ИССЛЕДОВАНИЕ ВИБРАЦИОННЫХ ПОЛЕЙ В КОРПУСНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ Текст научной статьи по специальности «Физика»

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ВИБРАЦИЯ

УДК 621.906

ИССЛЕДОВАНИЕ ВИБРАЦИОННЫХ ПОЛЕЙ В КОРПУСНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ

А.М. МЕДВЕДЕВ, доцент, канд. техн. наук, Г.В. ЛИТОВКА, профессор, доктор техн. наук, Амурский государственный университет, г. Благовещенск

Исследуются пути снижения виброакустической активности металлорежущих станков

Methods reducing vibroacoustic activity in metal-cutting machines are being investigated.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: МЕТАЛЛОРЕЖУЩИЕ СТАНКИ, ВИБРАЦИОННЫЕ ПОЛЯ, ШУМ, КОРПУСНЫЕ ДЕТАЛИ.

Проектирование рациональных комплексов средств для снижения виброакустической активности металлорежущих станков невозможно без детального анализа причин повышенной шумности, требующих учета всех особенностей конструкции.

Составляющую суммарного звукового поля, обусловленную излучением шума вибрирующими корпусными элементами металлорежущих станков, назовем структурным шумом. В зависимости от характера исходного возбуждения звуковой вибрации следует различать первичный и вторичный структурный шум, уровни которого обозначим соответственно через ^сп и ^св. Первый из них обусловлен возбуждением звуковой вибрации корпусных конструкций под воздействием динамических усилий, передаваемых от источника через опорные связи (фундаменты механизмов). Вторичный структурный шум возникает вследствие возбуждения звуковой вибрации ограждающих конструкций под воздействием шума источника.

Любой реальный источник шума машин представляет совокупность двух независимых источников, один из которых излучает звуковую энергию только в воздух в виде шума, а второй - только в корпус и дополнительные жесткие связи (трубопроводы и т. п.) в виде звуковой вибрации. Первичная и вторичная звуковая вибрация, распространяясь по всему корпусу, претерпевает многократные отражения на различных конструктивных неоднородно-стях и рассеивается вследствие тепловых потерь и излучения звука.

Определение степени влияния структурного шума при работе зубчатых механизмов металло-

Рис. 1. Основные корпусные детали

обрабатывающих станков оказывается задачей более сложной, чем при других типах источников. Это обусловлено, в первую очередь, тем, что для зубчатых передач соотношение акустических мощностей / может изменяться довольно в широких пределах. Кроме того, степень влияния структурного шума зависит и от конструктивных особенностей корпусных деталей оборудования, от взаимного расположения источников.

Проанализируем конструктивные особенности корпусных узлов металлорежущих станков.

Корпусными узлами станков являются станины, стойки, поперечины и другие детали, образующие контур станка и служащие базой для расположения основных узлов станка. К ним относятся корпусы коробок скоростей и подач, суппорты, столы и планшайбы станков. Корпусные детали могут быть разделены на две группы. Первая группа - это неподвижные корпусные детали, такие, как станины и стойки, а также траверсы, которые могут устанавливаться в различные положения, но неподвижно закрепляются во время обработки. Вторая группа - это подвижные корпусные детали - столы, суппорты, планшайбы, которые во время обработки перемещаются по направляющим станины или стойки.

От конструкции корпусных деталей и узлов во многом зависит точность, жесткость и виброустойчивость всего станка. Корпусные детали современных станков -это в большинстве случаев отливки достаточно сложной конфигурации. Они имеют ребра жесткости, базовые поверхности для крепления к другим узлам, направляющие для перемещения подвижных узлов, окна, ниши и проемы различного назначения. Соотношение размеров (длины, ширины, высоты) может быть самое разнообразное.

На рис. 1 приведены наиболее характерные корпусные детали горизонтально-расточного станка. Станина (рис. 1, а) представляет собой жесткую конструкцию с длиной, значительно превышающей другие размеры. По ее направляющим перемещается стол (рис. 1, б, изображен перевернутым). Стойка (рис. 1, в) крепится к станине и имеет направляющие для передней бабки станка.

Одной из наиболее ответственных неподвижных корпусных деталей станка является станина.

ВИБРАЦИЯ

Сложные станины состоят из отдельных частей (секций горизонтальной станины, стоек). В поперечном сечении станины и стойки могут иметь различный профиль. Замкнутый профиль (рис. 2, а) характерен для стоек фрезерных, сверлильных и других станков. Для горизонтальных станин применяется открытый профиль (рис. 2, б), когда две стенки соединены ребрами той или иной формы (токарные, револьверные, расточные и другие станки), либо полуоткрытый (строгальные, фрезерные и другие станки), когда у станины имеется верхняя или нижняя стенка (рис. 2, в). При необходимости отводить большое количество стружки станине придают специальную форму, например, с наклонной стенкой и окнами в боковой стенке (рис. 2, г).

Рис. 2. Профили поперечного сечения станин

Таким образом, в своем большинстве корпусные узлы представляют собой систему пластин, подкрепленных параллельными ребрами жесткости, имеющими различные технологические отверстия, жестко связанных между собой и являющихся излучателями структурного шума.

При обычных измерениях невозможно разделить составляющие звукового давления в суммарном звуковом давлении, которое регистрируется микрофоном, но оказывается возможным получить такие данные косвенным путем.

Рассмотрим статистический (энергетический) метод, позволяющий разделить составляющие воздушного Рв и структурного шума Рс в суммарном звуковом давлении корпусных элементов металлорежущих станков.

Корпусные элементы металлорежущих станков можно рассматривать как систему из пластин, определенным образом соединенных между собой.

За единицу времени в пластину подводится от источника (зубчатой передачи) колебательная энергия №ик. Пластина с индексом к площадью Бк имеет общую границу протяженностью с пластиной / и плотностью энергии изгибных волн шк. Для определения энергии, передаваемой в единицу времени из к-й пластины в /-ю, выделим на границе пластины участок единичной длины. Под углом 0 на него падает поток энергии [1]

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

сге

dqk=cгpwk—cosQ, ¿л

(1)

где сгр =

сЛк

групповая скорость распространения

энергии волны.

Здесь взято отношение 60 к 2п, так как в диффузном поле движение энергии равномерно распределено по всем углам в пределах 2п. Часть этого потока энергии проходит в пластину /. Ее величина

(2)

где п/к(0) - коэффициент передачи энергии через соединение пластин и падающей на него под углом 0. Подстановкой (1) в (2) получим

dЩk = cГp,k^ikwk-, к

(3)

где т/к - коэффициент передачи энергии диффузного поля через соединение пластин:

1 2

^ = 1Л(е)соз есю.

(4)

Через всю границу 1кк в единицу времени проходит энергия

Щк = ^Щк = -Цксг р.кТдМ.

71

Формулу (5) можно переписать

= %Сгр.Л>

(5)

(6)

где о* =

коэффициент, характеризующий пере-

дачу энергии изгибных волн из пластины к в пластину /:

Рис. 3. Интерфейс программы расчета потоков колебательной энергии в корпусных элементах металлорежущих станков

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Согласно (6) за единицу времени из пластины k в другие пластины уходит колебательная энергия

Щ* + Xaik(ч -Як)-ЬкЯк = 0■

/=1

ВИБРАЦИЯ (14)

/=1

(7) Если пластина k не связана непосредственно с источником колебательной энергии Мик, то выражение (14) следует переписать:

Из других пластин системы пластина к получает за это же время колебательную энергию

Xak(crpiw(-

/=1

(8)

Если пластины к и / не соединены между собой непосредственно, акк = ак/ = 0.

Количество колебательной энергии в пластине к поглощается за счет внутренних потерь [2]

Wnnrn = -ßw.

погл Г

(9)

Суммируя (6), (7) и (8), а также величину Мик, получим изменение колебательной энергии в пластине за единицу времени:

5>/к(Чг

/=1

Як)-ЬкЯк=0.

(15)

Записав р уравнений, подобных (14) и (15) и решив систему полученных уравнений относительно искомых величин цп, найдем значения среднеквадратичных амплитуд колебательных скоростей звуковой вибрации в корпусных элементах металлорежущих станков и обору-

дования (4п) =

Яп

2с„

"И.ПЛ.^ПЛ.

изгибных колебаниях пластин звуковая мощность М связана с коэффициентом излучения у и амплитудой виброскорости соотношением

В случае излучение звука при

W = ypc%$Sk,

(16)

dwk dt

= W„k + X а «Ар ¡w, - $kwk -

<=1 n

i=1

Введем обозначение

8= ß =qynnS = 7rnnS.

^rp

(10)

(11)

Кроме того, учтем, что поток колебательной энергии в пластине

q = Crpw

(12)

где рс - акустическое сопротивление среды (удельное сопротивление излучения при поршневых колебаниях); Бк - площадь излучающей пластины.

Для ребристых пластин, на которых установлен источник колебательной энергии, на высоких частотах может наблюдаться существенная неоднородность поля, связанная с расширением фронта волн, распространяющихся от источника [3]. Формулы (14)—(15) нельзя применять для расчета уровня вибрации на частоте ниже первой резонансной частоты изгибных колебаний участков пластины, заключенных между смежными ребрами жесткости.

Теоретические зависимости расчета потоков колебательной энергии и среднеквадратичных амплитуд колебательных скоростей в корпусных элементах металлорежущих станков реализованы в программном обеспечении [4]. Разработан программный модуль в среде программирования С++ВиПСег 5, интерфейс которого представлен на рис. 3.

Подставив (11) и (12) в (10), получим

Список литературы

-^<^r = W„k + 'Luik(qi-qk)-8kqk (13)

сгр к (=1 v '

где 5к - коэффициент, характеризующий поглощение колебательной энергии в пластине к.

При стационарных волновых процессах в корпусных элементах металлорежущего станка, что имеет место при непрерывной работе зубчатых передач и других источников вибрации, - о, то (13) - для

dt

стационарного процесса

1. Никифоров А.С. Распространение и поглощение звуковой вибрации на судах/ А.С. Никифоров, С.В. Будрин. - Л.: Судостроение, 1968. - 216 с.

2. Никифоров А.С. Акустическое проектирование судовых конструкций: Справочник / А.С. Никифоров. - Л.: Судостроение, 1990. - 200 с.

3. БородицкийЛ.С. Снижение структурного шума в судовых помещениях / Л.С. Бородицкий, В.М. Спиридонов. - Л.: Судостроение, 1974. - 222 с.

4. Медведев А.М. Расчет плотности потоков колебательной энергии в элементах технологического оборудования: Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ / А.М. Медведев, Г.В. Литовка, Е.С. Кишлалы -№ 200661 1706. - М.: Роспатент.