машин такова, что поршень-ударник, совершающий возвратно-поступательные движения, связан с корпусом машины, который под действием реактивных сил движется в противоположном движению поршня-ударника направлении. При этом, чем больше скорость движения поршня-ударника перед ударом, тем больше скорость корпуса в обратном направлении [2].
Вибрации не только негативно сказываются на здоровье оператора, но и приводят к значительным потерям производительности за счет того, что усилия, которые должны быть приложены для преодоления реактивных сил, даже для пневматических машин обладающих не самой большой массой и мощностью, имеют весьма большие значения, которые зачастую критичны для оператора. Поэтому решение именно этой проблемы представляет наибольший практический интерес.

Ручные машины ударного действия получили широкое применение в самых различных областях деятельности человека: в строительстве, в машино- и судостроении, в горном деле и др.
Преимущества ручных машин ударного действия: увеличение производительности в 5-10 раз по сравнению с работой вручную; повышение качества выполнения технологических операций; улучшений условий труда человека, производящего работы; экономичность.
Недостатки ручных машин ударного действия: большой вес; малая мощность; высокий уровень шума на рабочей площадке; дополнительное приложение усилий на рукоятку механизма; влияние вибраций на рабочего.
Анализ эксплуатации машин ударного действия показал, что они относятся к наиболее виброопасной технике. До 90 % машин, используемых в различных отраслях производства, являются небезопасными, вследствие чрезмерного воздействия вибраций. Статистика несчастных случаев за период с 2009 по 2013 год показала, что 70 % виброзаболеваний возникает в результате использования ручных машин ударного действия [3].
В связи с этим разрабатывается множество различных инженерных решений по повышению виброзащиты человека.
В основном проблема уменьшения вибрации решается путем применения различных схем соединения элементов инструмента. 
Например, принцип действия виброгасящей рукоятки (рис.1), содержащей виброгасящие элементы, которые выполнены в виде эластичных трубок с дросселями на концах, является следующим: в рукоятке вибрация гасится за счет реактивного сопротивления упругого материала трубок и воздуха в их полостях, а также за счет активного сопротивления полости при перекачивании воздуха между полостями трубок и атмосферой [4]. Переменная толщина эластичных трубок с наружной стороны не дает возможности им пережаться, помимо этого, внутри эластичных трубок расположены перегородки с дросселями, которые делят трубку на несколько камер, что создает равномерное распределение активного сопротивления, за счёт чего обеспечивается равномерная защита от вибраций по всей длине рукоятки.
Однако, недостатком такой рукоятки является недостаточная эффективность гашения вибрации, так как эластичные трубки ориентированы относительно корпуса инструмента.

С целью решения данной проблемы была изобретена рукоятка (рис. 2), виброгасящие элементы которой выполнены в виде шнуров, нити которых выполнены из различных материалов (резина, капрон, лен, шерсть, хлопок) и не ориентированы между собой и относительно ручки инструмента [5].

Чаще всего стараются достичь независимости движения корпуса и рукоятки или скомпенсировать возникающие колебания с помощью использования различных демпфирующих и изолирующих устройств. 
Примером тому является алгоритм действия пневматического молотка (рис. 3) с пружиной, соединяющей рукоятку и подвижный корпус таков: по штуцеру в молоток поступает сжатый воздух, затем он через воздуховод подается в камеру сжатого воздуха. Оттуда через золотниковую коробку поступает в ствол, где поршень-ударник под действием сжатого воздуха двигаясь возвратно-поступательно, совершает удары по рабочему инструменту, прикрепленному к неподвижному корпусу, который соединен с рукояткой пружиной. Возникающая при этом вибрация подвижного корпуса передается на рукоятку через камеру сжатого воздуха, неподвижный корпус и пружину, которые поочередно присоединены к подвижному корпусу.

При возвратно-поступательном движении поршня-ударника подвижный корпус совершает движения в обратном направлении. Динамическое равновесие системы можно выразить уравнением:

где – масса корпуса;
– скорость массы корпуса;
– масса поршня-ударника;
– скорость поршня-ударника;
P – сила импульса;
t – время импульса.
Кинетическая энергия, передаваемая бойку-ударнику для нанесения удара по рабочему инструменту, создается за счет воздействия на него сжатого воздуха, поступающего из компрессора для пневматических машин [6], и передается в кинетическую энергию движения корпуса. 
Кинетическая энергия движения корпуса частично преобразуется в потенциальную энергию пружины, частично расходуется на преодоление сил внутреннего трения пружины, и лишь малая часть передается на рукоятку. Сжатие пружины происходит пропорционально ее жесткости. Но так как работа ручных машин может происходить при разных частотах, то и виброизолятор должен быть способен гасить вибрации в широком диапазоне частот. Для этого предлагается использовать виброизоляторы, обладающие непостоянной жесткостью. 
На основе принципиальной схемы устройства ручного пневматического отбойного молотка, рассмотренной выше, предложено следующее устройство отбойного молотка с резино-демпифирующим элементом (рис. 4). Принцип действия остаётся прежним, однако с целью уменьшения вибрации использован демпфирующий элемент. Для уменьшения высокочастотных вибраций используют мягкие покрытия, имеющие динамический модуль упругости порядка 10 Мпа, к ним относятся мягкие резины, пластмассы и различные мастики. В качестве данного демпфирующего элемента предложена резина, также возможно использование различных марок резины, что, в свою очередь, увеличит или уменьшит динамический модуль упругости. Для закрепления резино-демпфирующего элемента к рукоятке использован хомут.

С целью решения проблемы линейности упругих характеристик используются устройства виброизоляторов в виде конической винтовой пружины (рис. 5). Пружина препятствует передаче вибрации от корпуса на рукоятку [5]. Но такое устройство обладает недостаточными диссипативными свойствами, связанными с малым внутренним трением, возникающим при деформации.

Возможным путем увеличения диссипативных свойств системы может быть применение комбинированных устройств, части которых изготовлены из двух разных по упругим характеристикам элементов. Такие системы обладают как виброизоляционными, так и демпфирующими свойствами. Например, в патенте № 34112 предлагается пневматический инструмент ударного действия (рис. 6), между подвижным корпусом и рукояткой которого размещены пружина и упругий элемент, состоящий из двух частей: верхней, имеющей коническую форму и нижней, имеющей цилиндрическую форму, изготовленных из резины разных марок [8].

Такая система обладает высокими демпфирующими, но низкими виброизолирующими свойствами. Это связано с тем, что цилиндрическая пружина, предложенная в данном устройстве, обладает постоянной жесткостью, что не обеспечивает виброизоляции в широком диапазоне частот. Это особенно проявляется при возникновении ударных нагрузок, поэтому решение данной проблемы актуально именно для машин ударного действия. 
Для того, чтобы исключить данные недостатки, рационально использовать виброизолятор такой конструкции, упругие характеристики которой будут обладать более высокими свойствами нелинейности.
С этой целью возможно применение виброизолятора (рис. 7), который выполнен из пружины в форме однополостного гиперболоида вращения. Особенность конструкции заключается в том, что по всей длине пружины к ней прикреплен демпфирующий элемент, поперечное сечение которого имеет форму ромба с большой диагональю перпендикулярной оси пружины (рис. 7), а также в уменьшающемся от центра к торцам шаге витков пружины [9].

Механизм работы данного виброизолятора заключается в следующем: при приложении нагрузки вдоль оси пружины, пружина начинает сжиматься, нагрузка передается через внутренние стороны витков пружины. По мере того, как пружина сжимается, уменьшается фокусное расстояние и эксцентриситет гиперболоида, за счет чего постепенно увеличивается площадь контакта витков демпфирующего элемента и, соответственно, возрастают диссипативные силы, рассеивающие механическую энергию. То, что шаг витков пружины постепенно уменьшается, позволяет эффективно гасить колебания в большем диапазоне частот: в начальный момент колебания происходят на низких частотах, жёсткость виброизолятора уменьшается, за счет чего повышается эффективность гашения низкочастотных колебаний. С увеличением хода виброизолятора жёсткость пружины увеличивается, гасятся колебания, происходящие на высоких частотах. Также использование пружин с переменным шагом позволяет избежать резонансных явлений. 
Предположим, что F (x) – нелинейная характеристика упругого элемента, выражающая зависимость восстанавливающей силы от деформации х, отсчитываемой от положения статического равновесия (рис. 9). Диссипативная сила, как правило, пропорциональна скорости деформации [9].
Уравнение движения одномассовой системы запишется в следующей форме

где  – масса объекта;
 – гармоническое воздействие.
Введя обозначения:

приводим уравнение (2) к форме

       (4)

Решение уравнения (4) обычно оказывается близким к гармоническому процессу и может поэтому в первом приближении определяться в следующей форме

где  – смещение середины размаха колебаний от положения статического равновесия;
– амплитуда колебаний;
– сдвиг по фазе между колебаниями и вынуждающей силой.
Связь между  и  получается из условия равенства нулю постоянной составляющей силы, которое может быть приведено к форме:

Из уравнения (6) можно определить зависимость . Амплитуда колебаний выразится:

Решив уравнение (7) при различных значениях частоты , строится резонансная кривая системы . Одна из возможных форм резонансной кривой показана на рис. 11.

Показателем эффективности виброизоляции является коэффициент передачи, который показывает какая доля динамической возмущающей силы передаётся через виброизолятор [10].

где  – амплитуда передаваемой динамической силы; 
 – амплитуда возмущающей силы.
Если пренебречь затуханием в виброизоляторах, коэффициент передачи, можно рассчитать по формуле

где  – частота возмущающей силы;
 – собственная частота колебаний системы.
При  коэффициент передачи стремится к бесконечности, а вибрация, возникающая на рукоятке, резко возрастает. Такое явление носит название резонанса. Для обеспечения надежной виброзащиты необходимо избегать резонансных частот. Виброизоляция начинает уменьшать передаваемую динамическую силу при отношении , то есть при . 
Для построения упругой характеристики (рис. 12) конической винтовой пружин используют следующие зависимости осевой упругой силы Р от x, которые установлены ГОСТ 16271-70 [11].
Продольная жесткость находится как производная осевой упругой силы

где  - смещение подвижного торца упругого элемента от положения равновесия, м. 

Цилиндрические пружины (рис. 11) имеют линейную характеристику. Для цилиндрической винтовой пружины растяжения-сжатия:

Жесткость цилиндрической пружины постоянна и равна:

где D – средний диаметр пружины, м;
d – диаметр пружинной проволоки, м;
i – число рабочих витков; 
G_т – модуль упругости при сдвиге, Н/м².

Для конической винтовой пружины (рис. 12) растяжения-сжатия с постоянным осевым шагом на линейном участке сжатия или растяжения:

        (13)

где  QUOTE   – наименьший радиус рабочих витков пружины, м;
 – наибольший радиус рабочих витков пружины, м.
На нелинейном участке при сжатии:

         (15)

где  – осевая длина пружины в несжатом состоянии, м;

 – смещение при сжатии, соответствующее началу просадки витков (конец линейного участка), м.

Из графика видно, что цилиндрической пружине характерна линейность упругой характеристики. Такая пружина обладает постоянной жесткостью и не способна гасить вибрации в широком диапазоне частот. Коническая же пружина, так же как и пружина в форме однополосного гиперболоида вращения, обладает нелинейной характеристикой и ее жесткость, начиная с определенного момента, которому соответствует , начинает уменьшаться с увеличением частоты вибрации. Но силы внутреннего трения, возникающие в такой системе, значительно ниже, чем силы, возникающие в виброизоляторе, имеющем форму однополосного гиперболоида вращения и закрепленный по всей длине упругий демпфирующий элемент, поперечное сечение которого имеет форму ромба. Поэтому применение второго варианта конструкции более эффективно.

Нами рассмотрено три возможных вариант устройства вибрационной защиты с помощью пружин виброизоляторов: конической, цилиндрической и в виде однополосного гиперболоида вращения. Построены графики их упругих характеристик. На основе сравнения сделаны выводы о том, что наиболее эффективной конструкцией защиты оператора от механических вибраций является пружина в форме однополостного гиперболоида вращения с прикрепленным к ней по всей длине демпфирующим элементом, поперечное сечение которого имеет форму ромба с большой диагональю перпендикулярной оси пружины, а также с уменьшающимся от центра к торцам шагом витков пружины. Так как такое устройство обеспечивает эффективное гашение колебаний ручного инструмента в широком диапазоне частот внешнего возмущающего воздействия, за счет того, что обладает наиболее нелинейными упругими свойствами. На основе рассмотренных вариантов был предложен собственный вариант виброзащиты ручного пневматического отбойного молотка с применением резино-демпфирующего элемента.

Библиографический список

1. Cанитарные нормы: СН 2.2.4/2.1.8.566-96. Производственная вибрация в помещениях жилых и общественных зданий: – М.: Инф.-изд. центр Минздрава России, 1997. – 30 с.
2. Доброборский Б.С. Анализ путей повышения эффективности ручных и переносных пневматических машин ударного действия [Электронный документ] // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 3.  URL: https://www.science-education.ru/ru/article/view?id=13586 (дата обращения: 16.01.2017).
3. Тимофеева И.Г., Плишкина О.В.  Профессиональный риск при использовании машин ударного действия // Символ науки. – 2015. – № 9-1. – С. 120-122
4. Виброгасящая рукоятка: пат. 997152/ И.К.Косько, А.В.Польшин, С.С. Алефиренко; № 3289786/29-28; заявл. 18.05.81; опубл. 10.12.82, Бюл.№44, – 3 с.
5. Виброгасящая рукоятка для ручного механизированного инструмента: пат. 848345/ П.С.Леднов; № 2656449/25-28; заявл. 29.08.78; опубл. 23.07.81, Бюл.№27, – 2 с.
6. Доброборский Б.С., Очарова А.А. Исследование машин ударного действия с подвижным ударным механизмом [Электронный документ] // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 5. URL: https://www.science-education.ru/ru/article/view?id=14906 (дата обращения: 16.01.2017).
7. Молоток пневматический: пат. 2172667 Российская Федерация / В.Н. Вякин [и др.]; № 99109687/28; заявл. 27.04.99; опубл. 27.08.01. – 4 с.
8. Пневматический инструмент ударного действия: пат. 34112 Российская Федерация / А.П. Ожогин, И.Г. Тимофеева, Т.В. Еремина; №  2003118252/20; заявл. 23.06.03; опубл. 27.11.03, Бюл. № 33. – 5 с.
9. Пружинный виброизолятор: пат. 1763748 СССР / С.И. Вахрушев, Ю.Н. Нуждов, В.H. Самсонов, P.В. Шаповалов; № 4909610/28; заявл. 17.12.90; опубл. 23.09.92, Бюл. № 35 (72). – 5 с.
10. Гуськов М.А., Коробов А.В., Сайгина Ю.Н. Исследование вибрации и оценка эффективности методов защиты от вибраций: методические указания. – М.: Изд-во РГУ нефти и газа имени И. М. Губкина, 2012. – 30 c.
11. Ерёмина Т.В., Тимофеева И.Г., Шурыгин Д.С. Совершенствование вибрационной безопасности средств малой механизации // Вестник Красноярского государственного аграрного университета. – 2013. – № 3. – С. 152-157.
12. В.Н.Чаломей Вибрации в технике: справочник в 6 томах – Т.6. Защита от вибрации и ударов/под ред. К. В. Фролова. – М.:Машиностроение, 1981. – 456 с.

---

Количество просмотров публикации: Please wait

Все статьи автора «Авдеева Ксения Вячеславовна»