Виброопоры резиновые: подбор и изготовление на заказ

Виброопора работает как пружина, на которой агрегат качается со своей резонансной частотой. Пока эта частота заметно ниже частоты вращения, опора режет вибрацию; когда они сближаются, опора раскачивает агрегат сильнее, чем жёсткая установка. Поэтому весь подбор сводится к трём числам: нагрузке на одну опору, рабочей частоте и осадке.

Опора изолирует, только когда резонансная частота ниже рабочей

Отношение рабочей частоты к резонансной частоте агрегата на опорах определяет, какая доля колебаний пройдёт в основание. Для системы без демпфирования доля прошедших колебаний равна 1 / ((f / f₀)² − 1), где f рабочая частота, f₀ резонансная. При отношении меньше √2, примерно 1,4, опора не изолирует вовсе, а в зоне около единицы начинается резонанс.

Пример: при отношении 1,2 доля равна 1 / (1,44 − 1) ≈ 2,3, то есть на основание приходит больше вибрации, чем без опор. При отношении 2,5 доля равна 1 / (6,25 − 1) ≈ 0,19, проходит около 19 % колебаний. При отношении 3 проходит около 12 %. Резина немного демпфирует и срезает пик резонанса, но на рабочем отношении 2,5–3 картина почти та же. Отсюда ориентир: резонансную частоту держат в 2,5–3 раза ниже рабочей; в литературе по виброизоляции отношение обычно берут от 2,5 до 5.

Рабочую частоту находят по оборотам: 1 500 об/мин дают 25 Гц, 3 000 об/мин дают 50 Гц, 1 000 об/мин около 16,7 Гц. У поршневых компрессоров и вентиляторов с несбалансированным колесом важна именно частота вращения, у шестерённых насосов к ней добавляются частоты зацепления, которые выше и изолируются легче.

Почему виброопора усиливает вибрацию?

Виброопора усиливает вибрацию, когда резонансная частота агрегата на опорах близка к рабочей частоте вращения: агрегат входит в резонанс. Так бывает, если опора слишком жёсткая для своей нагрузки, если агрегат лёгкий для выбранного типоразмера или если резина состарилась и затвердела. Проверка простая: сравнить осадку опоры под нагрузкой с расчётной и пересчитать резонансную частоту.

Осадка под нагрузкой задаёт резонансную частоту

Резонансную частоту груза на упругой опоре можно оценить по статической осадке δ без знания жёсткости: f₀ = (1 / 2π) × √(g / δ). Если δ подставить в миллиметрах, получается f₀ ≈ 15,8 / √δ, Гц. При осадке 1 мм резонансная частота около 15,8 Гц, при 2,5 мм около 10 Гц, при 4 мм около 7,9 Гц.

У резины есть поправка: динамическая жёсткость выше статической, и реальная резонансная частота выше той, что даёт осадка. Поэтому производители резиновых опор приводят в каталогах динамическую резонансную частоту и рекомендуют выбирать опору прежде всего по ней (каталог виброизоляторов Fantech). Для расчёта без каталога отношение динамической жёсткости к статической берут 1,2–1,5 в зависимости от твёрдости, а резонансная частота растёт как корень из этого отношения, примерно в 1,1–1,2 раза; это ориентир для марок общего назначения.

Пример: агрегат 1 500 об/мин, рабочая частота 25 Гц, цель f₀ ≤ 10 Гц. По осадке нужно не меньше 2,5 мм. При отношении динамической жёсткости к статической 1,4 нужная осадка вырастает в 1,4 раза: (15,8 / 10)² × 1,4 ≈ 3,5 мм. Опора, которая под своей нагрузкой садится на 1 мм, с той же поправкой даст резонансную частоту около 15,8 × √1,4 ≈ 18,7 Гц; отношение 25 / 18,7 ≈ 1,3 меньше √2, и такая опора усиливает вибрацию вместо изоляции.

Как подобрать резиновую виброопору по массе?

Резиновую виброопору подбирают по нагрузке на одну опору, а не по общей массе агрегата: массу делят с учётом центра тяжести. Затем по оборотам находят рабочую частоту, задают резонансную частоту в 2,5–3 раза ниже и по ней требуемую осадку. Из каталога или расчёта выбирают опору, которая под своей нагрузкой даёт эту осадку и не выходит за допустимую нагрузку.

Нагрузку на каждую опору считают от центра тяжести

Центр тяжести агрегата редко стоит посередине рамы: двигатель тяжелее насоса, у вентилятора тяжёлая сторона с колесом. Если поставить четыре одинаковые опоры, тяжёлая сторона сядет глубже, рама перекосится, а нагруженные опоры уйдут в зону, где они жёстче и стареют быстрее.

Пример: насосный агрегат 300 кг на четырёх опорах, центр тяжести смещён к двигателю так, что на две опоры под ним приходится 60 % массы. Нагрузка выходит 90 кг на каждую опору со стороны двигателя и 60 кг со стороны насоса. Одинаковые опоры дадут разную осадку и перекос; правильнее поставить опоры двух жёсткостей или двух типоразмеров, чтобы осадка под обеими сторонами была одинаковой.

Распределение массы находят по паспорту агрегата, по чертежу рамы или взвешиванием каждой точки опоры на весах или динамометре. Для расчёта опор этой точности хватает, а ошибка в 10–15 % по нагрузке обычно укладывается в рабочий диапазон опоры.

Порядок подбора: найти нагрузку на каждую опору с учётом центра тяжести; по оборотам определить рабочую частоту; задать резонансную частоту в 2,5–3 раза ниже; пересчитать её в требуемую осадку с поправкой на динамическую жёсткость; выбрать форму и твёрдость опоры под эту осадку и крепление; записать результат в карточку опоры.

Форму опоры выбирают по нагрузке и креплению

Цилиндрическая опора с двумя шпильками или шпилькой и гайкой работает на сжатие и годится для лёгких и средних агрегатов. Коническая и колокольная опора работает на сжатие со сдвигом, мягче в горизонтальной плоскости и обычно имеет встроенный ограничитель хода. Резинометаллическая пластина, или сэндвич, держит большие нагрузки при малой осадке и подходит под станки и рамы на фундаменте. Опора с регулировкой высоты нужна, когда станок выставляют по уровню.

Все опоры с металлической арматурой изготавливают формованием с привулканизацией резины к металлу. Привулканизация, подготовка арматуры и проверка прочности связи идут так же, как у всех резинометаллических изделий. Ударные упоры, которые поглощают энергию удара, подбирают по другому расчёту, и для них есть отдельный материал про резиновые буферы и отбойники.

Твёрдость резины сдвигает жёсткость, но не одна она

Жёсткость опоры зависит от твёрдости резины и от формы: толстая низкая шайба гораздо жёстче высокой тонкой из той же резины. У каталожных опор твёрдость обычно лежит в диапазоне 40–70 Shore A. Мягкая резина при той же форме даёт большую осадку и лучшую изоляцию, но допускает меньшую нагрузку и сильнее садится со временем. Твёрдую берут для тяжёлых агрегатов и при пусковых рывках.

Если старую опору повторяют по образцу, твёрдость измеряют на ней, но с поправкой: резина за годы под нагрузкой твердеет, и замер на старой опоре может показать на 5–10 единиц больше, чем было у новой. Твёрдость новой опоры лучше вывести обратно из расчёта осадки, чем копировать с затвердевшего образца.

Резину подбирают по маслу, улице и холоду

Материал опоры выбирают по тому, что на неё попадает. Ниже ориентир для марок общего назначения; материал фиксируется в КП.

Опора насоса или компрессора в помещении без масла обычно делается из натурального каучука. Опора крышного вентилятора работает на солнце и морозе, ей подходят EPDM или хлоропрен; как выбирают между ними для уличных деталей, показано в сравнении хлоропрена и EPDM. Если на опору капает масло из редуктора или компрессора, берут NBR или закрывают опору кожухом.

Пуск и остановка проходят через резонанс

При разгоне частота вращения растёт от нуля до рабочей и на короткое время совпадает с резонансной частотой агрегата на опорах. В этот момент амплитуда максимальна, агрегат заметно раскачивается, и мягкие опоры без ограничителей хода могут перегрузиться на разрыв или сдвиг. То же происходит при выбеге после остановки, и выбег длиннее пуска.

Чем быстрее агрегат проходит резонанс, тем меньше раскачка. Частотный преобразователь с плавным пуском затягивает прохождение, поэтому для таких приводов выбирают опоры с ограничителями хода или с более высоким демпфированием. На опорах конической формы ограничитель встроен, на цилиндрических его роль выполняют шайба с зазором или страховочная гайка на шпильке.

Подвижный агрегат тянет за собой трубы и кабели

Агрегат на мягких опорах перемещается на несколько миллиметров при пуске и работе. Жёстко присоединённые трубы принимают на себя эти перемещения, на фланцах появляются нагрузки, а вибрация уходит по трубопроводу в стены. Поэтому насосы и компрессоры на виброопорах подключают через гибкие вставки; устройство и выбор таких вставок разобраны для резинового компенсатора трубопровода. Кабели и шланги к агрегату прокладывают с петлёй.

Опора садится годами, и это видно по высоте

Резина под постоянной нагрузкой медленно теряет высоту и твердеет: это остаточная деформация сжатия. Для опоры это значит, что резонансная частота агрегата год от года растёт и подходит к рабочей. Шум и вибрация растут постепенно, и замечают их, когда опора уже работает почти как жёсткая подставка.

Самая простая проверка состоит в замере высоты опоры под нагрузкой. Если при монтаже высоту каждой опоры записали, по разнице видно, насколько она села. Опора, которая потеряла заметную часть расчётной осадки, трещины по резине, отслоение от металлической пластины, перекос рамы и раскачка при пуске: повод менять комплект.

Карточка опоры заменяет повторный подбор

Подбор опоры занимает больше времени, чем её изготовление, поэтому результат стоит сохранить. В карточке опоры записывают агрегат и место установки, нагрузку на каждую точку, рабочую частоту, расчётную осадку и измеренную высоту под нагрузкой при монтаже, форму и размеры, резину и твёрдость, арматуру и резьбу, номер пресс-формы и дату партии. Отдельной строкой ставят прогноз: когда по осадке ожидается следующая замена.

Через несколько лет, когда опоры сядут, повтор делается по карточке без нового расчёта и без поиска старого чертежа. Наша компания производит резиновые и резинометаллические опоры по чертежу, эскизу или образцу и присваивает изделию артикул вида P-000123, по которому следующую партию делают на той же оснастке; повтор оформляют через заказ по артикулу. Цилиндрические опоры со шпильками, опоры с пластинами и подушки станков под конкретный агрегат делают как виброопоры по чертежу.

Пресс-форма для формовой детали стоит ориентировочно от 25 000 ₽, с НДС, точная цена в КП, и остаётся за изделием, поэтому для однотипного парка агрегатов форму выгодно сделать один раз. Для расчёта новой опоры нужны масса агрегата и его тип, обороты, число точек опоры и их расположение относительно центра тяжести, крепление, среда и место установки. Если старая опора есть, её присылают вместе с замером высоты, который был на агрегате, и тогда видно, сколько она потеряла за срок службы.