Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ технологии снижения шума и вибрации в рабочей зоне оборудования ударного действия 7
1.1 Анализ характеристик технологического оборудования в рабочей зоне 7
1.2 Анализ методик расчета шума оборудования ударного действия 10
1.3 Исследование технологических способов снижения шума корпусных и базовых деталей 13
1.4 Исследование технологических способов снижения шума гидросистем 25
Выводы Цели и задачи исследования 29
2. Теоретическое исследование формирования спектров шума ножниц 31
2.1. Математическое описание шумообразования в производственном помещении 31
2.2 Математическое описание звукового излучения заготовок ... 35
2.3. Математическое описание процесса шумообразования несущей системы ножниц 37
2.4. Математическое описание скоростей колебаний заготовок и инструмента при высечке пазов, отверстий и отрезки 42
Выводы 45
3. Комплексная методика расчета акустических характеристик ножниц на стадии проектирования 47
3.1. Методика расчета уровней шума заготовок 49
3.2. Методика расчета уровней шума несущей системы ножниц для резки арматурных стержней 56
3.3. Методика расчета уровней шума инструмента при пробивке отверстий и высечке пазов 59
Выводы 64
4. Экспериментальные исследования шума и вибрации ножниц 65
4.1. Результаты измерений шума и вибраций ножниц для резки арматурных стержней 70
4.2. Результаты измерений шума и вибраций пресс-ножниц 81
4.3. Экспериментальные исследования шума ножниц в условиях ЖБК 88
4.4. Сопоставление результатов теоретических расчетов и экспериментальных исследований шума 90
Выводы 93
5. Практическое применение результатов исследований 95
5.1. Снижение шума станины ножниц для резки стержней 95
5.2. Ограждение инструмента и заготовок 99
Выводы 106
Заключение 108
Литератур а 109
Приложения 120
- Анализ методик расчета шума оборудования ударного действия
- Математическое описание звукового излучения заготовок
- Методика расчета уровней шума несущей системы ножниц для резки арматурных стержней
- Результаты измерений шума и вибраций пресс-ножниц
Введение к работе
Комбинированные гидравлические пресс - ножницы и ножницы для резки сортового проката являются одним из основных видов продукции ЗАО «Завод по выпуску КПО» и находят широкое применение в различных отраслях промышленности на отечественных и зарубежных предприятиях. По показателям производительности, точности, надежности ножницы соответствуют уровню мировых стандартов, но их шумовые характеристики существенно превышают санитарные нормы. Шумовая и вибрационная болезни занимают второе и третье место в списке профессиональных заболеваний. Таким образом, задача снижения шума в рабочей зоне ножниц до санитарных норм является актуальной и имеет большое научно-техническое и социально-экономическое значение. Решение этой задачи позволит улучшить условия труда и повысить конкурентоспособность подобного оборудования.
Цель работы заключается в разработке методов расчета акустических характеристик при работе ножниц и способов снижения уровней шума при проектировании до нормативных величин.
Автор защищает:
Теоретические закономерности шумообразования ножниц, позволяющие оценить вклад отдельных элементов акустической системы подобного оборудования в формирование уровней шума в рабочей зоне операторов.
Математические модели процесса шумообразования, учитывающие компоновку оборудования и широкую номенклатуру геометрических параметров обрабатываемых заготовок.
результаты экспериментальных исследований шума и вибраций ножниц для резки строительной арматуры и гидравлических пресс-ножниц.
Методику инженерного расчета шума подобного оборудования на стадии его проектирования, а так же инженерные решения по обеспечению санитарных норм шума в рабочей зоне ножниц.
Научная новизна работы заключается в следующем:
акустическая система ножниц аппроксимирована волноводами с распределенными параметрами, что в отличии от существующих конечно-мерных моделей вибрации шума кузнечно-прессового оборудования позволило моделировать генерацию шума в нормируемом диапазоне частот для широкой номенклатуры обрабатываемого металлопроката;
разработаны математические модели генерации шума ножниц, на основе которых теоретически прогнозируется процесс шумообразования в рабочей зоне при проектировании подобного оборудования.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
для конструкторских служб разработан инструмент, позволяющий при проектировании подобного оборудования расчетным путем определить превышение уровней звукового давления в рабочей зоне над предельно допустимыми значениями и выбрать рациональные инженерные решения по достижению санитарных норм шума;
создана инженерная методика расчета, алгоритмы и программное обеспечение определения октавных уровней шума ножниц;
предложен комплекс мероприятий по снижению шума в рабочей зоне за счет уменьшения интенсивности звукового излучения станины и системы заготовка-инструмент, внедрение которых обеспечило выполнение санитарных норм шума в рабочей зоне ножниц.
Проведенные исследования базировались на основных положениях нормативных документов по «Охране труда», положениях теории колебаний, технической акустики и статических методах обработки экспериментальных данных.
Экспериментальные исследования проводились в производственных цехах ЗАО «Завод по выпуску КПО».
Внедрены мероприятия по снижению шума в рабочей зоне оборудования за счет вибро-шумоизоляции станины и системы заготовка-инструмент.
Ожидаемый экономический эффект от снижения шума в рабочей зоне ножниц за счет улучшения санитарно-гигиенических условий труда составила 87 тыс. рублей (в ценах 2001 г.).
Диссертация состоит из введения, четырех разделов, общих выводов и рекомендаций, списка использованной литературы из 114 наименований, имеет 57 рисунков, 9 таблиц и изложена на 134 страницах машинописного текста. В приложении вынесены сведения о внедрении и алгоритмы расчета шума отдельных элементов ножниц.
Анализ методик расчета шума оборудования ударного действия
Аналитические зависимости для оценки уровней шума кузнечного оборудования приведены в работах [2, 80-85]. Снижение шума достигается созданием новых конструкций малошумных автоматов [1], например, помещение зубчатых передач в масляные ванны, закрытие их звукоизолирующими кожухами, замена в кулачковых механизмах привода гибочных ползунов пружин силовою замыкания на пружины с кинематическим замыканием и кулачками, спроектированными по закону движения, обеспечивающему синусоидальный симметричный закон изменения ускорителя толкателя. Эти мероприятия привели к снижению шума на 5-9 дБ.
Разработана методика расчета уровня звукового давления автомата при его конструировании, исходя из скоростей колебаний поверхностей конструкции [82].
По уровню звукового давления автомата авторы определяют коэффициент безопасности. Результаты работы [80-83] дают возможность рассчитывать некоторые механизмы и конструкции автомата, варьируя их жесткость и другие параметры, что приводит к уменьшению силы удара и повышению точности наладки автомата. Рассчитывается жесткость поддерживающей конструкции шатуна и других деталей, исходя из уровней звукового давления, соответствующих гигиеническим нормам. В результате определяется скорость колебаний соответствующего механизма.
По мнению авторов применение расчетной методики при конструировании автоматов дает возможность создавать автоматы с характеристиками, обеспечивающими соблюдение гигиенических норм на рабочих местах.
Применимость приведенных зависимостей для практических расчетов шума на стадии проектирования достаточно ограничена. Прежде всего необходимо отметить, что выражение (1.2) описывает движение системы с сосредоточенной массой дает возможность определить скорости колебаний механизма на собственной частоте колебаний, то есть применимо для тонального спектра вибраций и шума. Подобная методика неприменима для расчета уровней шума, имеющего « широкополосный характер, что характерно для кузнечно-прессового оборудо вания. Выражение (1.12) определяет уровень вибраций, а не шума, который пропорционален колебательной скорости. Предложенная в работе [2] зависимость также позволяет определить уровень звука (дБА), а не уровни спектральных составляющих спектра шума I = (l28)+lg -lgM, (1.6) где А - энергия удара; М - масса падающих частей.
Теоретическому исследованию процессов шумообразования и разработке инженерных методов расчета шума на стадии проектирования листоштампо-вочных полуавтоматов и автоматов для раскроя листов из конструкционной стали посвящены работы Г.В. Самодурова [84, 85]. Несмотря на различное технологическое назначение и характер технологических нагрузок автор рассмотрел акустическую систему полуавтоматов как систему пластин, что позволило подойти к построению математических моделей шумообразования с единых позиций. Для определения уровней шума автор применил модель ограниченной пластины, а для расчета скоростей колебаний отдельных элементов полуавтоматов использовал энергетические методы. Выражения для уровней шума, создаваемого обрабатываемым листом листоштамповочного полуавтомата, получены на основе модели пластины, возбуждаемой точечной нагрузкой, а листа полуавтоматы для раскроя - на основе модели пластины, возбуждаемой силой, распределенной вдоль отрезка конечной длины. Отличия результатов этих работ от исследований авторов [81-83] заключаются в том, что акустическая система полуавтоматов рассматривается как совокупность элементов одновременно излучающих звук и представляет собой волноводы с распределенной массой. Такой подход позволил оценить ожидаемые уровни шума в широком частотном диапазоне. На этой основе разработана инженерная методика расчета шума данного типа оборудования на стадии проектирования, показавшую достаточную для инженерных расчетов точность. Особо следует отметить, что полученные автором формулы учитывают конструктивные особенности оборудования, технологические нагрузки, а методы расчета шума на стадии проектирования позволяют на этом же этапе выбрать способы шумозащиты для соблюдения санитарных норм шума.
Математическое описание звукового излучения заготовок
Особенности процессов шумообразования рассматриваемого оборудования заключаются в следующем: 1. Заготовки представляют собой стержни круглого и прямоугольного сечения, уголки, швеллера, двутавр и рассматриваются как балки постоянного момента инерции на жестком основании. 2. Применение гидропривода в пресс-ножницах обеспечивает не только постоянство технологического усилия, но и снижает вибронагружен-ность несущей системы. Поэтому шумом станины можно пренебречь, а в качестве определяющих источников шума приняты заготовки и инструмент. При резе отдельных стержней диаметром до 20 мм технологическую нагрузку на ползун представим как силу, приложенную в точке. Такое допущение справедливо, поскольку длина линии контакта ножа и стержня составляет не более 3%.
При резе стрежней большого диаметра и в особенности при резе пачки стержней, уложенных в горизонтальной плоскости вдоль неподвижного ножа, силовое воздействие следует рассматривать как поперечную силу, равномерно распределенную вдоль отрезка прямой конечной длины.
В выражении (2.29) не учтены уровни шума, излучаемого проставками, так как их площадь гораздо меньше площадей излучения основных элементов несущей конструкции.
Полученные выражения учитывают компоновку, конструктивные особенности ножниц, технологические нагрузки и позволяют на стадии проек тирования данного типа оборудования определить ожидаемые уровни шума несущей системы, оценить вклад отдельных элементов и на этом же этапе проектирования выбрать способы по снижению структурной доли шума.
Способы установки заготовок и периодический характер технологических нагрузок при всех видах обработки позволяют подойти к определению их скоростей колебаний как балок постоянного момента инерции на упругом основании и подверженных силовому воздействию, представляющему собой последовательность ударных нагружений определенной длительности, амплитуды и периода.
При высечке пазов и пробивке отверстий силовое воздействие на заготовки следует рассматривать как подвижную нагрузку, т.е. являющуюся функцией координаты и времени. Рассмотрим силовое воздействие как дельтообразное внешнее возмущение, перемещающееся вдоль заготовки со скоростью подачи. Тогда уравнение колебаний запишем в следующем виде /99/:
Для заготовок, у которых моменты инерции относительно осей существенно различаются (уголки, швеллера, двутавровые балки и т.д.), аналогичным образом определяются виброскорости (Vt) в направление оси OZ (с учетом замены Jy на Jz). После этого находятся максимальные значения Vy и Vz на временном интервале 0 t Т, а после этого определяются среднеквадратичное значение виброскорости V = 4V1+V? (2.41) а на этой основе определяются звуковое давление и звуковая мощность. Отличие расчета виброскоростей при отрезке (в сравнении с процессов высечки пазов и отверстий) заключается в том, что после каждого реза меняется длина заготовки и, следовательно, собственный спектр ее колебаний. Поэтому расчет звукового давления и звуковой мощности производится после каждого реза. Собственные частоты колебаний заготовок определяются известными методами /94, 95/ и их расчет в данном разделе не приводится. Пресс-ножницы производят высечку пазов и пробивку отверстий диаметром не более 40 мм, что позволяет использовать модель точечного источника шума. Дифференциальное уравнение колебаний рассмотрено в работе автора/101/, из которого получено максимальное значение виброскорости, а на его основе и уровни шума собственных частотных колебаний. м/с t Т Lw=Wlg!--sm27tfl-!-sm27tfl- + S2,dB, (2.42) Vhm 2 2 где S - площадь поверхности, м2; m - масса инструмента, кг. ; Полученные зависимости для оценки ожидаемых уровней шума позволяют прогнозировать на стадии проектирования шумовые характеристики в рабочей зоне ножниц в нормируемом диапазоне частот. Эти выражения учитывают компоновку оборудования, геометрические и механические режимы обработки заготовок. Сравнение ожидаемых уровней шума с санитарными нормами позволяет выявить частотные интервалы и величины превышения расчетных уровней по сравнению с предельно-допустимыми и фактически на этапе проектирования выбрать инженерные решения по доведению уровней шума до предельно-допустимых значений. Т.О., получена возможность обеспечения санитарных норм шума на этапе проектирования подобного оборудования.
Методика расчета уровней шума несущей системы ножниц для резки арматурных стержней
Конструктивная форма станины - два одинаковых листа, сваренных между собой при помощи проставок - определяет порядок алгоритмизации расчета уровней шума, создаваемой этим узлом. В качестве акустической модели элементов несущей системы - боковых стенок, стола, ползуна - принята звукоизлучающая пластина. При расчете уровней шума несущей системы пресс-ножниц не учитываются уровни шума, излучаемые проставками, так как их площадь гораздо меньше площадей излучения основных элементов несущей конструкции.
Колебательная скорость боковых стенок и стола пресс-ножниц определяется по формуле (2.24). Потоки вибрационной мощности в каждом элементе несущей системы ножниц, которые входят в формулу (2.24), определяются из системы уравнений энергетического баланса (2.21). Данная система включает в себя вводимую в стенки вибрационную мощность от подшипниковых узлов , которая рассчитывается на основе разработанных методик в работах /96 / и оформлена в виде самостоятельной программной процедуры. Для решения системы уравнений энергобаланса (2.21) методом Гаусса относительно потоков вибрационной мощности используется стандартная программа. Уровни шума, создаваемые боковыми стенками, столом и ползуном, определяются по установленной в гл.2 зависимости (2.20). Уровни шума, создаваемые всей несущей системой пресс-ножниц, определяют по принципу энергетического суммирования по формуле: L = 101g(l00Ul +1001Z2 +1001Z3 +100U4 +10-1Z5); (3.11) где Lj, L2, L3, L4, L5- уровни шума (дБ) правой , левой стенок, стола, ползуна, электродвигателя соответственно.
Таким образом, все исходные данные для расчета уровней шума, создаваемой несущей системой известны. Это: Ро, с0 - плотность воздуха и скорость звука в воздухе (м/с); ко - волновое число (1/м); // h, h - длина, ширина и толщина звукоизлучаемой пластины (м); Р - коэффициент диффракции, который принимается равным: 1- если источ 1 ник шума расположен напротив расчетной точки; — - если источник шума расположен под углом 90 по отношению к расчетной точки ; — если ис 6 точник шума расположен под углом 180 по отношению к расчетной точки; R - расстояние от источника шума до расчетной точки, (м); г\ - коэффициент потерь колебательной энергии; Е - модуль упругости материала 1-го; \х - коэффициент Пуассона материала пластины; кь к2, кз, К4 - коэффициенты ослабления передачи вибрационной мощности (задаются по данным экспериментальных исследований в зависимости от способа виброизоляции); NP - мощность реза (по данным технологического процесса).
Диапазон частот, соответствующий октавным полосам, так же как и среднегеометрические значения частот в этих полосах, определены стандартном и представлены в табл.3.1. Схема алгоритма расчета уровней шума несущей системы представлена на рис.3.3 и включает в себя процедуры расчета (см. приложение ПЗ): собственных частот колебаний; скорость колебаний боковых стенок, стола; потоки вибрационной мощности и уровни шума, создаваемые элементами несущей системы.
Представленный в приложении П4 общий алгоритм позволяет провести инженерный расчет вибраций заготовок при высечке пазов и отверстий , где заготовку рассматривают как балку на жестких опорах под воздействием дельтообразного внешнего возмущения.
Смещения при вибрациях заготовки определяется на основе математической модели , предложенной в главе 2 (формула 2.31 -2.39). Исходными данными для определения вибраций заготовки при отрезке и высечке пазов и отверстий являются: М - масса заготовки, кг; ко - действительная часть жесткости упругого осно вания балки; ро - плотность материала заготовки; Ео - действительная часть упругости материала заготовки; гц , Г2 - эффективные коэффициенты потерь колебательной энергии заготовки и основания; F - площадь поперечного сечения заготовки; к- коэффициент, определяющий форму колебания (к=1,2,...); 58 Начало ) Ввод исходных данных Для стенок и стола несущей системы пресс-ножниц: Конструктивные; - технологические; - санитарные нормы. CHAST PL.PAS Подпрограмма расчета собственных частот пластины SKOR PL.PAS Подпрограмма расчета амплитуды колебательной скорости пластины и уровней шума пластины в октавных частотах и общего уровня шума Вывод результатов расчета на печать Рис. 3.3. Общий алгоритм расчета уровней шума стенок и стола несущей системы пресс-ножниц. ( Конец J Технологические характеристики: Т - период реза; t\ - время реза; А - амплитуда силового воздействия инструмента на заготовку. 3.3. Методика расчета уровней шума инструмента при пробивке отверстий и высечке пазов На рис. 3.4 представлен общий алгоритм расчета уровней звукового давления и звуковой мощности инструмента при пробивке отверстий и пазов. Расчет основан на представление инструмента во всем нормируемом диапазоне частот как точечного источника звука либо как поршневого излучателя. Уровень звука подобного источника определяется на основании математической модели, изложенной в главе 2 данной работы.
Звуковая мощность и звуковое давление в зависимости от принятой акустической модели, определяется в рассматриваемом диапазоне частот по формулам (2.43-2.44).
Скорость колебаний инструмента определяется на собственных частотах по формуле (2.42). Данная величина зависит от конструкторских и технологических параметров инструмента пресс-ножниц.
Результаты измерений шума и вибраций пресс-ножниц
Экспериментальные исследования шума и вибрации проводились при пробивки отверстий в швеллерах и двутавровых профилях из стали и алюминия, а также разрезке круглых заготовок и заготовок из стальных полос различной толщины. Необходимо отметить, что на холостом ходу разброс уровней звука и уровней звукового давления у обследованных пресс-ножниц не превышает 2 дБ, что сравнимо с точностью измерений.
Превышение уровней шума над предельно-допустимыми значениями в этой частотной области составляет 5-15 дБ при пробивке отверстий и 3-13 дБ при отрезке. Обращает на себя внимание достаточно равномерное распределение интенсивности звуковой энергии в высокочастотной части спектра 1000-4000 Гц. Действительно разница уровней шума не превышает 3 дБ при пробивке отверстий и 1,5 дБ при отрезке.
Эти результаты подтверждают правильность допущения, принятого в теоретическом разделе, о применении дельта - функции для представления си лы воздействия инструмента на заготовку. Измерения шума вдоль заготовки с шагом 0,5 м показали, что характер спектров шума и интенсивность звукового излучения не изменяется (в пределах точности измерений). Профиль заготовки оказывает заметное влияние на интенсивность звукового излучения и практически не влияет характер спектра шума. Например, уровни шума при пробивки отверстий в стальном швеллере на 2-3 дБ больше, чем при аналогичной операции с алюминиевым швеллером. Идентичность спектрального состава объясняется тем, что у стали и алюминия величина —, которая во многом определяет собственные частоты колебаний, одинакова и равна 5-Ю3 (м/с). Разница в интенсивности звукового излучения объясняется двумя причинами: коэффициент потерь колебательной энергии у алюминия приблизительно в пять раз больше, чем у стали; силовое воздействие при пробивки отверстий в стальной заготовке больше, чем при пробивке отверстий в алюминиевой заготовке.
При пробивке отверстий в двутавровом профиле наблюдаются наиболее высокие уровни шума. Этот факт может быть объяснен тем, что у двутаврового профиля площадь поверхности больше, чем у швеллера.
При отрезке отверстий в области частот 1000-2000 Гц на 1,5-2 дБ меньше, чем при пробивке отверстий. В области высоких частот 4000-8000 Гц эта разница становиться несколько больше и достигает 7 дБ (на частоте 8000 Гц), что может быть объяснено различной интенсивностью звукового излучения инструмента, применяемого при пробивке отверстий и отрезке.
Спектры вибрации заготовок характеризуются равномерным спадом ин тенсивности до частоты 1000 Гц. В более высокочастотной части спектра ин тенсивность вибрации возрастает. Таким образом, спектры вибрации заготовок имеют высокочастотный характер (так же как и спектры шума). Максимальные уровни вибрации имеет стальной швеллер. Уровни вибрации на двутавровом профиле 2-3 дБ ниже. Этот факт подтверждает результаты измерений шума. Действительно, площадь поверхности двутаврового профиля больше, чем у швеллера. Уровни шума при пробивке отверстий в двутавровом профиле выше, чем при аналогичной обработке швеллера, а уровни виброскорости ниже. Уровни шума пропорциональны величине SV (S - площадь поверхности, м ; V - скорость колебаний м/с). Уменьшение скорости колебаний двутаврового профиля в сравнении со швеллером компенсируется увеличением площади по верхности. Поэтому при обработке двутаврового профиля уровни шума выше. Аналогичные результаты получены и при замерах вибрации заготовок при отрезке. Уровни вибраций при пробивке отверстий в алюминиевом швеллере на 5-7 дБ ниже, чем у стального, что также хорошо коррегируется с результатами измерений шума.
Спектры вибраций, измеренные на инструменте, носят еще более высокочастотный характер (рис. 3.19). Наиболее интенсивные уровни имеют место в высокочастотной части спектра 4000-8000 Гц. Эти результаты также хорошо согласуются с данными замеров шума.
Перепад вибраций стола и станины не превышает 2-3 дБ в низкочастотном диапазоне 31,5-250 Гц и ненамного увеличивается в области частот 500-8000 Гц и составляет 4-5 дБ. Аналогичная картина наблюдается и на рольганге. Таким образом, характерной особенностью данного вида оборудования является низкая интенсивность вибрации несущей системы и очень низкая интенсивность вибраций на рабочем месте (уровни вибраций намного ниже санитарных норм) (см. рис. 4.18)
Этот факт объясняется тем, что у комбинированных гидравлических пресс-ножниц отсутствуют механические привода (зубчатые колеса и подшипники качения). Управление рабочим процессом осуществляется гидросистемой. Поэтому возбуждение вибраций несущей системы происходит только от рабочего процесса, вводимой вибромощности от которого недостаточно, чтобы соз дать интенсивные вибрации в массивной станине.
Таким образом, формирование процесса шумообразования комбинированных гидравлических пресс-ножниц полностью определяется излучением звука заготовок и инструмента.
Похожие диссертации на Обеспечение безопасных условий труда в рабочей зоне ножниц на стадии проектирования
