CC BY
101
УДК 62 - 405.8 ББК 35.70
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ДЕМПФИРУЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ВИБРОАКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ МЕХАНИЗМОВ СЕРВИСА
1 9
А.С. Чурилин , С.В. Асеев
Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики, 192171, Санкт-Петербург, ул. Седова, дом 55/1
Исследуются распространенные средства борьбы с шумом, препятствующие распространению волн при условном делении источников шума на первичные и вторичные, связанные с эффектами звукоизоляции или звукопоглощения.
Ключевые слова: диссипация, демпфирование, коэффициент потерь, вибропоглощение, модуль упругости
Подлинным источником воздушного шума является возбудитель звуковых колебаний - тонкостенный элемент конструкции - пластина. Поглощение вибраций тонкостенных элементов конструкций (воздуховоды, тонкие металлические диски в механизмах автосервиса, в мастерских и пр.) может достигаться классическим способом -присоединением к вибрирующей поверхности массы с вязкоупругими элементами (эффект 5-10 дБ). Известно, что для защиты воздуховодов чаще всего используются демпфирующие мастики и покрытия, для тонкостенных ограждений станков применимы многослойные демпфирующие покрытия с мастичным наполнением, для тонких вращающихся дисков - зажимные демпфирующие шайбы, а также электромагнитные или пневматические демпфирующие накладки (эффект - до 13 дБ).
Как правило, выбор толщины однослойного демпфирующего покрытия выполняется из материала, вязкоупругие параметры которого известны. Однако при разработке новых покрытий с неизвестными данными необходимо проводить предварительные исследования.
Известны зависимости отношения коэффициента потерь демпфируе-
мой пластины с покрытием к коэффициенту потерь вибропоглощающего материала ц2 от толщины покрытия Р:
р=н, (1)
где: Н2 - толщина покрытия, Н1 - толщина демпфируемой поверхности. Главным критерием является относительный модуль упругости вибропоглощающего материала
а = ■
(2)
где: Е2, Е1 - модули упругости вибропоглощающего материала и материала демпфируемой поверхности (соответственно).
В качестве примера рассмотрим расчет толщины однослойного жесткого покрытия из распространенного типового вибропоглощающего материала (ВПМ) для стальной пластины толщиной Н1=4 мм.
На частоте 50 Гц при нормальной температуре модуль упругости материала ВПМ составляет Е2= 6-103 кг/см2 и коэффициент потерь ^2=0,4. Для стали соответственно: Е;= 2-106 кг/см2 и
^1=1-10- . Следовательно, относительный модуль упругости ВПМ будет а =3-10-3. Наибольшие значения суммарного коэффициента потерь стальной пластины с покрытием из этого мате-
риала достигается при относительной толщине покрытия Р=10.
Однако наносить такое толстое покрытие нецелесообразно. Можно ограничиться толщиной, соответствующей Р=6, так как увеличение значения Р от 6 до 10 повышает демпфируемый эффект всего на 20% (ц /ц2 =0,78 при Р=6 и ц /ц2 =0,95 при Р=10), в то время, как вес покрытия возрастает на 50%.
В тех случаях, когда весовые нагрузки играют решающую роль, выбор толщины однослойного жесткого покрытия производится по заданной величине относительного покрытия
ц = № = Р^ = Р^, (3)
Р1н1 Р1 У1
где у - удельный вес, а по справочной номограмме определяется ожидаемый эффект. Например, вес покрытия не должен превышать 40% веса демпфируемой пластины, то есть д =0,4. Следовательно,
р 7 8
Р = д— = 0,4— = 2,25 , то есть
Р1 1,4
Н2=4-2,25=9 мм.
Суммарный коэффициент потерь стальной пластины толщиной 4 мм с таким покрытием достигает значения Ле=0,7 ц2=0,28, которое более, чем на порядок превышает значение коэффициента потерь в стальных недемпфированных конструкциях (ц1=0,001).
Для определения эффективности покрытия в частотном (или температурном) диапазоне необходимо выполнять соответствующие расчеты с учетом частотной (или температурной) зависимости вязкоупругих параметров материала покрытия.
Так, при использовании демпфирующих покрытий эффективность или требуемый эффект диссипации может быть определен как уменьшение амплитуды резонансных колебаний вибродемпфированной конструкции
И
АЬ = 151 о§ — , дБ (4)
И1
Рассмотрим стальную пластину толщиной Н1 (Е1=2-106 кг/см2, ц1=1-10-3), на которую нанесено демпфирующее покрытие ВД-17 /2/ (Е2=6-103 кг/см2, ц2=0,4). Для различных отношений Р=Н2/Н1 определяем отношения ц /ц2 (при а =3 -10-3) и затем по вышеприведенной формуле. Результаты расчетов представлены в таблице 1
Таблица 1
Частота, кГц 0,2-0,6 0,8 1,0 2,0
Уровень звукового давления, АЬ, дБ - 14 18 21
Так, если Н1=3 мм и Н2=3 мм, то Р=1 и АЬ=18 дБ. Таким образом, покрытие уменьшает шум на 18 дБ.
Для разработки методики изготовления нового демпфирующего покрытия с использованием волокнистых армирующих материалов применим метод прямых аналогий, который заключается в тщательном анализе приготовления, применения и эксплуатации стандартных разработок.
Вибропоглощающая (вибродемпфирующая) мастика предназначена для нанесения на металлические поверхности с целью ослабления их вибраций и шума, обусловленного вибрацией.
Как правило (например, стандартная ВПМ), мастика является трудно сгораемой, она - масло -, бензо - и термостойкая в условиях положительных температур (до 100°С). При разработке новых покрытий к этим критериям и нужно стремиться. Но по экономическим показателям или эффективности вибропоглощения - она должна быть лучше.
Необходимо иметь в виду, что эффект снижения шума от применения мастики за счет эффекта диссипации будет получен только в том случае, если шум поверхности, на которую предполагается нанесение мастики, является доминирующим по отношению к дру-
Таблица 2
гим источникам шума, имеющимся в данном агрегате.
Пример мастики, представляющей собой холодную смесь вязкого раствора синтетических смол и наполнителя. Весовые части составляющих компонентов мастики и расход материалов на 1 м2 покрытия (табл.2):
Наименование входящих компонентов Весовые части Ед. изм. Расход материалов
Толщина покрытия в мм
2 4 6 8
1. Поливинилацетатная эмульсия -1 ,0 кг 0,938 1,875 2,813 3,75
2. Фенолоспирт -0,5 кг 0,479 0,9 1,344 1,8
3. Ортофосфорная кислота, 20% водный раствор 24% веса феноло спирта кг 0,11 0,21 0,323 0,431
4. Пылевидный кварц 1,2 кг 0,84 1,68 2,52 3,36
5. Тальк технический 6. Отходы волокон -0,6 0,6 кг кг 0,66 1,12 1,58 2,04
'Примечание к п. 6. К основному составу мастики добавлялось 0,6 вес. частей, например, отходов текстильных или древесных волокон.
Оригинальное демпфирующее покрытие состоит из 2 слоев грунтовочной пасты, нескольких слоев мастики и
2 слоев декоративного покрытия. Грунтовочная паста является одним из основных компонентов, вяжущей частью вибродемпфирующей мастики, одновременно, самостоятельно применяемым материалом для грунтовки поверхности. Вибродемпфирующая мастика представляет собой смесь связующего (грунтовочной пасты) и наполнителей.
Наполнителем является смесь талька технического, пылевидного кварца и текстильных отходов. Перемешивание дозированных порций наполнителя производится в той же растворомешалке, что и грунтовочной пасты или вручную до получения однородной массы, для чего влажность составляющих не должна быть более 6%.
Смешивание производится при постоянном добавлении наполнителей в
грунтовочную пасту. Перемешивание производится в течение 20^30 минут. Соотношение связующего и наполнителей в готовых смесях рекомендуется -1:2. Схраняемость и активность грунтовочной пасты и демпфирующей мастики, при хранении их в герметически закрытой таре - 30^40 дней.
Декоративное покрытие состоит из смеси грунтовочной пасты и пигмента - красителя, предварительно перемешанного с тальком.
Нанесение вибродемпфирующего покрытия на металлическую поверхность складывается из следующих операций: подготовки покрываемой по-
верхности; грунтовки поверхности; нанесения вибродемпфирующей мастики; нанесения декоративного покрытия.
Нанесение мастики производится металлическим или резиновым шпателем. Время просушки зависит от температуры окружающего воздуха и состав-
ляет при температуре +18°С ^ 24 часа, а при температуре +25^30°С - 8^10 часов.
иы.
ЗЬ,Ш|
25,00
15,00
10.00
5,00
-6
У № _ — 7
* $ \\\ V’
! t V' % \у, / у S /* ^ -о >s 'ч.
V' \v. /V 4/
Y
Рисунок 1. Акустическая эффективность демпфирующего покрытия с использованием текстильных армирующих волокон
При необходимости каждый слой армируется стеклохолстом, путем накладки на мастику одного слоя тонкого 0,3^0,5 мм стеклохолста и проглаживается валиком или шпателем.
Одновременно кистью или валиком наносится небольшое количество грунтовочной пасты.
Декоративное покрытие, приготовленное в виде жидкой пасты нужного цвета производится обычной малярной кистью, валиком или распылителем. Второй слой наносится после высыхания первого.
На рис. 1 показана акустическая эффективности новой мастики с использованием текстильных армирующих во-
локон для различных толщин покрытия 6, 7, 8 мм на металлический лист толщиной 3 мм. Эффективность вибропоглощения зависит также от размеров листа и его материала. По итогам испытаний показано, что без снижения эффективности, себестоимость мастики на 10 ^ 15 % меньше.
Приведем известные примеры применения демпфирующих покрытий для воздуховодов систем вентиляции объектов жилищно-коммунального хозяйства. Здесь облицовка ограждений воздуховод стандартной мастикой № 579 и пластикатом “Агат” позволила снизить шум во всем диапазоне звуковых частот на 2 ^ 5 дБ, а облицовка воздуховодов оригинальной вибродемпфирующей мастикой основных позволила снизить уровень звукового давления на
3 8 дБ, а уровень звука - на 3 дБ А.
В заключение отметим, что представленные в данной статье рекомендации и характеристики демпфирующего материала пригодны также в качестве эффективного вибропоглощающего покрытия для снижения шумоизлучающей активности производственного оборудования.
Литература
1. Справочник по технической акустике (Под. ред. М. Хекла и Х.А. Мюллера). Л.: Судо-строение,1980, 421 с.
2. Фавстов Ю.К. Сплавы высокого демпфирования. - В кн. Демпфирующие металлические материалы.- Киров: КПИ,1982,с.5-8.
3. Stewart N.D. Spinning Noise Textile Indus-
tries,V.141,1977, p.29-34.
1 Чурилин Александр Сергеевич, к.т.н., доцент кафедры “Техническая механика” СПбГУСЭ. Тел.: (812) 700 6216.
2 Асеев Сергей Валентинович соискатель кафедры “Техническая механика” СПбГУСЭ. Тел.: (812) 3623127.
