Tärinävaimentimet laiteperustuksissa

Abstract

Teollisuusrakenteita kuormittaa usein staattisten voimien lisäksi dynaamiset kuormat, jotka voivat aiheutua mm. ajoneuvojen liikkeistä, maanjäristyksistä ja erilaisten laitteiden ja koneiden toiminnasta. Käytettävät laitteet ovat usein niin isoja, että niille tarvitaan oma perustus staattisten ja dynaamisten kuormitusten huomioimiseen. Laitteen toiminnasta aiheutuva systeemin värähtely voi olla haitallista itse koneelle, ympäristölle, ympäröiville rakenteille ja mahdollisesti laitteen läheisyydessä toimiville ihmisille. Laiteperustusten suunnitteluun on siksi kiinnitettävä erityistä huomiota.

Tyypillisesti dynaaminen analyysi perustuu ominaistaajuuksien määrittämiseen ja siirtymäamplitudien selvittämiseen. Resonanssissa systeemin siirtymäamplitudit kasvavat lineaarisen mallin teoriassa äärettömästi, jolloin vauriot rakenteisiin ovat mahdollisia. Suunnittelussa tähän voidaan vaikuttaa muuttamalla massaa, jäykkyyttä, vaimennusta tai itse toimivaa laitetta. Massan tai laitteen muuttaminen ei ole välttämättä mahdollinen tai edullinen vaihtoehto, jolloin jäljelle jää vaimennus ja jäykkyys. Näihin voidaan vaikuttaa erilaisilla tärinänvaimentimilla, jotka muuttavat perustuksen jäykkyyttä ja vaimennusta ja näin pienentävät siirtymäamplitudeja.

Tässä työssä tutkitaan vaimennusta ilmiönä, erilaisia tärinävaimentimia ja tärinävaimennettuja laiteperustuksia sekä niiden dynaamista käyttäytymistä. Laskennallisesti työssä tarkastellaan kahta laiteperustusta. Toteutunutta solumuovivaimennettua pumppuperustusta tutkitaan laskentaohjelmilla Autodesk Robot ja Freq.calc. ja saatuja tuloksia verrataan käsinlaskennan antamiin tuloksiin. Teräsjousivaimennettua perustusta tutkitaan Robot-ohjelmalla ja saatuja arvoja verrataan vertailututkimuksessa ilmoitettuihin arvoihin.

Teoriaosuudessa käsitellään laiteperustuksia yleisesti, värähtelyn dynamiikkaa, teollisuuden tärinävaimentimia, vaimennuksen eri muotoja ja niiden teoriaa sekä tarkasteltujen perustusten ja eri ohjelmien yleiset tiedot.

Solumuovivaimennetun perustuksen laskennassa tarkastellaan menetelmäkohtaisia eroja perustuksen ominaistaajuuksissa ja siirtymäamplitudeissa. Saadut tulokset vastaavat toisiaan erinomaisella tarkkuudella, tulokset eroavat pääosin alle 10 %. Laskentatulosten pohjalta voidaan todeta Robotin soveltuvan kyseisten perustusten ominaistaajuuksien ja siirtymäamplitudien selvittämiseen. Käsinlaskennan tulokset ovat myös luotettavia. On kuitenkin huomioitava että, työssä käytetty käsinlaskentapohja soveltuu ainoastaan yksinkertaisten ja keskeisesti kuormitettujen laiteperustuksien pystysuuntaista ominaismuotoa vastaavan ominaistaajuuden ja värähtelyn amplitudin ratkaisemiseen.

Teräsjousivaimennetun perustuksen kohdalla tutkitaan Robotin antamia tuloksia vertailututkimuksessa esitettyihin arvoihin. Ominaistaajuuksien osalta eroa laskenta- ja mittaustulosten välillä on alle 5 %. Pystysuunnassa laskentojen ja vertailututkimuksen siirtymien erot ovat noin 30-40 % luokkaa. Robotin antamat arvot eivät pääse kasvamaan yhtä suuriksi perustuksen reunoilla kuin vertailututkimuksessa. Molemmissa vaakasuunnissa vertailututkimuksen mukaiset siirtymät ovat moninkertaiset Robotin tuloksiin verrattuna. Parametristen laskentatutkimuksien pohjalta saatujen ominaistaajuuksien ja siirtymien todetaan vastaavan todellista tilannetta. Tuloksiin vaikuttaa huomattavasti puutteelliset lähtötiedot, jonka pohjalta laskentamalli on yksinkertaistettu. Vertailututkimuksesta puuttuu muutama olennainen lähtötieto. Tulosten pohjalta voidaan kuitenkin todeta Robotin soveltuvuus teräsjousivaimennettujen perustusten dynaamiseen analyysiin.

Industrial structures are often loaded with dynamic loads in addition to static loads that can be caused by movement of vehicles, earthquakes and functioning of machinery. Machines used by industry are often very large and they need individual foundations to consider dynamic and static loads. Vibration of the system caused by the operating machinery can be harmful to machinery, environment, surrounding structures and to people working near the machine. Therefore special attention must be paid to the design of machine foundations.

Typically, dynamic analysis of vibrating system consists of identification of eigenfrequencies and solving the vibration amplitudes. Theoretically at resonance, only in linear undamped case, vibration amplitudes grow endlessly, therefore damage to structures is possible. In the design of machine foundations, amplitudes and eigenfrequencies can be affected by changing mass, stiffness, damping or operating machine. Changing mass or machine may not be an option, therefore affecting on damping and stiffness is only option. These properties can be changed with vibration dampers which affect systems damping and stiffness and thus reduce vibration amplitudes.

The purpose of work is to study damping as a phenomenon, different vibration isolators and vibration isolated machine foundations as well as their dynamic behaviour. Study contains two calculated machine foundations. First foundation with elastomer vibration isolator is analyzed with Autodesk Robot and Freq.Calc. Obtained results are compared with manual calculation. Steel spring isolated foundation is analyzed with Autodesk Robot and results are compared with the results of the comparative study.

In the theoretical part of this work deals with machine foundations in general, dynamics of vibrations, industrial vibration isolators, different forms of damping and parameters of calculated examples.

In the calculation of elastomer isolated foundation, method-specific differences in the natural frequencies and transition amplitudes of the foundation are considered. The obtained results correspond to each other, on the basis of which it can be stated that the Robot is suitable for determining the natural frequencies and vibration amplitudes of the foundation in question. It’s to be noted that represented manual calculations are suitable to evaluate simple and centrally loaded foundations vertical eigenfrequencies and transition amplitudes.

In the calculation of steel spring isolated foundation, results obtained with Robot are compared with the comparative study. For eigenfrequencies, calculated and measured result differ approximately 5 %. Measured and calculated vibration amplitudes correspond to each other in vertical direction, differences are between 30 and 40 %. Vibration amplitudes with Robot are relatively small on the edges of foundation in comparison with comparative study. In both horizontal directions, measured vibration amplitudes are many times bigger than those with Robot. Based on the parametric calculation studies, eigenfrequencies and amplitudes with Robot are reliable. The simplification of calculation model and deficient parameters have significant effect on results. Comparative study lacks couple essential parameters. However, based on the results, it can be stated that the Robot is suitable for dynamic analysis of steel spring isolated foundations.