Вопрос 4. Перечислите основные средства снижения вибраций в источнике возникновения и на пути распространения. 
Приведите примеры инженерных решений по устранению вибраций

Источниками вибрации оборудования ИС являются вращающиеся механизмы, пульсации потока в элементах воздушных каналов (в поворотах, в запорной, регулирующей и распределительной арматуре) и жидкости в трубах. При наличии жестких связей эти источники возбуждают вибрацию соединенных с ними конструкций. Так, под воздействием вибрации работающей холодильной машины, установленной на кровле здания (на опорах на перекрытии), или вентилятора на полу в венткамере, возбуждаются колебания перекрытия, которые затем передаются на другие строительные конструкции. Кроме того, вибрация машин и вентиляторов при жестком соединении неизбежно распространяется на соединительные трубы и воздуховоды, а по ним также на строительные конструкции.

Существование в строительной практике проблем с негативным вибрационным и шумовым воздействием на человека элементов ИС обусловлено несколькими факторами. К их числу, прежде всего, следует отнести отсутствие должного внимания к закону «О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения» и к действующему в стране нормативному документу — СНиП 23−03−2003 «Защита от шума», предписывающему сопровождать проекты ИС акустическими расчетами, служащими основанием для разработки при необходимости защитных мер, включающих виброизоляцию и шумоглушение оборудования. Кроме того, повышаются требования к индивидуальной производительности, к качеству труда, условиям учебы, проживания, отдыха, которые не могут быть выполнены без создания нормативных или комфортных акустических условий в местах обитания человека. Стоимость площадей в зданиях повышается, оборудование систем располагается на все меньших площадях, а это не способствует успешной защите от вибрации и шума. На смену тяжелым строительным конструкциям пришли экономичные, легкие, а также конструкции из монолитного железобетона, по которым вибрация не только передается, но и может усиливаться.

Вообще говоря, наличие вибрации оборудования ИС — еще не факт возникновения связанной с ней проблемы, например, угрозы разрушений строительных конструкций или негативного воздействия вибрации на человека. Нужно понимать, что воздействие вибрации как негативное воспринимается только при ее повышенных уровнях (выше нормативных значений), а такие ситуации возникают далеко не всегда. Во-первых, рядом с местами установки элементов ИС, как правило, отсутствуют зоны обитания человека (постоянные рабочие места, жилые помещения, зоны отдыха). Во-вторых, допустимые уровни виброскорости и виброускорения, например, на рабочих местах и даже в жилых помещениях имеют весьма высокие значения и измеренные в них при натурном обследовании уровни этих нормируемых параметров часто соответствуют нормам. В-третьих, снижению вибрации вынуждены уделять внимание в условиях конкуренции производители оборудования ИС.

Наряду с этим, любая по величине вибрация, передаваемая на строительные конструкции, если она достигает ограждений помещений с весьма ограниченными уровнями шума, таких как палаты больниц, жилье, создает в них под воздействием вибрационных колебаний ограждений (стен, потолка, пола) так называемый структурный шум. Именно он в большинстве случаев нарушает нормативные акустические условия и создает негативные условия для реципиента.

Расчет виброизоляции. Необходимое снижение структурного шума достигается виброизоляцией — снижением колебаний, передаваемых от источников на строительные конструкции здания посредством разнообразных упругих систем, размещаемых между строительными конструкциями и оборудованием (машинами). Конструкции этих систем зависят от сложности решаемых задач. Поскольку машины и оборудование ИС — источники широкополосной вибрации, виброизоляция рассчитывается и проектируется для широкого диапазона частот. Применяются в основном одно-, двухзвенные (рис.1), а в некоторых случаях и трехзвенные системы (схемы) виброизоляции.

Рисунок 1 — Примеры конструктивных схем виброизоляции оборудования:

• а) однозвенная виброизоляция (крепление к стальной раме на амортизаторах);
• б) двухзвенная виброизоляция (крепление к ж/б плите на амортизаторах и полу на упругом основании);
• 1 — машина; 2 — стальная рама; 3 — амортизаторы; 4 — несущая плита; 5 — железобетонная плита; 6 — плита пола на упругом основании; 7 — упругое основание

Полный расчет виброизоляции — задача весьма непростая, так как обусловлена сложностью пространственного движения источников вибрации. На практике она упрощается путем использования простой одномерной схемы, в которой учитываются колебания машин (оборудования) и фундаментов только в вертикальном направлении. Расчетные методы, разработанные в такой одномерной постановке задачи, позволяют достаточно точно оценить и запроектировать эффективную виброизоляцию в звуковом диапазоне частот. Они включают выбор и расчет амортизаторов (виброизоляторов) и других элементов, входящих в систему, а также оценку эффективности виброизоляции (ДV).

Эффективность виброизоляции зависит от многих факторов, параметров и условий. В простейшем случае, когда вибрирующий объект (машина) имеет массу mм, а изолируемый объект (перекрытие) характеризуется импедансом (Z), с помощью амортизаторов (виброизоляторов) достигается снижение уровня колебаний, величину которого достаточно точно можно определить по формуле:

где v1 — амплитуда колебательной скорости перекрытия (фундамента) при его жесткой связи с машиной;

v2 — амплитуда колебательной скорости перекрытия (фундамента) после установки между ним и машиной амортизаторов;

Z — импеданс перекрытия (фундамента);

m0, h0 — масса и высота амортизатора;

k = k0 (1?iз), — комплексная жесткость амортизатора, где k0 и з — динамическая жесткость и коэффициент потерь в нем;

f, гh0, — частота и постоянная распространения колебаний:

Если учесть, что для данного случая импеданс Z равен нулю, а на частотах можно пренебречь волновыми свойствами амортизаторов, то выражение можно представить в виде:

где — частота собственных колебаний машины на амортизаторах.

На частотах виброизоляция всегда отрицательна, то есть происходит усиление колебаний, при резонансе (f0 = f) виброизоляция принимает отрицательное значение:

Как видно, величина виброизоляции в выражении зависит только от коэффициента потерь в амортизаторе.

В последние годы защиту от вибрации вентиляторов в составе вентиляционных установок, кондиционеров, различных воздушных охладителей, компрессоров в составе холодильных машин и машин в целом с помощью пружинных, резиновых и комбинированных амортизаторов или виброизоляторов осуществляют изготовители этого оборудования. Предварительно они, должно быть, выполняют подбор и расчет виброизоляторов: определяют статический и динамический модули упругости виброизолирующего материала (например, резины), расчетное статическое напряжение в нем, собственные частоты, рабочую высоту, жесткость, количество виброизоляторов и допустимую нагрузку на каждый из них. Несмотря на принимаемые изготовителями меры, даже виброизолированное оборудование имеет остаточную вибрацию.

Такое положение может быть связано с тем, что точный расчет эффективности виброизоляции на основе точечных виброизоляторов непростой и возможны ошибки. Это связано с тем, что виброизоляторы имеют собственные частоты (в пределах 9−15 Гц), вблизи которых их эффективность низкая или отрицательная, в эффективном диапазоне частот их виброизолирующие качества снижают волновые процессы. К тому же ситуация с течением времени ухудшается, так как даже в оптимальных условиях эксплуатации ухудшаются динамические характеристики виброизоляторов.

«Плавающий пол». На любом крупном объекте вентиляционное оборудование устанавливается на технических этажах (в одном или нескольких технических помещениях). Его, как правило, много, и оно различается по габаритам, массе, собственным частотам и другим характеристикам. В таких ситуациях взаимодействие каждого агрегата с перекрытием значительно усложняется, поэтому для эффективной виброизоляции целесообразно использовать, пожалуй, более простой способ — установку пола на упругом основании, так называемого «плавающего пола». За счет него усредняется акустическое взаимодействие множества разнообразных источников вибрации с перекрытием. Схема такого пола, включающая необходимые с точки зрения акустики элементы, представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 — Схема пола на упругом основании: 1 — плита перекрытия; 2 -стяжка; 3 — упругий слой; 4 — гидроизоляция; 5 — железобетонная плита (армированная стяжка); 6 — чистый пол; 7 — разделительный шов с уплотнителем, покрытым сверху нетвердеющей мастикой; 8 — конструкция здания (стена, опора и т. п.).

Оптимальные материалы Оптимальные с точки зрения обеспечения необходимой или требуемой виброизоляции параметры и свойства при использовании в полах на упругом основании имеют волокнистые и эластомерные материалы. Ниже представлены некоторые из таких материалов и их основные характеристики, учитываемые при оценке эффективности виброизоляции оборудования ИС.

Плотность используемых волокнистых материалов, изготавливаемых на основе стекловолокна и базальтовых пород, может быть 90−150 кг/м3. Основная вибрационная характеристика этих материалов — динамический модуль упругости (Ед) — по данным института при нагрузке 2 КПа находится в пределах от 0,27 до 0,5 МПа, а при нагрузке 5 КПа Ед = 0,3−0,65 МПа. Они характеризуются высокой относительной деформацией или сжатием (е), зависящим от плотности материала и от нагрузки на него. При первой указанной выше нагрузке е = 0,4−0,5, а при второй е = 0,47−0,7. Необходимая (требуемая) толщина виброизолирующего слоя из этих материалов может достигать 150−200 мм (в необжатом состоянии), что может служить некоторым ограничением при их применении.

Эластомерные материалы — это материалы на основе пенополиэтилена, пенополипропилена, полиуретана. К первым двум относятся, например, хорошо известные отечественные материалы этафом, изолон, вилатерм, термофлекс и некоторые другие, а к третьим импортный эластомер типа Silomer. Динамические модули упругости отечественных эластомеров находятся в пределах от 0,2 до 0,66 МПа при нагрузке 2 КПа и 0,34−0,85 МПа, когда нагрузка составляет 5 КПа. Относительное сжатие этих материалов существенно ниже, чем у волокнистых, и при указанных нагрузках е= 0,05−0,15 и е = 0,1−0,2 соответственно.

К недостаткам отечественных эластомеров можно отнести, пожалуй, высокую остаточную деформацию (после снятия нагрузки) и отсутствие данных по долговечности (сохранению динамических характеристик с течением времени).

В отличие от названных пенополиэтиленовых и пенополипропиленовых материалов, полиуретановый эластомер типа Silomer — это группа из девяти эластомеров с разными цветами и динамическими модулями упругости, которые находятся в пределах от 0,15 до 10,8 МПа. Каждый из них сопровождается полным набором вибрационных характеристик. Кроме упомянутых в него входят твердость, рабочий диапазон нагрузок, предельная статическая нагрузка, коэффициент трения при контакте со сталью и бетоном и др. Общий недостаток этих материалов по сравнению с аналогичными по акустическим свойствам отечественными материалами — высокая стоимость.

Ожидаемый эффект от осуществления пола на упругом основании («плавающего пола») достигается только при условии выполнения следующих рекомендаций. Плита пола (5), указанная на рис. 2, должна быть тщательно изолирована от стен, несущей плиты перекрытия (пола подвала) и других конструкций здания, а также от различных коробов, включая короба для электропроводки. Образование даже небольших жестких мостиков между плитой и строительными конструкциями может существенно ухудшить виброизолирующие качества. Уплотнитель (7) может быть изготовлен как из волокнистого, так и из эластомерного (эластичного) материала. Разделительный шов перед укладкой уплотнителя тщательно зачищается. Поверхность стяжки на перекрытии (2) должна быть ровной и гладкой. Гидроизоляция (4) над виброизолирующим материалом (3) предназначена для исключения образования жестких мостиков между ним и плитой пола (5) — армированной стяжкой (при ее изготовлении).

В зданиях с жесткими акустическими требованиями (в жилых, офисных с апартаментами, а также в учебных и лечебных зданиях) устройство полов на упругом основании во всех технических помещениях — обязательная мера. Без нее практически невозможно добиться требуемого снижения структурного шума.

Следующий шаг — это установка всего имеющегося (проектируемого) в техническом помещении вентиляционного оборудования, включая соединительные трубы, воздуховоды, шумоглушители, на подготовленный виброизолирующий пол.

Виброизолирующие подвесы Подвешивать оборудование к потолку в таких зданиях допустимо только в крайних случаях и при условии использования специальных заводских виброизолирующих подвесов с известными акустическими характеристиками или изготовленного специалистами-монтажниками оборудования на основе надежных инструктивных данных.

Эффективность этих средств снижения передачи вибрации на перекрытия зависит не только от ее частоты и физико-механических свойств используемых виброизолирующих материалов, но и от нагрузки на них.

Оптимизация затрат Оптимальные затраты, направленные на устранение негативного воздействия оборудования ИС (вибрации и сопровождающего ее структурного шума), и ожидаемый результат на любом по назначению объекте достигаются при условии:

• — если меры разрабатываются на стадии проектирования объекта (на действующем объекте затраты на их выполнение увеличиваются во много раз);
• — если применяется комплексный (системный) подход, обеспечивающий устранение всех путей передачи вибрации на строительные конструкции.

В самом деле, устранение повышенной вибрации и структурного шума на действующем объекте связано с трудностями разного характера (с контрольными вскрытиями, выявлением причин и путей передачи вибрации на строительные конструкции, со строительными работами по переделке технических решений и др.). Понятно, что преодоление этих трудностей неизбежно и связано со значительными материальными затратами. Они не требуются, когда на стадии проектирования объекта акустическая ситуация получила правильную оценку специалиста, позволяющую определить необходимый и достаточный набор мероприятий. Если хотя бы один агрегат, соединительная труба, воздуховод и т. п. остается не виброизолированным, осуществление других защитных мер не приведет к ожидаемому эффекту, а связанные с ними затраты окажутся по сути напрасными.

Существуют и противоположные факты, когда проектировщикам, имеющим некоторые знания и определенный опыт проектирования вибро-, шумозащиты, удается решить проблемы негативного воздействия ИС. Их секрет прост: чтобы избежать ошибки, они закладывают в проект весь известный из литературы набор средств по виброизоляции и снижению структурного шума, разумеется, без учета характеристик источников вибрации и ситуационных данных. Движение по такому пути стало возможным, вероятно, из-за отсутствия контроля со стороны инвесторов затрат на проекты или, наоборот, при наличии у них полного доверия к проектировщикам. В противном случае, они пользовались бы услугами специалистов-акустиков, принимающих решения на основе достоверных знаний и расчетов, задача которых не только прогнозирование, оценка акустической ситуации на объекте, получение исходных данных, но и определение оптимальных с точки зрения акустики и экономики систем (комплексов) защитных мер. Кстати, на решение всех перечисленных задач направлены квалифицированные акустические расчеты, предусмотренные уже упомянутым нормативным документом.

В многолетней практической работе лаборатории для виброизоляции машин и оборудования ИС на многочисленных, разных по назначению и значимости объектах мегаполиса использовались и используются для внедрения разнообразные средства, в том числе:

• — амортизаторы пружинные, рабочий элемент которых — одна или несколько (в одной сборке) стальных винтовых пружин, цилиндрических или конических, параллельно с которыми иногда устанавливаются демпферы вязкого трения;
• — амортизаторы резиновые и резинометаллические, рабочий элемент которых — резиновое тело;
• — прокладки из резины, резиновые коврики, амортизаторы в виде профилированного слоя упругого материала;
• — гибкие вставки, патрубки, рукава на трубах и воздуховодах;
• — гибкие (демпферные) участки на кабелях электропитания;
• — локальные фундаменты под агрегаты в технических подпольях (в подземной части зданий), отделенные от конструкций зданий;
• — полы на упругом основании («плавающие полы»), с упругим слоем из волокнистых и эластомерных материалов.

Набор и количество средств определяется прогнозируемой или реальной ситуацией. При решении акустических задач на наиболее важных объектах вибрационные характеристики защитных средств, элементов и материалов, рекомендуемых для виброизоляции оборудования ИС, при необходимости предварительно проверяются на испытательных стендах института. Динамические модули упругости, эффективности виброизоляции определяются по инициативе заводов — изготовителей материалов и конструкций. К сожалению, результаты испытаний не всегда правильно интерпретируются заказчиками, а иногда корректируются или искажаются в рекламных целях.