CC BY
1
Safarov Damir Tamasovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Republic of Ta-tarstan, Naberezhnye Chelny, Naberezhnye Chelny Institute (branch) of the Kazan (Volga Region) Federal University,
Faskhutdinov Ayrat Ibragimovich, candidate of technical sciences, [email protected], Russia, Republic of Tatarstan, Naberezhnye Chelny, KAMAZ
УДК 621.9 + 06
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-11-647-648
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВИБРАЦИИ И ШУМА КОРОБОК СКОРОСТЕЙ ТОКАРНЫХ ДЕРЕВООБРАБАТЫВАЮЩИХ СТАНКОВ С ДВУХСТОРОННИМИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯМИ
К.И. Абдульманова, В.А. Финоченко, А.Н. Чукарин
Несмотря на малые мощности привода дневного движения токарные станки ТД 20, ТП 40 и ТВ 63 имеют высокие скорости вращения шпинделей 2150 и 2500 об/мин (соответственно) и поэтому создают повышенные уровни шума на рабочих местах станочников даже на холостом ходу. Источником повышенной интенсивности звукового излучения о колебательной системе корпусных и базовых деталей является шпиндельная бабка. Корпусные детали коробки передач с любым количеством частот вращения представляют собой полные коробчатые детали по форме близкие к прямоугольным параллепипедам, а изучающие звуковую энергию элементы представляют собой плоские пластины ограниченных размеров. В данной статье представлен расчет скоростей пластинчатых конструкций, которые являются энергетически замкнутыми системами. В связи с тем, что энергетически замкнутые системы имеют малые величины диссипативной функции, определяемой коэффициентами потерь колебательной энергии, то для таких конструкций для расчета уровней шума предложено использовать метод энергетического баланса.
Ключевые слова: токарные деревообрабатывающие станки, шпиндельные бабки, звуковое давление, метод энергетического баланса.
Токарные деревообрабатывающие станки предназначены для ручного точения цилиндрических и фасонных поверхностей, и достаточно интенсивно используются в различных отраслях народного хозяйства, а сама токарная обработка представляет собой процесс прерывистого резания лезвийным инструментом. Принципиальные схемы обработки резанием основаны на сочетании двух элементарных движений - вращательного и прямолинейного. Станки подобного типа оснащены 2, 4 и 6 ступенчатыми коробками скоростей. В таблицах 1 - 3 приведены технические характеристики станков данного типа на примере ТД 20, ТП 40 и ТВ 63.
Рис. 2. Станок токарный станок ТВ 63
647
Технические характеристики токарного станка ТД 20 Таблица 1
Наибольший диаметр обрабатываемого изделия, мм: 300
- при копировании 180
Расстояние между центрами при крайнем положении задней бабки с вдвинутой пинолью, мм 1200
Наибольшая длина детали, обтачиваемой с копиром, мм 1200
Наибольший перепад диаметров изделия при работе с копиром, мм 100
Высота оси центров от базовой поверхности станины, мм 220
Конус отверстия пиноли Морзе 4
Диаметр патрона, мм 200
Частота вращения шпинделя, об/мин 750; 1440; 2880
Мощность привода, кВт 2,2
Габаритные размеры, мм 2300x985x1240
Масса, кг 400
Таблица 2
Технические характеристики токарного станка ТВ 63
Расстояние между центрами, мм 1600
D (max) обрабатываемых изделий:
высота центров, мм 315
с подручником, мм 420
над станиной, мм 630
в выемке, мм 1000
Частота вращения шпинделя, об/мин 130, 300, 200,480, 1600,700, 1000, 2500
Конус отверстия пиноли Морзе 4
Наибольшее перемещение пиноли, мм 120
Мощность электропривода привода, кВт 2,8
Габаритные размеры, мм 2900x860x1400
Масса, кг 1500
Рис. 3. Станок токарный станок ТП 40
Таблица 3
Технические характеристики токарного станка ТП 40
Наибольший диаметр обрабатываемого изделия, мм: -над станиной - над подручником - над выемкой станины 400 250 600
Наибольшая длина заготовки, устанавливаемой в центрах, мм 1600
Наибольшая длина детали, обтачиваемой в выемке станины, мм 200
Диаметр планшайбы, мм 200; 500
Количество скоростей коробки передач 2
Количество скоростей вращения шпинделя (количество скоростей коробки х количество скоростей двигателя) 2 х 4
Частота вращения шпинделя, об/мин 250, 350, 505, 615, 810, 1010, 1245, 2500
Конус отверстия пиноли Морзе 3
Наибольшее перемещение пиноли задней бабки, мм 120
Длина линеек подручника, мм 150, 400
Частота вращения электродвигателя, об/мин 700, 900, 1350, 2800
Мощность электродвигателя, кВт 0,8; 1,0; 1,4; 1,5
Габаритные размеры, мм 2600x635x1310
Масса, кг 775
Исследование вибрации и шума коробок скоростей токарных станков. Несмотря на малые мощности привода главного движения станки ТД 20, ТП 40 и ТВ 63 имеют высокие скорости вращения шпинделей от 2150 до 2500 об/мин и поэтому создают повышенные уровни шума на рабочих местах станочников даже на холостом ходу.
Источником повышенной интенсивности звукового излучения о колебательной системе корпусных и базовых деталей является шпиндельная бабка [1-3].
Из литературных источников известно, что причиной звукового излучения корпуса, который и тому находится в непосредственной близости от рабочего места станочника, являются вибрации, возбуждаемые в кинетической структуре и передаваемые через наружные кольца подшипниковых узлов в корпус [4,5]. Величина вводимой в корпус вибрационной мощности, как причина излучения звуковой энергии, фактически определяется суммой реакций в подшипниках и их виброскоростью [6].
Уменьшить вводимую в корпус бабки вибрационную мощность технически возможно при использовании многоскоростных электродвигателей, что и позволит упростить кинетическую структуру за счет сокращения количества зубчатых передач и соответственно подшипниковых узлов. Наиболее перспективными является двухскорост-ной двигатель с частотами вращения п =1420/710 об/мин. Для такого варианта коробок скоростей приведены картины скоростей и кинетические схемы [7].
Для станка ТД 20 (рис.1) с четырехскоростной коробкой структурная формула для знаменателя ряда ф = 1,41 картина скоростей и кинетическая схема приведены на рис. 4 к значительным преимуществам предлагаемого варианта является использование электромагнитных муфт, что позволяет переключать частоты вращения, не останавливая станка и исключить механизм переключения зубчатых блоков.
г = 4 = г1г2 ^ = 1,41
а Б
Рис. 4. Кинетическая структура коробки скоростей станка модели ТД 20: а-коробка скоростей;
б-кинетическая схема
16 % по нижние частоты вращения. Такое изменение скорости резания не повлияет на реализацию технологических процессов обработки древесины.
Для станка модели ТП 40 (рис.3) с шестиступенчатым приводом главного разработано два варианта коробки скоростей, которые приведены на рис. 5 и 6.
t = 6 = 233i
1000 об/мин BOO об/глпи
630 о&/мин 500 об/мин
400 об/мин 515 об/мин
<р = 1,26
z,
\
\
Ж
Н h—
ш
—н
ш
а б
Рис. 5. Коробка скоростей станка модели ТП 40 с электромагнитными муфтами: а-картина скоростей;
б-кинематическая схема
Наличие таких электромагнитных муфт на входном валу коробки может привести к нежелательному увеличению осевых габаритов. Поэтому на рис. 6 представлен компактный вариант с переключающимся подвижным блоком.
Рис. 6. Кинематическая схема коробки скоростей станка модели ТП 40
Следует отметить, что при сохранении верхнего значение частоты вращения нижнее увеличено на 20%, что вполне допустимо для черновых операций. К достоинствам данного варианта следует отнести то, что механизм переключения нужен только одного тройного блока.
В восьмиступенчатой коробке станки модели ТВ 63 (рис.2) использование электромагнитных муфт нецелесообразно из-за значительного увеличения осевых габаритов. Картина скоростей и кинетическая схема приведены на рис. 7. Таким образом помимо конструктивных преимуществ, можно предположить, что предлагаемые варианты будут обладать улучшенными виброакустическими характеристиками, т.к. количество элементов ввода в корпус вибрационной мощности уменьшено на 33 %.
Такое уменьшение сопровождается снижением уровня шума на 5 дБ. Ниже приведен теоретический подход к расчету акустических характеристик на примере 4 и 6 ступенчатой коробки. Поскольку оба варианта коробок являются двухвалковыми, то их расчет выполняется с единых позиций.
Корпусные детали коробки передач с любым количеством частот вращения представляют собой полные коробчатые детали по форме близкие к прямоугольным параллепипедам.
х — 8 —
<р = 1,41
п8 2500 об/мин п7 1800 об/мин лб 1250 об/мин л5 900 об/мин л4 630 об/мин
пЗ 450 об/мин
п2 315 об/мин
л! 224 об/мин
--
а б
Рис. 7. Кинематическая структура привода главного движения станка ТВ 63: а-картина скоростей; б-кинематическая схема
6
» г
Рис. 8. Расчетная схема корпуса коробки скоростей: 1,2 - правая и левая стенка; 3, 4 - передняя
и задняя стенка; 5, 6 - низ и верх
650
1
2
Изучающие звуковую энергию элементы представляют собой плоские пластины ограниченных размеров, а их уровни звуковой мощности определяются как:
, i^i Poco'l'2vmn 416 М2vmn
=10lg 10-12 = 10 lg 10-12
где p0 и c0 - плотность (кг/м3) и скорость звука в воздухе (м/с); ^и 12 - длина и ширина пластины (м); vmn - скорость колебаний на собственных частотах, м/с.
Расчет скоростей пластинчатых конструкций, представляющих собой энергетически замкнутые системы, основан на системе уравнений энергетического баланса, расчетная схема (рис.8) имеют вид
Расчет акустических характеристик выполняется для максимальных значений сил резания. Снижение уровней шума корпусных деталей коробок передач, обеспечивается уменьшением элементов кинематики.
Вывод. Снижение уровней шума сборных корпусов шпиндельных бабок может быть реализовано виброизоляцией подшипников входного вала. В следствии отсутствия стружки высокой температуры для элементов корпуса таких как передняя и задняя стенки, крышка может быть рекомендован стеклопластик (р = 1700 кг/м3;Е = 2,1 • 1011 Па; г/ = 1,3 • 10"2), поскольку стеклопластик имеет коэффициент потерь колебательной энергии значительно больше, чем у чугуна. Использование этого материала приведет к значительному снижению интенсивности звукового излучения корпуса шпиндельной бабки.
Список литературы
1. Безопасность жизнедеятельности: учеб. пособие / И.Г. Переверзев, Т.А. Финоченко, И.А. Яицков [и др.]; ФГБОУ ВО РГУПС. -2-е изд., перераб. и доп. Ростов н/Д, 2019. 308 с.
2. Меехи Б.Ч. Улучшение условий труда операторов металлорежущих и деревообрабатывающих станков за счет снижения шума в рабочей зоне (теория и практика), - Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2003, - 131 с.
3. Чукарин, А.Н. Теория и методы акустических расчетов и проектирования технологических машин для механической обработки // Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2004. 152 с.
4. Методика проведения экспериментальных исследований шума прутковых токарных автоматов / Т.А. 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.
5. Методика и техническое обеспечение проведения экспериментальных исследований по определению шума на рабочих местах / Т.А. Финоченко, М.В. Баланова, И.А. Яицков // Научно-технический журнал «Труды РГУПС». 2019. №1 (46). С.5-8.
6. Чукарин А.Н., Феденко А.А. О расчете корпусного шума шпиндельных бабок станков токарной группы. Надежность и эффективность станочных и инструментальных систем. - Ростов н/Д, 1993. С. 74-78.
7. Рудиков, Д.А. Повышение точности и надежности привода металлорежущего станка по критерию минимизации погрешности ряда / Д.А. Рудиков, В.А. Финоченко // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2023. № 3. С. 75-83. DOI 10.24412/2071-6168-2023-3-75-84. - EDN NXRNDM.
Абдульманова Кира Игоревна, ассистент, [email protected], Россия, Ростов-на-Дону, Ростовский государственный университет путей сообщения,
Финоченко Виктор Анатольевич, д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Ростов-на-Дону, Ростовский государственный университет путей сообщения,
Чукарин Александр Николаевич, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, Россия, Ростов-на-Дону, Ростовский государственный университет путей сообщения
THEORETICAL STUDY OF VIBRATION AND NOISE OF GEARBOXES OF WOODWORKING MACHINES WITH
DOUBLE-SIDED ELECTRIC MOTORS
K.I. Abdulmanova, V.A. Finochenko, A.N. Chukarin
Despite the low power of the daytime drive, the TD 20, TP 40 and TV 63 lathes have high spindle rotation speeds of 2150 and 2500 rpm (respectively) and therefore create increased noise levels at the machine operators' workplaces even at idle speed. The source of increased intensity of sound radiation from the oscillatory system of body and base parts is the spindle head. The housing parts of the gearbox with any number of rotation speeds are complete box-shaped parts close to rectangular parallelepipeds in shape, and the elements that study sound energy are flat plates of limited dimensions. This article presents the calculation of the speeds ofplate structures, which are energetically closed systems. Due to the fact that energetically closed systems have small values of the dissipative function, determined by the vibrational energy loss coefficients, it is proposed to use the energy balance method for such structures to calculate noise levels.
Key words: woodworking lathes, spindle heads, sound pressure, energy balance method.
Abdulmanova Kira Igorevna, assistant, [email protected], Russia, Rostov-on-Don, Rostov State Transport
University,
Finochenko Viktor Anatolievich, doctor of technical sciences, professor, _ [email protected], Russia, Rostov-on-Don, Rostov State Transport University,
Chukarin Alexander Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, head of the departmen, Russia, Rostov-on-Don, Rostov State University of Transport
