автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация идентификации уровня шума в производственной среде с целью установления его соответствия нормативным значениям

005019123 На правах рукописи

Дроздова Наталья Владимировна

АВТОМАТИЗАЦИЯ ИДЕНТИФИКАЦИИ УРОВНЯ ШУМА В ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СРЕДЕ С ЦЕЛЬЮ УСТАНОВЛЕНИЯ ЕГО СООТВЕТСТВИЯ НОРМАТИВНЫМ ЗНАЧЕНИЯМ

Специальность 05.13.06 - «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические системы)»

О 1»1М>1 ¿1.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва- 2012г.

005019123

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Московском государственном технологическом университете «СТАНКИН».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Шварцбург Леонид Эфраимович

Официальные оппоненты: Шептунов Сергей Александрович

доктор технических наук, профессор, Институт конструкторско- технологической информатики РАН, заместитель директора

Пушенко Сергей Леонардович кандидат технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО Ростовский государственный строительный университет, заведующий кафедрой «Безопасность технологических процессов и производств»

Ведущее предприятие: ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»

заседании диссертационного совета Д 212.142.03 при ФГБОУ ВПО Московском государственном технологическом университете «СТАНКИН» по адресу: 127055, Москва, Вадковский переулок, д. За.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Московского государственного технологического университета «СТАНКИН».

Автореферат разослан 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

Защита состоится «д^»

2012 г. в часов на

к.т.н., доц.

Семячкова Е.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современные производственные

машиностроительные системы характеризуются повышенными требованиями к показателям качества технологического процесса. Одним из основных показателей качества является шум, определяющий воздействие технологического процесса на окружающую среду и человека. Шум возникает за счет потерь механической энергии при ее передаче, снижает КПД оборудования, ухудшает показатели безопасности технологических процессов, снижает комфортность труда, а значит и конкурентоспособность продукции.

Решение задачи по снижению шума целесообразно начинать уже на этапе создания продукции. В связи с этим важное значение имеет идентификация уровня шума при реализации технологического процесса на разрабатываемом оборудовании.

Идентификация уровня шума позволяет не только снижать его величину на этапе создания продукции, но и обосновано сформировывать комплекс шумозащитньтх мероприятий на производстве.

С точки зрения удобства формирование шумозащитных мероприятий на производстве все большее значение приобретают методы визуализации информации, которые позволяют организатору производства наблюдать реальные значения шума в производственной среде и выделять его критические значения.

Визуализацию невозможно обеспечить в отрыве от современных информационных технологий, обеспечивающих объективность данных, необходимую скорость получения информации, удобство анализа полученной информации.

Поэтому задача автоматизации идентификации уровня шума в производственной среде с целью установления его соответствия нормативным значениям является актуальной задачей современного машиностроения.

Цель работы - установление соответствия уровня шума в производственной среде нормативным значениям посредством его

идентификации на основе единичного измерения на фиксированном расстоянии от источника.

Методы исследования. Работа выполнена с применением основных положений теории автоматического управления (ТАУ), теории моделирования, теории эксперимента. Экспериментальные исследования проводились с использованием вычислительной техники.

Научная новизна работы заключается в:

- установлении взаимосвязей между уровнем шума и его распространением в производственной среде, отличительной особенностью которых является формирование закономерностей его снижения по мере удаления от источника;

- разработке алгоритма идентификации уровня шума в производственной среде, реализуемого посредством единичного измерения уровня шума на фиксированном расстоянии от источника;

- разработке программы идентификации, реализация которой обеспечивает возможность установления соответствия уровня шума нормативным значениям и его визуализацию в производственной среде, а также адаптации программного продукта MS Visio к задачам идентификации.

Практическая ценность работы заключается в:

- реализации возможности получения реальных значений шума в различных точках рабочей зоны;

- в методике применения стандартного программного продукта MS Visio для идентификации уровня шума в производственной среде;

— в методике визуализации уровня шума в производственной среде.

Реализация результатов работы. Результаты работы реализованы при выполнении отдельных этапов темы «Создание и исследование автоматизированных энергосберегающих систем для металлорежущих станков,

адаптированных к машиностроительным технологическим процессам формообразования» Федеральной Целевой Программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, а также в учебном процессе по дисциплинам направления «Техносферная безопасность».

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на 2-х международных конференциях «Производство. Технология. Экология» (ПРОТЭК), XXII Международной Инновационно-ориентированной конференции молодых ученых и студентов "Будущее машиностроения России" (МИКМУС-2010), III Научно-образовательной конференции "Машиностроение традиции и инновации" (МТИ-2010) и на заседании кафедры Инженерная экология и безопасность жизнедеятельности МГТУ «Станкин».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе четыре статьи в изданиях, включенных ВАК в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и результатов, списка литературы из 64 наименований. Работа изложена на 96 страницах машинописного текста и содержит 27 рисунков и 13 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы диссертационной работы, ее научная и практическая значимость и сформулирована цель исследования.

В первой главе проведен анализ основных источников образования шумов в производственной среде, проанализированы разновидности производственных шумов, их характеристики, воздействия шумов на организм человека и механизмы снижения этого воздействия. Показаны возможности информационных технологий по автоматизации идентификации распространения уровня шума в производственной среде, их основные особенности применения, сформулированы задачи исследования.

С внедрением международных систем стандартов качества ISO — 9000, ISO -14000, OHSAS - 18001 и отечественных нормативных документов, в первую очередь Закона «О техническом регулировании» от 27 декабря 2002 г. № 184-ФЗ, требования к показателям качества технологических процессов, характеризующих их безопасность, постоянно возрастают. Одним из характерных для производственной среды показателей безопасности является шум.

Вопросами повышения эффективности производственных процессов и повышения качества производственных машиностроительных систем посвящены работы Веселова О.В., Гаека М., Н.И. Иванова, М. П. Козочкина, X.

A. Мюллера, М. Хекла, Е. Я. Юдина, Заборовски Т, Косова М.Г., Митрофанова

B.Г., Михайлова О. П., Соломенцева Ю.М., Фокина М.Г., Червякова JI.M., Шварцбурга Л.Э., и многих других ученых как в Российской Федерации, так и за рубежом.

Широкое внедрение в промышленность новых интенсивных технологий, мощного и высокоскоростного оборудования привело к тому, что человек на рабочем месте подвергается многократному воздействию шума, что негативно сказывается на его здоровье, снижении производительности труда, ведет к возникновению профессиональных заболеваний.

В совокупности источниками шума на производстве является технологическое оборудование, транспорт, системы вентиляции, пневмо- и гидроагрегаты, а также источники, вызывающие вибрацию.

Прогнозирование и визуализация распространения шума в производственной среде способствует принятию конструктивных и технологических решений относительно мер по защите. Прогнозирование и визуализация распространения шума позволяет определить уровень шума в любой точке и определить параметры пространственного распределения.

Анализ методов прогнозирования распространения шума в производственной среде показал, что этот процесс включает в себя несколько этапов.

На начальном этапе выполнения прогнозирования шума необходимо выбрать акустические параметры и определить их значения, принимая во внимание различные ограничения. Например, ограничения по уровню звукового давления на рабочих местах. Детализация исходных данных должна соответствовать требуемой или возможной точности результатов. Далее следует для известных исходных данных производственной среды рассчитать необходимые характеристики. И, если цели прогнозирования достигнуты, выбранные величины отобразить в виде:

- линий пространственного распределения звука;

- шумовых карт;

- кривых, ограничивающих области превышения заданного уровня звукового давления;

- таблиц.

Результаты можно сравнивать с установленными нормативными или рекомендуемыми значениями. Различия между рассчитанными значениями для исходной и прогнозируемой ситуаций помогают оценить принимаемые решения. На основе достоинств и недостатков каждого решения выбирают наиболее эффективное из них.

На современном этапе развития науки и техники решение этих вопросов невозможно без применения современных информационных технологий. В работе показано, что для реализации этих технологий целесообразно использовать программный продукт MS Visio, который обладает рядом преимуществ. К ним относятся: простота разработки и обслуживания, низкая стоимость владения, возможность интеграции, как с СУБД, так и с другими программами компании Microsoft.

Вторая глава посвящена анализу возможностей информационных технологий в области визуализации информации и аспектам адаптации программного продукта Ms Visio для решения поставленных задач.

В современном компьютеризированном мире все более важным становится формирование визуальной интерпретации воздействия

7

производственных машиностроительных систем на окружающую среду и человека, которая позволяет спрогнозировать это воздействие и принять меры по улучшению показателей безопасности технологического процесса.

Возможности, предоставляемые программным продуктом MS Visio, полностью соответствуют предъявляемым требованиям к прогнозированию и визуализации требуемой информации. Это связано с простотой представления необходимых графических объектов в данном программном продукте и возможностью создания шаблонов с необходимыми графическими инструментами, что позволяет в дальнейшем при построении аналогичных схем ограничивать простым перемещением графических объектов на поле схемы.

На рис. 1 представлено окно нового документа, разработанного на основе шаблона Basic Diagram.

Кроме того, этот программный продукт позволяет обеспечить возможность сохранения параметров для каждого объекта в отдельности, а значит в некоторых случаях отказаться от привязки схемы к внешней базе данных.

Следует так же отметить, что немаловажную положительную роль играет возможность осуществлять импорт и экспорт данных между программным продуктом MS Visio и приложениями Microsoft Office. Существует возможность добавления диаграмм программного продукта MS Visio в электронные таблицы MS Excel, документы MS Word, сообщения электронной почты Microsoft Outlook и презентации PowerPoint.

ШШШШШШШШШШШШШШ...,,.,,.,.,,.

♦ -.Л ¿¿г. .

•V * • / 8 ÇÉÎjâl^lililàlO

j

¡щбх&шШ

à*»* ' ' .-.J*. 'ИМ

ШШЩНЩЩР ЯММЯЯЯШИ

Лнстрисуш "

TDKJS !

. ЯШ;

......

л»4

* ММОЛШ»«

«

к»

'1

СОСТОЯНИЯ'—* щ

Рис. 1. Окно нового документа на основе шаблона Basic Diagram

Для наглядного представления процессов и взаимодействия между ними такой программный продукт, как MS Visio является самым оптимальным по своим функциональным возможностям. Программный продукт MS Visio предоставляет все необходимые средства и данные для отображения производственных процессов. Схемы, созданные в программном продукте MS Visio, могут обеспечить более глубокое понимание особенностей протекающих процессов, информации, касающейся выполняемых проектов, способствуют

повышению эффективности работы. Схемы процессов, построенные в

9

программном продукте MS Visio, делают их более полноценными, прослеживаемыми, наглядными и помогают запомнить ключевые моменты.

Программный продукт MS Visio используется для наглядного представления баз данных Microsoft SQL Server и Microsoft Access путем декомпиляции существующих схем, а также для разработки структур баз данных с помощью диаграмм отношений. Создание и редактирование диаграмм программного продукта MS Visio осуществляется путем создания привязки к базе данных.

: В состав программного продукта MS Visio входят средство записи макросов и интегрированный редактор Microsoft Visual Basic for Applications (VBA).

Система разработки Microsoft Visual Basic для приложений, встроенная в программный продукт MS Visio, дает возможность управления образами, а также помогает привязывать их к другим приложениям, используя средства автоматизации.

Третья глава посвящена прогнозированию и визуализации распространения шума в производственной среде, разработке алгоритма прогнозирования и визуализации распространения шума и программы, реализующей разработанный алгоритм, а также предварительной экспериментальной апробации программы.

Разработана методика прогнозирования и визуализации шума в производственной среде, алгоритм которой представлен на рис. 2.

Алгоритм предусматривает формирование пользовательского диалога, формирование значений на заданном расстоянии по всем осям, их контроль и последующую визуализацию.

Рис. 2. Алгоритм прогнозирования и визуализации распространения шума

Пример окна пользовательского диалога представлен на рис. 3 для случая прогнозирования шума по восьми осям на расстоянии Ш = 20 см и Я2 = 40 см.

- 1 г- г-„т -• , 1 .'г.I.. ^1ЯР1Р1|1||РР!?': " Я11111111Р11

Количество замеров установить | Зн, эксп. 1 | Зн. зксп, 2 | Зн. эксп, 3 | Зн. зксп. 4

с ] ~пГ I г

Но Знач ПнИд Нов. зн. ОеИа Знач. 2 ОеИа 2

2 1 79,3 1,2 74,2 1,1 ...........74,2 1,8

.................2 81,5 .....3,4 76,3 3,2 76,2 3,8

л ..............3 82,7 4,6 77,4 4,3 73,1 0,7

...............4 79,4 1,3 74,3 1.2 75,4 3 щ

В ~.................5 78,9 0,8 73,8 0.7 73,6 1,2

7 6 75,3 -2,8 70,5 -2,6 71,5 0.9

..................7 72,5 -5,6 67,8 -5,3 65,1 -7,3

'з 8 75 -3,1 70,2 -2,9 70,2 -2,2 ж

К1= Й2=

при условии, что значение для первого измерения (с новым Я) получилось равным

Изрисовать

Рис. 3. Окно пользовательского диалога

Программа, реализующая разработанную методику и алгоритм, позволяет прогнозировать шум на любом расстоянии от источника и визуализировать полученные результаты.

Пример визуализации по данным, представленным на рис. 3, показан на рис. 4.

Рис. 4. Визуальное отображение результатов,

где 1 - среднее значение уровня шума по результатам первой части эксперимента (измеренные значения на расстоянии 20 см от источника);2 — отклонения от среднего значения в каждой точке первой части эксперимента (измеренные значения);3 — среднее значение уровня шума, полученное исходя из значений, рассчитанных по программе, в соответствие с «методикой проведения эксперимента»;4 — отклонения

от среднего значения в каждой точке эксперимента (значения, рассчитанные по программе);5 - среднее значение уровня шума, полученное по результатам второй части эксперимента (измеренные значения на расстоянии 40 см от источника);6 — отклонения от среднего значения в каждой точке второй части эксперимента (измеренные значения)

В четвертой главе представлены результаты исследований прогнозирования и визуализации распространения шума в производственной среде на основе разработанного алгоритма и программы, а также проведен анализ результатов экспериментальных исследований.

В табл. 1, в качестве примера, представлены результаты экспериментальных исследований прогнозирования шума, создаваемого асинхронным электродвигателем.

Табл. 1.

Результаты экспериментальных исследований прогнозирования шума _асинхронного электродвигателя_

№ оси Уровень шума, дБ

Измеренные значения Результаты прогноза

Расстояние 20 см от источника Расстояние 40 см от источника Расстояние 40 см от источника

1 67,2 63,9 63,9

2 67,7 • - 64,4

3 70,2 - 66,8

4 70,5 - 67,0

5 71,2 - 67,7

6 70,7 - 67,2

7 67,7 - 64,4

8 68,9 - 65,5

В таблице представлены измеренные значения уровня шума на расстоянии 20 см от источника по всем восьми осям, на расстоянии 40 см от источника шума и спрогнозированные значения уровня шума на расстоянии 40 см от источника.

На рис. 5 показана визуализация результатов прогноза экспериментальных исследований.

67,0 ..... ..... Г'";......:..... 66,8 ......|

64,4

€7,7 Л

/ \ \ 63,9

- ■■ 67,2

у ; 65,е :

' 64,4 ^ :

Рис. 5. Визуализация результатов прогноза экспериментальных исследований

Для оценки достоверности и погрешности прогнозирования и визуализации были сопоставлены результаты прогноза уровня шума с реальными значениями, а также рассчитаны погрешности прогнозирования и визуализации уровня шума по каждой из восьми осей.

В табл. 2 представлены реальные и спрогнозированные значения уровня шума от асинхронного электродвигателя, а также погрешности прогнозирования и визуализации.

Табл. 2.

Реальные и спрогнозированные значения уровня шума ог асинхронного электродвигателя, а также погрешности

прогнозирования и визуализации

№ оси Уровень шума, дБ

Измеренные значения Результаты прогноза

Расстояние 20 см от источника Расстояние 40 см от источника Границы доверительного интервала ДБ Расстояние 40 см от источника Отклонения от среднего (измеренного) значения, X — х

Измеренные Среднее значение

1 67,2;66,0;66,1 ;66,0;67,9 63,9;63,0;62,6;62,5;63,3 63,1 2,12 63,9;63,0;62,6;62,5;63,3 0,8;-0,1;-0,5;-0,6;0,2

2 67,7;66,4;68,7;67,9;69,0 64,9;64,0;66,3;64,6;63,9 64,8 2,35 64,4;63,3;65,1;64,3;64,3 -0,4;-1,5;0,3;-0,5;-0,5

3 70,2;70,9;70,3;71,0;71,3 67,9;66,8;68,4;68,3;69,0 68,1 2,23 66,8;67,7;66,6;67,2;66,5 -1,3;-0,4;-1,5;-0,9;-1,6

4 70,5;69,8;70,0;69,4;71,1 65,9;67,5;65,6;67,2;65,8 66,4 2,28 67,0;66,6;66,3;65,7;66,2 0,6;0,2;-0,1;-0,7;-0,2

5 71,2;70,1;69,7;72,6;72,9 67,2;68,9;67,9;66,7;67,7 67,7 2,24 67,7;66,9;66,0;68,7;67,9 0,0;-0,8;-1,7;1,0;0,2

6 70,7;70,8;71,9;71,1;70,8 63,9;63,6;65,3;64,9;63,3 64,2 2,28 67,2;67,5;68,1;67,3;66,0 3,0;3,3;3,9;3,1;1,8

7 67,7;67,0;68,1 ;67,3 ;66,5 67,2;66,0;68,4;68,1;68,0 67,5 2,32 64,4;63,9;64,5;63,7;61,9 -3,1;-3,6;-3,0;-3,8;-5,6

8 68,9;67,9;68,9;69,4;68,3 64,8;64,3;65,2;65,2;63,5 64,6 2,18 65,5;64,8;65,3;65,7;63,6 0,9;0,2;0,7;1,1;-1,0

Анализ табл. 2 показывает, что максимальное отклонение величины уровня шума от его действительных значений составляет 5,6 дБ. А погрешность не превышает 2,35дБ, т.е. не превышает 3,63 %.

Таким образом, как показали результаты экспериментальных исследований разработанная методика, алгоритм и программа могут быть использованы для идентификации, прогнозирования и визуализации распространения шума в производственной среде с целью установления его соответствия нормативным значениям. Дополнительным подтверждением их эффективности является положительный опыт реализации методики прогнозирования и алгоритма для прогнозирования и визуализации распространения в производственной среде вибрации.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. В работе решена задача автоматизации идентификации уровня шума в производственной среде с целью установления его соответствия нормативным значениям, имеющая существенное значение для машиностроения.

2. Установлены взаимосвязи между уровнем шума и его распространением в производственной среде, отличительной особенностью которых является определение коэффициента его снижения по мере удаления от источника.

3. На основе установленных взаимосвязей разработан алгоритм идентификации уровня шума в производственной среде, реализуемый посредством единичного измерения на фиксированном расстоянии от источника.

4. Разработанный алгоритм позволил создать программу идентификации, реализация которой обеспечивает возможность установления соответствия уровня шума нормативным значениям и его визуализацию в производственной среде.

5. Экспериментальные исследования разработанного алгоритма и программы показали, что максимальные отклонения идентифицированного

17

уровня шума от его действительных значений не превышают 5,6 дБ (при погрешности идентификации не более 3,63 %).

6. Результаты работы могут быть рекомендованы к использованию практически в любых производственных системах, в частности на машиностроительных предприятиях, реализующих обработку изделий, а также в учебном процессе по направлениям 220700 "Автоматизация технологических процессов и производств" и 280700 "Техносферная безопасность".

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:

Публикации в изданиях из перечня ВАК:

1. Бугримова Е.В., Дроздова Н.В. CALS-технологии в решении задач мониторинга энергетических загрязнений // Вестник МГТУ "Станкин". Научный рецензируемый журнал. М.: МГТУ "Станкин", № 3 (3), 2008. -145 е.: ил.-с. 43-45.

2. Шварцбург Л.Э., Дроздова Н.В., Бугримова Е.В. Визуализация в среде MS Visio распространения шума и вибраций в рабочей зоне // Вестник МГТУ "Станкин". Научный рецензируемый журнал. М.: МГТУ "Станкин", №1 (13), 2011,- 154 е.: ил.-с. 110-112.

3. Шварцбург Л.Э., Дроздова Н.В., Бугримова Е.В. Возможности и адаптация программного продукта MS Visio для визуализации экологической информации // Научно-практический и научно-методический журнал "Безопасность жизнедеятельности". М.: Изд-во "Новые технологии", "Безопасность жизнедеятельности", № 10 (130), 2011. -с. 35-37.

4. Шварцбург Л.Э., Бугримова Е.В., Дроздова Н.В. Экспериментальное исследование распространения виброакустических факторов в среде для прогнозирования их уровней в заданной точке пространства // Научно-практический и научно-методический журнал "Безопасность жизнедеятельности". М.: Изд-во "Новые технологии", "Безопасность

жизнедеятельности", № 2 (134), 2012. — с. 27 - 30.

18

Публикации в других изданиях:

5. Емельянова Н.В. (Дроздова Н.В.) Визуализация распространения акустических волн // Техносферная безопасность, надежность, качество, энергосбережение. Материалы Международной научно-практической конференции. Выпуск IX (Ростов-на-Дону - Шепси, 2007 г.)- с. 86-88.

6. Емельянова Н.В. (Дроздова Н.В.) Применения приложения Microsoft Visio для моделирования экологической информации // Экологическая безопасность как ключевой фактор устойчивого развития. Сб. докладов / Одиннадцатая международная экологическая конференция студентов и молодых ученых. Москва, МГГУ. 2007г. Том 2. - Смоленск, Ойкумена, 2007.- 174с.-с. 71-73.

7. Бугримова Е.В., Дроздова Н.В. Возможности и применение концепции CALS-технологий в решении задач мониторинга шума и вибрации // Производство. Технология. Экология. Научные труды. Сборник монографий № 11 в 2-х тт. Том 1: Москва / Под ред. член-корр. РАН Ю.М. Соломенцева и проф. Л.Э. Шварцбурга. - М.: "Янус-К", 2008 - 288 с. - с. 36-38.

8. Бугримова Е.В., Дроздова Н.В. Графическое моделирование экологической информации в Microsoft Visio // Техносферная безопасность, надежность, качество, энергосбережение: Т38. Материалы Международной научно-практической конференции. Выпуск XII. - Ростов-н/Д: Ростовский государственный строительный университет, 2010 — 503 с.

9. Бугримова Е.В., Дроздова Н.В. Моделирование и визуализация распространения шума и вибрации в рабочей зоне // XXII Международная инновационно-ориентированная конференция молодых ученых и студентов (МИКМУС-2010) "Будущее машиностроения России": сборник материалов конференции с элементами научной школы для молодежи. -М.: Цифровичок, 2010 г. - 221 с. - с. 10.

10. Бугримова Е.В., Дроздова Н.В. Визуализация распространения энергетических загрязнений в пространстве // Материалы III научно-

образовательной конференции "Машиностроение - традиции и инновации" (МТИ-2010). Сборник докладов. - М.: МГТУ "Станкин", 2010. -222 с.-с. 12-17.

Бугримова Е.В., Дроздова Н.В. Исследование колебательных процессов в технологической среде // Производство. Технология. Экология. Монография. Выпуск № 14. - М.: ГОУ ВПО МГТУ "Станкин", 2011 - 256 с.-с. 13-16.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Дроздова Наталья Владимировна

Автоматизация идентификации уровня шума в производственной среде с целью установления его соответствия нормативным значениям

Подписано в печать 18.04.2012. Формат 60* 90 1/16. Бумага 80 г. Усл. печ. л. 1,50. Тираж 700 экз. Заказ 86.

Отпечатано в Издательском центре ФГБОУ ВПО Московский государственный технологический университет «СТАНКИН» 127055, Москва, Вадковский пер., За Тел.: 8(499) 973-31-93

61 12-5/2393

ФГБОУ ВПО Московский государственный технологический университет

«СТАНКИН»

На правах рукописи

Дроздова Наталья Владимировна

АВТОМАТИЗАЦИЯ ИДЕНТИФИКАЦИИ УРОВНЯ ШУМА В ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СРЕДЕ С ЦЕЛЬЮ УСТАНОВЛЕНИЯ ЕГО СООТВЕТСТВИЯ НОРМАТИВНЫМ ЗНАЧЕНИЯМ

Специальность 05.13.06 - «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические системы)»

мшш

Диссертация на со! 1е ученой степени кандидата теЩрлеских наук

Научный руководитель:

д. т. н., профессор

Шварцбург Леонид Эфраимович

Москва - 2012 г.

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................4

Г Л А В А 1: АНАЛИЗ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ШУМОВ, ИХ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЧЕЛОВЕКА И ВОЗМОЖНОСТЕЙ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ УРОВНЯ ШУМА..................................................................................................................7

1.1. Анализ основных источников образования шума в производственной среде, его разновидности и характеристики..............7

1.2. Воздействие шума на организм человека и механизмы снижения этого воздействия.............................................................................................21

1.3. Анализ основных особенностей и возможностей информационных технологий по автоматизации идентификации распространения уровня шума в производственной среде.....................35

1.4. Постановка задачи...........................................................■•••...................38

Г Л А В А 2: ИДЕНТИФИКАЦИЯ И ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ИНФОРМАЦИИ ОБ УРОВНЕ ШУМА И АСПЕКТЫ АДАПТАЦИИ ПРОГРАММНОГО ПРОДУКТА MS VISIO.................................................39

2.1. Возможности адаптации программных продуктов для идентификации уровня шума в производственной среде........................39

2.2. MS Visio как средство визуализации информации..........................45

2.3. Принципы автоматизации операций в MS Visio..............................50

2.4. Особенности программирования в среде MS Visio..........................56

Г Л А В А 3: РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА И ПРОГРАММЫ ИДЕНТИФИКАЦИИ И ВИЗУАЛИЗАЦИИ УРОВНЯ ШУМА В ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СРЕДЕ.....................................................................61

3.1. Алгоритм прогнозирования и визуализации распространения уровня шума......................................................................................................61

3.2. Описание стенда для экспериментальной апробации достоверности разработанных алгоритма и программы идентификации и визуализации уровня шума .........................................66

3.3. Предварительная экспериментальная апробация программы ....69 Г Л А В А 4: ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИДЕНТИФИКАЦИИ И ВИЗУАЛИЗАЦИИ УРОВНЯ ШУМА ................74

4.1. Методика экспериментальных исследований..................................74

4.2. Результаты экспериментальных исследований...............................75

4.3. Анализ результатов экспериментальных исследований................85

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ.........................................................89

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.....................................................................................................................90

ВВЕДЕНИЕ

Современные производственные машиностроительные системы характеризуются повышенными требованиями к показателям качества технологического процесса. Одним из основных показателей качества является шум, определяющий воздействие технологического процесса на окружающую среду и человека. Шум возникает за счет потерь механической энергии при ее передаче, снижает КПД оборудования, ухудшает показатели безопасности технологических процессов, снижает комфортность труда, а значит и конкурентоспособность продукции.

Решение задачи по снижению уровня шума целесообразно начинать уже на этапе создания продукции. В связи с этим важное значение имеет идентификация уровня шума при реализации технологического процесса на разрабатываемом оборудовании.

Идентификация уровня шума позволит не только снижать его величину на этапе создания продукции, но и обосновано сформировать комплекс шумозащитных мероприятий на производстве.

С точки зрения удобства формирование шумозащитных мероприятий на производстве все большее значение приобретают методы визуализации информации, которые позволяют организатору производства наблюдать реальные значения уровня шума в производственной системе и выделять его критические значения.

Визуализацию невозможно обеспечить в отрыве от современных информационных технологий, обеспечивающих объективность данных, необходимую скорость получения информации, удобство анализа полученной информации.

Поэтому задача автоматизации идентификации уровня шума в производственной среде с целью установления его соответствия

нормативным значениям является актуальной задачей современного машиностроения.

На основании вышеизложенного была сформулирована основная цель работы, которая заключается в установление соответствия уровня шума в производственной среде его нормативным значениям посредством его идентификации на основе единичного измерения на фиксированном расстоянии от источника.

Научная новизна работы заключается в:

- установлении взаимосвязей между уровнем шума и его распространением в производственной среде, отличительной особенностью которых является формирование закономерностей его снижения по мере удаления от источника;

- разработке алгоритма идентификации уровня шума в производственной среде, реализуемого посредством единичного измерения уровня шума на фиксированном расстоянии от источника;

- разработке программы идентификации, реализация которой обеспечивает возможность установления соответствия уровня шума нормативным значениям и его визуализацию в производственной среде, а также адаптации программного продукта MS Visio к задачам идентификации.

Практическая ценность работы заключается в:

- реализации возможности получения реальных значений шума в различных точках рабочей зоны;

- в методике применения стандартного программного продукта MS Visio для идентификации уровня шума в производственной среде;

- в методике визуализации уровня шума в производственной среде.

Результаты работы реализованы при выполнении отдельных этапов темы «Создание и исследование автоматизированных энергосберегающих систем для металлорежущих станков, адаптированных к машиностроительным технологическим процессам формообразования» Федеральной Целевой Программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, а также в учебном процессе по дисциплинам направления «Техносферная безопасность».

Работа выполнена с применением основных положений теории автоматического управления (ТАУ), теории моделирования, теории эксперимента. Экспериментальные исследования проводились с использованием вычислительной техники.

Результаты работы докладывались и обсуждались на 2-х международных конференциях «Производство. Технология. Экология» (ПРОТЭК), XXII Международной Инновационно-ориентированной конференции молодых ученых и студентов "Будущее машиностроения России" (МИКМУС-2010), III Научно-образовательной конференции "Машиностроение традиции и инновации" (МТИ-2010) и на заседании кафедры «Инженерная экология и безопасность жизнедеятельности» ФГБОУ ВПО МГТУ "СТАНКИН".

По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе четыре статьи в изданиях, включенных ВАК в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий.

Г Л А В А 1: АНАЛИЗ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ШУМОВ, ИХ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЧЕЛОВЕКА И ВОЗМОЖНОСТЕЙ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ УРОВНЯ ШУМА

1.1. Анализ основных источников образования шума в производственной среде, его разновидности и характеристики

С внедрением международных систем стандартов качества ISO - 9000, ISO -14000, OHSAS - 18001 и отечественных нормативных документов, в первую очередь Закона «О техническом регулировании» от 27 декабря 2002 г. № 184-ФЗ, требования к показателям качества технологических процессов, характеризующих их безопасность, постоянно возрастают. Одним из характерных для производственной среды показателей безопасности является шум [1; 2; 3; 4; 5; 6; 7].

Вопросами повышения эффективности производственных процессов и повышения качества производственных машиностроительных систем посвящены работы Веселова О.В., Гаека М., Иванова Н.И., Козочкина М. П., Мюллера X. А., Хекла М., Юдина Е. Я., Заборовски Т, Косова М. Г., Митрофанова В. Г., Михайлова О. П., Соломенцева Ю. М., Фокина М. Г., Червякова Л. М., Шварцбурга Л. Э. и многих других ученых как в Российской Федерации, так и за рубежом [8; 9; 10; 11; 12; 13; 14; 15; 16; 17; 18; 19].

Широкое внедрение в промышленность новых интенсивных технологий, мощного и высокоскоростного оборудования привело к тому, что человек на рабочем месте подвергается многократному воздействию шума, что негативно сказывается на его здоровье, снижении производительности труда, ведет к возникновению профессиональных заболеваний.

В совокупности источниками шума на производстве являются технологическое оборудование, транспорт, системы вентиляции, пневмо- и гидроагрегаты, а также источники, вызывающие вибрацию, т. е. колебания твердых тел, которые в свою очередь вызывают колебания воздушной среды [20; 21; 22; 23].

В зависимости от характера и причин возникающего шума все источники в производственной среде подразделяются на четыре основных типа [20; 21; 22; 23]. Классификация источников шума представлена на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Классификация источников шума

Механический шум обусловлен взаимным перемещением деталей и их колебаниями. Он возникает в зубчатых и цепных передачах, подшипниках, кулачковых механизмах, редукторах, роторах и вызывается ударами в сочленениях, силовыми взаимодействиями вращающихся масс, трением в соприкасающихся элементах и т. п. Возбуждение механического шума носит ударный характер, при этом в излучающих системах возникает весь спектр их собственных частот [10; 12; 24; 25].

Характер спектра и интенсивность уровня шума зависят от массы соударяющихся деталей, скорости соударения (или вращения, качения и пр.), модуля упругости этих деталей, площади излучения. При значительных скоростях движения (соударения) спектр механического шума высокочастотный [10; 12].

ТТТум зубчатых передач вызывается колебаниями зубчатых колес и элементов конструкций, сопряженных с ними. Причинами этих колебаний являются:

- взаимное соударение зубьев при входе в зацепление;

- переменная деформация зубьев, вызванная непостоянством

приложенных к ним сил;

- переменные силы трения, возникающие в зацеплении [10; 12].

Спектр шума зубчатой передачи имеет дискретный характер с

основной частотой, равной или кратной частоте вращения и числу зубьев.

Основное влияние на интенсивность шума зубчатой передачи оказывают частота вращения и нагрузка. При удвоении передаваемой мощности (нагрузки) шум в зубчатой передаче возрастает на 3 дБ, а при удвоении скорости — на 6-7 дБ [10].

Динамические процессы, возникающие в зубчатой передаче, приводят к деформации зубьев. Как правило, динамические нагрузки превышают статические. Отношение максимальной динамической нагрузки к статической называется коэффициентом динамичности, его значение составляет 1,3-3,5. Уровень шума тесно связан с деформацией зубьев, которая пропорциональна коэффициенту динамичности [10; 12; 25].

На характер динамических процессов в зубчатых передачах влияют такие факторы, как материал, из которого сделаны шестерни, число и форма зубьев, точность их изготовления, степень перекрытия и некоторые другие факторы.

Увеличение числа зубьев и коэффициента перекрытия благотворно

сказывается на плавности хода и ведет к снижению уровня шума. Так,

удвоение числа зубьев снижает уровень шума на 4-5 дБ, а применение

зацепления с косыми или шевронными зубьями — на 8-10 дБ. Разница в

уровне шума при использовании различных материалов с большим

коэффициентом потерь для зубчатых передач и корпуса редуктора может

достигать 10-15 дБ. На рис. 1.2 показана зависимость уровня шума от

9

нагрузки на зуб редукторов, корпуса которых изготовлены из разных материалов [10; 12; 23; 25].

Повышение точности обработки зубьев обеспечивает снижение шума на 5-10 дБ [12]. На рис. 1.3 представлена зависимость уровня шума от нагрузки на зуб с различной погрешностью изготовления зубьев [12].

la, дБ

94

90

86

82

30 60 90 120 150 180

N, Н/мм2

Рис. 1.2. Зависимость уровня шума от нагрузки на зуб (корпус редуктора изготовлен

из полиамида (1), стали (2) и чугуна (3))

дБ 85

80

75

30 60 90 120 150 180

N, Н/мм*

Рис. 1.3. Зависимость уровня шума от нагрузки на зуб(погрешность изготовления

зубьев 50 (1), 40 (2) и 6 мкм (3))

Шум зубчатой передачи уменьшается при снижении окружной скорости, нагрузки, массы зубчатых колес, а также при повышении коэффициента перекрытия. Снижение ударных нагрузок, а, следовательно, уровня шума, достигается путем применения косых и шевронных зубьев.

Таким образом, для снижения уровня шума в зубчатых механизмах следует стремиться к увеличению числа зубьев, уменьшению нагрузки и

10

повышению точности изготовления, а также к тщательной балансировке зубчатых колес и точной центровке их при сборке. Корпус зубчатой передачи должен быть изготовлен из материалов с высоким коэффициентом потерь или покрыт специальным вибропоглощающим покрытием. Необходимо, также обеспечить виброизоляцию корпуса [10; 12; 23; 25].

Шум в подшипниках создается трением, соударениями и вибрацией деталей. В подшипниках качения внутренние силы, вызывающие вибрацию, обусловлены допусковыми отклонениями при изготовлении и монтаже элементов. Шум обусловлен процессом качения в самом подшипнике и дисбалансом ротора. Он возрастает с увеличением частоты вращения (приблизительно на 5-6 дБ при каждом ее удвоении), нагрузки и диаметра подшипника (на 5-15 дБ при увеличении диаметра вдвое). Шум шарикоподшипников на 5-6 дБ ниже шума роликовых [10; 12].

На рис. 1.4 показана зависимость уровня шума подшипников качения электрических машин с цилиндрическими роликами от диаметра подшипника <1п. Данная зависимость построена для частоты вращения 1500об/мин. Заштрихованная область на рисунке - область изменения уровня шума подшипников [12].

с!п, мм

Рис. 1.4. Зависимость уровня шума подшипников качения электрических машин с цилиндрическими роликами от диаметра подшипника (1„ (частота вращения 1500 об/мин, заштрихована область изменения уровня шума

подшипников)

Интенсивность и частотный характер шума подшипников зависят от точности их изготовления, допусков на посадку, частоты вращения, тщательности установки. В основном спектр шума в подшипниках является высокочастотным (2-5 кГц) [10; 12].

Подшипники скольжения менее шумны и виброактивны, чем подшипники качения. Разница в уровне шума при одинаковой частоте вращения и нагрузке между подшипниками качения и скольжения может достигать 10-20 дБ (особенно на высоких частотах). Основной причиной шума в подшипниках скольжения является сила трения между поверхностями подшипников и валом, возникающая в результате их неравномерного и неправильного смазывания [10; 12].

Причинами возникновения шума в подшипниках также могут быть:

- механическая неуравновешенность вращающегося ротора (вала);

- расцентровка муфты;

- разная толщина внутренних колец, асимметрия тел качения,

волнистость дорожек качения в подшипниках качения;

- повышенное трение в подшипниках скольжения [12; 22; 25].

Для уменьшения шума в подшипниках необходимо обеспечить балансировку ротора, снижать частоту вращения и нагрузку, уменьшать передачу вибрации от подшипника к корпусу (путем установки упругих вкладышей, что может снизить шум на 10-12 дБ), снижать звукоизлучающую способность корпуса путем применения вибропоглощающих покрытий, увеличивать класс точности подшипников (для них установлены следующие классы точности в порядке повышения: 0, 6, 5, 4 и 2, переход в следующий класс обеспечивает снижение шума на 1-2 дБ). Всегда, если это возможно, нужно предпочитать подшипники скольжения подшипникам качения [23; 25].

Рекомендации по снижению уровня шума подшипников представлены в табл. 1 [23; 25].

Таблица 1.

Рекомендации по снижению уровня шума подшипников_

Рекомендации по снижению уровня шума подшипников Ориентировочная

эффективность, дБ

Балансировка ротора 5-10

Устранение внутренних причин шума (овальность колец,

волнистость дорожек качения, овальность тел качения и др.) <15

Уменьшение диаметра и увеличение числа тел качения <15

Изготовление сепараторов подшипников из материалов с

высоким вибродемпфированием 3-4

Применение упругих вкладышей 10-12

Улучшение смазки в подшипниках скольжения <12

Увеличение класса точности подшипников <10

Применение шариковых подшипников (вместо роликовых) 5-6

Замена подшипников качения подшипниками скольжения 10-20

Неуравновешенность вращающегося ротора (дисбаланс) — основной источник механического шума машин. Дисбаланс характеризуется несовпадением главной оси инерции ротора с осью вращения. Перемещение оси вращения вала сопровождается соответствующим перемещением его центра тяжести [23; 24].

Источниками дисбаланса ротора являются несимметрично