С развитием техники и технологий в нефтяной и газовой промышленности увеличивается количество механизмов, выполняющих большую часть технологических операций, однако некоторые виды работ остаются не автоматизированы. В связи с этим человек в процессе работы с машинами и оборудованием подвергается воздействию вредных, а иногда и потенциально опасных производственных факторов.
Одним из основных опасных производственных факторов является вибрация: она возникает в результате работы оборудования, проведения технологических операций, случайных вибраций и т.д.
Вибрация и, как следствие, шум, являясь общебиологическими раздражителями, влияют на все системы организма человека, вызывают преждевременное утомление у рабочих, снижают работоспособность и производительность труда. Также постоянное воздействие вибрации вызывает развитие тяжелых профессиональных заболеваний – вибрационной болезни и профессиональной тугоухости.
Большая часть известных процессов в технике являются колебательными, поэтому вибрация определяется как механические случайные колебания точки или объекта в пределах устойчивого состояния [1]. Вибрационные колебания изменяются во времени по закону синуса и описываются параметрами вибрации: виброскоростью, виброускорением и виброперемещением.
Разброс амплитуды перемещений и скоростей на высоких частотах меньше амплитуды ускорений, поэтому если необходимо проанализировать вибрацию в широком частотном диапазоне, то в качестве параметра лучше использовать виброускорение, а если необходимо исследовать только область низкочастотных вибраций, то предпочтительнее выбирать виброперемещение [2].
В нефтяной и газовой промышленности примерами источников вибрации являются насосные и компрессорные станции. Данное оборудование вибрирует при выполнении своего функционального назначения, однако величина колебаний и их параметров может меняться из-за плохо установленной и раскрепленной фундаментной рамы; дефектов в подшипниках скольжения или в зубозацеплении редуктора и соединительной муфты; проблем, связанных со смазкой; неисправности приводного электродвигателя; плохой центровки валов и др. [3, 4]. В таком случае повышенные вибрации будут передаваться человеку через пол.
В соответствии с ГОСТ 24246-80, ГОСТ 12.4.024-76 по способу передачи человеку вибрации бывают общие и локальные. Под общей вибрацией понимают воздействие механических колебаний на все тело рабочего. Локальная же вибрация воздействует на ограниченные участки тела, в частности на руки и ступни ног.
В рамках данной работы авторами рассматривается локальная вибрация, в целях защиты от которой используются перчатки и обувь со специальной подкладкой из вибродемпфирующих материалов.
В соответствии с ГОСТ 12.4.024-76 в средствах индивидуальной защиты используются упругодемпфирующие материалы или конструкции для исключения контакта с вибрирующей поверхностью.
В настоящий момент имеется ряд патентов [5–12], описывающих возможные способы изготовления обуви, большая часть из которых посвящена созданию упругих конструкций внутри подошвы. В качестве упругодемпфирующих вставок в средствах индивидуальной защиты чаще всего используют силикон и полиуретан разных марок. Данные материалы могут использоваться как жидкие, так и вспененные. В опубликованных работах в основном используются вспененные материалы, способствующие гашению вибраций за счет наличия специальным способом созданных пор. Информации о применении однородных (невспененных) материалов с армированием или без него в свободном доступе не найдено.
Таким образом, цель данной работы – исследовать вибрационные характеристики однородных (невспененных) материалов с армированием и без него и предложить новую конструкцию виброгасящей подошвы как альтернативный способ защиты человека от опасного производственного влияния вибрации.
В качестве материалов для исследования выбраны силикон, полиуретан и никелид титана. Данные материалы отличаются высокой прочностью, обладают хорошими эластичными и демпфирующими свойствами.
Силикон представляет собой кремнийорганические демпфирующие жидкости, представляющие собой смеси полиэтилсилоксанов [13].
Полиуретан – полимер, полученный путем ступенчатой полимеризации, основан на взаимодействии изоцианатов с гликолями [14].
Никелид титана или нитинол – это сплав титана и никеля в процентном соотношении 50 на 50.
Авторами проведены исследования однородных силикона и полиуретана. Полиуретан представляет собой двухкомпонентную систему из двух жидкообразных составляющих: основа – полиол и отвердитель – изоцианат. После их смешивания в нужных пропорциях полиуретан застывает. Двухкомпонентный силикон состоит из основы (компонента А) и катализатора (компонента Б).
Природа поглощения энергии, подробно описанная в работах В.В. Авдонина [15], А. Нашифа [16], Л. Нильсена [17], объясняется эффектом релаксации, то есть при деформации напряжение постепенно спадает, а энергия рассеивается в виде тепла. Материалы различаются только временем перехода в состояние термодинамического равновесия после снятия нагрузки.
Для оценки виброгашения в соответствии с ГОСТ 12.4.024-76 предлагается схема, представленная на рисунке 1
Однако в данной схеме необходим испытатель. Для уменьшения влияния человеческого фактора в эксперименте, авторы собрали стенд для оценки виброгасящей способности материалов, представленный на рисунке 2 (а, б).
Конструкция стенда [1] имеет силовой каркас 1, к которому на виброгасящих стяжках 2 прикреплен столик 3. К столику снизу устанавливается датчик виброметра 4. Сверху столика устанавливается вибродинамик 5. Между столиком и вибродинамиком помещается исследуемый образец 6. Вибродинамик подключается к усилителю. Для охлаждения вибродинамика над ним устанавливается кулер 7.
Таким образом, вибрации передаются только на столик и не передаются на окружающие объекты.
Осциллограф создает периодические колебания различной частоты и передает их на усилитель, от которого в свою очередь питается вибродинамик. Он передает вибрации на столик, виброметром фиксируются значения виброперемещения, виброскорости и виброускорения.
В связи с разработкой виброгасящей обуви для нефтяной и газовой промышленности, исследуемые материалы подвергались колебаниям в диапазоне частоты от 0 до 100 Гц, так как данные значения соответствуют уровню вибрации, при которой работает основная часть нефтегазового оборудования.
По результатам проверки виброгасящей способности двухкомпонентных полиуретана и силикона получены зависимости, представленные на рисунке 3.
По результатам представленных графиков видно, что силикон во всем диапазоне частот имеет меньшие значения виброускорения, виброскорости и виброперемещения, однако следует отметить, что двухкомпонентный полиуретан имеет более высокую твердость (78 по Шору Д), чем силикон (6 по Шору Д).
В соответствии с рисунком 4 силикон, снижая виброскорость, одновременно переводит частоты в более низкочастотный диапазон и показывает максимальное значение виброскорости при 20 Гц, в то время как полиуретан – при 30 Гц, как и вибростенд, но при этом увеличивает амплитуду виброперемещений.
На основании работ [18, 19] установлено, что применение полимеров для гашения вибраций без наполнителей малоэффективно. Поэтому авторами предложено создать систему, состоящую из силикона и проволоки никелида титана.
Никелид титана известен своей высокодемпфирующей способностью за счет наличия термоупругого мартенсита. Способ укладки выбран в виде «спирали» и «зигзага».
Результаты испытаний приведены на рисунках 6–8.
Анализ вышеприведенных графиков показал, что армирование спиралью привело к увеличению виброускорения, но при этом снизило виброперемещение более чем в два раза и виброскорость на величину примерно 10 мм/с. Это позволяет сделать предположение об эффективном применении данного типа армирования силикона для создания вибродемпфирующих вставок в обуви рабочего персонала.
По результатам проведенной работы можно сделать следующие выводы:
1. Для обеспечения безопасной работы сотрудников предприятий нефтегазового комплекса необходимо уменьшение параметров вибрации.
2. Применение стенда для оценки виброгасящей способности материалов наиболее предпочтительно с точки зрения получения объективных результатов в широком диапазоне частот вибраций.
3. Применение невспененных материалов возможно при частотах более 50 Гц, где они показали высокую эффективность.
4. Применение невспененного силикона приводит к снижению виброускорения на 8 м/с2, но и одновременно переводит частоты в более низкочастотный диапазон 20 Гц, что приводит к увеличению амплитуды виброперемещения на 60 мкм.
5. Применение армирования позволяет значительно изменить параметры вибрации, однако большое значение имеет способ укладки армирующего слоя. Наиболее оптимальным с точки зрения изменения параметров вибрации является укладка в виде спирали, которая приводит к снижению виброперемещения более чем в два раза и виброускорения на 10 м/с2.
6. Применение армированного силикона для создания виброгасящей обуви как средства индивидуальной защиты позволяет качественнее защитить персонал, задействованный в обслуживании оборудования нефтегазового комплекса, от воздействия вибрации и снизить риск возникновения профессиональных заболеваний.
Литература
1. Использование демпфирующих свойств материалов для изготовления нефтегазового оборудования [Электронный ресурс]: Учебно-методическое пособие / Ю.С. Дубинов, А.К. Прыгаев, О.Б. Дубинова, А.К. Кузнецов. – М.: РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, 2021.
2. Комкин А.И. Вибрация. Воздействие, нормирование, защита // «Безопасность Жизнедеятельности». – 2004. – № 5. – С. 1–16.
3. Кумар Б.К., Ботаханов Е.К. Эксплуатация насосных и компрессорных станций: Учебное пособие. – Алматы: КазНИТУ имени К. И. Сатпаева, 2015. – 392 с.
4. Васильев А.В. Снижение низкочастотного звука и вибрации энергетических установок: дис. … доктор. техн. наук: 01.04.06. – Санкт-Петербург: 2006. – 298 с.
5. Пат. 117780 U1 Рос. Федерация, МПК A41D 13/00. Виброзащитная обувь с пневматическими демпфирующими устройствами / Э.Н. Аюбов, Д.З. Прищепов, Кочетов О.С. [и др.]; патентообладатель Федеральное государственное бюджетное учреждение "Всероссийский научно-исследовательский институт по проблемам гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций МЧС России (федеральный центр науки и высоких технологий). – № 2012103029/12; заявл. 30.01.2012; опубл. 10.07.2012, Бюл. № 19.
6. Пат. № 45598 U1 Рос. Федерация, МПК A43B 7/32. Виброзащитная обувь / А.Н. Айглов, К.А. Айглов; патентообладатели: А.Н. Айглов, К.А. Айглов. – № 2004126000/22; заявл. 30.08.2004; опубл. 27.05.2005, Бюл. № 15.
7. Пат. № 2541304 С1 Рос. Федерация, МПК A43B 1/00. Обувь спасателя для работы в условиях низких температур с дополнительным сейсмическим воздействием / О.С. Кочетов, А.Ю. Тараканов; патентообладатель Федеральное государственное бюджетное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт по проблемам гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций МЧС России» (федеральный центр науки и высоких технологий). – № 2013158016/12; заявл. 26.12.2013; опубл. 10.02.2015, Бюл. № 4.
8. Пат. № 117787 U1 Рос. Федерация, МПК A43B 3/00. Виброзащитная обувь / Э.Н. Аюбов, Д.З. Прищепов, О.С. Кочетов [и др.]; патентообладатель Федеральное государственное бюджетное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт по проблемам гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций МЧС России» (федеральный центр науки и высоких технологий). – № 2012103027/12; заявл. 30.01.2012; опубл. 10.07.2012, Бюл. № 19.
9. Пат. № 126575 U1 Рос. Федерация, МПК A43B 3/00. Виброзащитная обувь с противоскользящим слоем / Э.Н. Аюбов, Д.З. Прищепов, О.С. Кочетов [и др.]; патентообладатель Федеральное государственное бюджетное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт по проблемам гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций МЧС России» (федеральный центр науки и высоких технологий). – № 2012128066/12; заявл. 05.07.2012; опубл. 10.04.2013, Бюл. № 10.
10. Пат. № 2441563 С1 Рос. Федерация, МПК A43B 7/32. Виброзащитная обувь типа кочстар / О.С. Кочетов, М.О. Стареева; патентообладатели Кочетов О.С. Стареева М.О. – № 2011103845/12; заявл. 03.02.2011; опубл. 10.02.2012, Бюл. № 4.
11. Пат. № 2450781 С1 Рос. Федерация, МПК A41D 13/00. Виброзащитная обувь с сетчатым упругим элементом / О.С. Кочетов, М.О. Стареева; патентообладатели Кочетов О.С. Стареева М.О. – № 2011103844/12; заявл. 03.02.2011; опубл. 20.05.2012, Бюл. № 14.
12. Пат. № 2438541 С2 Рос. Федерация, МПК A43B 7/32. Виброзащитная обувь: / О.С. Кочетов, М.О. Стареева; патентообладатели Кочетов О.С. Стареева М.О. – № 2010112739/12; заявл. 02.04.2010; опубл. 10.01.2010, Бюл. № 14.
13. Бажант В. Силиконы – кремнийорганические соединения, их получение, свойства и применение. – М.: Госхимиздат, 1960. – 700 с.
14. Саундерс Дж. Х., Фриш К.К. Химия полиуретанов. – М.: Химия, 1968. – 470 с.
15. Авдонин В.В. Вибропоглощающие композиционные покрытия: дис. … канд. техн. наук: 05.23.05 / Васильев Андрей Витальевич. – Саранск, 2015. – 123 с.
16. Нашиф А., Джоунс Д., Хендерсон Дж. Демпфирование колебаний – М.: Мир, 1988. – 488 с.
17. Нильсен Л. Механические свойства полимеров и полимерных композиций. – М.: Химия, 1978. – 301 с.
18. Сагалаев Г.В. Общие технические требования к наполнителям // Наполнители полимерных материалов. – М.: МДНТП им. Ф. Э. Дзержинского, 1983. – С. 57–64.
19. Michalczyk, K. Analysis of the influence of elastomeric layer on helical spring stresses in longitudinal resonance vibration conditions // Archives of civil and mechanical engineering. – 2013. – Vol. 13. – P. 21–26.
