Где есть машины, механизмы (а где их нет?), там есть и вибрация. Словом, практически везде мы подвергаемся ее воздействию. Вред от этого немалый, особенно если тряска достигает большой силы и амплитуды. Конечно, существуют способы защиты от нее, но если брать проблему в целом, то за последние полвека, как считают специалисты, мы несильно преуспели в ее решении. И вот теперь появилась надежда, что дело сдвинется с мертвой точки. Надежду вселяют результаты исследования, которые ведет доцент Уфимского государственного нефтяного технического университета кандидат технических наук Анвар ВАЛЕЕВ. Успешному исходу работы способствует ее поддержка грантом Президента РФ для молодых ученых.
Наш корреспондент вник в вибрационные тонкости.
— Оглянитесь, и увидите, что вы и дома окружены работающей техникой, от которой в той или иной мере исходит вибрация, — советует Анвар Рашитович. — Это и холодильник, и стиральная машина, и даже системный блок компьютера. Но в первую очередь проблема касается промышленных зон, где установлено крупное оборудование, такое как насосы, компрессоры, разные станки. Все они создают вибрацию, негативно влияющую на производственные постройки и само оборудование, снижая их прочность, долговечность, вызывая ускоренный износ и необходимость частого ремонта. Разумеется, страдают и люди, у некоторых из них развиваются тяжелые заболевания. Кроме того, шум и тряска попросту мешают полноценно работать. К сожалению, не всегда помогает и соблюдение санитарных норм, которые призваны снизить воздействие помех.
Приведу примеры. Высокая вибрация приводит к нарушению работы нефтяных насосов, снижает коэффициент их полезного действия. Учитывая, что это очень большие, мощностью до 10 мегаватт агрегаты, экономический ущерб весьма ощутим. При увеличении вибрации до предельных норм насосы приходится и вовсе отключать, на нефтеперекачивающих станциях для этого предусмотрена даже специальная автоматика.
Почти у всего крупного промышленного оборудования есть вращающиеся части, а значит, и подшипники. Периодически они изнашиваются, их надо менять. Так вот, высокая вибрация уменьшает срок их службы примерно в два раза.
— Какой же у вас рецепт для борьбы с вибрацией?
— Я предлагаю использовать так называемые виброизоляторы с квазинулевой жесткостью. Почему именно этот способ? Чтобы ответить на этот вопрос, надо знать, какие существуют другие способы отражения и поглощения волн колебательной энергии. Самый популярный — применение традиционных виброизоляторов, это всем известные пружины, резиновые амортизаторы, различные прокладки. Все они — упругие элементы с линейной характеристикой. Хорошим считается “мягкий” виброизолятор — с малой динамической жесткостью. Под солидной нагрузкой такой сильно сжимается, значит, по определению должен быть большим. Традиционные устройства рассчитаны или на большую и жесткую нагрузку, или на малую и мягкую. Они не могут быть предназначены одновременно и для большой, и для мягкой нагрузки.
Другой способ — увеличение массы оборудования или создание массивного фундамента. Очевидно, что большие объекты при том же самом возбудителе вибрации будут вибрировать меньше. Это простой путь, при реализации которого, однако, резко дорожает оборудование, теряется его компактность. Кроме того, в некоторых случаях данный способ невозможно реализовать.
Есть иной вариант — использование активной виброизоляции. Но этот способ сложный, дорогой и притом ненадежный, так что системы активной защиты не слишком востребованы в практике. Даже при небольших нарушениях все преимущества могут свестись на нет.
И последний вариант, его выбрал я. Суть идеи в том, что, если характеристика виброизолятора будет нелинейной, он сможет выдерживать большой груз, оставаясь в то же время мягким. Это достигается с помощью эффекта квазинулевой жесткости. Сложность при разработке виброизоляторов с квазинулевой жесткостью — добиться, чтобы заданная нелинейная характеристика сопровождалась высокой надежностью и долговечностью. Скажем, для ее получения возможны сочетания нескольких упругих элементов типа пружин. Но в этом случае возникнет трение в конструкции, и ее сложно будет настраивать.
В общем, пока многое из предложенного можно назвать предтечей чего-то более совершенного. Какие ожидаются преимущества? Эффективность виброизоляции должна быть в несколько раз выше, чем у традиционных видов устройств подобного типа. Их эффективность оценивается в основном, по такому параметру, как частота собственных колебаний. У традиционных она составляет около 6-10 герц. У разработанных мной — меньше одного. Исследования показали, что они позволяют снижать уровень вибрации оборудования и фундамента в 5 раз эффективнее. К тому же повышают долговечность подшипников роторного оборудования примерно на 60%. А еще мы получаем большую компактность конструкции и меньшие затраты на материалы, что позволяет снизить себестоимость производства устройств и сделать их конкурентоспособными по цене. У нас уже есть перспективные рабочие прототипы, с ними продолжаются экспериментальные исследования. К слову, на разработку получен российский патент на изобретение.
— В каких случаях можно использовать такую защиту?
— Сфера применения разработки очень широка. Это защита от вибраций производственных зданий, различных агрегатов и обслуживающих их работников, которые страдают, как я уже упоминал, не только от самой вибрации, но и от сопровождающего ее шума. Сюда же надо добавить прецизионное оборудование (микросистемная техника, наноустройства, электронные микроскопы, а также медицинские, аэрокосмические и специальные лабораторные приборы), промышленные установки (насосы, компрессоры, станки, ветровые электрогенераторы, оборудование ударного типа), бытовую технику с высокой вибрацией (стиральные машины, холодильники).
В заключение хочу привести поучительную историю из области вибрации, связанную с Петром Капицей. Выдающемуся ученому пришлось столкнуться с задачей сооружения фундамента, когда возникла необходимость устанавливать в лаборатории большие и сильно вибрирующие машины. Любое сотрясение здания чрезвычайно вредно для приборов, используемых в научной работе. Однако Капица не видел ни одного правильно рассчитанного фундамента. Обычно его основу составляли огромные массы бетона, которые сами по себе проблему не решали. Приходилось браться за расчеты специалистам, работающим в лаборатории. В этой связи Петр Леонидович вспоминал случай с установкой здесь компрессора, поставленного заводом “Борец”.
Если такой компрессор поместить на обычный фундамент, то при вибрации, которую он создаст, в резонанс может попасть какая-то часть здания (стена, крыша), и она обрушится. Такие случаи бывали на практике. Этого можно избежать, если под фундамент ввести резиновые прокладки. Фундамент с такими прокладками для нового компрессора рассчитала заместитель Капицы инженер Ольга Стецкая. Это был единственный на ту пору упругий фундамент в Союзе. Теоретические выводы, сделанные Капицей, показывали, что поставленная на подобный фундамент машина трясется вместе с ним, но зданию эта тряска почти не передается. При этом внутренние напряжения в машине несколько меньше, чем в тех машинах, которые установлены на обычном фундаменте без резиновых прокладок.
Когда компрессор был смонтирован и машина запущена, монтажники завода увидели, что компрессор, весящий вместе с фундаментом около 20 тонн, начал прыгать. Со страху им показалось, что амплитуда его колебаний достигает нескольких сантиметров. Не выдержав этого зрелища, они выбежали с испуганными лицами из компрессорной, решив, по-видимому, что машина вот-вот рассыплется на части. Тому, что колебания фундамента не превышают 2-3 мм, как это следовало из расчета, никто не хотел верить. “Прыгающий” компрессор продолжал нервировать работников, в особенности из отдела по охране труда. Приехала специальная проверочная комиссия, но она не смогла опровергнуть теоретических выводов и доказать, что такая установка машины опасна. А отсутствие вибрации самого здания было очевидно: чашечки со ртутью, поставленные на пол недалеко от компрессора, показывали отсутствие ряби на поверхности, а это довольно чувствительный метод обнаружения тряски. К слову, та машина успешно работала многие годы.
Петр Леонидович показывал свой вариант установки другим инженерам, но они не рисковали его применять. Рассуждая, почему так происходит, сам ученый давал такое объяснение. Во-первых, у инженера мало стимулов разрабатывать что-то новое. Ставя машину на обычный фундамент, как делают все, он ничего не теряет. Размещая ее на упругом фундаменте, он рискует просчитаться. Но даже если он и не просчитался и фундамент оказался надежным, никто не обратит на это внимания и никаких преимуществ он не получит. И во-вторых, подготовка инженеров ведется так, что если не убивает, то и не развивает у них стремления к самостоятельному оригинальному мышлению. Грустно, но приходится признать, что с тех пор, как это было сказано Капицей, мало что изменилось.
На нижнем фото: Разработанные прототипы виброизолятора с квазинулевой жесткостью
Фирюза ЯНЧИЛИНА
Иллюстрации предоставлены А.Валеевым
Нет комментариев