Teknisk
Transcription
Teknisk
VIKAFOAM Vibrationsisolering med VIKAFOAM 05 10 D.2 D.2 Vibrationsisolering med VIKAFOAM kan både opnås med aktiv dynamisk dæmpning og med passiv isolerende systemer. Krav til vibrationsisolering En simpel vibrationsisolering kan beskrives som følger: en masse - det kan være som et svingende legeme eller et legeme, der skal holdes i ro – vibrations isoleres fra et fundament, med en dæmpet fjeder. Dette er en 1-dimensional fjeder-masse oscillator. heden af en maskine kan måske ikke opfyldes pga. nedsat maskinstabilitet. Effektiviteten af vibrationsisoleringen ligger i forholdet mellem frekvensen på det svingende legeme og systemets egenfrekvens. Systemets egenfrekvens kommer af massen og fjederstivheden. Grundlæggende princip gælder: Jo blødere fjederen er, jo bedre vibrationsisolering, begyndende ved påvirkningsfrekvenser over √2 af egenfrekvensen. En præcis afstemt montering med en “blød” fjeder, med stor vibrationsisolering, bevirker en stor nedbøjning under statisk belastning. Er isolatoren placeret direkte på det svingende legeme, kaldes det aktivisolering. Det er normalt mest effektivt at svingningsdæmpe så tæt ved kilden, som muligt. Selv ved en lille dynamisk masse kan der opstå stor relativ bevægelse mellem fundamentet og det svingende legeme. Maskinopstillingen eller betjeningssikker- Den enkleste beregningsmodel Den enkleste beregningsmæssige model er en 1-dimensional fjeder-masse oscillator: Ved et krav om maksimal vibrationsisolering med en blød fjeder, som er det modsatte af stabilitet, skal der ofte findes et kompromis mellem høj vibrationsisolering og stor stabilitet. F‘ x, x‘ m c, c‘ Er foranstaltninger på det svingende legeme ikke mulig og / eller nyttige, er det muligt at vibrationsisolere det legeme der skal beskyttes mod vibrationer. Det hedder passiv isolering. xe’ F’:Udefra virkende dynamisk oscillerende kraft [N] m: Oscillerende masse [kg] x, x’:Statisk og dynamisk nedbøjning [m] c, c’:Statisk og dynamisk fjederkonstant [N/m] Fe’: Dynamisk understøtningskraft [N] xe’:Dynamisk nedbøjning af understøtning [m] η:Tabsfaktor (mekanisk dæmpning) Fe' Figur 1: Fjedermasse oscillator påvirket af den dynamiske kraft F ' IAC Nordic A/S (Vikas) Jernholmen 44 2650 Hvidovre Tlf: +45 3678 5498 Fax: +45 3678 1230 [email protected] www.iac-nordic.dk VIKAFOAM Bliver massen "m", eksempelvis, sat i svingninger af en kortvarig impuls formet kraft, så vil fjeder–masse systemet svinge med egenfrekvensen F0. Egenfrekvensen kan beregnes således: Formel 1: f0 1 = 2π c' 1 = m T Hvor: E′ ⋅ A c′ = d T: Periode F0: Egenfrekvens c’: Dynamisk fjederkonstant E’: Dynamisk E-modul A: Areal d: Materiale tykkelse m: Masse [s] [Hz] [N/m] [N/m2] [m2] [m] [kg] D.2 ning fra de lange krøllede molekylekæder i VIKAFOAM. Beregninger foretaget ved hjælp af den statiske nedbøjning for udæmpede svingningsisolatorer (f.eks stålfjedre), er ikke egnet til beregning af egenfrekvensen for VIKAFOAM. Efter en impulsformet excitation af et udæmpet masse-fjedersystem vil systemet teoretisk blive ved med at oscillere i det uendelige. I praksis, for disse systemer, klinger amplitude udsvinget af med tiden. Årsagen til denne dæmpning er den mekaniske tabsfaktor. Størrelsen af, på hinanden følgende amplitude, afhænger af systemets dæmpning. Dæmpning kan beskrives ved hjælp af den mekaniske tabsfaktor. Dæmpningsgraden af et masse-fjedersystem kan fastsættes ved at beregne, hvor meget de, på hinanden følgende amplitude udsving, ændres. Der er følgende forhold mellem dæmpningsgraden D og den mekaniske tabsfaktor: Formel 2: Forholdet mellem dæmpning og på amplituden af to på hinanden følgende maksima, som illustreret i figur 2, repræsenterer en eksponentiel funktion: An +1 = e-2D π = e-η π An An: Amplitude maksimum for svingningen n D: dæmpningsgrad η: Mekanisk tabsfaktor An + 1 Amplitude: x’ 0 - 0,5 T=1/fo -1 Tid: t ^ F′ x′ = c′ ^ 1 2 2 f 1 - + η2 f0 Formel 3: An 0,5 Formel 4: η = 2⋅ D 1 Fjederkonstanten c' hænger sammen med det dynamiske elasticitetsmodul E'. Forholdet her er ved elastomere materialeafhængigt, og har også med det statiske elasticitetsmodul at gøre. Forholdet mellem det statiske og dynamiske elasticitetsmodul er frekvensafhængigt. Årsagen er den indbyggede indre dæmp- Vibrationsisolering En elastisk opstillet masse, der sættes i svingning af en periodisk kraft F', giver udsving med amplituden x'. Figur 2: Vibrationsisolering ved hjælp af dæmpning I steady state, er systemets egenfrekvens og påvirkningsfrekvensen, den samme, og der opstår resonans. Størrelsen af amplitude forstærkningen ved systemets resonansfrekvens afhænger af den mekaniske tabsfaktor. På grund af den indre dæmpning i VIKAFOAM bliver amplitudeforstærkningen ved resonansfrekvensen lille i forhold til svagt dæmpede systemer, som opstillinger med stålfjedre. Den frygtede "resonanskatastrofe" kan således, med passende beregning af vibrationsisoleringen med VIKAFOAM, undgås. IAC Nordic A/S (Vikas) Jernholmen 44 2650 Hvidovre Tlf: +45 3678 5498 Fax: +45 3678 1230 [email protected] www.iac-nordic.dk Ved aktivisolering anvendes oftest amplitude-forholdet mellem den dynamiske kraft Fe og ændringen af påvirkningskraften F, mens der ved passivisolering er tale om amplitude forholdet x' mellem udstyret med massen [m] og understøtningen x'e. Virkningen af svingningsisoleringen ”I” afhænger af frekvensforholdet f / f0 og af materialets indre dæmpning. Så det logaritmiske forhold af den indre dæmpning K [dB] har meget at gøre med, hvor god en isoleringsgrad det er muligt at opnå. Formel 5 og 6: =0,2 =0,3 0 -10 -20 Egenfrekvens og vibrationsdæmpning i svingningssystemer med elastomerer. Beregning af egenfrekvensen for et fjeder – masse system foretages i henhold til Formel 1. Som alternativ til Formel 1 kan også den forenklede Formel 7 anvendes, når input til formlen tages fra produkt databladet for VIKAFOAM: D.2 -30 1 √2 Frekvensforhold f / fo 0 2 3 4 5 Formel 7: Figur 4: Model Maskine Z m= jωm Vo Fjeder Z F1 = s1/jω Fo Mellemfundament Z1=F1/v1= jwmz F1 E' d ⋅σ Fo F1 Maskine Z m = jωm f 0 = 15,76 V1 F2 E’: Dynamisk E-modul [N/mm2] Fig. 5 fra materiale databladene d: Tykkelsen af [mm] VIKAFOAM materialet i ubelastet tilstand. σ Statisk fladetryk fra [N/mm2] egenvægten af den isolerede masse [m] Vo 2 1 + η 2 2 f 2 1 - + η f0 Reduktion [dB] K = 20 log Figur 3: Resonans, som en funktion af den mekaniske Tabsfaktor =0,1 10 c, c‘ Fjeder Z F = s/jω Isoleringsgrad [%] I = 100 1 20 Overført kraft Fe'/ F og x'/ xe '(dB) Amplitude forholdet mellem det svingende fjeder/masse system og påvirkningskraften betegnes som svingningsisoleringen. Størrelsen af svingningsisoleringen er i fig. 3 vist som forholdet mellem påvirkningsfrekvensen og egenfrekvensen f / f0 2 1 + η 2 2 f 2 1 - + η f0 Fjeder Z F2 = s2/jω V1 enkelt elastiskt Fundament Z 1 = F1/v1 V2 dobbelt elastiskt Fundament Z 2 = F2/ V3 Påvirkningsfrekvenser over √2 af egenfrekvensen bliver dæmpet og jo større forskel der er mellem egenfrekvensen og påvirkningsfrekvensen, desto bedre svingningsisolering. Det dynamiske elasticitetsmodul E’ kan tages fra skemaet for det enkelte produkt ud fra det tilsvarende (beregnede) fladetryk. Ved beregning af den dynamiske fjederkonstant c' ifølge Formel 1 og Formel 7 er det vigtigt at indsætte bære evnen af VIKAFOAM fra fig. 5, i ubelastet tilstand. I serieforbindelse eller en kombination af elastomerfjedre, kan resonansfrekvensen beregnes ud fra den samlede fjederstivhed. IAC Nordic A/S (Vikas) Jernholmen 44 2650 Hvidovre Tlf: +45 3678 5498 Fax: +45 3678 1230 [email protected] www.iac-nordic.dk VIKAFOAM D.2 Ved forskydningsspænding er beregningsmodellen stadig gyldig. Det er imidlertid det dynamiske forskydningsmodul, der skal anvendes, og som kan findes i produktdatabladene. Det dynamiske forskydningsmodul har værdien 1/3 til 1/4 af det dynamiske elasticitetsmodul. 100 100 80 80 60 60 40 40 20 20 For det simple tilfælde, hvor svingningsisoleringen udføres med VIKAFOAM og den statiske belastning er kendt, kan den tilsvarende egenfrekvens aflæses i databladet. 0 0 12 dB/Oktav -20 -40 0 Det er også muligt at udføre beregningen med VIKAFOAM materialet ud fra en ønsket isoleringsgrad, hvis påvirkningsfrekvensen er kendt. I fig. 1 findes punktet for ønsket isoleringsgrad og påvirkningsfrekvens, på x-aksen er det herefter muligt at finde egenfrekvensen for systemet. Ved at fortsætte lodret ned til fig. 3 er det muligt at aflæse, hvilken tykkelse materialet skal have og fladetrykket herfor, for at opnå den ønskede isoleringsgrad. Modeling Når et svingningssystem med én frihedsgrad skal modelleres er det ofte tilstrækkeligt, at anvende det mekaniske endimensionelle system af en masse - fjeder - oscillator. Dette forudsætter at den dynamiske masse, teoretisk, er uendelig stiv og kompakt og virker som et stift fundament. Dette kan gøres som en tilnærmet beregning fordi den dynamiske masse ofte er meget lille i forhold til massen af funda- 24 dB/Oktav -20 -40 Figur 5: Eksempel på en beregnet overførselsfunktion for enkelt og dobbelt svingningssystem. Frekvens [Hz] 10 ALe(f) 100 ALk(f) 0 Frekvens [Hz] 10 ALe(f) mentet. Her er det for det meste også nok at kende systemets laveste resonansfrekvens. Særlig høj isoleringsgrad kan opnås ved anvendelsen af et dobbelt svingningssystem. Når kombinerede strukturer med mange diskrete enkelt masser og fjedre, er det muligt at observere flere egenfrekvenser. I dette tilfælde kan det være nyttigt at udvide modellen så den egner sig til dette system. Med kraften, frekvensen og impedansforholdet kan det lade sig gøre præcist at beskrive et dobbelt svingningssystem. Systemet kan beskrives ved hjælp af en differentialligning. m1 m1 m2 m2>>m1 (m2 ∞) m1>>m2 Figur 6: Masse og Impedans forhold 100 ALk(f) Måling af transmissions og isoleringsgrad ser ud som følger: Stiger isoleringsgraden for et enkelt svingningssystem med 12 dB / oktav for frekvenser over √ 2 af egenfrekvensen så vil stigningen for et dobbelt svingningssystem være 24 dB / oktav. Ved dynamisk bløde masser (F.eks. stålstel, stålbjælker) er det nødvendigt at tage hensyn til omfanget af den frekvens afhængige struktur impedans Z. Vi skelner her f.eks. mellem - Fjeder impedans Z = c '/ j (komplekst) - Masse impedans Z = j m (komplekst) og vibrerende kontinua (masse – og fje- der er hele tiden sammenfaldende og danner et uendeligt antal egenfrekven- ser), og alle gradueringer mellem fjeder og masse impedans IAC Nordic A/S (Vikas) Jernholmen 44 2650 Hvidovre Tlf: +45 3678 5498 Fax: +45 3678 1230 [email protected] www.iac-nordic.dk