CC BY
21УДК: 534.835.464 OECD: 1.03. А А
Шумообразование на рабочих местах операторов специальных металлообрабатывающих станков
Элькин Ю.И.1, Шашурин А.Е.2*, Курченко П.С.3, Васильева В.К.4 1 Д.т.н., профессор кафедры «Техносферная безопасность», Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет
(МАДИ), г. Москва, РФ 2 Д.т.н., профессор кафедры «Экология и производственная безопасность»
3 Соискатель
4 Аспирант кафедры «Экология и производственная безопасность» 2,3,4 Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова, г. Санкт-Петербург, РФ
Аннотация
Повышенный уровень шума при шлифовании, долбежке, обточке является самым значимым фактором при определении специальной оценки условий труда на рабочих местах операторов металлообрабатывающих станков. Зачастую на рабочих местах предельно-допустимые нормы превышены на 15-25 дБА, что является критичным для здоровья человека. Компоновка рабочего места и технологический процесс зачастую не позволяют принимать необходимые меры для снижения шума на пути распространения от станка к рабочей зоне. Авторами статьи предложена методика и алгоритм расчета, позволяющий определять уровни шума от колесошлифовальных станков на рабочих местах операторов. Отмечена необходимость исследования процессов шумообразования в самом станке и снижения шума в источнике.
Ключевые слова: шумообразование, шум на рабочем месте, металлообрабатывающие станки, звуковое поле, диффузность.
Noise generation at the workplaces of the special metalworking machine operators
Elkin Y.I. 1, Shashurin A. E.2*, Kurchenko P. S.3, Vasilyeva V. K,4 1 DSc, professor of the department of Technosphere Safety, Moscow Automobile and Construction State
Technical University (MADI), Moscow, Russia 2 DSc, professor of the department of Ecology and Industrial Safety
3 Applicant
4 Post-graduate student of the department of Ecology and Industrial Safety 2,3,4 ßamc State Technical University 'VOENMEH' named after D. F. Ustinov, St. Petersburg, Russia
Abstract
The increased noise level during grinding, slotting, and turning is the most signißcant factor in determining a special assessment of working conditions at the workplaces of metalworking machine operators. The maximum permissible standards at workplaces are often exceeded by 15-25 dB A, which is critical for human health. The of workplace layout and technological process do not often allow you to take necessary measures to reduce noise on the propagation path from the machine to the working area. The authors of the article propose
*E-mail: [email protected] (Шашурин А.Е.)
Элькпп Ю.Н., Шашурпп А.Е., Курчспко П.С., Васильева В.К. Шумообразоваппе па рабочих мостах операторов специальных металлообрабатывающих станков 200
a method and a calculation algorithm that allows determining the noise levels from wheel grinding machines at operators' workplaces. The necessity of studying the processes of noise generation in the machine itself and reducing noise in the source is noted.
Keywords: noise generation, workplace noise, metalworking machines, sound Geld, diffuseness.
Введение
Цолыо исследования, результаты которого приведены в дашюй статье, является теоретический анализ закономерностей нормирования акустических характеристик па рабочих местах станочников специальных колесошлифовальных станков, В качестве исходной зависимости принята расчетная схема (рис, 1) расположение станка в производственном помещении.
Рис. 1. Расчётная схема уровней шума на рабочих местах станочников: 1 - производственной помещение; 2 - станок; 3 - рабочее место; 4 - система снижения ш\'ма.
Некоторые вопросы расчета шума от металлообрабатывающих станков описаны лз 111.
1. Обеспечение санитарных норм шума на рабочих местах
Дня рабочего места без шумозащитной конструкции уровни шума определяются по формуле:
L
Т I 1П1 [ХшфШ I
Ln + 10Ч 2ПГ*" +
4фп
Bn
(1)
а при наличии системы шумозащиты но формуле:
L
Ln + 10lg(XrE2 + 4г) " ЗИ + 10lg-^- + 10lg( V 2nr2 BJ ~XrФг V
Sc_
Хг фг
'Хмфм +
2nr2 +
Bn
(2)
где Ьм - уровень звуковой мощности источника, дБ; Хм _ коэффициент искажения звукового поля источника шума; - коэффициент направленности звукового излучения источника; фп - коэффициент диффузности производственного помещения; фс - коэффициент диффузности звукового поля при наличии источника звукового поля шумозащиты; Вп и Вс - постоянная помещения и системы шумозащиты, м2; х ~ поправка па ближнее звуковое ноле источника шума; ЗИ - звукоизоляция системы шумозащиты, дБ; В = а - коэффициент звукопоглощения; 5 - площадь соответствующей
2х
Таблица 1
Поправка на ближнее поле
Частота, Гц 50 и ниже 63 80 100 125 и выше
Хм 100 14 4 2 1
X
X = 4 при r/lmax < 1 4 - r/lmax при l < r/lmax < 3
(3)
max > 3
X = 1 при Г/I - максимальные габариты источника шума, м;
В В
ф =1 — 0,3— при — < 1,5
о о
В
ф = 0,55 при — > 1,5
о
(4)
Выбор соответствующих коэффициентов в значительной степени зависит не только в соотношения соответствующих геометрических параметров, но и от условий размещения станков в производственных помещениях, В частности, для данных станков характерны следующие условия эксплуатации.
При шлифовании узлов колесных пар машин подвижного состава с выкаткой, а также транспортных машин на железнодорожном ходу колееошлифовальные станки эксплуатируется в условиях механосборочных цехов, для которых размеры не только узлов колесных пар, но и самих станков намного меньше размеров производственного помещения, В этом случае коэффициент диффузноети определяется как:
B 1 - 1,3а
ф = 1 - 0,3~ = —-
S 1 — а
(5)
где Б - площадь производственного помещения, м2.
Для условий шлифования узлов колесных пар подвижного состава локомотив или вагон «накатывается» на станок, который в данном случае располагается в нише ниже уровня пола производственного помещения, В этом случае условия эксплуатации соответствуют и соразмерным помещениям, так как габаритные размеры не только самого станка, но и узлов колесных пар фактически одного порядка с размерами самого помещения. Поэтому коэффициент ф =0,55,
Что касается коэффициентов искажения поля, то учитывая частоты, на которых уровни звукового давления превышают предельно допустимые значения, а также соотношение расстояния от центра источника до рабочего места и длинны узлов колесных пар в расчетах следует принимать Хм = Хп = 4,
Выполнение санитарных норм на рабочих местах станочников можно получить, подставив в левую часть выражения сами допустимые октавные уровни шума, тогда в правой части мы получим необходимое решение.
При отсутствии системы шумозащиты источников шума:
т 1 0,04SC 1 - ас 1 Lr = Ln + 10lg - +-c + 10lg
7 ■ 10-2 1 - 1,3аг
ac
anSn
+ 6 - ЗИ,
(6)
l
тах
r
Элькии Ю.Н., Шашурпп А.Е., Курчсико П.С., Васильева В.К. Шумообразоваппе иа рабочих местах операторов специальных металлообрабатывающих станков 202
где ап и ас - частотно-зависимые коэффициенты звукопоглощения
производственного помещения и системы шумозащиты; Бп и Бс - площадь
2
производственного помещения и системы шумозащиты, м.
Как видно из полученного выражения практически выполнение санитарных норм шума может быть реализовано только путем подбора звукопоглощающих материалов (согласно частотно-зависимым коэффициентам звукопоглощения), обеспечение требуемой звукоизоляции системы шумозащиты и снижением излучаемой звуковой мощности. Дня этого необходимо определить акустические характеристики источников шума,
2. Моделирование источников шума специальных колес шлифовальных станков
Конструктивные особенности станков дня шлифования колесных нар и их компоновки дают право предположить, что акустические характеристики, в особенности в тех частотных диапазонах, в которых уровни шума превышают продольно-допустимые значения, создаются звуковым излучением узлов колесных нар и режущего инструмента. Анализ геометрических конфигураций элементов этой подсистемы, способов закрепления позволяет выделить следующие расчетные схемы дня исследования процессов виброакустической динамики (ем,табл.2),
Таблица 2
Расчетные схемы источников шума при шлифовании колесных нар
JY2 п/п
Расчетная схема
1.
В качестве моделей источников шума приняты:
- крупная пластина для шлифовальных кругов (1.1) и колос (2,1);
- цилиндр ограниченной длинны дня оправки шлифовального круга (1.2) и оси колес (2,2),
Основными параметрами, необходимыми дня расчетов, является акустическая мощность источников и звуковое давление. В общем случае уровни звуковой мощности и
звукового давления определяются следующим образом:
ЖЙСТ
Lw = 10 ■ lg
10
-12
Р
ЬР = 20 ■ /д--,дБ
2■10-5'
Выражение звуковой мощности (Ж) и звукового давления (Р) на основе данных исследований [2,3] применительно к вышеуказанным источникам приведены к виду: для шлифовальных кругов
P = 3,8
RKpVk к
E
N = 3,5 ■ 10-2Д2 V2k2 —
Р k ph (7)
, КтУк к , Е Ьр = 20/д к + 101^-- + 106
рп
Е ' рП
для колеса (как стального элемента)
Ln = 20lgR pVfc k + 10lg— + 105
р = 20 КкРУк к п-05 г
ат 2,4 ■ 105Д2рУ2к2
' = п (8)
Ьр = 20/д^^ - 10/дП + 110 г
Ьм = 20/дЯкрУкк - 10/дП + 174
Для оправки шлифовального круга и оси колесной пары как цилиндрических стальных излучателей звуковой энергии:
р = 70ДУк /Тк
л/Г (9)
N = 37,ЪК/ТкУк
где К - радиус источника шума, м; Ук - скорость колебаний на собственных г
кп шлифовального круга или колеса, м; Е - модуль упругости, Па; р - плотность, кг/м3;
Т /
Собственные частоты колебаний определяются соответствующими зависимостями: оправки шлифовального круга как консольно-закреплено детали
f k = 5 ■ 102(2k-1) 2d0
оси колесной пары:
при условии шарнирного закрепления
2 ■ 103i'k Vdn
r
Элькнн Ю.И., Шашурнн А.Е., Курченко П.С., Васильева В.К. Шумообразоваиие на рабочих местах операторов специальных металлообрабатывающих станков 204
для условий упруго-диссипативной опоры
А = 5.Ю»( ^ )2 4
где ¿оп и ¿ок - диаметры оправки и оси колеса, м.
Тогда уровни звукового давления и звуковой мощности определяются следующими зависимостями:
оправки шлифовального круга
/ 2к — 1 \
Ьр = 20/дУк (—-— ) + 30/дК - 10/дг + 160,
1 2к- 1 (10) Ьи = 10/д/Ук + 20/д—-— К + 166,
оси колесной пары при шарнирном закреплении
к
+ 30/дК - 10/дг + 163,
(П)
Lp = 20/gVfcy + 30lgR - 10lgr + 163,
Ук
Ьи = 10/ду + 20/дКк + 172,
оси колесной пары при упруго-диссипативпом закреплении
2к + 3
Ьр = 20/дУк—+ 20/дК - 10/дг + 160,
2к + 3 (12)
Ьи = 10/дУк / + 20/дК—-— + 166,
Зависимость (9) справедлива для расчета собственных частот колебаний при низких значениях частот вращения, что не соответствует условиям технологического процесса шлифования, реализуемого при скоростях резания до 35 м/с, В этом случае следует учитывать моменты инерционных сил, которые возникают из-за угловых перемещений оси вращающегося шлифовального круга, В следствие этого ось вращения шлифовального круга приобретает с координатными плоскостями ху и хг углы ву и 9Х (соответственно), а также моменты инерции шлиф овального круга ,1Хг = ^ и = '^хг = Моменты, воздействующие со стороны оправки на шлифовальный круг, определяются согласно [4] в том, что производная момента количества движения по времени равна моменту внешних сил. Поскольку угловая скорость шлифовального круга равна ^ относительно оси вращения, то момент количества определяется по формуле:
'хг = 'о У, (13)
Ук
а момент количества движения относительно осей у и г (соответственно) и моменты приложения сил:
г = Tde* + Тйур Ly = -TlH + To °y Rk
T = id9V + J n УР Lz = Tl~rr + To z ~D~ dt Rk
T d?9z yp dd,,,
Му = -Ji^Î + ToiT^T dt2 Rk dt
T d20y т УР dQz
Mz = J'-di + J0 i Ж
Равные по величине, но противоположные по направлению моменты передаются со шлифовального круга на оправку. Следует учесть, что на оправку также действуют силы инерции шлифовального круга ти тгде т - масса круга, кг; п и £ - проекции полного смещения шлифовального круга на оси у и г.
Используя метод единичных сил [4], выражения для смещения шлифовального круга определяются выражениями:
сРп ( сРву
п = -тс2511 - V1!^
d2r¡
dt2
С2ву
+ Jo^С^ )5l2
Rkp dt Vn Св,
ву = -m^-512 - ( J^-y + J0)522
dt2 С2в,
t d2 ^ + ( T
С = -md2511 П - Jl ~dt2
d2C5 + ( Td2 в,
в, = -md2512 n - Jl "dtft2
Rkp dt + Jo^ ^ 1512
Rkp dt
+ j Vp_dOy .5 0 Rkp dt 22
(15)
где 511 - смещение шлифовального круга от единичной силы; 512 - поворот от 522
Решения системы уравнений задаются следующим образом:
. d2,n 2
П = A cos pt; = -Ap cos pt
, . d С a 2
С = A sin pt; = -Ap sin pt
\ ¡л COy . di ву 2
ву = в cos pt; —— = —в sin pt; = -Op cos pt
dt dt
dOz Св, 2 ■
вz = в sin pt; —— = -в cos pt; -—— = -Op sin pt dt dt2
Подставив выражения (15) в систему (16), получены следующие уравнения вращающейся оправки:
(16)
A(1 - p2m5n) - e(p2J1 - pRj Jo) 512 = 0 - Ap2m512 - в 1 - (p2J - pR Jo) 522
(17)
Собственные частоты колебаний находятся из определителя:
1 - p2m5n - (р2J - pRj Jo)5
-p2m512 1 - (p2J - pRj Jo) 5:
12 22
(18)
Для условий консольного закрепления шлифовального круга (рис, 1 и табл. 1):
Г _ ¿3 . _ ¿2 . _ I
- 3ЁЛ; - 2ЁЛ ; °22 - Ёл
где Е - модуль упругости, Па,
Собственные частоты находятся из определителя:
1 - Rjhpl3 p2
-1,6
EJ
Rj pi2 „ 2
EJ
- p2J1 - PRj Jo) 2EJJ
p2 1 - (p2j1 - p Rj Jo) Ejj
I
EJ
(19)
0
0
0
Элькпп Ю.Н., Шашурпп А.Е., Курчспко П.С., Васильева В.К. Шумообразоваппе на рабочих местах операторов специальных металлообрабатывающих станков 206
Уравнение для нахождения собственных частот колебаний при вращении изогнутой оси оправки шлифовального круга приведено к виду:
0,7Г,( M
\ Ткп '
,4 Jl
ml2
1 -
J0 Vp Jl Rk 2nfK
1 +
3J1
ml2
1
J0 Vp Jl Rk2nfK
+ 1 = 0 (20)
где /кв ~ собственные частоты колебаний с учетом вращения, Гц; /к0 - собственные частоты колебаний без учета вращения, Гц,
Таким образом, расчет спектрального состава шума сводится к определению скоростей колебаний источников па собственных частотах. Общий алгоритм расчета приведен па рис, 2 |5,6|,
Определение массива собственных частот колебаний источников звука
Выделение октавных полос фильтров, в которые попадают частоты колебаний _излучателей звука_
Уравнение колебаний источников звука
Определение скоростей колебаний источников на собственных формах колебаний
Определение уровней шума источников шума на собственных частотах колебаний
Энергетическое суммирование уровней шума отдельных источников б соответствующих интервалах частот
Рис. 2. Общий алгоритм расчета спектров шума па рабочих местах специальных
колесошлифовальпых станков
2
Заключение
Указанная методика и алгоритм расчета позволяет определять уровни шума от колесошлифовальпых станков па рабочих местах операторов. Идентифицированы источники шума, создающие превышения уровней звукового давления па рабочих местах операторов при шлифовании колос. Обоснованы модели виброакустической динамики колебательной системы «шлифовальный круг - колесо».
В дальнейшем дня снижения уровней шума необходимо будет раскрыть взаимосвязь между спектрами шума па рабочих местах операторов, геометрическими, физико-механическими характеристиками инструмента и заготовок, а также параметрами технологического процесса шлифования.
Список литературы
1. Shashurin A,, Goguadze M,, Lubianehenko A. Experimental studies on the noise and vibration of a special boring machine due to formation of the operator's workplace sound field. AKUSTIKA, Volume 34, 2019, c. 100-104 - ISSX 1801-9064.
2. Shashurin A,, Goguadze M.. Elkin Y,, Buzhinskiv K, Analysis of the experimental study of the axle lathe machine vibroaeoustie eharaeteristies for workplace noise reduction, AKUSTIKA, Volume 34, 2019, c. 104-107 - ISSN 1801-90643.
3. Иванов А.И., Никифоров А.С. Основы виброакустики: Учебник для вузов. -СПб.: Политехника, 2000. - 482 с.
4. Чукарин А.Н., Теория и методы акустических расчетов и проектирования технологических машин для механической обработки / А.Н. Чукарин - Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2004. - 152 с.
5. Расчеты на прочность в машиностроении / Под ред. С.Д. Пономарева. - М,: Машгиз, 1959. - 884с.
6. Косилова А.Г., Мещеряков Р.П., Справочник технолога машиностроителя / В 2-х т. Т. 1-4-е изд., перераб. и доп. — М,: Машиностроение, 1986. - 656 е., илл.
References
1. Shashurin A., Goguadze M,, Lubianchenko A. Experimental studies on the noise and vibration of a special boring machine due to formation of the operator's workplace sound field. AKUSTIKA, Volume 34, 2019, c. 100-104 - ISSN 1801-9064.
2. Shashurin A., Goguadze M,, Elkin Y,, Buzhinskiv K. Analysis of the experimental study of the axle lathe machine vibroaeoustie characteristics for workplace noise reduction. AKUSTIKA, Volume 34, 2019, c. 104-107 - ISSN 1801-90643.
3. Ivanov A.I., Nikiforov A.S. Vibroaeousties Basics: A Tutorial for universities. -SPb .: Polytechnic, 2000. - 482 p.
4. Chukarin, A.N. Theory and methods of acoustic calculations and design of technological machines for mechanical processing / A.N. Chukarin. - Rostov n / a: Publishing Center DSTU, 2004. - 152 p.
5. Ed. S. D. Ponomarev, Strength calculations in mechanical engineering / - M .: Mashgiz, 1959. - 884p.
6. Kosilova A.G., Meshehervakov E.P., Handbook of a mechanical engineer / In 2 volumes. Vol. 1-4 ed,, Revised, and add. - M .: Mashinostroenie, 1986 656 p., 111.
