Wprowadzenie do wibroizolacji: czym są drgania mechaniczne?

Drgania mechaniczne, definiowane jako ruchy oscylacyjne układów mechanicznych wokół położenia równowagi, stanowią powszechne zjawisko w środowisku przemysłowym, konstrukcjach, pojazdach czy innych elementach mechanicznych. Są one nieodłącznym elementem pracy większości maszyn, wynikającym z ruchu posuwisto-zwrotnego mas, niewyważenia elementów wirujących czy procesów udarowych. Drgania układu, jako jedno z zagadnień dynamiki maszyn, mają zasadniczy wpływ na eksploatację maszyn i urządzeń, zużycie układu oraz wytrzymałość zmęczeniową elementów. Zrozumienie natury drgań i metod ich ograniczania – czyli wibroizolacji – jest kluczowe dla zapewnienia bezpieczeństwa, efektywności i niezawodności procesów przemysłowych.

Wibroizolacja to celowe działanie mające na celu zapobieganie rozprzestrzenianiu się drgań, które pojawiają się pomiędzy źródłem drgań (np. maszyną) a odbiornikiem (np. fundamentem, konstrukcją budynku, innymi maszynami) [1]. Realizuje się to poprzez wprowadzenie do układu elementów sprężysto-tłumiących, zwanych wibroizolatorami.

Podstawy wibroizolacji: Kluczowe pojęcia

Jak wspomniano wcześniej, wibroizolacja polega na wprowadzeniu elementu lub układu elementów sprężysto-tłumiących (wibroizolatorów) pomiędzy źródło drgań (maszynę), a odbiornik (np. fundament), w celu modyfikacji właściwości dynamicznych całego systemu, aby rozproszyć energię drgań. Skuteczna izolacja drgań zależy od zrozumienia i właściwego wykorzystania kilku podstawowych zjawisk.

Częstotliwość własna (lub naturalna) (f₀)

Częstotliwość drgań własnych układu po wytrąceniu z położenia równowagi, przy braku zakłóceń sił zewnętrznych (liczba drgań na jednostkę czasu). *

Częstotliwość wymuszająca (f_e)

Jest to częstotliwość drgań generowanych pod wpływem siły zewnętrznej, przez źródło, np. wynikająca z prędkości obrotowej silnika, liczby skoków prasy, itp.

Rezonans

Zjawisko występujące, gdy częstotliwość siły wymuszającej jest zbliżona lub pokrywa się z częstotliwością własną układu f_e≈f₀.
Jest to zjawisko wysoce niepożądane, objawiające się znacznym wzrostem amplitudy drgań, mogące prowadzić do zniszczenia maszyny lub konstrukcji.

Tłumienie

rozpraszanie energii w układzie drgającym, mające na celu zmniejszanie się amplitudy drgań wraz z upływem czasu.

Eta, η

Stosunek częstotliwości wymuszającej do częstotliwości własnej
η = f_e/f₀

Izolacja aktywna vs pasywna:
– Izolacja czynna (źródła) jest stosowana, gdy chcemy ograniczyć przenoszenie drgań z maszyny na otoczenie.
– Izolacja bierna (odbiornika) jest stosowana, gdy chcemy chronić czułe urządzenie przed drganiami pochodzącymi z otoczenia.
Zasady doboru wibroizolatorów są w obu przypadkach analogiczne.

* W przypadku wibroizolatorów gumowych, których sztywność nie jest stała, częstotliwość własna zależy od obciążenia statycznego – im większe obciążenie (w dopuszczalnym zakresie), tym większe ugięcie statyczne i niższa częstotliwość własna.

Złota zasada wibroizolacji: praca w zakresie nadkrytycznym

Analiza dynamiki układu drgającego pokazuje, że efekt izolacji drgań występuje wówczas, gdy η jest większa od √2 (czyli η≈1,41 ). Ten zakres pracy η>√2 nazywamy wibroizolacją w zakresie nadkrytycznym.

• Strefa wzmacniania, zakres podkrytyczny η<√2 odnosi się do częstotliwości wymuszających niższych od częstotliwości drgań własnych układu. W tym zakresie wibroizolatory zazwyczaj nie tłumią drgań, może natomiast nastąpić wzmocnienie drgań, szczególnie w okolicy linii rezonansowej.
• Rezonans η≈1 to maksymalne wzmocnienie drgań, jest to zjawisko niepożądane.
• Strefa wibroizolacji, zakres nadkrytyczny η>√2 odnosi się do sytuacji, gdy częstotliwość wymuszająca drgania jest wyższa (zazwyczaj znacząco) od częstotliwości drgań własnych układu, następuje wówczas redukcja drgań. Im wyższa wartość η, tym skuteczniejsza izolacja.

Kluczowym celem doboru wibroizolatora jest więc takie jego dopasowanie (pod względem sztywności i nośności), aby częstotliwość własna f₀ całego układu była znacznie niższa od najniższej częstotliwości wymuszającej f_e generowanej przez maszynę [4], zapewniając pracę w zakresie nadkrytycznym. Osiąga się to poprzez dobór wibroizolatorów o odpowiednio niskiej sztywności (tzw. wibroizolatorów „miękkich”).

Przegląd wybranych technologii wibroizolacyjnych EFFBE

W naszej ofercie mamy wiele rodzajów wibroizolatorów, wykorzystujących różne materiały i zasady działania, by zapewnić optymalną izolację drgań.

• Wibroizolatory metalowo-gumowe (np. EFFBE LM, CP): Wykorzystują sprężystość i tłumienie gumy, obudowane są metalowym korpusem. Popularne ze względu na wszechstronność, dobre tłumienie i stosunkowo prostą konstrukcję.
• Wibroizolatory pneumatyczne (np. EFFBE SLM): Wykorzystują ściśliwość powietrza. Umożliwiają uzyskanie bardzo niskich f₀ (3-5 Hz), co daje doskonałą izolację, szczególnie dla niskich częstotliwości. Pozwalają na aktywne pozycjonowanie, utrzymanie stałego poziomu precyzyjnej aparatury (np. stołów pomiarowych). Idealne do maszyn pomiarowych, automatów wykrawających.
• Elementy poziomujące: Połączenie elastomerowo-metalowe, odpowiednie do podłoży o większym nachyleniu (do 12%), EFFBE HPRSF lub model HPRSF-G z ruchomym trzpieniem.
• Materiały tłumiące i izolacyjne w formie płyt (np. EFFBE EPA, EP): Stosowane jako podkładki lub izolacja całych fundamentów maszyn, bez możliwości kotwienia.
• Elastomery: EFFBE, jako wiodący producent, specjalizuje się w opracowywaniu i produkcji precyzyjnych komponentów elastomerowych (np. sprężyn elastomerowych, odbojników, mat, tulei), których charakterystyki dynamiczne są ściśle definiowane i dostosowane do specyficznych aplikacji przemysłowych, np. w posadowieniu silników czy jako elementy wibroizolacyjne w maszynach roboczych.

Podsumowanie

Zrozumienie podstawowych zjawisk związanych z drganiami mechanicznymi oraz zasad wibroizolacji jest kluczowe dla osób odpowiedzialnych za projektowanie, instalację i utrzymanie ruchu maszyn. Prawidłowo zaimplementowana wibroizolacja i dobrze dobrane wibroizolatory są warunkiem koniecznym dla zapewnienia niezawodności, bezpieczeństwa i precyzji działania współczesnych systemów technicznych.
W kolejnych artykułach przyjrzymy się bliżej poszczególnym technologiom oraz metodyce doboru wibroizolatorów do konkretnych aplikacji.

Źródła:
[1] Kowal J., Sterowanie drganiami, Gutenberg, Kraków 1996
[2] Koradecka D., Koton J., Lipowczan A., Szopa J.: Drgania mechaniczne (wibracje), w: Bezpieczeństwo pracy i ergonomia. Red. D. Koradecka. T.1. Warszawa, CIOP 1999
[3] Rao S.S., Mechanical Vibrations. 5^th Edition, Pearson Education, Inc., Upper Saddle River, 2011
[4] Broch J. T., Mechanical Vibration and Shock Measurements, Brüel & Kjær, Denmark, 1984
Informacje zawarte w katalogach produktowych EFFBE

Daria Kuczerska

Doktor nauk społecznych w dyscyplinie nauki o zarządzaniu i jakości. Posiada 4-letnie doświadczenie w marketingu, od blisko 2 lat doradza klientom w zakresie technologii tłumienia drgań. Łączy analityczne podejście badawcze z praktyką biznesową, interesuje się logistyką i wykorzystaniem sztucznej inteligencji w rozwoju przedsiębiorstw.