Введение к работе
Актуальность темы исследования. Шумовое загрязнение в городах и промышленных зонах и, в первую очередь, на горных предприятиях, является одной из актуальных проблем современности. Обзор литературных источников по борьбе с шумом горных машин показал, что благодаря работам таких ученых, как Боголепов И.И., Юдин В.Н., Заборов В.И., Деев А.И., Флавицкий Ю.В., Картавый Н.Г., Осипов ГЛ., Водяник Г.М., Ковалевская В.И., Бабак Г.А., Пак В.В., Терсхин А.С., Добровольский Г.Д., Иванов И.И., Молчанов В.Н., Седов М.С., Епифанов А.В., Кожевников С.Г., Тарасова О.Г., Алексеев СП., Пятибратова Л.Н., по исследованию шума на рабочігх местах при эксплуатации очистных горных машин, горных транспортных машин, стационарных установок главного проветривания шахтных компрессорных станций, поршневых компрессоров и турбокомпрессоров, подъемных установок, дробильных машин, обогатительного оборудования, а также других промышленных объектов собран обширный фактический и достоверный материал по их шумовым характеристикам, которые вошли в ГОСТы и в требования по уровюо снижения шума на преобладающих частотах. Эта информация перенесена на электронные носители и может использоваться при разработке эффективных средств шумозащиты.
Известно, что самым эффективным способом снижения шума является подавление шума в источнике его образовашія, т.е. необходимо делать малошумными подъемные машины, компрессорные станции, вентиляторные установки главного проветривания, очистные комбайны. Глобальное снижение шума таким методом - это будущее промышленности России. На данный момент достаточно эффективно и значительно экономичнее решать эту проблему защиты работающего персонала установкой звукоизолирующих многослойных ограждающих конструкций. Этому вопросу и посвящается настоящая диссертация — применительно к компрессорным станциям и вентиляторным установкам.
Как показали наши исследования, попытка переложить проблему борьбы с шумом на Министерство экологии или на организации гражданского строительства не дают положительного результата. Горные предприятия, выступающие как заказчики строительства зданий, компрессорных станций, вентиляторных установок главного проветривания, подъемных установок, должны предъявлять свои требования к ограждающим устройствам, разработанные на основе аналогичных научных исследований.
На этом основании мы считаем, что проблема создания эффективных звукоизолирующих ограждающих конструкций актуальна как для горной промышленности, так и для промышленных предприятий других отраслей.
Источниками шума, в большинстве случаев, являются
промышленные здания и сооружения, машины и установки, транспортные средства.
Комплексная механизация горных предприятий, способствующая увеличению масштабов производства и роста производительности труда, приводит к тому, что человек на производстве постоянно подвергается вредному воздействию шума высокого уровня.
В горных выработках, камерах и производственных помещениях, на транспортных и других самоходных машинах для защиты обслуживающего персонала сооружаются кабины управления, наблюдения и отдыха. Для этих целей требуется создание ограждений из современных легких материалов, которые должны обладать необходимыми звукоза-щитными свойствами в требуемых спектрах частот.
Мощные, высокопроизводительные машины излучают шум высокой интенсивности, превышающий допустимые санитарные нормы на частотах от 125 до 8000 Гц. При этом шумовые характеристики различных машин неодинаковы, й имеет место наличие частотных спектров, в которых уровни шума наиболее высокие.
Высокая эффективность используемых звукозащитных ограждений может быть достигнута поиском оптимального решения при проектировании с учетом спектра шума, создаваемого конкретным источником.
Интерес представляют однослойные и многослойные конструкции из малоизученных материалов, позволяющие за счет рационального подбора различного сочетания этих материалов, слоев, а также их параметров обеспечить высокую звукоизоляцию в требуемых спектрах частот для конкретного источника.
Ранее выполненные исследования по математическому описанию звукоизоляции некоторых однослойных и многослойных конструкций не всегда дают хорошую сходимость с реальными условиями. Довольно поверхностно изучено влияние таких параметров, как акустическое самосогласование волновых полей при прохождении через ограждения из различных материалов, влияние на самосогласование волн толщины и числа слоев конструкций, а также изменения модуля упругости.
Известные математические модели не позволяют в явном виде представить звукоизоляцию непрозрачных ограждении, как функцию влияющих на нее перечисленных величин. В результате этого невозможно исследование и решение задач на оптимум.
Идея выполненных исследований состоит в раскрытии влияния на звукоизоляцию конструкций из ряда материалов акустического самосогласования волновых полей при изменении толщины и числа слоев ограждения, изменения модуля упругости материала для однослойных и слоистых конструкций, в выявлении такой оптимальной толщины элементов многослойных звукозащитных ограждений, при которых они
приобретают максимальную изоляцию от проникновения воздушного шума в заданных среднегеометрических полосах частот.
Цель исследований состоит в повышении звукоизоляционных свойств однослойных и многослойных непрозрачных ограждающих конструкций за счет рационального выбора толщины слоев и расстояния между ними с учетом спектра преобладающих частот источника шума.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Звукоизоляция одно- и многослойных (двойных и слоистых) непрозрачных конструкций существенно зависит от акустического самосогласования звуковых полей, от влияния на величину и характер самосогласования числа слоев конструкций и их геометрических размеров по толщине, модуля упругости ограждения, учитывая которые в теоретическом расчете можно установить наилучшие материалы для конкретной защиты от шума и определить предполагаемую звукоизоляцию в требуемых спектрах частот. Теоретический расчет, с учетом самосогласования волновых полей, модуля упругости, дает более хорошую сходимость расчетных и экспериментальных данных по сравнению с известными.
-
Исследования звукоизоляционных свойств однослойных, слоистых и двойных конструкций дополняют сведения по звукоизоляции непрозрачных ограждений. Применение таких конструкций дает возможность существенно улучшить звукоизоляцию при значительном снижении массы ограждений.
-
Математические модели звукоизоляции двойных непрозрачных ограждающих конструкций, таких как кожухи вентиляторов и стенки кабин управления, с воздушным промежутком между слоями различного по физическим свойствам материала, полученные методом планирования эксперимента в -виде полиномов второй степени трех управляемых факторов, которыми являются геометрические размеры по толщине конструкции, адекватны эксперименту и с высокой 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.
-
Многослойные ограждающие конструкции кожухов и кабин управления горных машин при определенных оптимальных значениях геометрических параметров по толщине составных элементов обеспечивают максимальную звукоизоляцию. Оптимальные размеры определяются анализом на экстремум математических моделей звукоизоляции, как многофакторных функций, с учетом спектров частот, в которых шумовые характеристики источников имеют наиболее высокие значения. Использование таких конструкций обеспечивает максимально возможную звукоизоляцию, защищает рабочее место человека от воздействия шума и
дает экономию в расходовании материала по массе.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций. Научные положения и выводы, сформулированные в диссертации, обоснованы: преемственностью разработанных математических моделей звукоизоляции многослойных конструкций с фундаментальными научными положениями в области акустики; проведением большого объема экспериментальных исследований с применением метода планирования эксперимента по критерию Д -оптимальности; высокой сходимостью результатов теоретических расчетов и расчетов по математическим моделям с экспериментальными данными. 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 влияния на звукоизоляцию конструкций из непрозрачных материалов таких факторов как акустическое самосогласование волновых полей, модуль упругости, число слоев материала, что позволило получить новый способ уменьшения резонансных явлений в ограждении;
в получении новых сведении по звукоизоляции одно- и многослойных конструкций, с применением малоизученных материалов;
в установлении функциональной зависимости между толщиной многослойных непрозрачных ограждающих конструкций с воздушным промежутком между слоями и звукоизоляции конструкции в целом;
в установлении экстремальных значений звукоизоляции элементов конструкций- при определенных значениях геометрических параметров по толщине для октавных полос частот и по шкале «А»;
в разработке методики выбора оптимальных геометрических размеров по толщине элементов конструкции, исходя го достижения максимальной звукоизоляции всей конструкции для заданных спектров частот шума;
в развитии представлений о путях повышения звукоизоляции многослойных непрозрачных ограждающих конструкций, являющихся важными составляющими элементами защиты среды обитаїшя человека от проникновения аэродинамического шума.
Практическое значение работы заключается в создании методик расчета оптимальных геометрических параметров по толщине элементов двойных непрозрачных ограждающих конструкций с воздушным промежутком между слоями, обладающих максимальными звукоизоляционными свойствами в заданных полосах среднегеометрических частот воздушного шума.
Разработанная программа расчета на ЭВМ позволяет выполнить
инженерный расчет оптимальных геометрических параметров двойных иепрозрачішх конструкций с воздушным промежутком между слоями и их звукоизоляции.
Конструкции с оптимальными геометрическими параметрами обладают максимальной звукоизоляцией и являются наиболее экономичными по материальным затратам при их изготовлении.
Реализация выводов и рекомендаг\пй работы.
Методика расчета оптимальных по звукоизоляции двойных ограждающих конструкций из непрозрачных материалов с воздушным промежутком между слоями передана проектному институту «Кавказцветмет-проект» и принята к использованию в инженерных проектах, а также используется в учебном процессе на кафедре «Строительных конструкций» (СКГТУ).
Положения диссертационной работы реализованы при разработке технических проектов трех звукоизоляционных кабин наблюдения в компрессорных станциях и в камере вентилятора главного проветривания рудника «Архон» Садонского свинцово-цинкового комбината; звукоизоляционного кожуха вентилятора местного проветривания, расположенного в забое рудника.
Практическое использование результатов исследований позволило обеспечить высокую звукоизоляцию кабин наблюдения и снизить воздушный шум вентіиятора местного проветривания до санитарных норм.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы, полученные в диссертации, докладывались и получили одобрение на:
IV Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности» (Санкт-Петербург, 16-18 июня 1999 г.);
в Новочеркасском Южно-Российском государственном техническом университете (ИЛИ) на секции кафедры «Горных машин и оборудования»;
ежегодной научно-технической конференции СКГТУ (1998-
2000).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (215 наименований).
Работа изложена на 273 стр. машинописного текста с включением 78 иллюстраций,-35 таблиц, 7 приложений. Основной материал диссертации изложен на 196 стр. машинописного текста.