5.3. Для измерений вибрации строительных конструкций требуется аппаратура, позволяющая регистрировать колебания в более широком частотном диапазоне — от 2 до 1000 Гц.
До настоящего времени для измерений вибрации в этих частотных диапазонах широко использовались вибродатчики типа И-001, входящие в измерительный комплект К-001, состоящий из трех датчиков, регулятора с коэффициентами увеличения и интегрирующих гальванометров. Этот комплект рассчитан на работу с осциллографом, позволяющим вести запись на бумаге и визуально наблюдать вибрации. Вибродатчик позволяет измерять вибрации с частотой в пределах от 2 до 200 Гц и амплитудой колебаний до 2 мм.
В настоящее время разработаны более совершенные приборы, позволяющие более оперативно регистрировать колебания и обрабатывать полученную информацию, например, виброизмерительная аппаратура для автоматизированной системы контроля на базе компьютера типа IBM PC AT, предназначенной как для непрерывного стационарного, так и для периодического оперативного сбора информации, обработки, анализа и оценки уровней колебаний.
Аппаратура разработана региональным научно-производственным центром вычислительной техники "Старттехно" (г. Екатеринбург).
Технические характеристики
Частотный диапазон измерений, Гц.................................................. 0,7-200
Размах колебаний, мкм, на частоте:
1 Гц.................................................................................................... 20-1000
100Гц................................................................................................. 5-200
Рабочий диапазон температуры в месте установки °С:
датчиков ........................................................................................... 0-80
аппаратуры ....................................................................................... 20-40
Переносная система контроля выполнена на базе переносного компьютера и оснащена вибродатчиками с быстросъемным магнитным креплением. Оперативная обработка результатов измерений позволяет получить амплитудно-частотный спектр и характер кривой колебаний в виде графического материала.
5.4. Из импортной аппаратуры наиболее приемлемы виброметры фирм "Карл Шенк АГ" (Германия) и "Брюль и Къер" (Дания).
Виброизмерительная техника данных фирм позволяет определять динамическое состояние как фундаментов оборудования, так и прилегающих строительных конструкций.
6. ОБРАБОТКА И АНАЛИЗ МАТЕРИАЛОВ ИЗМЕРЕНИЙ
6.1. Методика обработки материалов измерений зависит от характера зарегистрированных процессов и поставленных задач.
Простейшая обработка осциллографических записей вибрации строительных конструкций сводится к определению амплитуд, периода и частоты колебаний.
6.2. Гармонические (или близкие к гармоническим) колебания конструкций могут возбуждаться, например, машиной с неуравновешенным ротором.
Для повышения точности определения частоты рекомендуется брать для обработки участок осциллограммы, соответствующий нескольким периодам колебаний.
Запись колебаний конструкций, которые можно считать гармоническими никогда не представляет собой синусоиду из-за искажений вследствие действия случайных факторов. Если эти искажения невелики и кривая незначительно меняет амплитуду, то размах (двойная амплитуда колебаний) можно определить как среднее арифметическое из нескольких измеренных значений.
При периодических однокомпонентных колебаниях двойная амплитуда определяется как полный размах колебаний 2А с учетом толщины линий (рис. 5, а).
6.3. Сумма двух гармонических колебаний (двухкомпонентные колебания) разной частоты на практике встречается, например, когда динамическая нагрузка вызывается двумя неуравновешенными частями машины (или машин), имеющими разную частоту вращения.
В этом случае амплитуда двухкомпонентных колебаний определяется раздельно для каждой компоненты, для чего проводятся огибающие колебания (см. рис. 5, б). При этом низкочастотная компонента имеет двойную амплитуду 2А1, а высокочастотная 2А2.
6.4. Амплитуду трехкомпонентных колебаний 1-3 (см. рис. 5, в) можно установить методом огибающих: на основную гармонику с амплитудой 2А накладываются две компоненты 4, составляющие биения.
При более сложных формах кривых вибраций для определения составляющих применяются гармонический и спектральный анализы.
6.5. При непериодических колебаниях определяется средняя амплитуда за выбранный отрезок времени. В этом случае, как показано на pиc. 5, г, все пики соединяются прямыми линиями и определяется (планиметром) площадь полученной замкнутой поверхности, значение которой делится на выбранный отрезок времени В для определения средней амплитуды колебаний за данный отрезок времени.
6.6. Период и частоту колебаний при периодических процессах нужно определять для каждой компоненты отдельно (см. рис. 5, д). Период колебаний Т определяется по отметкам времени на осциллограмме. Намечается ряд периодов колебаний, определяется их суммарная продолжительность (??t); полученное значение делится на число намеченных периодов (у), определяется продолжительность одного колебания, т.е.
Рис. 5. Упрощенный анализ колебательных процессов:
Тб - период биений, с
, (4)
где Т — период колебаний, с (на рис. 5, q Т1 и Т2— соответственно периоды колебаний низкочастотной и высокочастотной компоненты);
??t— суммарная продолжительность, с;
у — число намеченных периодов.
Соответственно частота колебаний f (Гц) составит
. (5)
6.7. Период вынужденных колебаний отличается от периода собственных колебаний. По мере приближения частоты вынужденных колебаний к частоте собственных наступают биения, при этом амплитуда колебаний периодически увеличивается или уменьшается.
При биении (см. рис. 5, е) сумма амплитуд составляющих гармоник равна размеру горба кривой биения, а разность амплитуд — размаху суженной части, т.е.
С = 2А1 + 2А2 (6)
d = 2А1 - 2А2 (7)
где С — сумма амплитуд составляющих гармоник, мм;
2А1 — размах низкочастотной составляющей, мм;
2А2— размах высокочастотной составляющей, мм;
d — разность амплитуд составляющих гармоник, мм;
; (8)
. (9)
Биения обладают следующими свойствами:
огибающие близки по форме к синусоидам, но противоположны по фазе;
ширина полосы между огибающими изменяется периодически, причем частота изменений равна разности частот компонент;
максимальная ширина полосы равна сумме двойных амплитуд компонент, а минимальная — разности двойных амплитуд.
7. МЕРОПРИЯТИЯ ПО СНИЖЕНИЮ УРОВНЯ КОЛЕБАНИЙ
ФУНДАМЕНТОВ И СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
7.1. Для снижения уровня колебаний фундаментов машин и уменьшения их вредного воздействия осуществляются специальные мероприятия, к которым могут быть отнесены:
1) устранение источника вибраций путем уравновешивания, балансировки или центровки машин;
2) изменение технологического процесса, замена неуравновешенных машин уравновешенными или их перенос на участок, достаточно удаленный от объектов, чувствительных к вибрациям;
3) традиционные конструктивные способы снижения уровня колебаний фундаментов, включающие повышение жесткости основания, переустройство фундамента, изменение размещения машины на фундаменте и расположения фундамента машины в плане;
4) использование различных видов активной и пассивной виброизоляции, а также динамических гасителей колебаний.
Первые две группы мероприятий относятся к динамике машины, связаны с возможностями технологии конкретного производства и в настоящих Методических указаниях не рассматриваются.
7.2. К традиционным способам снижения уровня колебаний, а также видам активной и пассивной виброизоляции и динамических гасителей колебаний относятся:
7.2.1. Увеличение жесткости основания путем осушения (дренажа) или закрепления грунтов (эффективное средство снижения вибрации фундаментов машин с динамическими нагрузками).
Так, для фундаментов низкочастотных машин, когда частота собственных колебаний фундамента на упроченном грунте становится выше рабочей частоты машины (что характерно, например, доя поршневых насосов, тягодутьевых установок и пр.), наиболее целесообразно повышать жесткость основания.
При вертикальных колебаниях закрепление основания целесообразно выполнять под всей подошвой фундамента с превышением ее границ в плане от 0,5 до 1 м по всем направлениям.
При вращательных колебаниях ограничиваются укреплением грунта по периметру подошвы фундамента полосами шириной не менее 2 м. Закрепление грунта производится на глубину не менее 1,5-2 м от подошвы фундамента.
В случае разрыхления грунта, образования пустот и щелей на контакте фундамента с основанием закрепление грунтов достигается путем инъектирования цемента, жидкого стекла или карбомидной смолы.
Эффективным способом увеличения жесткости основания фундаментов машин является пересадка фундаментов на выносные набивные или забивные сваи и объединение этих свай с телом фундамента путем устройства по его периметру железобетонной обоймы.
Наиболее распространенным способом повышения жесткости основания является увеличение площади подошвы фундамента. Это достигается устройством на уровне подошвы по периметру фундамента железобетонного бандажа (обоймы) либо присоединением к нему с одной или с двух сторон на этом же уровне железобетонных плит (в направлении действия возмущающей силы). Бандажи и плиты должны быть жестко связаны с фундаментом.
7.2.2. Переустройство фундамента, достигаемое конструктивными приемами и включающее в себя увеличение массы фундамента или некоторых его частей, повышение жесткости всего фундамента или его отдельных конструктивных элементов (в результате изменяется общая жесткость фундамента, а также его масса, участвующая в колебаниях, что способствует уменьшению вибраций).
Увеличение массы фундамента существенно влияет на уменьшение амплитуды его колебаний лишь тогда, когда дополнительная масса составляет 50-80% основной. Увеличение только массы фундамента (без изменения площади его подошвы) мало эффективно для низкочастотных машин, так как при этом снижается частота его собственных колебаний, приближаясь к частоте вынужденных колебаний и вызывая опасность резонанса. Увеличение массы фундаментов высокочастотных машин (без изменения площади подошвы) может оказаться целесообразным для снижения уровня вибраций фундаментов вследствие отстройки их частоты колебаний от рабочей частоты машин.
Увеличение жесткости конструкции фундамента можно достичь увеличением площади поперечных сечений элементов, устройством дополнительных продольных и поперечных связей, изменением конструктивной схемы путем введения жестких узлов, добавлением диафрагм, поясов жесткости и т.п. Наиболее распространенным способом является устройство жестких обойм в виде бандажей, поясов, рубашек, охватывающих весь фундамент или отдельные части его. При этом достигается увеличение площади сечения фундамента и передача нагрузок на новые части его, а также соединения деформированных участков (при наличии таковых) фундамента в единое целое. Обоймы могут быть как железобетонными, так и металлическими. Последние используются в тех случаях, когда вследствие повышенных вибраций фундамент имеет трещины в направлении, перпендикулярном линии действия динамической силы.
При наличии трещин, появившихся вследствие значительных колебаний, первоначальная жесткость фундамента может быть восстановлена заделкой трещин путем инъектирования цементного раствора или синтетических смол. Это мероприятие может осуществляться самостоятельно или в комплексе работ по переустройству фундамента.
Варианты усиления реконструируемых узлов и ригелей фундаментов, связанные с наращиванием размеров сечений элементов фундаментов железобетонными плитами, снабженными предварительно напряженными хомутами и затяжками, и другие способы разработаны кафедрой железобетонных конструкций Челябинского политехнического института.
7.2.3. Изменение расположения фундаментов машин, служащих источником колебаний, для уменьшения вертикальных или горизонтальных колебаний строительных конструкций. Так, при расположении фундаментов машин вблизи фундаментов опор несущих конструкций можно уменьшить их вертикальные колебания, а при расположении их в середине пролетов — горизонтальные. Фундаменты машин, создающие горизонтальные силы инерции, рекомендуется располагать так, чтобы эти силы действовали в том направлении, в котором жесткость здания выше, или чтобы частота собственных колебаний здания существенно отличалась от рабочей частоты машины. В отдельных случаях в результате рационального размещения машины на фундаменте может уменьшиться общий уровень колебаний строительных конструкций. Так, например, если позволяет технологический процесс, для машин с внецентренным ударом, ударную часть машины следует размещать на фундаменте со стороны, противоположной ограждающим и несущим конструкциям здания.
7.2.4. Виброизоляция, являющаяся одним из эффективных способов снижения уровня вибрации машин, приборов и оборудования. Виброизоляция механической системы заключается в существенном ослаблении связей с основанием или несущими конструкциями.
Виброизоляция называется активной, если она устраивается для уменьшения динамического воздействия системы машина — фундамент — основание, и пассивной, если вибрируемый объект требуется защитить от колебаний поддерживающих его конструкций.
В качестве виброизоляторов применяются, как правило, специальные упругие элементы, устраняющие непосредственный контакт промышленной установки с несущей конструкцией (фундаментом) и другими присоединяемыми к ней внешними связями, в результате чего ослабляется передача вибраций, удара и шума.
Для амортизации используются виброизоляторы, опорные и упорные амортизаторы, амортизирующие вставки (сильфоны, рукава, шланги, гибкие патрубки), гибкие участки кабелей, обеспечивающих питание агрегата, и т.д.
