ОБОСНОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ШУМОПОДАВЛЕНИЯ ДЛЯ КРУГЛОПИЛЬНЫХ, ПРИРЕЗНЫХ И АБРАЗИВНО-ОТРЕЗНЫХ СТАНКОВ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 331.45+06

DOI: 10.24412/2071-6168-2024-4-60-61

ОБОСНОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ШУМОПОДАВЛЕНИЯ ДЛЯ КРУГЛОПИЛЬНЫХ, ПРИРЕЗНЫХ И АБРАЗИВНО-ОТРЕЗНЫХ СТАНКОВ

М.В. Бедоидзе, И.А. Смычок, Т.А. Финоченко, А.Н. Чукарин

Проанализирован механизм генерации шума при работе, абразивно-отрезных, круглопильных, прирезных и балансировочных станков. Шум пагубно сказывается на здоровье оператора и снижает работоспособность. Сконструирована математическая модель генерации шума, позволяющая эффективно оценивать требуемые параметры звукозащитных устройств. В качестве акустической модели может быть принята круглая пластина. Разработка предназначена для создания реалистичных цифровых двойников рассматриваемого в статье оборудования, позволяющих обеспечить комфортные шумовые условия на рабочем месте на этапе проектирования. Исходя из проанализированных в данной работе функциональных зависимостей в системе «генерация звука - распространение - отражение - ослабление» определена требуемая степень звукоизоляции.

Ключевые слова: технологический шум, шумозащита, моделирование, режущий инструмент, дисковые пилы, абразивно-отрезные станки, пильные диски.

Введение. Шум, возникающий при работе металлорежущего и деревообрабатывающего оборудования, является одним из мажорантных негативных воздействий производственной среды на персонал профильных предприятий [1,2]. Он пагубно сказывается на здоровье оператора и снижает работоспособность. Соответственно приоритетным направлением совершенствования инструментально-технологической базы таких производств является обеспечение комфортных условий труда по наиболее критичным показателям, в частности, вибро-шумовым [3,4].

Наиболее действенным способом организации высокоэффективного человекосберегающего производства в настоящее время является комплексная реализация защитных мероприятий на всех стадиях жизненного цикла [5], начиная с проектирования. Качество результата при этом обеспечивается путем использования новейших наукоемких подходов, сочетающих различные приемы моделирования (физического, имитационного, информационного), обозначаемого научным термином цифровой двойник (ЦД) [6]. Важнейшим элементом ЦД-технологии проектирования промышленных систем является математическое моделирование основу которого составляют хорошо отработанные теоретические положения [7].

В таких обстоятельствах объект (шум, сопровождающий работу круглопильных, прирезных и балансировочных деревообрабатывающих станков), предмет (научно обоснованные способы эффективного улучшения шумовой обстановки) и цель данной работы (развитие теоретических основ вибро- и шумозащиты в условиях эксплуатации) представляются актуальными в научном и практическом планах.

Особенности генерации шума при эксплуатации оборудования. Объектом исследования выбраны абразивно-отрезные, круглопильные, балансировочные и прирезные станки.

Круглопильные, абразивно-отрезные, прирезные и балансировочные станки имеют простую кинематическую структуру привода главного движения и работают при высоких значениях частоты вращения. В результате уровни шума несущей системы станка не превышают предельно-допустимых величин. На этих станках обработка производится пилами большого диаметра с большим числом зубьев и малой толщиной полотна Геометрические характеристики пильных дисков приведены в таблице 1. Соотношение толщины к диаметру для этих пил и пильных дисков S/D составляет: 5-10-3 — 6,25-10-3 для пил диаметром 400 и 410 мм, 4,76-10-3 для пил диаметром 630 и 710 мм, 3,5•Ю-3 - 4,5 • 10-3 для пил диаметра 800, 1000 и 1250 мм.

Таблица 1

Геометрические характеристики пильных дисков и дисковых пил_

S S о и Профиль зубьев

& н ч и й S s м <D s s ^ Чз ° 5 о к для продольной распиловки для поперечной распиловки

я Q" « К с о л л н и Ü 1

&

О н к « Число зубьев z

400 2,0; 2,2; 2,5 72; 96; 120 72; 96; 120

450 2,2; 2,5; 2,8

630 2,5; 2,8; 3,0 50 36; 48; 60 72; 120

710 2,8; 3,0; 3,2 72; 120

800 3,0; 3,2; 3,6

1000 3,6; 4.0; 4,5 48; 72 —

Приведенные параметры оборудования и процесса свидетельствуют, что основным источником излучения звуковой энергии служит режущий инструмент со сравнительно малой изгибной жесткостью, возбуждаемой на достаточно высокой частоте, а также абразивных дисков. Данная группа станков эксплуатируется как в условиях открытых площадок, так и внутри производственных помещений. Согласно данным работы [8] уровни шума Ь определяются следующими зависимостями: для открытых площадок

L = L„ + 10 lg

-ЗИ,

для производственных помещений

L =

Lp +

10 lg

Х'Фм . sp 60

+

4 ^п

- ЗИ,

(1)

(2)

где Ьр - уровень звуковой мощности источника, дБ; ЗИ - звукоизоляция, определяемая по ГОСТ 31298.2-2005, дБ; X = X (/, 7~) - коэффициент искажения звукового поля; /- частота, Гц; г - расстояние от источника шума, м; 1тах - максимальный размер источника, м; 5р - измерительная поверхность, проходящая через рабочее место на расстоянии г от источника; фм - показатель направленности звукового излучения; - коэффициент диффузности звукового поля; Вп- постоянная помещения, м2.

Важным параметром в формулах (1 и 2) является величина коэффициента искажения звукового поля, которую на основе анализа экспериментальных данных предлагается факторизовать, то есть представить в виде:

X (/,т~ ) = X/(Я -ХгС—) (3)

Экспериментально полученная зависимость частотная X приведена на рисунке 1 и может быть аппроксимирована с погрешностью 3,5 % функцией

10 ^^СЛ = 1+1,510-6[(Г-З4 6>Н(Г-З4,6)]З.69 (4)

в которой Н(х) - обобщённая функция Хевисайда. Подгоночные коэффициенты в формуле (4) находились методами математического программирования [9] минимизацией невязки модельного и экспериментального результатов в двухстах точках коллокации.

Частота колебаний, Гц

• • • Эксперимент -Модель (4]

Рис. 1. Частотная зависимость коэффициента искажения звукового ноля - экспериментальные данные

и модельный расчёт

Пространственная зависимость коэффициента искажения звукового поля Xr традиционно задаётся кусочно-непрерывной функцией:

Xr =

3 при -— < 1 ;

Ь-тах

4 при 1<-^< 3 ;

при

1тах

> 3 .

(5)

С использованием аппарата обобщенных функций эту часть зависимости коэффициент искажения звукового поля можно представить следующим образом:

Г / г \ ! г \ / г \ / г\ /г м 101дхг(Т)=101д зя(1 --—) + (4--—)я(---1Ья(з--—) + 1Я(---з)1 (6)

I- ^ ^тах' ^ ^тах' ^тах ' ^ ^тах' ^тах ' -I

Коэффициент диффузности ф = ф

1-

0,3В

0,55

при 0 < — < 1,5 ; В

при — >1,5 ,

где В - постоянная помещения, м2; Б - площадь ограждающих поверхностей помещения, м. В удобной для расчётов форме соотношение (7) принимает вид:

* (?)=10^ К1 - Т) •н © •н (1,5 -?)+0,55 •н (?-1,5)]

С учетом приведенных зависимостей выражения (1) и (2) принимают вид:

Ь = 20^2 - ЗИ- 8 , 0,04 1 - 1,3

I = + 10

/0,04 1 - 1,3 • а\ lg + «5 )

- ЗИ + 6

(7)

(8)

(9) (10)

где — звуковая мощность источника, дБ; а - коэффициент звукопоглощения.

Математическая модель шумообразования. В качестве акустической модели циркулярной пилы может быть принята круглая пластина, звуковая мощность которой определяется выражением [9]

N = ---2-— (11)

где Я - радиус пилы, м; р и с - плотность, кг/м3; скорость звука в воздухе, м/с; к - номер колебательной моды, 1/м; ^ - виброскорость, м/с.

Поставляя численные значения плотности воздуха, скорости звука в нём, собственных частот колебаний пилы как круглого стального диска получаем выражение звуковой мощности источника:

= 10 lgTo-I7 = 20 1я—^ + 175, (12)

где Н - толщина пилы, м.

В этом случае выражения (9) и (10) примут вид:

Ь = 20 ^--— + 175 - 20^2 - ЗИ- 8,

L = 20 lg

R2vkhk

+ 175+ 10

0,04 1 - 1,3 + -

/0,04

lg (0i04

- ЗИ + 6.

г ~ \ г2 a S

Для расчета скоростей колебаний в качестве исходного выражения примем зависимость [10]:

F(t)

(13)

(14)

(15)

iMm[1 -á] + (ÍW

где ш - частота воздействия силы резания, рад/c; шс - собственные частоты колебаний пилы, рад/c; m - распределенная масса пилы, кг/м2; г/ - коэффициент потерь колебательной энергии пилы; F(t) - силовое воздействие процесса резания, Н.

Для пил, рассматриваемых здесь как круглые стальные диски,

т = 7,8 • 103h ; шск = 104-fc; ш = 0,1 •nz ,

СИ R • '5

где n - частота вращения, мин-1; z - число зубьев, шт.

Силовое воздействие задается следующей зависимостью [11]:

F(t) = F • sin (0,017 • nzt - у),

где P - амплитуда силы резания, H.

Для условий работы циркулярных пил при обработке как плоских, так и круглых заготовок следует учитывать что у зубьев, находящихся в зоне обработки, глубина резания будет различная (рисунок 2). Поэтому силовое воздействие в данном случае округляется по формуле:

F(t) = ^ Ft sin (0,017 • nzt - ^,

(16)

где I - число зубьев, находящихся в зоне резания.

Рис. 2. Конструкция и особенности работы пильного диска: а - общий вид; б - ЗБ-модель; в - расположение

зубьев в плоских, г - в круглых заготовках

Числовые параметры модели и результирующие характеристики шума. Амплитуда силы резания задается нормативами режимов резания при обработке изделия [12]. Применительно к круглопильным станкам она связана с мощностью резания соотношением

Ъ , кВт (17)

, кВт

60 • 102%

uz - подача на зуб; ' = 'ia - коэффициент, учитывающий породу древесины; а3

где и - подача, м/мин; и =

коэффициент, учитывающий затупление пилы; Н; - высота пропила на соответствующем зубе, мм.

С приемлемой для расчётов промышленных звуковых полей точностью данные рисунка 3 приближаются аналитическими зависимостями: для твердых пород

4(и2) * 5,5 •и2-03В (18)

для мягких пород

^(и2) * 3 •и2-03В. (19)

б

а

3" 2

£ и

£ ш ^ со

Подача на зуб, мм

0,2 0,4 0,6

• для мягких пород

0,8

для твёрдых пород

Рис. 3. Значения Е для круглопилъных станков при продольном пилении сухой древесины (влажность 10 -15%)

Показанная на рис. 4 двухпараметрическая зависимость в) с погрешностью менее 7 % воспроизводится аналитическим выражением

5) « 4,62 • е-12 6"2 + 12,1 • е-02645 . (20)

Подача на один ог0б зуб иг, мм

Подача на один зуб иг, там

г, 5

Ширина пропила 3, мм

13-4 14-5 15-6 16-7 17-8 18-9 9-10 10-11 11-32 11-13

Ширина пропила Л мм

■-0,1-0,0В ■-0,08-41,06 ■-0,06-0,04 ■-0,04-0,02 1-0,02-0 1 0-0,02 1 0,02-0,04 0,040,06 ■ 0,0И,0В 0,08-0,1

а б

Рис. 4. Зависимость коэффициента обрабатываемости сухой древесины Е для круглопильных станков при продольном пилении: а - функциональный вид; б - относительная погрешность

Поскольку в расчетах учитывается сила резания, получается общая зависимость: _ Ы1 _ • 1000 • 60 • 103 _ 3 • 103 _ 1,5 • 103^Я;м

= г^" = 60 • 102 • 0,9^0п = Оп = ,н (21)

Для расчета звуковой мощности и ее уровня используется действительная часть выражения (15) или в яв-

ном виде:

(22)

—2 • т2и2 + о>2т2 — 2т2о>2 + — Система шумозащиты предназначена для обеспечения санитарных норм на рабочих местах станочников в части зашумления. Особенности рассматриваемого технологического процесса заключаются в значительной величине пропила, что не позволяет снизить уровень шума путем установки вибропоглощающих шайб на торцевых поверхностях пилы. Поэтому наиболее технологичным представляется обеспечение санитарных норм посредством установки надлежащей звукоизоляции. Исходя из проанализированных в данной работе функциональных зависимостей в системе «генерация звука - распространение - отражение - ослабление» требуемая степень звукоизоляции составляет:

для открытых площадок

ЗИтреб = 20 (д--+175 — ¿с;

внутри производственных помещений

ЗИ

треб

= 20 1я-

+ 10

/0,04 1 - 1,3 • а\ 1g (—) + 6-1с

(23)

(24)

г " \ г2 а • 5п

где - предельно допустимые уровни, дБ.

Обычно внутри производственных помещений одновременно эксплуатируются несколько станков, для выполнения санитарных норм шума предельно допустимые уровни следует уменьшить на 5 - 6 дБ. В этом случае, учитывая соотношения между уровнями звуковой мощности и звукового давления, получаются следующие зависимости:

ЗИТреб = 20 lg-рт- +167 -Lc; (25)

/0,04 1 - 1,3 • а\

ЗИтреб = 20 —¡2- + 10 lg + g ^ 5п j - 2 - Lc. (26)

Таким образом, систематизированные здесь научные сведения и полученные результаты [13] позволяют спроектировать удовлетворяющую действующим санитарным нормам систему шумозащиты для пильной группы деревообрабатывающих и металлорежущих станков путем рационализации конструкции, геометрических параметров и материала звукоизолирующего ограждения.

Список литературы

1. Финоченко Т.А., Лысенко А.В., Лысенко Д.С. Состояние психосоматического здоровья в неблагоприятных условиях профессиональной деятельности. Ростов-на-Дону: Ростовский государственный университет путей сообщения, 2017. 101 с. EDN YSJVPI.

2. Промышленная санитария и гигиена труда. Здоровье и работоспособность / М. В. Белавкина, А. В. Борисова, А. В. Лысенко [и др.]. Ростов-на-Дону: Ростовский государственный университет путей сообщения, 2022. 108 с. EDN AMEICP.

3. Handbook for industrial noise control / NASA SP-5108. Washington D. C., 1981. 148 p.

4. СанПиН 1.2.3685-21. Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания, 2021.

5. Методические рекомендации по оценке условий труда для основных профессий ОАО РЖД / В. А. Финоченко, Т. А. Финоченко, В. А. Назимко [и др.]. Ростов-на-дону: Ростовский государственный университет путей сообщения, 2012. 73 с. EDN RJOHZP.

6. Jiang Y., Yin S., Li K., Luo H., Kaynak O. Industrial applications of digital twins // Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 2021. V. 379, № 2207. P. 20200360. DOI: 10.1098/rsta.2020.0360.

7. Зарубин В.С. Математическое моделирование в технике. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010.

496 с.

8. Борисов Л.П., Гужас Д.Р. Звукоизоляция в машиностроении. М.: Машиностроение, 1990. 254 с.

9. Чукарин А.Н. Теория и методы акустических расчетов и проектирования технологических машин для механической обработки // Ростов н/Д: Изд. центр ДГТУ, 2005. 151 с. EDN QNAZWX.

10. Кирпичников В.Ю. Вибровозбудимость конструкций и пути её уменьшения: монография. Спб.: ФГУП «КГНЦ», 2014 - 222 с.

11. Жарков И.Г. Вибрации или обработка лезвийным инструментом. Л.: Машиностроение, 1986. 134 с.

12. Никифоров А.С. Акустическое проектирование судовых конструкций: Справочник. Л.: Судостроение, 1990. 198 c.

13. Яицкова Н.М. Снижение шума металлорежущих станков / Н.М. Яицкова, Т.А. Финоченко, И.Г. Пере-верзев // Труды Ростовского государственного университета путей сообщения. 2020. № 2(51). С. 112-115. EDN BIWPKX.

Бедоидзе Мария Васильевна, аспирант, [email protected], Россия, Ростов-на-Дону, Донской государственный технический университет,

Смычок Игорь Альбертович, аспирант [email protected], Россия, Ростов-на-Дону, Ростовский государственный университет путей сообщения (РГУПС),

Чукарин Александр Николаевич, д-р техн. наук, профессор, Россия, Ростов-на-Дону, Ростовский государственный университет путей сообщения (РГУПС),

Финоченко Татьяна Анатольевна, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Ростов-на-Дону, Ростовский государственный университет путей сообщения (РГУПС)

JUSTIFICATION OF THE EFFECTIVENESS OF NOISE SUPPRESSION SYSTEMS FOR CIRCULAR SA WS, CUTTING

AND ABRASIVE-CUTTING MACHINES

M. V. Bedoidze, I.A. Smychok, T.A. Finochenko, A.N. Chukarin

The mechanism of noise generation during operation of abrasive-cutting, circular saws, mortising and balancing machines has been analyzed. Noise has a detrimental effect on operator health and reduces productivity. A mathematical model of noise generation has been constructed, which makes it possible to effectively evaluate the required parameters of sound protection devices. A round plate can be taken as an acoustic model. The development is intended to create realistic digital twins of the equipment discussed in the article, allowing for comfortable noise conditions in the workplace at the design stage. Based on the functional dependencies analyzed in this work in the "sound generation - propagation - reflection -attenuation" system, the required degree of sound insulation was determined.

Key words: process noise, noise protection, modeling, cutting tools, circular saws, abrasive cutting machines,

saw blades.

Bedoidze Maria Vasilyevna, postgraduate, [email protected], Russia, Rostov-on-Don, Don State Technical University,

Smychok Igor Albertovich, postgraduate, smychok83@mail. ru, Russia, Rostov-on-Don, Rostov State Transport University (RGUPS),

Chukarin Alexander Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, Russia, Rostov-on-Don, Rostov State University of Railway Engineering,

Finochenko Tatyana Anatolyevna, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Rostov-on-Don, Rostov State University of Railway Engineering (RGUPS)

УДК 519.6; 006.91; 389.14; 681.586; 621.391 Б01: 10.24412/2071-6168-2024-4-65-66

МОДЕЛЬ ЭКСПЛУАТАЦИИ КОМПЬЮТЕРНОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

Л.И. Шитова, О.В. Фуфаева

Предложена модель эксплуатации компьютерной измерительной системы с цифровой обработкой данных. Основу модели составляют: полумарковская модель эксплуатации аналого-цифрового преобразователя, полумарковская модель эксплуатации компьютера, аналитическая формула для расчета коэффициента готовности компьютерной измерительной системы. Аналитическое выражение для коэффициента готовности компьютерной измерительной системы, включающее как технические характеристики компьютера, так и метрологические и технические характеристики аналого-цифрового преобразователя. Определение оптимального межповерочного интервала необходимого для контроля метрологических характеристик в процессе эксплуатации компьютерной измерительной системы.

Ключевые слова: компьютерная измерительная система, полумарковская модель эксплуатации, коэффициент готовности, межповерочный интервал.

Широкое разнообразие контрольно-измерительных приборов, устройств и средств измерений, применяемых в сфере строительства и жилищно-коммунального хозяйства [1-4], в сфере обороны, безопасности и ликвидации чрезвычайных ситуаций [5-8], а также постоянное увеличение в требованиях к точности, надежности, быстродействию и уровню автоматизации приводит к необходимости разработки новых и совершенствования существующих методов и моделей [9-10] эксплуатации современных измерительных систем. В настоящее время сформировалось новое направление в метрологии и контрольно-измерительной технике. Это Компьютерные Измерительные Системы (КИС). КИС включают аналого-цифровые (цифро-аналоговые) преобразователи сигналов (АЦП) и встроенный персональный компьютер (ВПК). АЦП соединяется с ВПК посредством встроенной измерительной платы. АЦП имеет стандартизированные метрологические характеристики. В КИС реализована возможность замены стандартных средств измерений на систему виртуальных приборов, мер и эталонов. ВПК обычно обрабатывает данные результатов измерений, работает как вычислитель и не имеет метрологических характеристик.

Среди ведущих разработчиков КИС следует выделить ООО «АСА Центр «Руднев-Шиляев», ООО «Л-Кард», ООО «Аутекс», ООО «Адди-дата», ООО «Даймонд Системс» (Россия); ООО «Нэшнл Инструменте» (США).

Целью статьи является разработка достаточно универсальной нетребовательной к исходным данным модели работы КИС на основе теории полумарковских процессов, требующей минимального количества статистических и исходных данных для определения оптимального значения межповерочного интервала (МПИ). Научная новизна заключается в разработке модели КИС, позволяющей учитывать как метрологические характеристики АЦП, так и характеристики надежности ВПК. Практическая ценность работы состоит в возможности использования модели для установления требований к метрологическому обеспечению контрольно-измерительных приборов и устройств, применяемых в сфере строительства и жилищно-коммунального хозяйства, а также в сфере обороны и безопасности.

Для разработки модели эксплуатации применим подход, описанный в [7]. Время полного цикла эксплуатации КИС Тэ представим в виде суммы: Тэ = Т0 + ТнЕГ , где Т0 - время, в течение которого КИС пребывает в состоянии готовности к применению; Тнег - время, в течение которого КИС не готова к применению. Коэффициент готовности: Кр = Т0 /(Т0 + Тнег ).

Будем полагать, что процесс эксплуатации КИС представляет собой полумарковский процесс с дискретными состояниями и непрерывным временем. Возможные состояния и переходы между состояниями будем описывать с помощью графа (рис. 1).

Возможные состояния АЦП: £1 - исправное состояние, S2 - необнаруженный отказ, £3 - обнаруженный отказ, £4 - ремонт неработоспособного АЦП, £5 - поверка работоспособного АЦП, - ложный отказ, £7 -

поверка неработоспособного АЦП. Предполагается, что поверки могут сопровождаться ошибками первого и второго рода.

В предположении экспоненциального закона надежности определим интенсивности переходов между состояниями Ху :

з 1 з 1 з 1 з 1 з =1~аЛО з 1 Х12 ---, Х13 =--, Х23 =^-, Х34 =- , Х51 =- , Х15 =-— ,

1НМХ 1 БОР 1 БОР тОР ТП ТП

3 1 3 1 3 =аЛО з = аНО з 1 з 1~аНО

Х65 =- = Х45 =- = Х56 =-= Х72 =- = Х51=~— = Х74 =-=

ТР ТР ТП ТП ТП ТП