الإهتزاز (عزل-)
اهتزاز (عزل)
Vibration isolation - Isolation des vibrations
محمد أحمد السمارة
تُعدّ الاهتزازات الميكانيكية من أهم مصادر الإزعاج للبشر ولعمل التجهيزات الدقيقة، ومن أبسط أنواع القوى التي تنجم عن هذه الاهتزازات القوة التوافقية المبيَّنة في الشكل (1) والتي تنجم عن دوران محرِّك مضخة أو ضاغط جهاز تكييف أو حركة مروحة.
 |
|
الشكل (1) قوة توافقية |
يمكن أن تنتشر الاهتزازات عشرات الأمتار. وللتخفيف من آثارها السلبية- في الأجهزة الحساسة القريبة منها خاصة- يجب عزلها في معظم الحالات بوضع وسط مرن (عازل اهتزاز) بين مصدر الاهتزاز والوسط المحيط لتخفيض شدة القوة المنقولة من ذلك المصدر إلى مسانده، ومن ثمّ إلى الوسط المحيط؛ ويسمى هذا بالعزل الفعَّال active، أو تخفيض شدة الحركة المنقولة من مسند مهتز إلى جهاز دقيق يرتكز عليه؛ وهذا يسمى بالعزل السلبي passive. ويمكن تحقيق ذلك عملياً باستخدام جملة مساند مرنة elastic mounting system على طريق انتشار الاهتزاز تسمى عوازل الاهتزاز vibration isolators؛ وهذا ما يعيق انتشاره من المصدر إلى المستقبل (الشكل 2).
 |
|
الشكل (2) أنواع العزل |
يبيّن الشكل (3) مثالاً شائعاً لمصدر اهتزاز يتألف من ضاغط جهاز تكييف ترددي رُكِّب على سطح بناء. ويُعدّ هذا النوع من التجهيزات مصدر اهتزاز وضجيج مزعج؛ إذا لم يُركّب على الأرض مباشرة مع توفير شروط عزل جيدة.
 |
|
الشكل (3) عزل جهاز تكييف. |
تنجم عن الآلات المهتزة قوى ديناميكية كبيرة أحياناً، ولكن يمكن تخفيض القوى المنقولة من هذه الآلات إلى قواعدها باستخدام مساند مرنة، أو بالعكس أحياناً يمكن تركيب الآلات الدقيقة على مساند مرنة لتخفيض الاهتزاز الذي قد ينتقل إليها من الوسط المحيط. ويبيّن الشكل (4 -أ) آلة مهتزة مثبتة على أرضية صلبة بوساطة براغيّ (من دون عوازل)، فتنتقل القوة المتولدة في الآلة كاملة إلى الأرضية. ويمكن تخفيض هذه القوة بإضافة عوازل اهتزاز كما في الشكل (4 -ب) أو بإضافة كتلة كبيرة تسمى كتلة عطالة inertia block تتصل مباشرة بالآلة كما في الشكل (4 -ج)، أو بإضافة كتلة أخرى على مستوٍ ثانٍ كما في الشكل (4 -د): تسمى الكتلة الزلزالية seismic mass.
 |
| الشكل (4) طرائق تركيب العوازل. |
ويبيّن الشكل (5) مخططاً تمثيلياً للآلة الموضحة في الشكل (4 -ب) التي تتعرض للقوة الديناميكية كما في المعادلة (1):
 |
حيث Ω و Fo هما تواتر القوة الديناميكية و مطالها على الترتيب.
فتُكتب معادلة الحركة على النحو التالي (المعادلة 2):
 |
حيث X و α هما مطال الاهتزاز و فرق الصفحة (الطور) بين القوة والانتقال على الترتيب.
 |
| الشكل (5) مخطط تمثيلي لآلة مهتزة. |
يُحدَّد مطال الاهتزاز بالعلاقة التالية (3):
 |
حيث 
.
هي تواتر الجملة المهتزة.
k صلابة العازل.
m كتلة الجسم المهتز.
نسبة التخميد.
تُحدَّد القوة المنقولة إلى قواعد الآلة من النابض (k) والمخمد (c) بالعلاقة (4):
 |
حيث 
هي سرعة الحركة،
وc معامل التخميد.
 |
ويُحدَّد مطال هذه القوة بالعلاقة التالية (6):
وتُحدَّد نسبة الانتقال أو الناقلية بالعلاقة التالية (7):
بتعويض العلاقة (3) في العلاقة (7) ينتج العلاقة (8):
 |
يبيّن الشكل (6) رسماً بيانياً للعلاقة (8) حيث يتضح ما يلي:
 |
- يجب أن يحقق العزل الجيد 
؛ أي يجب أن تكون 
أصغر ما يمكن مقارنة بتواتر الإثارة 
. ويتحقق ذلك عندما تكون الصلابة k صغيرة؛ وبالتالي يجب أن يكون المسند مرناً إلى حد مقبول لا تنشأ عنده مشكلات في التشغيل والاستثمار. إذاً من المرغوب فيه نظرياً أن يكون عازل الاهتزاز ذا صلابة منخفضة، ولكن ذلك قد يؤدي إلى عدم استقرار الآلة المعزولة. ولهذا يتوجب أحياناً المحافظة على صلابة معقولة للعازل. وتُسند الآلة إلى كتلة كبيرة كما في الشكل (4-ج)؛ وهذا ما ينتج عنه قيمة منخفضة للتواتر
.
 |
| الشكل (6) رسم بياني للناقلية. |
- يؤدي التخميد دوراً مهماً بجوار 1 = r (حالة الطنين) حيث تنخفض الناقلية مع زيادة نسبة التخميد، بيد أن هذا الدور ينعكس عندما تصبح
.
تستعمل عموماً أربعة أنواع من المواد المرنة في صناعة العوازل، وهي الهواء والمعدن والمطاط والفلين. تُستعمل الوسائد الهوائية للحصول على تواتر منخفض بحدود واحد هرتز. أما النوابض المعدنية فيمكن أن تستعمل للحصول على تواتر أكبر من 1.3 هرتز، وتُستعمل معها طبقة من المطاط أو اللباد تمنع اتصال معدن العازل بمعدن الآلة المهتزة. ويُستعمل أحياناً المطاط في صناعة العوازل للحصول على تواترات أكبر من 5 هرتز. كما يُعدّ الفلين من أقدم المواد المستخدمة في عزل الاهتزاز للحصول على تواتر أكبر من 25 هرتز.
يستعمل في بعض العوازل النموذجية نابض حلزوني لتوفير الصلابة المطلوبة مع طبقة من المطاط الصنعي (نيوبرين) neoprene (أو اللدائن المرنة ) elastomer لتوفير التخميد اللازم. وتُصنع بعض العوازل الأخرى من المطاط القاسي لتوفير الصلابة والتخميد المطلوبين بآن واحد، ويبين الشكل (7) بعض أشكال هذه العوازل المتوفرة تجارياً. وإذا كانت الصلابة المطلوبة منخفضة جداً، ولا يمكن توفيرها عن طريق النوابض، فيجري استخدام وسائد الهواء؛ إذ تُوفّر الصلابة المطلوبة بمعايرة ضغط الهواء في الوسادة.
 |
| الشكل (7) بعض نماذج عوازل الاهتزاز. |
تُحدَّد مواقع عوازل الاهتزاز بعدة طرائق، منها:
- تحت الآلة المهتزة: تُعدّ منظومات العزل ذات التواترات الصغيرة مقارنة بتواتر الإثارة الديناميكية هي الفضلى. ولكن ذلك قد يعرض الآلة لعدم الاستقرار؛ لأنه يتطلب صلابة منخفضة لنظام العزل. ويمكن التغلب على ذلك بتوفير مسافة مناسبة بين العوازل مقارنة بارتفاع مركز ثقل الآلة عن منسوب الاستناد. وتبيّن الاختبارات أن المسافة بين العوازل يجب ألا تقل عن ضعف ارتفاع مركز الثقل، كما هو مبين في الشكل (8).
 |
| الشكل (9) عوازل على جانبي الآلة. |
-في مستوي مركز الثقل: يُعدّ تركيب العوازل في مستوي مركز ثقل الآلة هو الوضع المثالي؛ لأن ذلك يساعد على التخلص من أنماط الاهتزاز الدورانية. ولكن قلما يمكن تحقيق ذلك؛ بسبب عدم توفر الفراغ اللازم. وفي كل الأحوال يجب أن تتحقق الشروط الأساسية التالية:
1 - أن تتوضع العوازل في مستوٍ مار من مركز ثقل الآلة،
2 - أن تكون المسافة بين العوازل مساوية لضعف نصف قطر عطالة الجملة المهتزة.
3 - أن تتساوى الصلابتان الأفقية والشاقولية للعوازل.
قد يكون من الصعب تحقيق الشرط الثاني؛ إذا كان الفراغ المتاح غير كافٍ.
- على جانبي الآلة المهتزة: تُركَّب مجموعتان من العوازل على كل جانب، كما هو مبيّن في الشكل (9). وتُركَّب العوازل في مستوي نصف قطر العطالة؛ للحصول على أفضل النتائج. ولكن تحديد نصف قطر العطالة بدقة قد يكون غير ممكن، بيد أنه يمكن حسابه بدقة مقبولة إذا عدّ أن للجسم كثافة منتظمة. ويصير استخدام هذا النظام غير مقبول عندما ينتج انعطاف كبير بين مواقع العوازل العليا والدنيا بسبب عدم كفاية الصلابة الإنشائية.
 |
| الشكل(8) المسافة بين العوازل. |
|
مراجع للاستزادة: - محمد السمارة، أساسيات ديناميك المنشآت و الهندسة الزلزالية، جامعة دمشق، 2006. - M. Paz and W. Leigh, Structural Dynamics, Kluwer Academic Publishers, 2004. |
- المجلد : المجلد الرابع مشاركة :
اخترنا لكم
المجلدات الصادرة عن موسوعة العلوم والتقانات
