Вибрация и шум судовых механизмов

8. ВИБРАЦИЯ И ШУМ СУДОВЫХ МЕХАНИЗМОВ

8.1. Основные критерии оценки вибрации и шума,                                                  их контроль и нормирование

Механическое оборудование СДЭУ в той или иной степени является источником шума и вибрации. По этим параметрам судовые ДВС заметно опережают другие машины и механизмы. Работающие главные и вспомогательные двигатели излучают шум, уровень которого находится в пределах 100÷125 дБ, и вызывают вибрацию порядка 80÷120 дБ, что превышает не только санитарные нормы для жилых и промышленных помещений, но нередко и специальные требования классификационных обществ, включая требования Российского морского регистра судоходства. Наиболее шумовиброактивны высокооборотные дизели и отчасти двигатели повышенной оборотности.

Причин приводящих к излучению значительного шума и вибрации в поршневых ДВС много. Среди них особо следует выделить: высокое максимальное давление и большую жесткость рабочего цикла; ударный характер процессов, протекающих в газораспределительном и кривошипно-шатунных механизмах; наличие неуравновешенных и быстровращающихся масс; неточность изготовления отдельных деталей и износ их в процессе эксплуатации; применение недостаточно жесткого остова, кожухов и т.д.

Шум и вибрация относятся к числу нежелательных показателей судовых машин и механизмов. С одной стороны они оказывают вредное воздействие на организм человека. Как показывают статистические данные, значительный шум вызывает повышенную утомляемость, раздражительность и головные боли, понижает работоспособность человека: при умственном труде на 60%, при физическом на 30%. Длительное воздействие интенсивного шума вызывает необратимое явление – потерю слуха. Действие вибрации на человека также негативное. Она обуславливает нарушения сердечно-сосудистой, центрально-нервной и других жизненно важных систем человека. Систематическое воздействие повышенной вибрации приводит к вибрационной болезни. С другой стороны шум и вибрация являются критерием несовершенства механизма. Их повышенные значения (особенно вибрации) создают дополнительные динамические нагрузки, которые часто приводят к поломкам деталей, интенсивному износу подшипников и, в конечном счете, существенно снижают технико-эксплуатационные характеристики двигателя. Все это свидетельствует о необходимости борьбы с вибрацией и шумом. Естественно она ведется на всех этапах жизненного цикла машины, начиная от этапа проектирования, доводки, производства и заканчивая эксплуатацией. Уменьшение вибрации и шума достигается в результате воздействия как на их источники внутри двигателя, так и за счет применения внешних дополнительных конструктивных элементов.

С точки зрения физики принципиальных различий между вибрацией и шумом нет. Оба явления обусловлены колебательным процессом в твердой, жидкой или воздушной средах. Если колебания распространяются в воздухе, то возникает воздушный шум, который человек субъективно оценивает слухом. Механические колебания в твердых телах (конструкциях) порождают вибрацию, которую человек воспринимает осязанием. Простейшее колеба-ние – гармоническое, оно описывается уравнением вида

,

где  – амплитуда колебаний,  – круговая (угловая) частота колебаний,  – текущее время.

Соответственно скорость и ускорение колеблющейся точки будут

;  .

На практике помимо круговой частоты часто пользуются понятием технической частоты , которая измеряется в герцах (Гц). Связь между этими частотами устанавливается соотношением

.

Акустические колебания в виде шума воспринимаются ухом человека, если их частота находится в пределах от 16 Гц до 20 кГц (звуковой диапазон колебаний). Так же в зависимости от частоты колебаний делят вибрацию на низкочастотную (0,7÷300 Гц), среднечастотную (300÷1000 Гц) и высокочастотную (более 1000 Гц).

Процесс распространения колебаний в упругих средах называют волновым процессом. В данном процессе колебания перемещаются в виде продольных волн, рис. 8.1. Скорость продвижения волны можно подсчитать по формулам: для твердых тел

;

для газообразных сред

,

где  – модуль упругости,  – коэффициент Пуассона,  – плотность среды,  – давление среды,  – показатель адиабаты.

Рис. 8.1. Колебательный волновой процесс

При конкретных расчетах по приведенным формулам необходимо учитывать известную закономерность уменьшения плотности среды с ростом температуры. Так, для воздуха плотность определяют из уравнения состояния

,

где  – температура, К.

Таким образом, скорость звуковой волны или другими словами скорость звука в воздухе при температуре 20°С и давлении 0,1 МПа будет равна

кг/м³,   м/с.

Для справки: скорость звука в стали 5000 м/с, в чугуне 3850 м/с, в алюминии 5100 м/с, в резине 40÷50 м/с, в воде 1500 м/с.

Каждая колеблющаяся продольная волна несет определенную энергию. Количественно эту энергию принято оценивать давлением на гребне волны  (Па) и интенсивностью  (Вт/м²). Их соответственно вычисляют по формулам

,   .