Введение к работе
Актуальность. Оборудование вибрационной отделочно-упрочняющей обработки и динамических испытаний получило широкое распространение практически во всех отраслях машиностроения. Наиболее интенсивно эти методы обработки и испытаний применяются на предприятиях авиационной промышленности. Типичным примером является упрочнение и динамические испытания лонжеронов вертолетов. Эти изделия представляют собой длинномерные и маложесткие детали, относящиеся к наиболее ответственным деталям вертолетов, от которых в значительной степени зависит надежность машины в целом. Поэтому к качеству их изготовления предъявляются чрезвычайно высокие требования. Упрочнение внутренних и наружных поверхностей полых деталей в настоящее время производится на высокоамплитудных однокоординат-ных вибрационных станках. Для обеспечения требуемого качества упрочняемых поверхностей несущей системе вибростендов сообщаются высокие частоты и амплитуды вибраций, что неизбежно сопровождается интенсивной виброакустической активностью оборудования, уровни шума и вибрации которого существенно превышают санитарные нормы.
Наружные поверхности упрочняются также методом центробежно-ротационного наклепа. В этом случае длинномерная маложесткая заготовка подвергается импульсному силовому воздействию высокой частоты. При всех достоинствах этого метода упрочнения с точки зрения обеспечения качества изделия, он также имеет очень серьезный недостаток -высокую акустическую активность при крайне неблагоприятном спектре шума, в котором наиболее интенсивные составляющие расположены в высокочастотной части спектра 1-8 кГц.
При динамических испытаниях возбуждение вибраций деталей происходит от вибраторов. Участки таких испытаний хотя и менее шумные, чем виброупрочняющие, но также создают повышенный шум, характеризующийся большой продолжительностью. Повышенный шум является причиной экономических потерь из-за снижения производительности труда, ухудшения качества продукции и увеличения числа несчастных случаев.
В развитых странах учет требований безопасности выполняется наряду с требованиями по качеству изделий.
Между тем обращает на себя внимание недостаточность научных материалов по процессу шумообразования при различных технологиях процесса виброупрочнения длинномерных деталей и практически полное их отсутствие для участков и стендов динамических испытаний.
Резервы решения проблемы шумообразования на таких участках заложены в акустических расчетах, которые возможно выполнить только на основе изучения виброакустической динамики процессов и оборудования, на котором они реализуются, и на этапе проектирования выбрать
инженерные решения по снижению уровней вибрации и шума до нормативных значений.
Цель работы заключается в разработке научной базы расчета виброакустических характеристик оборудования виброударного упрочнения и динамических испытаний длинномерных изделий, обеспечивающей выполнение санитарных норм шума и вибрации.
В работе решаются следующие научные задачи, соответствующие поставленной цели:
-
Разработать адекватные виброакустические модели отдельных подсистем и на этой основе осуществить моделирование процесса виброакустической динамики оборудования виброупрочнения и динамических испытаний длинномерных изделий.
-
Установить закономерности формирования спектров шума и вибрации при различных способах виброупрочнения и динамических испытаниях длинномерных изделий.
-
Получить аналитические зависимости для прогнозирования на этапе проектирования вышеуказанных машин спектральных уровней шума, учитывающие конструктивные параметры изделий и самого оборудования (длина, моменты инерции и т.д.) типа балок и оболочек, параметры технологического процесса (амплитуда, длительность, периодичность и т.д.) и способы закрепления для широкой номенклатуры заготовок.
-
Разработать методику расчета виброакустических характеристик в рабочей зоне оборудования виброупрочнения и динамических испытаний и экспериментально проверить адекватность теоретических и опытных уровней вибрации и шума.
-
На основе методов расчета вибрации и шума характеристик разработать методологию проектирования систем вибро- и шумозащиты и оборудования для их реализации по критерию выполнения санитарных норм вибрации и шума в рабочей зоне операторов.
-
Разработать инженерные решения по обеспечению безопасных условий эксплуатации оборудования виброупрочнения и динамических испытаний.
Научная новизна работы заключается в том, что: 1. Разработана методология моделирования процессов шумообра-зования длинномерных изделий при виброупрочнении и динамических испытаниях, позволяющая на этапе проектирования оборудования, технологических процессов и производственных помещений прогнозировать ожидаемые уровни виброакустических характеристик.
2.Выявлены и описаны связи между спектрами вибрации и шума при виброурочнении и динамических испытаниях, компоновкой оборудования, конструктивными особенностями изделий и параметрами техноло-
гического процесса, что позволяет идентифицировать источники шума, оценивать их количественный вклад в формирование звукового поля и является научной базой для решения важной научно-технической и социально-экономической проблемы - обеспечение безопасных условий труда оператора подобного оборудования.
3. Для различных условий механической обработки рассмотренных процессов учтено амплитудно-фазовое распределение виброскорости вдоль поверхности заготовки, что позволяет уточнить физическую картину формирования спектрального состава шума.
4.Доказана возможность замены излучателя на многих опорах системой нескольких излучателей на двух опорах, что позволяет существенно упростить акустические расчеты при соблюдении достаточной точности для инженерных решений.
5.Получены аналитические зависимости уровней шума и вибрации, адекватно описывающие формирование звукового поля как системы источников, одновременно излучающих звук, и позволяющие аналитически определить вклад отдельных источников в формирование звукового поля и превышения, создаваемые источниками над предельно-допустимыми значениями в соответствующих частотных диапазонах и теоретически обосновать выбор наиболее рационального варианта системы вибро-шумозащиты оператора.
6.Получены эмпирические выражения частотно-зависимых эффективных коэффициентов потерь колебательной энергии для изделий замкнутого профиля, что позволяет существенно уточнить расчеты виброакустических характеристик, рассмотренных в работе изделий, при виброупрочнении и динамических испытаниях.
7.Разработаны наиболее общие принципы моделирования виброакустической динамики изделий как длинномерных оболочек, что позволяет (в отличие от существующих для заготовок типа балок) учесть соотношение изгибной жесткости самого изделия и жесткости опор и существенно уточнить модель возбуждения вибраций при высокочастотном характере силового воздействия.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
-
Разработана методика расчета виброакустических характеристик оборудования для виброупрочнения и динамических испытаний. На этой основе для конструкторско-технологических служб разработан аппарат, позволяющий на этапе проектирования подобных процессов и оборудования для их реализации, а также производственных участков для эксплуатации таких машин, расчетным путем определить шумовые и вибрационные характеристики в рабочей зоне операторов и выбрать инженерные решения по обеспечению нормативных величин.
-
Предложен комплекс мероприятий по снижению уровней шума и вибрации до предельно-допустимых значений, включающий:
- выбор рационального варианта звукопоглощения в соразмерных
помещениях;
-системы шумозащиты, рассчитанные и проектируемые по критерию обеспечения требуемой звукоизолирующей способности;
- системы виброзащиты, основанные на подборе рациональных
масс и жесткости исходя из минимизации коэффициента передачи сил, а
также динамических резонансных гасителей.
Эти способы могут быть использованы как при проектировании, так и модернизации оборудования, находящегося в эксплуатации.
Реализация в промышленности. На ОАО «Роствертол» внедрены мероприятия по снижению шума и вибрации стенда для виброударного упрочнения труб лонжеронов и на участке динамических испытаний. На ОАО «КНИАТ» внедрена методика инженерного расчета систем шумо и виброзащиты оборудования виброударного упрочнения и динамических испытаний.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на международных конференциях: «Современные проблемы машиноведения и высоких технологий» к 75-летию ДГГУ (Ростов н/Д, 6-7 октября 2005 г) и научно-технической конференции «Прогрессивные технологические процессы в металлургии и машиностроении» (Ростов н/Д, 7-9 сентября 2005 г), Метмаш-2006 (г. Ростов-на-Дону, 5-7- сентября, 2006 г), Метмаш 2007, Метмаш 2008 (г. Ростов-на-Дону, 3-5- сентября, 2008 г), Перспективные направления развития технологии машиностроения и металлообработки (г. Ростов-на-Дону, 28 сентября -30 октября 2008 г).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 34 печатные работы.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести разделов, общих выводов и рекомендаций, списка использованной литературы из 202 наименований, имеет 114 рисунков, 20 таблиц и изложена на 315 страницах машинописного текста. В приложения вынесены алгоритмы расчета шума и вибрации и сведения о внедрении.
Похожие диссертации на Обеспечение безопасных условий труда работающих при виброупрочнении и динамических испытаниях
