CC BY
6УДК: 621.914 + 06 OECD: 1,03, А А
Виброакустическая динамика коробок скоростей сверлильно-фрезерно-расточных станков с многоскоростными электродвигателями
Разаков Ж.П,1, Гричишин М.В,2, Финоченко Т.А.3*, Чукарин А.Н,4 1 Соискатель, Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им, Д.Ф, Устинова, г, Санкт-Петербург, РФ
2 Соискатель
3 К,т.н., доцент, заведующий кафедрой «Безопасность жизнедеятельности» 4 Д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Основы проектирования машин» 2,з,4 ростовскиц государственный университет путей сообщения, г, Ростов-на-Дону, РФ
Аннотация
Наличие зубчатых передач в приводе главного движения создает повышенные уровни звукового давления на рабочих местах станочников даже на холостом режиме станка. Измерения виброакустических характеристик показали, что при отключенном двигателе насоса охлаждения уровни шума превышают санитарные нормы в интервале частот 250-1000 Гц на 3-4 дБ, что фактически определяется звуковым излучением корпуса коробки скоростей станка. Модернизация серийной конструкции резьбонарезного станка заключается в уменьшении количества зубчатых передач и подшипниковых узлов, динамика которых и приводит к вибрации корпусных деталей станка. В модернизируемой конструкции коробки передач резьбонарезного станка предлагается использовать двухскоростной электродвигатель (п=1420/710 об/мин).
Ключевые слова: шум, вибрация, коробки скоростей, сверление, фрезерование, растачивание.
Vibroacoustic dynamics of gearboxes of drilling-milling boring machines with
multi-speed electric motors
Razakov Zh.P1, Grichishin M.V.2, Finochenko T.A.3*, Chukarin A.JV.4 1 Applicant, Baltic State Technical University 'VOENMEH' named after D.F. Ustinova, St. Petersburg, Russia
2 Applicant
3 PhD, associate professor, head of the Department of Life Safety 4 DSc, professor, head of the department Fundamentals of Machine Design 2,3,4 Rostov State Transport University, Rostov-on-Don, Russia
Abstract
The presence of gears in the drive of the main movement creates increased levels of sound pressure at the workplaces of machine operators, even at idle mode of the machine. Measurements of vibroacoustic characteristics have shown that when the cooling pump motor is switched off, noise levels exceed sanitary standards in the frequency range of 250-1000 Hz by 3-4 dB, which is actually determined by the sound radiation of the machine gearbox housing. Modernization of the serial design of the threading machine consists in reducing the number of gears and bearing assemblies, the dynamics of which leads to vibration of the machine body parts.
*E-mail: fta09@bk.ru (Финоченко T.A.)
It is proposed to use a two-speed electric motor (n 1420/710 rpm) in the upgraded gearbox design of the threading machine.
Keywords: noise, vibration, gearboxes, drilling, milling, boring.
Введение
Гамма еверлилыю-фрезерио-раеточных станков (рис.1) предназначена для выполнения технологических операций фрезерования деталей их чугуна, стали, цветных металлов и пластмасс концевыми, торцовыми и дисковыми фрезами, а также сверления, растачивания, нарезания резьбы метчиками, развертывания, зенкерования |1,2|, Технические характеристики станков данного тина приведены в табл.1.
Рис. 1. Горизонтально-фрезерный и вертикально-фрезерный станки
Таблица 1
Технические характеристики станков
Модель станка 6902ПФ2 6904ВМФ2 6906МВФ2 2204ВМФ2 ИР320ПМФ4 2254ВМФ4
Параметры
Максимальная 100 300 500 300 150 250
масса заготовки, кг
Число ступеней 18 19 18 19 б/с* б/с*
коробки скоростей
Диапазон частот 50 22 315 32 13 32
вращения 2500 2000 1600 2000 5000 2000
шпинделя, об/мин
Максимальный 100 160 200 160 200 160
диаметр
инструмента, мм
Мощность 3 4,5 8 6,3 7,5 6,3
привода, кВт
б/с* обозначает бесступенчатое измерение частоты вращения в пределах диапазона
Рязанов Ж.П., Грпчшшш М.В., Фшючсико Т.А., Чукарпи А.Н.
Виброакустическая дииампка коробок скоростей сверлилыю-фрезерио-расточиых станков
с миогоскоростиыми электродвигателями 58
Наличие зубчатого привода в коробках передач металлообрабатывающих станков, в особенности, мпогоскоростпых, относящихся к рассматриваемой группе станочного оборудования, создает уровни звукового давления па рабочих метах станочников превышающие санитарные нормы даже при работе станка па холостом ходу |2-5|. Проводя анализ работ посвященной процессам шумообразовапия металлообрабатывающих станков можно отметить работы, связанные с с учетом особенностей их компоновок, конструктивных параметров заготовок и инструмента, технологических режимов обработки. При моделировании вибраций заготовки рассматривали как банки па упругом основании или шарпирпо-онертые, а инструмент - как конеолыю-закреилештя банка. Виброакустическая динамика коробок скоростей, как источника шума практически не рассматривалась. Поэтому, в данной статье рассматриваются вопросы снижения шума, создающего акустический дискомфорт уже при работе станка па холостом ходу и исходя из расчета потоков вибрационной мощности предложен вариант снижения уровней звуковой мощности,
1. Виброакустическая динамика коробок скоростей
Коробки скоростей станков 6902 и 6906 обеспечивают 18 значений частот вращения, а станков 6904 и 2204 - 19 частот вращения. Кинематическая схема 18-ти ступенчатой коробки, построенной но классической схеме с одпоскоростпыми двигателями (З1, Зз, 29), имеет 16 зубчатых колес, 4 вала и 4 пары подшипниковых узлов. Снижение уровней шума коробок передач, обеспечиваемое уменьшением вышеуказанных элементов кинематики при сохранении диапазона регулирования, возможно при использовании мпогоскоростпых двигателей. В частности, дня рассматриваемых станков предлагается унифицированная конструкция 18-ти ступенчатой коробки передач с трехскоростпым электродвигателем. Структурная формула в данном случае определяется как пшт = 18 = 31 • 3з • 29, Тогда фактически механическая часть коробки представляют собой 6-ти ступенчатую коробку. Кинематическая схема такой коробки и картина скоростей представлены на рис,2
Рис. 2. Картина скоростей (а) и кинематическая схема (б) 18-ти ступенчатой коробки скоростей с трехсторонним электродвигателем: г^ - число зубьев соответствующей
шестерни
В предлагаемой коробке скоростей количество зубчатых колос уменьшено до 19, количество валов до 3 и подшипниковых узлов также до 3, что значительно уменьшает вводимую от элементов кинематики в корпус коробки вибрационную мощность, А это соответственно приведет к снижению излучаемой корпусом звуковой энергии. Следует отметить, что у станков 6904 ВМФ2 и 2204ВМФ4 сохранено верхнее значение частоты вращения шпинделя, а нижнее значение стало несколько выше, то есть 40, а не 32 об/мин. Однако в области низких частот вращения (40-80 об/мин) реализуются процессы нарезания резьбы, зенкерования и развертывания, В этом случае измерения частоты вращения на 20 % ниже не повлияет на выполнение вышеуказанных операций,
2. Расчетная схема корпуса коробки скоростей
Корпус коробки скоростей представляет собой тонкостенную конструкцию из чугуна, состоящую из шести пластин прямоугольной формы. Расчет таких конструкций основан на системе уравнений энергетического баланса.
Расчетная схема (рис.3) и система уравнений имеют вид:
Рис. 3. Расчетная схема корпуса коробки скоростей: 1 - правая стенка; 2 - .новая стенка; 3 - передняя стенка; 4 - задняя стенка; 5 - низ; 6 - верх; Ц - длина линии контакта между
стенками корпуса, м
(¿l£l + «13/13 + «14/14 + «15/15 + «16/16)91 = «31/13 93 + «41/14^4 + «51/1595 + «61/16^6
2
+E N1i 1
(¿2S2 + «23/23 + «24/24 + «25/25 + «26/26)92 = «32/23 93 + «42/2494 + «52/2595 + «62/26^6
+ E N2i (1) 1
(¿3S3 + «31/13 + «32/23 + «35/35 + «36/36)93 = «13/13 91 + «23/2392 + «53/3595 + «63/3696 ($464 + «41/14 + «42/24 + «45/45 + «46/46)94 = «14/14 91 + «24/2492 + «54/4595 + «64/4696 (¿5S5 + «51/15 + «52/52 + «53/53 + «54/54)95 = «15/15 91 + «25/2592 + «35/3593 + «45/4594 ($6S6 + «61/16 + «62/62 + «63/36 + «64/46)96 = «16/16 91 + a26/2692 + «36/3693 + «46/4696
Разаков Ж.П., Гричишин М.В., Финоченко Т.А., Чукарии А.Н. Виброакустическая динамика коробок скоростей сверлильио-фрезерио-расточиых станков с многоскоростными электродвигателями
^ - ТтЙда;' х/м;
для чугуна 5г — 0,038 • щ ^
¡г
Е-Н2
12р(1-м2)
2 2 т2 | п2
12 + ;2
для чугуна ¡г
2,2 • 104^Л т12г + Щт
где $ - коэффициент поглощения вибраций в соответствующем элементе корпуса фрезерной бабки, м-1; д - поток вибрационной мощности в соответствующем элементе корпуса, Вт; ¡ - длина линии контакта между элементами корпуса, м; аг-^ - коэффициент передачи вибрационной мощности между стенками корпуса; N - вводимая вибрационная мощность от подшипников качения, Вт; п - коэффициент потерь колебательной энергии; ¡г - собственные частоты колебаний стенки корпуса, Гц; Кг - толщина стенки корпуса, м; М - масса стенки корпуса, кг; V - скорость колебаний стенки, м/с; т,п - коэффициенты, определяющие собственные частоты колебаний стенки корпуса; Б - площадь элемента корпуса, м2; сп - скорость продольной волны, м/с; Е - модуль упругости, Па ; р - плотность, кг/м3; ^ - коэффициент Пуассона,
Поскольку корпус коробки скоростей изготавливается из чугуна, то
Мг — р • К • 1г • ¡у — 7 • 103 • К • 1г • ¡у
2
2
д — 1 • п • п • 2,2 • 104К ^^ + • 7 • 103 • К • ¡г • ¡у • V2 — 2,4 • 108 • п • К2 • ¡г • Ц^ + ^
2
7 • 103 К
дг
п • ¡г • ¡Дтт + п2 «26
V2 ' 1
С учетом того, что а15 — а16 — а25 — а26 — «2и т.д., а также Б1 — Б2 — ¡^3; Б3 — Б4 — ^¡2 система уравнений (1) примет вид, которая для удобства решения представлена в матричной форме:
/ к1 0 —«з^з — «4^14 — «51^5 — «6^16^ /дЛ /Е1 ДЦ
0 к2 — «32^3 — «42^4 — «52^5 — «62^6 д2 Е; N2
-«13^3 — «23^3 кз 0 — «53^5 — «63^6 X дз 0
-«14^4 — «24^4 0 к4 — «54^5 — «64^6 д4 0
-«15^5 — «25^5 — «35^5 — «45^5 0 д5 0
V — а16¡16 — «26^6 — «46^6 0 к6 / 0
Решение системы уравнений относительно потоков вибрационной мощности в первом элементе корпуса определяются следующим образом:
/Е1 N1 0 —«з^з —^¡м — «5^15
Е; N2 к2 — «32^3 — «42^4 — «52^5 — «62^6
0 — «23^3 кз 0 — «53^5 — «63^6
0 — «24^4 0 к4 — «54^5 — «64^6
0 — «25^5 — «35^5 — «45^5 0
V 0 — «46^6 0 к6 /
/ к1 0 —«з^з — «41^4 — «51^5 —«61^6^
0 к2 — «32^3 — «42^4 — «52^5 — «62^6
— «13^3 кз 0 — «53^5
— а14¡14 — «24^4 0 к4 — «54^5 — «64^6
— «15^5 — «25^5 — «35^5 — «45^5 0
\ — а16¡16 — «26^6 — «36^6 — «46^6 0 к6 /
Аналогичным образом выполняется решение и по другим стенкам корпуса. Вводимая от подшипников качения вибрационная мощность определяется соотношением
N. = Л. %;
аЬ
где N. - вводимая вибрационная мощность от подшипников качения, Вт; Л. -реакция в соответствующем подшипнике, Н; 8. - деформация подпишиика, м; Ь - время, с.
Поскольку деформация подшипника 8. = —, где 3. - жесткость подшипникового узла, Н/м, то вводимая вибрационная мощность от подшипников определяется по формуле:
л. ашь]
N. = ——^.
3. аЬ
Исходя из потоков вибрационной мощности, уровни звуковой мощности (дБ) определяются по формуле:
Ьм = Ш/0 ^ С0101-11 ^ ^ = 101д-т^--- - 20¡дН + 77,
п •[ t + n2
\ - ]
где Ьм - уровни звуковой мощности, дБ; д. - поток вибрационной мощности в соответствующем элементе корпуса, Вт; п - коэффициент потерь колебательной энергии; т, п - коэффициенты, определяющие собственные частоты колебаний стенки корпуса; I -длина линии контакта между элементами корпуса, м [5-6],
Заключение
Расчет акустических характеристик корпуса следует выполнять для условий максимальных значений сил резания. Результаты расчетов показали, что у предложенного варианта в сравнении с базовой конструкцией уровни звукового давления снижаются на 7-8 дБ, что фактически исключает влияние звукового излучения фрезерной бабки на формирование общего звукового поля на рабочих местах станочников [7,8], Также, следует отметить, что предлагаемый вариант является более предпочтительным, вследствие существенного улучшения динамических явлений в механической части привода главного движения и уменьшения металлоемкости корпуса коробки скоростей.
Список литературы
1, Безопасность жизнедеятельности: учеб, пособие / И,Г, Переверзев, ТА, Финоченко, И,А, Яицков [и др.]; ФГБОУ ВО РГУПС, -2-е изд., перераб, и доп. Ростов н/Д, 2019. 308 с.
2, Theoretical research of noise and vibration spectra in cabins of locomotive and diesel shunting locomotive Yaitskov I.A., Chukarin A.N., Finochenko T.A. International Journal of Applied Engineering Research. 2017. T. 12. № 21. C. 10724-10730.
3, Металлорежущие станки / под ред. проф. В.К. Тепинкичиева, М,, «Машиностроение», 1973, 472 с,
4, Станки с ЧПУ: устройство, программирование, инструментальное обеспечение и оснастка: учеб, пособие / А, А, Жолобов, Ж, А, Мрочек, А,В, Аверченков, М.В, Терехов, В.А. Шкаберин. - 2-е изд., стер. - М. : ФЛИНТА, 2014. - 355 с.
Разаков Ж.П., Гричишин М.В., Финоченко Т.А., Чукарии А.Н. Виброакустическая динамика коробок скоростей сверлильио-фрезерио-расточиых станков с многоскоростными электродвигателями
5, Иванов, И,И, Основы виброакустики / И,И, Иванов, А,С Никифоров // - ('по.: Политехника, 2000. - 482с.
6. Чукарин, А.Н. Теория и методы акустических расчетов и проектирования технологических машин для механической обработки // Ростов и/Д: Издательский центр ДГТУ, 2004. 152 с.
7, Разаков Ж.П. Теоретическое исследование процессов возбуждения вибраций и шумообразования шлифовальных кругов резьбо- и шлицешлифовальных станков / Разаков Ж.П., Шашурин А.Е., Курченко П.С., Иванов II.II. // AKUSTIKA, Vol. 38, 2021, ISSN 1801-9064
8. Методика проведения экспериментальных исследований шума прутковых токарных автоматов / ТА. Финоченко, А.Н. Чукарин // Инновационные технологии в машиностроении и металлургии: матер. IV Междунар, науч.-иракт. конф. / Мин-во промышленности и энергетики. Ростов-на-Дону: Изд. центр ДГТУ, 2012. С. 263-268.
References
1. Life safety: textbook / I.G. Pereverzev, T.A, Finoehenko, I.A. Yaitskov [and others]; FSBEI VO RSTU. -2nd ed., Rev. and add., Rostov n / D, 2019. 308 p.
2. Theoretical research of noise and vibration spectra in cabins of locomotive and diesel shunting locomotive I.A. Yaitskov, A.N. Chukarin, T.A. Finoehenko International Journal of Applied Engineering Research. 2017. T. 12. № 21. C. 10724-10730.
3. Machine tools / ed. prof. VC, Tepinkichieva. M,, "Engineering", 1973. 472 p.
4. Machine tools with CNC: device, programming, tooling and equipment: textbook, allowance / A. A. Zholobov, Zh.A. Mrochek, A.V. Averehenkov, M.V. Terekhov, V.A. Shkaberin, - 2nd ed., erased. - M. : FLINTA, 2014. - 355 p.
5. Ivanov N.I.: Fundamentals of vibroaeousties / N.I. Ivanov, A.S. Nikiforov // St. Petersburg: Polytechnic, 482 p., 2020
6. Chukarin A.N. Theory and method of acoustic calculations and design of technological machines for mechanical processing. Rostov n / D, Publishing Center DSTU, 2004.152 p.
7. Theoretical study of the processes of excitation of vibrations and noise generation of grinding wheels of thread and spline grinders / Zh.P. Razakov, A.E. Shashurin, P.S. Kurchenko, N.I. Ivanov // AKUSTIKA, Vol. 38, 2021, ISSN 1801-9064
8. Methods for conducting experimental studies of the noise of bar lathe machines / T.A. Finoehenko, 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.
