Введение к работе
Актуальность темы. Шумовое загрязнение окружающей среды в последние два десятилетия является одной из актуальных проблем для России и промышленно развитых зарубежных стран.
Основными источниками шумового загрязнения окружающей средь; и пространства где находится обслуживающий персонал горных макин на шахтах и разрезах являются: забойные горные машины различного технологического назначения, транспортные средства горного предприятия, горно-шахтные стационарные установки, машины и механизмы коммунальной службы административно-бытового комбината.
Высокая производительность современных горных предприятий и полная механизация основных технологических проаессоЕ горного производства обуславливают необходимость применения на очистных и проходческих работах самоходного буроєого оборудования, большегрузных погрузочных и погрузочно-доставочных машин, проходческих и очистных комбайнов, скреперных установок, вентиляторов участкового и местного проветривания и большегрузных транспортных машин в виде самосвалов и электровозной откатки.
Яля обеспечения жизнедеятельности горного предприятия и добычи полезного ископаемого, на промплощадке и в камерах под землей сооружаются мощные комплексы стационарных машин, а именно: рудничные подъемные установки, установки главного проветривания горных выработок, установки главного и вспомогательного водоотлива, компрессорные агрегаты для выработки энергии сжатого воздуха и компрессоры холодильных станций на глубоких шахтах.
Мощные, высокопроизводительные и быстроходные горные машины при работе излучают в горные выработки, камеры и производственные помещения шум высокой интенсивности, превышающий допустимые для человека санитарные нормы на частотах от 160 до 8000 Гц.
Высокий уровень шума при работе горных машин отрицательно влияет на здоровье обслуживающего персонала, а в ряде случаев является причиной ошибочного восприятия полезной информации, в результате чего создается аварийная ситуация.
Проникновение воздушного шума, при работе горных машин, в кабины управления и в окружающую среду зависит от звукоизоляционных свойств ограждающих конструкций кабин управления и промышленных зданий. Известно, что наименьшей звукоизоляцией обладают остекленные ограждающие конструкции, которые занимают до 30;'
плошади поверхности наружных ограждений. Отсюда следует, что при работе горных машин шум. в основном, проникает в окружающую среду и в кабины управления через остекленные поверхности. Повышение их звукоизоляции существенно сократит шумовое загрязнение окружающей среды и помещения оператора при эксплуатации горных машин.
Остекленные прозрачные поверхности кабин управления горных машин применяются с одинарным, двойным и реже тройным остеклением с воздушными промежутками между стеклами. Их звукоизоляция зависит от геометрических параметров элементов конструкций и соотношения параметров между собой.
Высокая эффективность звукоизоляции остекленных конструкций кабин управления горных машин может быть достигнута поиском оптимального решения при проектировании с учетом спектра преобладающих частот шума, создаваемого конкретным источником.
Выполненные ранее исследования по описанию математической модели звукоизоляции многослойной конструкции не позволяют в явном виде представить звукоизоляцию, как функцию влияющих на нее переменных величин-геометрических параметров. В результате чего нет возможности исследования и решения задач на оптимум.
Идея выполненных исследований состоит в выявлении таких оптимальных геометрических параметров по толщине элементов многослойных остекленных конструкций ограждающих поверхностей кабин управления горных машин, при которых сама конструкция приобретает максимальную звукоизоляцию от проникновения аэродинамического шума в заданных среднегеометрических полосах частот. Геометрическими параметрами конструкции, влияющими на ее звукоизоляцию, являются: толщина каждого слоя остекления и расстояние между стеклами.
Цель исследований состоит в повышении звукоизоляционных свойств многослойных остекленных конструкций кабин управления горных машин за счет рационального выбора геометрических параметров конструкции и прозрачной среды между стеклами различной плотности с учетом величин уровней шума по спектрам частот при работе горных машин.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Геометрические размеры по толщине многослойных остекленных конструкций кабин управления горных машин и остекления окон-
ных проемов помещений расположения шахтных стационарных установок,, следует определять исходя из'уровней шума по частотам, при работе горного оборудования, для достижения максимальной звукоизоляции конструкции в необходимых спектрах частот.
-
Звукоизоляция двух- и трехслойных остекленных конструкций с воздушными промежутками между стеклами зависит от геометрических размеров по толщине элементов конструкции и описывается в виде трех- и пятифакторной функций геометрических параметров по толщине элементов конструкций теоретическим методом, как произведение отношений звуковых давлений на границах раздела сред. Такие математические модели, отображая общую закономерность процесса прохождения звука через ограждающую конструкцию, позволяют анализировать изменение звукоизоляции остекленной конструкции по условиям частотного резонанса.
-
Математические модели звукоизоляции двух- и трехслойных остекленных конструкций с воздушными промежутками между стеклами, полученные методом планирования эксперимента по критерию Д-оптимальных планов в виде полиномов второй степени трех и пяти управляемых факторов, которыми являются геометрические размеры по толщине элементов конструкций, адекватны эксперименту и с еы-сокой степенью точности описывают закономерность распределения звукоизоляции конструкции по среднегеометрическим полосам частот. При этом форма записи математических моделей звукоизоляции позволяет определить долю звукоизоляции каждого элемента конструкции и выполнить исследование функции на наличие экстремумов.
-
Замена воздушного промежутка между стеклами на гидравлическую прослойку в двухслойной конструкции обуславливает изменение ее звукоизоляции. По математическим моделям звукоизоляции такой конструкции, полученным методом планирования эксперимента по критерию Д-оптимального плана в виде полиномов второй степени трех управляемых факторов, достоверно определяется закономерность распределения звукоизоляции по среднегеометрическим полосам частот и степень повышения звукоизоляции за счет увеличения плотности среды между стеклами. Замена воздушного промежутка гидравлической прослойкой позволяет, не снижая звукоизоляции, уменьшить расстояние между стеклами и сократить размеры по толщине всей конструкции, что особенно важно для многослойного остекления кабин управления горных машин.
-
Двух- и трехслойные остекленные конструкции при определенных оптимальных значениях параметров по толвдне составных элементов обеспечивают максимальную звукоизоляцию конструкции б определенных спектрах частот шума. Использование двух- и трехслойных конструкций с оптимальными геометрическими параметрами по толщине лучше защищает кабину управления и окружающую среду от проникновения воздушного шума при работе забойных и стационарных горных машин и дает экономию в расходовании листового стекла по массе.
-
Установленные закономерности звукоизоляции многослойных остекленных конструкций справедливы, как для шума генерируемого при работе горного оборудования, так и воздушного шума других источников в рассматриваемом диапазоне частот.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций Научные положения и выводы, сформулированные в диссертации, обоснованы: преемственностью разработанных математических моделей звукоизоляции многослойных остекленных конструкций с фундаментальными научными положениями в области акустики ; проведением большого объема экспериментальных исследований в акустической камере Северо-Кавказского государственного технологического университета (СКГТУ) на базе закономерностей теории вероятности и математической статистики с конкретным применением метода планирования эксперимента по критерию Д-оптимальности. Сходимость математических моделей звукоизоляции многослойных конструкций, представленных в виде уравнений регрессии, с экспериментальными данными соответствует 5 %-ному уровню значимости по критерию Фишера.
Научная новизна работы заключается:
в установлении функциональной зависимости между геометрическими параметрами по толщине элементов многослойной остекленной конструкции с воздушными прослойками или гидравлической прослойкой между стеклами и звукоизоляцией конструкции в целом;
в установлении экстремальных значений (max или min) звукоизоляции элементов конструкции при определенных значениях геометрических параметров по толщине для третьоктавных полос частот от 160 до 4000 Гц и по шкале "А";
в новых принципах выбора оптимальных геометрических раз-
меров по толщине элементов конструкции остекления ограждения ка-, бин управления горных машин, исходя из достижения максимальной звукоизоляции всей конструкции для заданных спектров среднегеометрических полос частот шума при работе горного оборудования;
- в развитии представлений о путях повышения звукоизоляции многослойных остекленных конструкций кабин управления горных машин, являющихся важными составляющими защиты среды обитания человека от проникновения аэродинамического шума.
Научное значение работы состоит в создании математических моделей звукоизоляции многослойных остекленных конструкций в третьоктавных среднегеометрических полосах частот шума от 160 до 4000 Гц, по шкале "А" и среднему значению, как многофакторных функций трех и пяти переменных величин в виде полиномов второй степени, полученных методом планирования эксперимента пс критерию Д-оптимального плана.
Практическое значение работы заключается в создании трех
методик расчета оптимальных геометрических параметров по толщине
элементов двух- и трехслойных остекленных конструкций, обладаю
щих максимальными звукоизоляционными свойствами в заданных поло
сах среднегеометрических частот аэродинамического шума: "Методи
ка расчета оптимальных по звукоизоляции геометрических парамет
ров двухслойной остекленной конструкции с воздушным промежутком
между стеклами"; "Методика расчета оптимальных по звукоизоляции
геометрических параметров двухслойной остекленной конструкции с,
гидравлической прослойкой между стеклами"; " Методика расчета
оптимальных по звукоизоляции геометрических параметров трехслой
ной остекленной конструкции с воздушными промежутками между
стеклами". !
Для каждой из трех методик, на языке "Бейсик", написаны программы расчетов в диалоговом режиме с реализацией на ЭВМ IBM, по которым рассчитываются оптимальные параметры многослойных остекленных конструкций кабин управления горных машин и их звукоизоляция с учетом уровней спектров шума излучаемого при работе горного оборудования. Конструкции с оптимальными геометрическими параметрами обладают максимальной звукоизоляцией в рассматриваемых спектрах частот шума и являются наиболее экономичными по материальным затратам на листовое стекло при их изготовлении.
Реализация выводов и рекомендаций работы
Методики расчетов звукоизоляции двух- и трехслойных остекленных конструкций с оптимальными по звукоизоляции параметрами, с программным обеспечением переданы руководству "ВНИПИ промтех-нологии" ( г. Москва) для практического использования в разрабатываемых проектах промышленных предприятий.
Методика расчета оптимальных по звукоизоляции геометрических размеров по толщине элементов двухслойных остекленных конструкций в виде методического руководства с программой расчетов на IBM передана проектному институту "Кавказцветметпроект" и принята к использованию в инженерных проектах.
Научные положения диссертационной работы, как пример их широкого практического применения, реализованы при разработке технических проектов трех звукоизоляционных кабин наблюдения в компрессорных станциях и в камере вентилятора главного проветривания рудника "Архон" Садонского свинцово-цинкового комбината, а так же в разработке проектно-технической документации звукоизоляционной кабины наблюдения для операторов центральной станции теплоснабжения Ленинского района г.Владикавказа.
Элементы остекленных конструкций запроектированных . кабин рассчитаны по соответствующим методикам и приняты оптимальными по толщине, что обеспечивает максимальные звукоизоляционные свойства остекленных конструкций и кабин.
Двухслойные остекленные конструкции, разработанные нами по соответствующей методике, обеспечивающие максимальную звукоизоляцию, установлены в наружных ограждениях инструментального цеха предприятия "Уни-Пол" Северо-Кавказского филиала и ремонтно-ме-ханического цеха с кузнечно-прессовым отделением предприятия "Владикавказский приборостроительный завод".
Трехслойная остекленная конструкция, разработанная нами, позволила повысить звукоизоляционные свойства эфирной студии "ЭСТ" кинематографистов Северо-Кавказского отделения кинофонда.
Запроектированные нами трехслойные остекленные конструкции с максимальной звукоизоляцией установлены в наружных ограждениях кузнечно-прессового цеха Северо-Кавказского филиала предприятия "Южстальконструкция".
Практическое использование результатов исследований позволило снизить распространение шума в окружающую среду и повысить звукоизоляцию кабин.
Методики расчета звукоизоляции двухслойной остекленной конструкции с оптимальными по звукоизоляции параметрами, с программным обеспечением переданы для использования в учебном процессе Ростовской государственной академии строительства (РГАС) и Северо-Кавказского государственного технологического университета (СКГТУ).
Связь темы диссертации с государственными научными программами
Работа выполнена как составная часть "Тематического плана НИР Северо-Кавказского государственного технологического университета из средств республиканского бюджета по единому заказу-наряду на 1994-1996 г г." Тематический план НИР СКГТУ является составной частью плана НИР Государственного Комитета пс высшему образованию Российской Федерации.
На конкурсе грантов в области НИР по архитектуре и строительным конструкциям в 1993 г. тема диссертационной работы получила положительный отзыв с рекомендацией её финансирования из федерального бюджета.
Диссертационная работа состоит из: введения, четырех глав, заключения, списка литературы 165 наименований и 3 приложений.
Работа изложена на 363 стр. машинописного текста с включением 80 иллюстраций, 48 таблиц и 3 приложений.
Основной материал диссертации изложен на 216 стр. машинописного текста.