Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Шум и вибрация, как показатели качества технологических процессов 5
1.1. Технологическая среда - источник шума и вибрации 5
1.2. Воздействие шума и вибрации на качество изделий, на условия труда и окружающую среду 13
1.3. Минимизация шума и вибрации в технологической среде 17
1.4. Постановка задачи 21
Глава 2. Экспериментальные исследования вибрации и шума 24
2.1. Методика экспериментальных исследований 24
2.1.1. Материал и инструмент, используемые в эксперименте 27
2.1.2. Методы измерений характеристик шума и вибрации 28
2.2. Результаты экспериментальных исследований 30
2.2.1 Результаты экспериментальных исследований зависимостей шума и вибрации на станке МА 1600Ф30-01 30
2.2.2. Результаты экспериментальных исследований зависимостей шума и вибрации холостого хода станка 16К20 57
2.2.3. Результаты экспериментальных исследований при обработке деталей на станке 16К20 68
Глава 3 Анализ экспериментальных исследований 128
3 1. Метрологический анализ полученных кривых 128
3.2. Сущность линеаризации 132
3.3. Результаты регрессионного анализа экспериментальных кривых 133
3.4. Применимость результатов для автоматизации и управления 155
Глава 4. Система управления скоростью резания для уменьшения показателей шума и вибрации 156
4.1. Система управления токарным станком 156
4.2. Реализация принципиальной схемы для токарного станка 157
4.3.Особенности формирования информации для системы управления 159
Основные выводы и результаты 165
Библиографический список использованной
Литературы
- Технологическая среда - источник шума и вибрации
- Методика экспериментальных исследований
- Метрологический анализ полученных кривых
- Система управления токарным станком
Введение к работе
Современные технические средства, предназначенные для удовлетворения жизненных потребностей человека, становятся все более энергонасыщенными и автоматизированными, что сопровождается увеличением уровней шума, вибрации, электромагнитных излучений и выделением вредных веществ в окружающую среду, Кроме вредного воздействия на окружающую среду колебания влияют на долговечность и точность самого технологического оборудования, и на поддерживающих их строительных конструкций.
Металлообрабатывающие станки создают на рабочих местах уровни шума и вибрации, существенно превышающие предельно допустимые величины. Под влиянием шума и вибраций возникает бессонница, быстро развивается утомление, снижается общая работоспособность, качества выполняемых работ и производительность труда. В конечном итоге все это в значительной степени определяет конкурентоспособность продукции в целом.
Установлено, что около 20 % работников, занятых в промышленности Российской Федерации в условиях, не отвечающих санитарно-гигиеническим нормативам, более трети из них (6,8 %) подвержены воздействию повышенного уровня шума и вибрации.
Вместе с тем, в современном машиностроительном производстве важным средством обеспечения требуемых показателей качества является автоматизация технологических процессов и производств. В связи с этим существует актуальная задача повышения качества технологических процессов и производств за счет управления экологическими показателями качества, в частности показателями шума и вибрации.
Технологическая среда - источник шума и вибрации
Как известно [7,9,12,13,25,29,30,46,51,63,69,101,105] технологическая среда представляет собой совокупность, оборудования, технологии, инструмента, вспомогательных средств и средств автоматизации.
Технологическая среда в значительной степени является важнейшим компонентом промышленности страны и в значительной степени определяет ее экономический потенциал.
Действительно технологическая среда является основой для всех отраслей промышленности. Рассмотрим рисунок 1.1, где показано, что технологическая среда обеспечивает все отрасли промышленности и сельского хозяйства продукцией в виде оборудования, инструмента и вспомогательных приспособлений, машин и т.д. Ни одна отрасль не обходится без продукции технологической среды также как и сама технологическая среда.
Вибрация и шум по физической природе представляют собой соответственно механические и акустические колебания материальных частиц упругой среды твердого тела, жидкости, газа [6,22,41,52,102,106,107]
Они сопровождают любой технологический процесс и являются характерными для такого важнейшего этапа жизненного цикла технологической среды, каким является этап эксплуатация.
Для реализации технологического процесса необходимо подать энергию в зону обработки (например, в зону резания) т.к. источником энергии для технологической среды в подавляющем большинстве случаев является электрическая энергия, то в оборудование технологической среды обязательно входит преобразователь электрической энергии в другие (например, в механическую) в этом случаи этот преобразователь называется электромеханический преобразователь, и его функции в оборудовании выполняет электродвигатель [12,68,77]. Для передачи энергии в зону обработки в оборудовании входит система передачи энергии, например кинематическая цепь. Во всей этой цепочки преобразования и передачи энергии существует ее потери. Т.к. вибрация представляет собой механические колебания, а шум в технологической среде является следствием проявления вибрации, а механические колебания возникают только в подвижных частях оборудования, т.е. при передаче энергии, рассмотрим подробнее этот путь, на котором они образуются.
По своей природе возникновения шумы машин могут быть механическими, аэродинамическими, гидродинамическими, электромагнитными. На ряде производств преобладает механический шум, обусловленный колебаниями деталей машин и их взаимным перемещением [20,21,32,33,43,82,86,111,112]. Он вызывается силовыми воздействиями неуравновешенных вращающихся масс, ударами в сочленениях деталей, стуках в зазорах, движением материалов в трубопроводах. Спектр механического шума занимает широкую область частот. Определяющими факторами механического шума являются форма, размеры и тип конструкции, число оборотов, механические свойства материала, состояние поверхностей взаимодействующих тел и их смазывание.
Аэродинамические и гидродинамические шумы можно разделить на ряд групп, основными из которых являются: - шумы, обусловленные периодическим выпуском газа в атмосферу. Составляющие этого типа встречаются в шумах винтовых насосов и компрессоров, пневматических двигателей, двигателей внутреннего сгорания; - шумы, возникающие из-за образования вихрей у твердых границ потока. Эти шумы наиболее характерны для вентиляторов, турбовоздуходувок, насосов, турбокомпрессоров, воздуховодов; - кавитационный шум, возникающий в жидкостях из-за потери жидкостью прочности на разрыв при уменьшении в ней давления ниже определенного предела и возникновения полостей и пузырьков, заполненных парами жидкости и растворенными в ней газами. Шум электромагнитного происхождения возникают в электрических машинах и оборудовании. Причиной этих шумов является главным образом взаимодействие ферромагнитных масс под влиянием переменных, во времени и пространстве магнитных полей. Электрические машины создают шумы с различными уровнями звука: от 20-30 дБА (микромашины) до 100-110 дБА (крупные быстроходные машины).
Процесс резания всегда сопровождается шумом, т.к. часть энергии неизбежно расходуется на возбуждение упругих волн в упругой среде. Особенно неприятен тональный шум, на 15-20 дБА превышающий обычные уровни в диапазоне 2-4 к Гц, часто возникающий при обработке тонкостенных деталей, при обработке чугуна, бронзы, при отрезке, точении со снятием широких тонких стружек, выстое (остановке подачи инструмента). В подавляющим большинстве случаев, тональный шум при резании является следствием автоколебаний. Автоколебания возникают в результате того, что при относительном движении резца по направлению силы резания, последняя, оказывается больше своих значений при обратном движении резца. В результате возникает разность работ и часть энергии, расходуемой на резание, затрачивается на поддержание относительных колебаний инструмента.
На рисунке 1.4, показаны траектории движения резца в плоскости XOZ при резании (толщина среза а 0) и высоте (а=0). При резании и при высоте траектории движения резца представляют собой эллипс, но при резании большая ось эллипса расположена в направлении оси Z, при выстое ориентация осей эллипса меняется на угол, близкий к 90, т.е. увеличивается размах колебаний в направлении, перпендикулярном поверхности резания. В последнем случае разность работ, идущая на поддержание колебаний увеличивается и их интенсивность возрастает. Разность работ возникает за счет того, что за один цикл колебаний сила трения периодически меняется из-за периодического изменения скорости резания, рабочих углов режущего инструмента, нормальных давлений на контактных поверхностях. -x
В процессе выстоя траектория движения инструмента имеет такую форму, что на отдельных фазах движения может возникать разрыв контакта инструмента и детали, уменьшающий силы трения до нуля, вызывая увеличение разности работ, идущей на поддержание колебаний.
При работе металлорежущего оборудования одновременно могут возникать шум и вибрации различного характера и в основном эти характеристики в производственных помещениях превышают предельно допустимые уровни. Предельно допустимые уровни звука на рабочих местах в производственных и вспомогательных зданиях, а также на площадках промышленных предприятий отражены в таблице 1.1.[26,87]
Методика экспериментальных исследований
Экспериментальные исследования проводились на станках моделей МА 1600Ф30-01 и 16К20. Станок МА 1600Ф30-01, производства «Станкоконструкция» схематично представлена на рисунке 2.1, где показаны точки в которых были произведены замеры характеристик шума и вибрации. Точки были выбраны следующим образом 1- возле шпиндельного узла, точка 2 - в зоне резания точка 3 в зоне установки задней бабки. На станке MA 1600Ф30-01 были произведены исследования образования шума и вибрации на холостых ходах. Так же аналогичные эксперименты были проведены и на станке 16К20 тоже в тех трех точках (рис. 2.2), точка 1 - возле шпиндельного узла, 2- зона резания, 3 - в зоне установки задней бабки.
На нем были проведены исследования не только на холостых ходах, но и при обработке деталей, при различных режимах и условиях. Для измерений применялись приборы: ВШВ-003-М2 для измерения шума и вибрации, «Октава» для измерения вибрации, SVAN 945 для измерения шума, характеристики которых представлены в таблице 2.1. Таблица 2.1 Характеристики приборов. № п.п. Тип прибора Измеряемые параметры Технические характеристики 1 2 3 4 1. ВШВ - 003-М2 Вибрации, Гц 1 10000 Звукового давления по ЛИН 2 18000 Виброускорения, м/с 3xl0"J....10"J Продолжение таблицы №2. 1 2 3 Виброскорости, мм/с 3x10 "....5х10"4 Уровня звука, дБ отн. 2x10 5 Па 22....140 Погрешность измерений:вибрации, %Шума (класс точночти) ±10 Частотный анализ, Гц 1/1-ктавы вдиапазоне2. ...18000 2 Октава- 101 Виброускорение, мс (с датчиком АР98) 0,0001-1780 Общая вибрация, Гц 0,8 -80 Локальная вибрация, Гц 6,3-1250 Виброускорение по ЛИН, Гц 6,3-1400 Класс точности Частотный анализ, Гц 1/1 и 1/3 -октаввы в диапазоне 0,8-20000 3 SVAN 945 Звуковое давление в 1/1 и 1/3 октавных полосах частот, Гц 1....20000 Эквивалентного уровня звукового давления в 1/1 и 1/3 октавных полосах частот, Гц 1....20000 Звуковое давление в режиме шумомера, дБА 22..,.139 Класс точности 1 2.1.1 Материал и инструмент, используемые в эксперименте
В исследовании использовались заготовки двух видов сталей 45 и 40Х. Эти стали, относятся к конструкционным углеродистым сталям [1,42]. Сталь 45 относится к углеродистым улучшаемым сталям, имеет низкую прокаливаемость, и применяют ее для изготовления деталей небольшого сечения и простой формы. Концентрация углерода в этой стали, составляет 0,4%. В улучшенном состоянии они придают деталям хорошее сочетание прочностных свойств, пластичности и ударной вязкости. Сталь 45 применяют для средне- и тяжело нагруженных деталей машин большого сечения работающих при динамических и циклических нагрузках. Сталь 40Х относится к хромистым сталям, содержание углерода в которой составляет 0,4 % и ОД % хрома. Она относится к легированным качественным сталям. Эта сталь по физическим свойствам практически не отличается от стали 45. Сталь 40Х применяют, в отличие от стали 45, для изготовления продукции с более большими диаметрами. Таблица 2.2 Свойства инструментального материала. Инстру мент Характер стали Пределы прочности, МПа Твердость, HRA, HRC Теплостойкое ть,С при изгибе При растя жени и,CfpacT При сжатИИ Т15К6 Твердыйсплав 1176 500 4300 90 1000-1030 В экспериментальных исследованиях использовали проходной резец с материалом, режущей части Т15К6 который, используют для обработки деталей, из материала конструкционной углеродистой стали. Свойства резца, который использовался в эксперименте, приведены в таблице 2.2.[88]. 2.1.2 Методы измерений характеристик шума и вибрации Основными методами измерения шумовых характеристик машин являются [26,50,86]: - метод свободного звукового поля (реализуется в заглушённых камерах с жестким полом или в открытом пространстве; - метод отраженного звукового поля (используется в реверберационных камерах; - метод образцового источника шума (применяется в обычных цехах и помещениях); - метод измерения шумовых характеристик на расстоянии 1 м от наружного контура машины (используется в помещениях с большим звукопоглощением или в открытом пространстве.
В данной работе использовался метод измерение шумовых характеристик на расстоянии 1 метра от наружного контура машин т.к. именно этот метод используется для оценки шумового загрязнения в машиностроительном производстве и во многих других отраслях.
Измерения производятся в следующим порядке: 1. Определяются точки измерения от 3 до 5 в точках шумообразования и непосредственно на рабочем месте станочника. 2. Измерительный прибор включают на характеристику «А». 3. Микрофон помещают на расстояние вытянутой руки или 1 метр от источника шума в определенной точки измерения. 4. На рабочем месте в зоне резания микрофон помещают не далее 5 см от уха станочника. 5. Продолжительность измерений не менее 30 минут при интервале между отчетами от 5 до 6 секунд. 6. Измерения записываются, в заранее приготовленную таблицу и далее производится расчет, или анализ полученных данных. Основные методы измерения вибрации на металлообрабатывающих станках являются [28,50,86]: - метод измерения в местах непосредственного контакта станочника с вибрирующей поверхностью; - при контроле вибрационных характеристик машин измерения проводят в точках нормирования, вибропреобразователь в этом случае устанавливается непосредственно на контролирующую машину в точках указанных в нормативных документах этого оборудования или на переходных элементах (хомутах, адаптерах и т.д.) - при различных разбросах норм и коррекциях по частотам общей и локальной вибрации производят измерения в вертикальном направлении, т.е. допускается, ограничится измерениями только в направлении максимальной вибрации. Измерение вибрации производилось в тех же точках, что и шумовые характеристики в аналогичных условиях, т.е. в местах непосредственного контакта станочника и с вибрирующей поверхностью точка 2, и точка 1 и 3 в местах, где производились измерения шума. Измерения производились в следующем порядке 1. Определяем точки измерения. 2. Подключаем к прибору пьезоэлектрический преобразователь. 3. Датчик устанавливают непосредственно в точке контакта станочника с вибрирующей поверхностью (зона резания). 4. В остальных точках - в зонах возможного контакта станочника с вибрирующей поверхностью 5. Измерения непрерывных спектров локальной вибрации производят не менее 3 секунд, общей - не менее 30 секунд 6. Измерение эквивалентного корректированного значения вибрации производится для локальной не менее 5 минут, для общей не менее 15 минут. 7. Данные записываются в заранее приготовленную таблицу и далее обрабатываются, и производится анализ. 2.2. Результаты экспериментальных исследований 2.2.1 Результаты экспериментальных исследований зависимостей шума и вибрации на станке МА 1600Ф30-01. В производственном помещении промышленного предприятия непостоянный шум и поэтому для оценки шумового загрязнения требуется определять эквивалентный уровень звукового давления на постоянном рабочем месте. Эквивалентные значения звукового давления были получены путем расчета в соответствии с руководством Р 2.2.06-05, 2.2. Гигиена труда. Для получения эквивалентного уровня звука производились измерения в каждой точке при различных оборотах в течении 30 минут при интервале отсчетов от 5 до 6 секунд на расстояние 1 метра от источника шума. Для каждой точки при разных оборотах получаем 360 значений звукового давления, по которым можно произвести расчет эквивалентного уровня звука для этих точек. Последовательность расчета эквивалентного уровня звука при обработке результатов рассмотрим на примере расчета эквивалентного уровня звука в точке 1 при 1800 оборотах шпинделя холостого хода станка МА 1600ФЗО-01. 1. Проводим измерения на расстоянии 1 метра от источника шума в точке 1, в течение 30 минут при интервале отсчетов 5-6 секунд получаем 360 значений звукового давления, которые показаны в таблице 2.3.
Метрологический анализ полученных кривых
Рассмотрим полученные зависимости шума и вибрации от параметров резания и от времени обработки с целью применения их для автоматизации и управления в области минимизации загрязнения окружающей среды шумовыми и вибрационными загрязнениями.
Зависимость шума и вибрации от времени обработки представляет собой прямую проходящую параллельно оси х т.е. от времени обработки характеристики шума и вибрации не зависят, следовательно, применить к автоматизации и управлению эту зависимость нельзя. А полученные зависимости характеристик шума от параметров резания, т.е. от частоты вращения шпинделя, скорости подачи, глубины резания, образуют линейные возрастающие зависимости, которые можно использовать в автоматизированной системе управления.
Наиболее широко в машиностроении применяют системы управления в электродвигателях обратные связи по току двигателя, по скорости и положению [60].. Используя измерительные данные, полученные ранее для автоматизации и управления можно применить обратную связь по скорости и по положению. По скорости применительно для зависимости шума от частоты вращения шпинделя и от подачи, по положению - для зависимости от глубины срезаемого слоя.
В связи с тем, что крутизна прямых зависимостей характеристик шума от частоты вращения шпинделя, скорости подачи, и глубины резания отличается и соответствует соотношению 6 : 3 : 1, то целесообразно адаптировать имеющуюся систему управления к управлению экологическими параметрами, а именно использовать в управлении зависимость эквивалентного значения звукового давления от частоты вращения шпинделя, т.к. при использовании этой зависимости мы обеспечим наиболее чувствительное управление экологическими показателями шума и вибрации при металлообработке.
Как известно[40,61,93,94;,96,99Д08], в современном машиностроительном производстве наибольшее распространение имеют замкнутые системы управления, принципиальная схема которых представлена. На вход системы подается задание (Х-,), при этом на входе объекта управления возникает сигнал (У), который является характеристикой целевой функции или параметра, функционально связанного с системой управления. Т.к. любая система управления может работать в условиях проявления возмущений, вызываемых изменением передаточной функции (W), то для компенсации этих возмущений используют обратную связь с передаточной функцией (W0C). Такая передаточная функция автоматизированной системы (Wa) представлена выражением:
Следует отметить, что в области реальных частот, характерных для технологической среды в целом и для токарного станка в частности, справедливо выражение. В этом случае передаточная функция автоматизированной системы определяется выражением: Последнее выражение показывает, что качество автоматизированной системы определяется в основном качеством ее системы обратной связи. Это означает, что именно система обратной связи, а значит, в первую очередь, характеристики средств измерений параметров технологического процесса определяют свойства системы в целом, ее аддитивную и мультипликативную погрешности, чувствительность и др.
Как известно[96,99,100,108], в традиционной системе управления приводом информационные потоки сопоставляются в регуляторах системы управления. В традиционных приводах система обратной связи формирует эти потоки по следующим параметрам - по току, потребляемому двигателем; скорости перемещения элементов механической системы и положению этих элементов. В случае автоматического обеспечения экологического качества целесообразно использовать традиционную систему управления, увязав традиционные алгоритмы управления с экологическими показателями.
Система управления токарным станком
Показана классическая схема регулируемого привода постоянного тока с подчиненным управлением, обратная связь в котором формируется внутренним (обратная связь по току) и внешним контуром (обратная связь по скорости), сигналы с которых поступают на регуляторы (Р) соответственно тока (I) и скорости (0). Управляющий сигнал на силовой преобразователь (СП) подается с системы регуляторов (Р), этот преобразователь управляет двигателем (М) и механической передачей МП, которая представляет собой кинематику станка. Т.к. автоматическое управление уровнем звукового давления ведется по скорости, то традиционная системы управления должна быть расширена дополнительной обратной связью - обратная связь по уровню звукового давления, информационный сигнал с которой поступает в регулятор скорости. Для этой цели (на рис. 4.2 показано пунктирной линией) в точке 1 оборудования устанавливается датчик звукового давления (Д), сигнал с которого поступает в регулятор скорости.
В наиболее распространенных регулируемых приводах управление ведется по средством формирования требуемого значения скорости, например, на валу двигателя, и значения тока, потребляемого двигателя. При этом управление ведется по различным функциональным зависимостям, которые реализуются посредствам П-регуляторов, ПИ-регуляторов, ПИД-регуляторов.
Как показали экспериментальные и теоретические исследования, зависимость звукового давления от скорости носит линейный характер, т.е. алгоритм управления системы является линейным.
В случае системы управления на переменном токе с использованием, например, асинхронного двигателя, управление скоростью осуществляется не изменением тока, функцию которого выполняет (СП), а изменением частоты тока (частотное управление). Это функция возлагается также и на силовой преобразователь, что также подразумевает увязку традиционных алгоритмов управления с экологическими показателями.
В современном машиностроении в подавляющем большинстве случаев применяют цифровые системы управления, характерной особенностью которых является наличие в системе аналого-цифрового преобразователя (АЦП) [108,109], осуществляющего квантование по времени непрерывного сигнала, которым является уровень звукового давления (Л).
Для последнего выражения это соответствует только первому члену ряда Lg, т.е. осуществляется экстраполяция начального значения концентрации на весь временной интервал [ОД] посредством экстраполятора нулевого порядка отброшенные члены ряда определяют в значительной мере погрешность управления, которая может достигать больших величин, учитывая сверхширокий диапазон регулирования (10000 : 1 и более), характерный для систем автоматического управления технологическими процессами.
В качестве эффективного метода устранения этого недостатка при формировании управляющего сигнала может быть применен метод комплексирования [109], заключающимся в том, что дискретное значение информации о звуковом давлении L0 в начале временного интервала квантования дополняется текущим значением скорости изменения этой величины L (t) внутри временного интервала, т.е. учитывается остаточный член вышеприведенного рядаЯе
В полученном выражении второй сомножитель определяет передаточную функцию экстраполятора нулевого порядка. А первый сомножитель представляет собой измеритель показателей шума и вибрации в начальной ; - го интервала, который осуществляется с помощью приборов для измерения шума и вибрации, при этом по тем же причинам, по которым приняты допущения о возможности отбрасываемого члена ряда в выражении 4.5 это значение заменено на среднее значение эквивалентного значение звукового давления на временном интервале (показание приборов).
