CC BY
4УДК: 534.21: 621.92 + 06 OECD: 1.03 А А
Обоснование акустических моделей систем «зубчатые колеса-оправки» зубодолбежных и зубострогальных станков
Рыжов С.ПДЧукарин А.Н.2, Финоченко T.A.3* 1 Аспирант
2 Д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Основы проектирования машин» 3 К.т.н., доцент, заведующий кафедрой «Безопасность жизнедеятельности» 1,2,з ростовскиц государственный университет путей сообщения, Ростов-на-Дону, РФ
Аннотация
Одной из технических характеристик станочного оборудования, в значительной степени, определяющей не только безопасные условия труда станочников, но и конкурентоспособность самого оборудования, являются уровни звукового давления, генерируемые на рабочих местах. Следует отметить, что в этом направлении выполнен ряд работ теоретической и практической направленности по снижению уровней шума группы универсальных токарных, фрезерных, шлифовальных станков. Однако, виброакустические характеристики зубодолбежных и зубострогальных станков практически не изучены. Станки данной группы предназначены для изготовления зубчатых колес и реализуют технологический процесс обработки лезвийным инструментом. Уровни шумового дискомфорта, возникающего на рабочих местах обслуживающего персонала, станков этой группы достигают значений 96 дБА. Акустические модели, рассмотренные в статье, позволяют теоретически рассчитывать спектральные уровни звукового давления вышеуказанных источников шумового дискомфорта на этапе проектирования и установки оборудования, а также выявлять частотные интервалы и величины превышений над санитарными нормами.
Ключевые слова: технологические характеристики, шум, вибрация, зубострогальный станок, зубодолбежный станок, собственные частоты колебаний зубчатых колес, акустические модели.
Substantiation of acoustic models of 'gear wheels-mandrels' systems of gear
shaping and gear cutting machines
Ryzhov S.P1 ¡Chukarin A.N.2, Finochenko T.A.3* 1 Postgraduate student 2 DSc, full Professor, Head of the Department of 'Fundamentals of Machine Design' 3 PhD, Associate Professor, Head of the Department of 'Life Safety' 1,2,3 Rostov State Transport University, Rostov-on-Don, Russia
Abstract
One of the technical characteristics of machine tools, which largely determines not only the safe working conditions of machine operators, but also the competitiveness of the equipment itself, is the sound pressure levels generated at workplaces. It should be noted that in this direction, a number of theoretical and practical works have been carried out to reduce the noise levels of a group of universal turning, milling, and grinding machines. However, the vibroacoustic characteristics of gear shaping and gear cutting machines are practically not studied. The machines of this group are designed for the manufacture of gears and implement
*E-mail: E-mail: fta09@bk.ru (Финоченко T.A.)
the technological process of processing with a blade tool. The levels of noise discomfort that occurs at the workplaces of service personnel, machines of this group reach values of 96 dBA. The acoustic models discussed in the article make it possible to theoretically calculate the spectral levels of sound pressure of the above sources of noise discomfort at the stage of designing and installing equipment, as well as to identify frequency intervals and values of excesses over sanitary standards.
Keywords: technological characteristics, noise, vibration, gear planing machine, gear shaping machine, natural vibration frequencies of gears, acoustic models.
Введение
На зубодолбежных и зубострогальиых станках нарезаются зубчатые колеса, очень существенно отличающихся между собой диаметрами и длиной обрабатываемого зуба. Анализ компоновок станков позволяет предположить, что в общей колебательной системе наиболее интенсивное излучение звуковой энергии создается двумя подсистемами режущим инструментом и обрабатываемой заготовкой, как открытых источников шума и имеющих максимальные величины изгибной жесткости [1-3]. У зубодолбежных станков открытыми источниками звуковой энергии, находящимися в непосредственной близости от станочника, являются долбяк и заготовка, а у зубострогальиых - люлька и обрабатываемое колесо. Идентичность компоновок вышеуказанных колебательных систем позволяет использовать единый подход к теоретическому моделированию процессов виброакустической динамики. Действительно, при геометрических параметрах планшайбы и долбяка обосновано использование модели круговой пластины (аналогично обрабатываемым зубчатым колесам). Следует отметить, что ввиду особенности процесса обработки деталей на таком оборудовании не позволяет использовать разработанные для универсальных фрезерных станков теоретические модели шумообразования и методы расчета спектров шума.
1. Технологические характеристики станков
Зубообрабатывающие станки, предназначенные для обработки различных видов зубьев, имеют различные технологические характеристики в зависимости от диаметров обрабатываемых колес, длины и конфигурации зубьев, формообразующих движений (см. табл. 1,2,3). Обработка зубчатых колес ведется по методу обката или копирования, причем обрабатывающий инструмент и заготовка образуют пару [4-7].
Таблица 1
Технологические характеристики зубоетрогальных станков для обработки и нарезания прямозубных колес
Параметр 5С263 527В 5С27П 5С280П
Максимальный диаметр 320 500 500 800
Максимальный модуль 8 12 12 12
Максимальная длина
образующей начального 150 265 220 400
конуса, при наклоне зуба 30%
Диаметр зуборезной головки 60;80;100 160;200; 160;200; 160;200;
125;160; 250;315; 250;315; 250;315;
200;250 400 400 400;500
Частота вращения зуборезной 20-155 20-155 20-155 20-155
головки
Мощность электродвигателя 3 4 4 7,5
Таблица 2
Технологические характеристики зубоетрогальных станков для конических колес с круговыми зубьями
Параметр 5236П 5Т23В 5С268 5С277П 5С286П
Максимальный диаметр 125 125 320 500 800
Максимальный модуль 1,5 1,5 8 12 16
Максимальная ширина венца 20 16 16 80 125
Число двойных ходов в мин. 160-800 210-820 210-820 210-820 34-167
Частота вращения дисковых фрез 10,5-20 20-80
Мощность электродвигателя 1,1 1,1 10 5,5 7,5
Таблица 3
Технологические характеристики зубодолбежных станков
Параметр 5111 5122 5122Б 5122В 5140 5М150 5М161
Максимальный 80 200 200 200 500 800 1250
диаметр заготовки
Максимальная ширина 20 50 30 50 100 160 160
зубчатого венца
Максимальная 1 5 4,5 4,5 8 12 12
модуля
Диаметр долбяка 40 100 100 100 100 200 200
Число двойных 250- 200- 280- 200- 65- 33-188 33-212
ходов в мин. 1600 850 1200 850 450
Круговая подача 0,016- 0,003- 0,051- 0,14- 0,14- 0,2-1,5 0,2-1,5
мм/двойной ход 0,4 0,286 0,55 0,75 0,75
Мощность 1,1 2,1;3 3,7 2,1;3 4;4,5 4,8;5,7 4,8;5,7;7,5
электродвигателя
Несмотря на различие технологических процессов зубодолбления, зубоетрогания, а также методов обката и копирования, теоретическое исследование процессов возбуждения вибраций и излучения, звуковой энергии может быть выполнено единым методологическим подходом [8,9],
2. Акустические модели, формирующиеся при данном виде зубообработки
Обрабатываемые зубчатые колеса устанавливаются на оправках, имеющих цилиндрическую форму. При любом способе центрирования обрабатываемые зубчатые колеса представляют собой круглые пластины, жестко закрепленные в центре. Используя данные теоретических исследований для зубчатых колес зависимость для расчета собственных частот колебаний приведены к виду
, _ кк / Е
Дк = "77 <
И у 3р(1 - ^2)'
где к - коэффициент, определяющий собственные частоты колебаний; к - длина зуба, м; И - диаметр окружности выступов, мм; Е - модуль упру гости, Па; р - плотность материала колеса, кг/м3; ^ - коэффициент Пуассона,
На машиностроительных предприятиях в подавляющем большинстве случаев обрабатываются стальные и чугунные колеса. Тогда подставляя величины механических параметров получены следующие зависимости для собственных частот колебаний Сталь Д = 3 ■ 103 Щ
Чугун Д = 2,4 ■ 103|т
В зависимости от соотношения радиуса и длины волны в воздухе на собственных частотах колебаний. Тогда с учетом данных работ получены следующие зависимости для звукового давления (Р) и звуковой мощности (Ж): точечный источник (сталь)
Р = 6 ■ 103N = 6 ■ 105И4(кЩ)2
круглая пластина (сталь)
P = 3 . io3^^ N =1,4 ■ 105D4(hfcVfc)2 r
точечный источник чугун
P = 4,5 ■ 103^^ N = 4,6 ■ 105D4(hkVk)2
круглая пластина (чугун)
Р = 2,3 ■ 103^^^ N =1,1 ■ 105£4(ВД)2
где V; - скорость колебаний на собственных частотах, м/с; г - расстояние от источника акустического дискомфорта до рабочего места, м.
Результаты расчетов собственных частот колебаний зубчатых колес, представлены в табл. 4 и 5
Таблица 4
Собственные частоты колебаний чугунных колес
Геометри- Собственные частоты колебаний
ческие
параметры
зубчатого /i /2 /3 /4 /5 /а /7 /8 /9 Ую /11
колеса,
D х h, (мм)
20 х 50 6000 12000
50 х 50 2400 4800 7200 9600 12000
80 х 100 3000 6000 7200 9000 12000
125 х 100 1900 3300 5700 7600 9500 11400
200 х 200 2400 4800 7200 9600
200 х 160 1900 3800 5700 7600 9500 11400
320 х 220 1650 3300 4950 6600 9500 3250 9900 11500
320 х 180 1350 2700 4050 5400 6750 8100 9450 10800 12150
500 х 300 1440 2880 4320 5760 7200 8640 10080 11520
500 х 350 1680 3360 50400 6720 8400 10080 11760
800 х 350 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000
1250 х 560 1100 2200 3300 4400 5500 6600 7700 8800 9900 11000
3200 х 1350 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000
Таблица 5
Собственные частоты колебаний чугунных колес
Геометрические параметры зубчатого колеса, D х h, (мм) Собственные частоты колебаний
/i /2 /3 /4 /5 /6 /7 /8
20 х 50 7500
50 х 50 5000 10000
80 х 100 3750 7500 11250
125 х 100 2400 4800 7200 9600 12000
200 х 200 3000 6000 9000
200 х 160 2400 4800 7200 9600
320 х 220 2000 4000 6000 8000 10000
320 х 180 1688 3376 5064 6752 8440 10128
500 х 300 1800 3600 5400 7200 9000 10800
500 х 350 2100 4200 6300 8400 10500
800 х 350 1300 2600 3900 4200 6500 7800 9100 10400
1250 х 560 1344 2688 4032 6720 8064 9408
3200 х 1350 1266 2532 3798 5064 6330 7596 8862 10128
Результаты расчетов показали, что зубчатые колеса имеют существенные различия в количестве собственных частот колебаний в нормируемом диапазон частот. Причем практически у всех зубчатых колес собственные частоты попадают в средне и высокочастотный диапазон 100-11200 Гц,
Оправки, на которых центрируются обрабатываемые зубчатые колеса, различаются по способам закрепления на станках, В частности, при обработке на зубодолбежных и зубострогальиых станках по методу обката оправки представляют собой конеольно-закрепленные стержни. При обработке на зубошлифовальных и зубофрезерных станках, работающих по методу обкатки, оправки представляют собой круглы стальные стержни на двух опорах, которые, в свою очередь, следует рассматривать как шарнирно-опертые и жоп ко закрепленные [2,10],
В качестве акустической модели любых оправок принят цилиндр ограниченной дины. Звуковое давление и звуковая мощность для трех вариантов закрепления приведены к следующему виду:
для шарнирно-опертой оправки
р = 2,5 ■ 102РЧ ^
для консольно-закрепленной оправки р _ 2,5 ■ 102Р3Ук ^2к - 1 ^ 2
для жестко-закрепленной оправки
р _ 2,5 ■ 102Р3Ук ^2к + 3^ 2
л7 3 ■ 105D4-2fc6 N =-
N =
3 ■ 105D4-fc2(2fc - 1) 15
N=
3 ■ 105D4-fc2(2fc + 3) 15
Уровни звукового давления и звуковой мощности, создаваемые технологической подсистемой «зубчатое колесо - оправка», на рабочих местах станочников, определяются следующим образом:
1Р(М) = 10/£(10°'1Ь1 + 10°'1Ь2) где Ь1 и Ь2 - уровни звукового давления зубчатого колеса и оправки, дБ,
Заключение
В приведенных выше зависимостях параметры технологических процессов, реализуемых на зубодолбежных и зубоетрогальных станках, будут учтены в зависимостях скоростей колебаний на собственных частотах. Эти данные позволяют теоретически рассчитывать спектральные уровни звукового давления зубодолбежных и
зубоетрогальных станков на этапе их проектирования [11-13]. Фактически такие расчеты дают возможность определить акустическую эффективность проектируемых систем шумозащиты.
Список литературы
1. Чукарин А.Н, Теория и метода акустических расчетов и проектирования технологических машин для механической обработки. Ростов н/Д, Издательский центр ДГТУ. - 2004. - 152 с.
2. Литвинов А.Е. Исследование режимов резания на ленточнопильных станках / А.Е. Литвинов, В.Г. Корниенко, И.И. Сухоносов // Станки Инструмент (СПIII). 2010. №10, С. 5-8.
3. Chukarin A.N., Beskopylny A.N., Isaev A.G. Studies of vibroacoustic characteristics in the operator's work area during abrasive treatment of welds // Work safety in industry. 2019. 11. - P. 7-12. DOI: 10.24000/0409-2961-2019-11-7-12
4. Balanova M.V., Finochenko T.A., Pereverzev I.G. Physical factors affecting the reliability of rail crane operators. Dependability. 2019; 19 (1). P. 36-39. https://doi.org/ 10.21683/1729-2646-2019-19-1-36-39
5. Иванов И.И., Никифоров А.С. Основы виброакустики. СПб.: Политехника. -2000. - 482 с.
6. Общемашиностроительные нормативы режимов резани. Справочник: в 2-х т. / А.Д. Локтев, 11.Ф. Гущин, В.А. Батуев и др.// М,: Машиностроение, 19991. - 640 с.
7. Theoretical study of the vibration excitation and noise generation processes of the grinding wheels of thread and spline grinding machines / Курченко П.С., Шашурин А.Е., Разаков Ж.П., Чукарин А.Е. // AKUSTIKA. 2021 Vol. 39. С.175-178. DOI 10.36336/ akustika202139173,
8. Характеристики шумового дискомфорта в рабочей зоне прутковых токарных станков / Т.Д. Финоченко, И.А. Я никои. А.Н. Чукарин, С.А. Раздорский / / Российский научно-технический журнал «Мониторинг. Наука и Технология». - 2018,- .V" 3 С. 10-13
9. Методика проведения экспериментальных исследований шума прутковых токарных автоматов / Т.Д. Финоченко, А.Н. Чукарин // Инновационные технологии в машиностроении и металлургии: матер. IV Междунар, науч.-практ. конф. / Мин-во промышленности и энергетики. Ростов-на-Дону: Изд. центр ДГТУ, 2012. С. 263-268.
10. Мотренко, Д.В. Моделирование виброакустической динамики режущего инструмента цепнодолбежных деревообрабатывающих станков / Д.В. Мотренко, И.А. Яицков // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. -Ростов н/Д: 2019, №2 (74). С. 37-42.
11, Разаков Ж.П, Теоретическое исследование процессов возбуждения вибраций и шумообразовання шлифовальных кругов резьбо- и шлицешлифовальных станков / Разаков Ж,П., Шашурин Л.К.. Курченко П.С,, Иванов И,И, // AKUSTIKA, Vol, 38, 2021, ISSN 1801-9064
12, Снижение шума металлорежущих станков / ТА, Финоченко, U.M. Яицкова, И,Г, Переверзев // Труды Ростовского государственного университета путей сообщения, - 2020. - № 2 (51). - С. 112-117.
13, Солдатов А.Г., Суворова Т.К., Финоченко Т,А,, Чукарин А,И,, Теоретическое обоснование методов снижения шума и вибраций крупногабаритных шлифовальных кругов // ШУМ, Теория и практика шума, 2022, -Том, 8 - №2, - Р, 35-44
References
1. Chukarin A.N, Theory and method of acoustic calculations and design of technological machines for machining. Rostov n/a, DSTU Publishing Center. - 2004. - 152 p.
2. Litvinov A.E. Study of cutting modes on band saw machines / A.E. Litvinov, V.G. Kornienko, N.I. Sukhonosov // Machine Tool (STIN). 2010. No. 10, pp. 5-8.
3. Chukarin A.N., Beskopvlnv A.N., Isaev A.G. Studies of vibroacoustic characteristics in the operator's work area during abrasive treatment of welds // Work safety in industry. 2019. 11. - E. 7-12. DOI: 10.24000/0409-2961-2019-11-7-12
4. Balanova M.V., Finochenko T.A,, Pereverzev I.G. Physical factors affecting the reliability of rail crane operators. Dependability. 2019; 19 (1). P 36-39. https://doi.org/ 10.21683/1729-2646-2019-19-1-36-39 Ivanov N.I., Nikiforov A.S. Fundamentals of vibroacoustics. St. Petersburg: Polytechnic. - 2000. - 482 p.
5. Ivanov N.I.: Fundamentals of vibroacoustics / N.I. Ivanov, A.S. Nikiforov // St. Petersburg: Polytechnic, 482 p., 2020
6. General engineering standards for cutting modes. Directory: in 2 volumes / A.D. Loktev, I.F. Gushchin, V.A. Batuev and others // M,: Mashinostroenie, 19991. - 640 p.
7. Theoretical study of the vibration excitation and noise generation processes of the grinding wheels of thread and spline grinding machines / KvpnenKO II,C,, UlainvpHH A.E,, PasaKOB JK.IL, 'l.vKapmi A.E. // AKUSTIKA. 2021 Vol. 39. C.175-178. DOI 10.36336/ akustika202139173,
8. Characteristics of noise discomfort in the working area of bar lathes / T.A, Finochenko, I.A. Yaitskov, A.N. Chukarin, S.A. Razdorskv // Russian scientific and technical journal "Monitoring. Science and Technology" 2018. № 3. P. 10-13
9. Methods for conducting experimental studies of the noise of bar lathe machines / T.A. Finochenko, A.N. Chukarin // Innovative technologies in mechanical engineering and metallurgy: mater. IV Intern, scientific-practical, conf. / Ministry of Industry and Energy. Rostov-on-Don: Ed. center of DSTU, 2012, pp. 263-268.
10. Motrenko, D.V. Modeling of vibroacoustic dynamics of the cutting tool of chain grooving woodworking machines / D.V. Motrenko, I.A. Yaitskov // Bulletin of the Rostov State University of Communications. - Rostov n/a: 2019, No. 2 (74). pp. 37-42.
11. Razakov Zh.P. Theoretical study of the processes of excitation of vibrations and noise generation of grinding wheels of thread and spline grinders / Razakov Zh.P., Shashurin A.E., Kurchenko P.S., Ivanov N.I. // AKUSTIKA, Vol. 38, 2021, ISSN 1801-9064
12. Noise reduction of machine tools / T.A. Finochenko, N.M. Yaitskova, I.G. Pereverzev // Proceedings of the Rostov State University of Communications. - 2020. - No. 2 (51). - S. 112-117.
13, Finoehenko T, A,, Chukarin A, N,, Soldatov A, G,, Suvorova T, K, Theoretical substantiation of methods for reducing noise and vibrations of large-sized grinding wheels // NOISE Noise Theory and Practice. 2022.Vol. 8 №2. P. 35-44
