Рекомендации по виброизоляции инженерного оборудования

Источники шума и вибрации

В современных жилых и общественных зданиях устанавливают большое количество инженерного и технологического оборудования. При проектировании зданий и сооружений необходимо учитывать, что инженерное оборудование возбуждает вибрацию несущих конструкций, что может вызвать появление сверхнормативных уровней шума в жилых и общественных помещениях. К инженерному оборудованию относятся системы вентиляции и кондиционирования воздуха, водоснабжения и отопления, лифты, трансформаторы и т.п. Источниками вибрации и шума сантехнического оборудования являются, например, запорная, распределительная и регулирующая арматура, сливные бачки. К технологическому относится оборудование предприятий торговли, коммунального и бытового обслуживания.

Работающее оборудование возбуждает вибрацию соединенных с ним конструкций, излучает воздушный шум в окружающее пространство и присоединенные воздуховоды или возмущает жидкость (обычно воду) в присоединенных трубопроводах. Например, при работе вентиляционного агрегата (вентилятора) на техническом этаже здания (рис. 1) возбуждаются колебания пола этого этажа и присоединенных к вентилятору воздуховодов, излучается воз-душный шум в помещение венткамеры и в воздуховоды.

По природе происхождения шумы и вибрации могут быть:
- механическими (из-за неуравновешенности движущихся, в частности, вращающихся масс, ударов в сочленениях, стука в зазорах и т. п.);
- аэрогидродинамическими (при впуске–выпуске газа компрессоров, из-за образования вихрей и неоднородностей в потоках газа и жидкости в вентиляторах и насосах, автоколебаний в водоразборных кранах);
- электромагнитными (у электродвигателей, трансформаторов).
     Нередко оборудование возбуждает одновременно вибрацию и шум нескольких составляющих, например, вентиляционный агрегат.
     Вибрация оказывает двоякое неблагоприятное влияние на человека: вследствие непосредственного контактного воздействия и шума, излучаемого в помещения колеблющимися ограждающими конструкциями в звуковом диапазоне частот (структурного шума).

Методы снижения шума и вибрации

Имеются две основные группы средств снижения шума и вибрации оборудования в жилых и общественных зданиях – в источнике возникновения и на пути распространения. Необходимо правильно сочетать эти средства.

При проектировании зданий снижение шума и вибрации в источнике обеспечивают применением малошумного оборудования и выбором правильного (расчетного) режима его работы, при строительстве и эксплуатации зданий — технической исправностью оборудования.

Снижение шума и вибрации на пути распространения достигается комплексом архитектурно-планировочных и акустических мероприятий. Архитектурно-планировочные мероприятия предусматривают такую планировку помещений в зданиях, при которой источники шума максимально удалены от помещений, защищаемых от шума. Например, лифтовые шахты в жилых домах следует размещать так, чтобы они не примыкали к стенам жилых комнат и даже к стенам квартир.

Акустические мероприятия – это вибро- и звукоизоляция инженерного оборудования, применение звукопоглощающих конструкций в помещениях с источниками шума, а также в защищаемых от шума помещениях, установка глушителей шума в системах вентиляции и т.д.

Выбор комплекса средств снижения шума и вибрации зависит от характера их возникновения и распространения и обосновывается акустическим расчетом, в котором определяются ожидаемые уровни шума в защищаемом помещении, требуемое их снижение и необходимые для этого мероприятия.

Классификация конструктивных схем виброизоляции

Для виброизоляции инженерного агрегата необходимо его установить на виброизоляторы и изолировать подходящие к нему коммуникации. Применяют однозвенную (рис.2 б, г, д, е), двухзвенную (рис.2 в, ж, з), а иногда и трехзвенную схему виброизоляции.

Между агрегатом и виброизоляторами часто располагают массивную плиту (обычно железобетонную) или жесткую опорную раму (рис.2 г, д, з).

Поддерживающую конструкцию, на которую опирается виброизолированная инженерная машина, для краткости называют фундаментом. Это может быть плита перекрытия, железобетонный блок, балки и т.д.

Виброизолирующие элементы могут быть представлены:
а) в виде отдельных опор:
− пружинные виброизоляторы, основным рабочим элементом которых являются одна или несколько стальных винтовых пружин;
− упругие прокладки, нередко имеющие сложную форму;
б) в виде слоя упругого материала, укладываемого между машиной и фундаментом;
в) в виде плавающего пола на упругом основании. Пол на упругом основании представляет собой железобетонную стяжку, устроенную на упругом основании поверх несущей плиты перекрытия здания. Обычно применяется в двухзвенной схеме с другими виброизоляторами (рис. 2, ж).

Критерий виброизоляции

Эффективность виброизоляции характеризуется снижением уровня колебаний фундамента, дБ:

где u1² и u2²– квадраты амплитуды виброскорости фундамента, усредненные по его поверхности и частоте при соответственно жестком и виброизолированном креплении к нему машины.

Величину  называют виброизоляцией. Она равна снижению уровня колебаний конструкций зданий и структурного шума, возникающих из-за динамического воздействия машин на поддерживающие конструкции.

Расчет виброизолирующих конструкций состоит в выборе и расчете виброизоляторов и других элементов, из которых они состоят, а также в расчете виброизоляции.

Наиболее важная характеристика виброизолированной установки - частота ее собственных колебаний  (резонансная частота виброизолирующего основания), Гц:

где К — сумма динамических жесткостей виброизоляторов, Н/м, на которых установлена инженерная машина; М - общая масса, кг, виброизолированной установки (сумма масс машины М_м и железобетонной плиты М_пл, если таковая имеется).

При виброизоляции машины на частотах  колебания фундамента не снижаются  . В области частот  они усиливаются  . При  наступает резонанс — резкое усиление колебаний. Только на частотах f, значительно больших f0, виброизоляторы снижают колебания фундамента. Поэтому их подбирают так, чтобы резонансная частота f0 лежала ниже диапазона частот, в котором необходимо снижение данных колебаний. Следовательно, виброизоляторы должны иметь достаточно низкую жесткость. На рис.4 показан характерный график зависимости виброизоляции инженероного агрегата от частоты при устройстве виброизолирующего основания с применением упругих элементов из материала Sylomer®.

Рис. 3 График виброизоляции

Двухзвенная схема виброизоляции обладает большей эффективностью по сравнению с однозвенной. Но в отличие от однозвенной схемы, здесь две резонансные частоты, так что диапазон частот, в котором виброизоляция отрицательна, расширяется.

Рекомендации по проектированию виброизолирующих конструкций.

Проектирование виброизолирующих конструкций сводится к выбору конструктивной схемы виброизоляции, подбору типа и параметров виброизоляторов по известной номенклатуре (реже их рассчитывают и проектируют), выбору конструкции пола на упругом основании (если он требуется), расчету эффективности принятой конструкции (виброизоляции).

Все рассмотренные виброизолирующие конструкции снижают передаваемую на фундамент вибрацию только на частотах, превышающих основную частоту собственных вертикальных колебаний  (резонансную частоту) системы, состоящей их машины, установленной на виброизолирующем основании. При выборе виброизолирующих конструкций исходят из требования

где  - рабочая частота машины (оборудования), Гц, - это частота оборотов в секунду для машин с вращающимися частями (насосы, вентиляторы), число ходов в секунду машин с возвратно-поступательно движущимися частями (поршневые компрессоры).

Если жесткость неопорных связей (трубопроводов, гибких вставок и т.д.) не более половины жесткости виброизоляторов, то могут быть выбраны виброизоляторы и спроектирована виброизолирующая конструкция. В противном случае необходимо учитывать жесткость неопорных связей – выбор виброизоляторов и самой виброизолирующей конструкции становится более сложным.

При виброизоляции машин с рабочими частотами менее 18...20 Гц следует применять пружинные виброизоляторы. При больших рабочих частотах можно использовать как пружинные виброизоляторы, так и упругие прокладки из эластомерного материала Sylomer®. Пружинные виброизоляторы, обладая меньшей частотой  , обеспечивают большую виброизоляцию на низких частотах, чем другие виды виброизоляторов из эластичных материалов. Однако последние на средних и высоких частотах более эффективны, поскольку волновые резонансные явления, ухудшающие виброизоляцию, в них наступают на более высоких частотах, чем в пружинах и, кроме того, менее выражены из-за существенно больших внутренних потерь энергии.

Из-за указанных явлений виброизоляция пружинами на средних и высоких частотах падает и весьма невелика. Некоторое увеличение ее достигается при установке резиновых прокладок между пружинами и фундаментом. На больших частотах дополнительная виброизоляция растет с частотой и становится тем выше, чем больше коэффициент потерь, толщина и коэффициент формы прокладки. Поэтому их следует изготовлять из перфорированной, а не сплошной резины, как это обычно делают.

Вопреки распространенному мнению, тонкие резиновые прокладки не устраняют основного недостатка пружинных виброизоляторов - низкую виброизоляцию на средних и высоких частотах.

Виброизоляторы располагают так, чтобы их центр жесткости находился на одной вертикали с центром масс виброизолированной установки; при этом виброизоляторы должны иметь одинаковую осадку.

Плавающие полы без специальных виброизоляторов можно использовать только с оборудованием, имеющим рабочие частоты более 45...50 Гц. Это, как правило, небольшие машины, виброизоляция которых может быть обеспечена и другими способами. Эффективность полов на упругом основании на столь низких частотах невелика. Поэтому применяют их только в сочетании с другими видами виброизоляторов, что обеспечивает высокую виброизоляцию на низких частотах (за счет виброизоляторов), а также на средних и высоких (за счет виброизоляторов и плавающего пола).

Стяжка плавающего пола должна быть тщательно изолирована от стен и несущей плиты перекрытия, так как образование даже небольших жестких мостиков между ними может
существенно ухудшить его виброизолирующие свойства. Поэтому при конструировании плавающего пола предусматривают мероприятия, предупреждающие просачивание бетона в упругий слой при изготовлении пола. В местах примыкания плавающего пола к стенам необходим шов из нетвердеющих материалов, не пропускающий воду.

При линейных размерах стяжки плавающего пола более 8...10 м с целью предотвращения растрескивания бетона рекомендуется выполнять разделительные швы, которые не должны проходить вблизи места установки инженерных агрегатов. Большие агрегаты следует располагать в центре отдельных плит, на которые швами разбивается вся стяжка плавающего пола.

Конструкция плавающего пола должна обеспечивать ее несущую способность на действие статической нагрузки от оборудования.

Пример конструкции звукоизоляционного плавающего пола показан на рис. 4.

За счет установки инженерной машины на железобетонную плиту достигается снижение уровня колебаний самой машины и увеличивается ее устойчивость на пружинах. На низких частотах даже при неизменном значении   возможно небольшое увеличение виброизоляции за счет разделения разных пространственных форм колебаний машины, установленной на виброизоляторах, которое не учитывается в одномерной расчетной схеме. Однако в звуковом диапазоне частот в целом виброизоляция заметно увеличивается за счет возрастания импеданса виброизолированной установки.

При использовании фундаментных железобетонных плит в отдельных полосах частот может быть и снижение виброизоляции. Это происходит в случаях, когда из-за увеличения массы виброизолированной установки и применения больших пружин октавная полоса, в которую попадает первая волновая резонансная частота пружин, и с которой начинается «провал» виброизоляции пружинами, сдвигается на октаву вниз. Поэтому лучше устанавливать инженерный агрегат на пружинные виброизоляторы меньших номеров (при их большем количестве), чем больших (их потребуется меньше), поскольку у последних раньше начинается спад виброизоляции.

В звуковом диапазоне частот железобетонные плиты лучше работают, если (при заданной массе) они имеют минимальные размеры в плане, но большую толщину. Для повышения акустической виброизоляции не следует делать больших в плане железобетонных плит, на которых устанавливают сразу несколько машин — например, основной и резервный насосы.

Железобетонную плиту устанавливают также в тех случаях, когда жесткость подходящих к машине трубопроводов с гибкими вставками соизмерима или превышает общую жесткость виброизоляторов, которые потребовались бы для установки машины без этой плиты. Такое положение может иметь место, например, при виброизоляции насосов. За счет установки железобетонной плиты увеличивается общая масса виброизолированной установки и снижается частота ее собственных колебаний, так как уменьшается влияние жесткости присоединенных трубопроводов. В результате, дополнительно к сказанному выше, достигается увеличение виброизоляции и на низких частотах. В ряде случаев жесткость присоединенных к машине трубопроводов с гибкими вставками оказывается настолько большой, что она вообще не может быть виброизолирована без установки железобетонной плиты.

При устройстве массивных виброизолированных оснований необходимо учитывать наличие внутренних виброизолирующих элементов у вентиляционного и компрессорного оборудования. В этих случаях внутренние виброизолирующие элементы рекомендуется шунтировать с помощью резьбовых или винтовых соединений.

Примеры устройства виброизолирующих оснований

Рассмотрим пример устройства виброизолирующих оснований для трех различных вентиляционных агрегатов, закрепленных на железобетонной фундаментной плите и установленных на монолитную плиту межэтажного перекрытия толщиной 200 мм.

Все агрегаты имеют одинаковую массу 610 кг и разные рабочие частоты вращения движущихся частей:

Габаритные размеры каждого агрегата: 2100 х 1300 х 1300 мм.

Рабочие частоты агрегатов fр, Гц определяются следующим образом:

Размеры фундаментной железобетонной плиты выбираются таким образом, чтобы её масса в 2-3 раза превышала массу вентиляционного агрегата.

Выберем размеры фундамента: 2300 х 1500 х 150 мм. Масса такого фундамента из тяжелого бетона составляет 1242 кг.

Рассмотрим три различных типа виброизолирующих оснований:

Согласно результатам акустических расчетов, рассматриваемые виброизолирующие основания имеют следующие значения частоты собственных вертикальных колебаний  , Гц:

Эффект от применения различных схем виброизоляции данного агрегата изменяется позитивного к негативному (табл.1).

Таблица 1. Результат применения различных виброизолирующих оснований

Таким образом, можно сделать следующие выводы:

1. эффективность виброизоляции инженерного оборудования (например, вентиляционного) зависит от его рабочей частоты;

2. эффективность виброизоляции инженерного оборудования зависит от примененной схемы виброизоляции;

3. неправильный выбор схемы виброизоляции может привести к неконтролируемому увеличению амплитуды колебаний фундамента инженерного оборудования.

Из результатов расчетов следует, что схема виброизоляции №1 теоретически является наиболее эффективной для виброизоляции низкочастотных инженерных агрегатов. Но на практике применение пружинных виброизоляторов имеет ряд ограничений и недостатков, связанных со значительной толщиной виброизолирующего основания, снижением эффективности виброизоляции на частотах волнового совпадения, необходимостью тщательно рассчитывать центр масс агрегатов для обеспечения равномерной нагрузки на пружины.

Две другие схемы в меньшей степени подвержены указанным недостаткам, обеспечивают надежную конструкционную устойчивость оснований оборудования, но имеют ограничения по частотному диапазону эффективной виброизоляции.

Виброизоляция трубопроводов (воздуховодов) инженерных сетей

Виброизоляция неопорных связей (трубопроводов, воздуховодов и т.п.) выполняется с целью обеспечения требуемой свободы движения виброизолированной машины за счет снижения жесткости рассматриваемых связей. Это необходимо для эффективной работы виброизоляторов и снижения звуковой энергии, распространяющейся через эти связи.

Для виброизоляции на каждом трубопроводе (или воздуховоде), присоединенном к машине, устанавливают гибкие вставки. Их следует располагать как можно ближе к вибрирующему агрегату. Если жесткость этих вставок мала по сравнению с жесткостью виброизоляторов (например, у вентиляторов), то не имеет существенного значения, как они ориентированы. В тех случаях, когда жесткость гибких вставок сравнима с жесткостью виброизоляторов (насосные агрегаты, компрессоры) вставки следует располагать так, чтобы влияние их жесткости было минимально в направлениях действия наибольших динамических сил, развиваемых инженерной машиной.

Например, гибкие вставки для насосных агрегатов имеют большую жесткость в продольном направлении и меньшую в поперечном. Поэтому их следует располагать параллельно оси вращения.

В некоторых случаях на одном трубопроводе устанавливают две гибкие вставки на двух его расположенных рядом взаимно перпендикулярных участках. Тогда обеспечивается полезная для виброизоляции относительно низкая жесткость этой связи во всех направлениях.

Увеличение числа гибких вставок на трубопроводе более одной-двух не приводит к снижению, распространяющейся по нему, звуковой вибрации, которая все равно распространяется по содержащейся в нем воде (воздуху).

На участках трубопроводов (воздуховодов) между агрегатом и гибкой вставкой не рекомендуется выполнять узлы крепления к строительным конструкциям (даже виброизолированных).

Трубопроводы (воздуховоды) не должны иметь жесткого контакта с ограждающими конструкциями. Часто жесткое крепление трубопроводов и воздуховодов к строительным конструкциям является причиной недопустимого уровня шума в удаленных помещениях, расположенных через несколько этажей от данного места крепления.

Крепление трубопроводов и воздуховодов к строительным конструкциям необходимо производить при помощи виброизолирующих креплений Виброфикс с упругим элементом на основе материала Sylomer (рис.8).

Рис.8 Схема прокладки инженерных сетей

1 – стена; 
2 – негорючая прокладка из материала AcousticWool; 
3 – вибродемпфирующий материал;
4 – трубопровод; 
5 – невысыхающий герметик; 
6 – гильза; 
7 – монтажный кронштейн;
8 – прокладка из мягкой резины;
9 – виброизолирующее крепление Виброфикс UNI

Прокладка трубопроводов (воздуховодов) через стены и перегородки должна быть выполнена с применением виброразвязанных гильз. Для виброразвязки следует применять негорючие упругие прокладки из материала «AcousticWool». Стыки и промежутки между воздуховодами и гильзами необходимо герметизировать невысыхающим виброакустическим герметиком (рис.8, рис. 9).

Трубопроводы и участки жестких воздуховодов рекомендуется виброизолировать материалом, например, из вспененного каучука. Трубную изоляцию рекомендуется крепить к поверхности трубопроводов с помощью специального клея.

Рис.9 Схема прокладки вентиляционных каналов через стены

1 – вентиляционный канал; 
2 – виброакустический силиконовый герметик; 
3 – негорючая упругая прокладка из материала «AcousticWool»;
4 – гильза; 
5 – вибродемпфирующий материал; 
6 – звукоизоляционная или звукопоглощающая облицовка; 
7 – стена или перегородка.

В данных рекомендациях описаны только основные принципы виброизоляции. Правильный выбор схемы виброизоляции инженерного оборудования требует учета широкого спектра параметров, как самих агрегатов, так и виброизолирующих оснований.