автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Обеспечение качества и акустической безопасности при обработке изделий на галтовочных барабанах

На правах рукописи

Ющенко Алексей Викторович

ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА И АКУСТИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ОБРАБОТКЕ ИЗДЕЛИЙ НА ГАЛТОВОЧНЫХ БАРАБАНАХ

Специальности: 05.26.01 - Охрана труда (в машиностроении) 05.02.08 -Технология машиностроения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

„ ,„«, 11 СЕН ¿Ш

Ростов-на-Дону 2013

005532934

005532934

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО РГУПС) и федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Донской государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО ДГТУ).

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор Чукарин Александр Николаевич;

доктор технических наук, профессор Флек Михаил Бенсионович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Технология машиностроения» ФГБОУ ВПО ДГТУ, заслуженный деятель науки РФ Бабичев Анатолий Прокофьевич,

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Эксплуатация и ремонт машин» ФГБОУ ВПО РГУПС Санамян Валерий Геворкович

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова»

Защита состоится 11 октября 2013 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д212.058.06 при ФГБОУ ВПО «Донской государственный технический университет» по адресу: 344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1, ауд. 1-252.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ДГТУ.

Автореферат разослан «№» августа 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

А.Т.Рыбак

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. К важнейшим задачам машиностроения относится повышение обработки изделий при условии выполнения требований к безопасным условиям труда операторов технологического оборудования. Галтовочные барабаны интенсивно эксплуатируются в различных отраслях машиностроения на операциях очистки удаления облоя, снятие заусенцев, скругления острых кромок. При значительных преимуществах этого оборудования как технологических машин, они создают уровни шума, намного превышающие санитарные нормы. Кроме этого, несмотря на высокую производительность, метод галтовки на сегодняшний день изучен недостаточно, что в значительной степени сдерживает его применение. Таким образом, задача обеспечения качества изделий и акустической безопасности при обработке на галтовочных барабанах является актуальной и имеет большое научно-техническое и социально-экономическое значение-

Цель работы: улучшение условий.труда за счет снижения уровня шума до санитарных норм и обоснование параметров технологического процесса галтовки, обеспечивающих требуемое качество обработки изделий.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана модель виброакустической динамики галтовочного барабана, учитывающая динамическое воздействие на несущую систему рабочей среды, что позволяет уточнить закономерности шумо-образования данного типа оборудования (05.26.01 п.7).

2. Получены аналитические зависимости уравнений звукового давления, учитывающие конструктивные особенности оборудования и технологические режимы работы, что дает возможность выбора способов обеспечения санитарных норм шума непосредственно при проектировании оборудования (05.26.01 п.7).

3. Предложена и экспериментально подтверждена модель формирования профиля шероховатости обрабатываемой поверхности деталей на галтовочных барабанах, учитывающая режимы обработки и параметры рабочей среды (05.02.08 п.2).

' Практическая ценность работы.

1. Сформулированы технологические рекомендации для обеспечения требуемых параметров шероховатости поверхности изделий и производительности при обработке на галтовочных барабанах (05.02.08).

2. Разработаны мероприятия по доведению уровней звукового давления в рабочей зоне галтовочных барабанов до предельно допустимых величин, путем снижения интенсивности звукового излучения несущей системы, т.е. в самом источнике (05.26.01).

3. Разработанные способы снижения шума могут быть реализованы как при проектировании, так и при эксплуатации галтовочных барабанов (05.26.01).

Рнддрдние Результатов исследования в промышленно-пи. Результаты исследований внедрены на ОАО «Роствертол». За счет рационального подбора вибропоглощающих и звукопоглощающих материалов корпуса галтовочного барабана уровни звукового давления понижены на 15-35 дБ в рабочей зоне оператора, что обеспечило выполнение санитарных нор шума. Ожидаемый годовой социально-экономический эффект составляет 42 тыс. руб. (в ценах 2012года).

Апробация работы* Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международной научной конференции-«ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В МАШИНОСТРОЕНИИ И МЕТАЛЛУРГИИ» (Ростов-на-Дону 5 сентября 2012 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано б печатных работ, 3 из которых опубликованы в изданиях рекомендуемых ВАК РФ. 1

Структура и объем работь;. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, общих выводов и рекомендаций, списка использованной литературы йз 115 наименований, имеет 32 рисунка, 5 таблиц и изложена на 122 страницах машинописного текста основной части и 25 страницах приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

введении обоснована актуальность темы диссертации, направленной^ на решение важной научно-технической и социальной экономической задачи-обоснование параметров технологического процесса обработки изделий на галтовочных барабанах и обеспечение санитарных норм шума на рабочих местах операторов. Приводятся основные результаты ее решения с указанием степени новизны и значимости.

Первая глава, содержит аналитический обзор выполненных ранее исследований технологических аспектов процесса галтовки, методов абразивной обработки, а также исследований шумовых характеристик вибрационных станков. Анализ этих работ показал, что несмотря на значительные результаты в области абразивной обработки, метод галтовки на сегодняшний день изучен недостаточно, что в значительной степени одерживает широкое применение галтовочных барабанов. Существующие сведения о закономерностях процесса являются весьма разрозненными и не позволяют сформировать эмпирические зависимости для определения основных параметров качества обработки при данном методе. Работ, связанных с теоретическими исследованиями процесса галтовки, практически нет. Отсутствует теоретический анализ влияния режимов обработки и характеристик обрабатываемой среды на производительность и качество обработки. В связи с вышеперечисленными факторами дальнейшее развитие процесса галтовки и ее промыш-

ленное освоение встречают серьезные трудности и невозможно без создания теоретической модели процесса, отражающей его физическую сущность и позволяющей прогнозировать результаты обработки на стадии проектирования.

Исследования виброакустических характеристик проводились для вибрационных станков 11-образных, торовых, виброударного упрочнения, центробежно-ротационного наклепа. Акустическая система этого оборудования, условия их работы имеют существенные отличия от галтовочных барабанов, что и не позволяет применять теоретические и практические результаты для снижения шума, рассматриваемого в работе оборудования. На основе анализа вышеперечисленных исследований сформулирована цель диссертационной работы, для достижения которой решаются следующие задачи:

1. Провести теоретические исследования процесса удаления металла при обработке деталей на галтовочных барабанах.

2. Разработать модели формирования шероховатости обработанной поверхности в зависимости от режимов обработки и характеристик абразивных частиц.

3. Разработать модели виброакустической динамики галтовочных барабанов с учетом динамического воздействия рабочей среды на корпусные детали.

4. Получить зависимости для теоретического расчета уровней звукового давления в рабочей зоне галтовочных барабанов в зависимости от геометрических и физико-механических параметров несущей системы и технологических режимов обработки.

5. Произвести экспериментальную проверку полученных теоретических результатов в производственных условиях.

6. Разработать практические способы по обеспечению санитарных норм шума в рабочей зоне галтовочных барабанов.

Вр второй главе приведены результаты теоретических исследований процесса галтовки. При исследовании основных технологических параметров галтовки (производительности процесса и качества обработанной поверхности) необходимо решить задачу теоретического моделирования процесса единичного взаимодействия абразивных частиц с поверхностью обрабатываемой детали. Разработка теоретических зависимостей, описывающих форму и размеры следов обработки, позволит в дальнейшем перейти к теоретико-вероятностному описанию распределения следов на поверхности детали, что, в свою очередь, даёт возможность разработать модель формирования профиля шероховатости и удаления металла с поверхности детали.

На основе данных работ процессов абразивной обработки применительно к галтовочным барабанам, для которых высота падения частицы принята равной 2/3 диаметра барабана, получены следующие

выражения максимальной глубины внедрения частицы (к ) и сьема

* гпах *

металла при единичном взаимодействии (#).

Тогда максимальная глубина внедрения частицы определится по зависимости:

\П-' (!)

где ^т - коэффициент, учитывающий влияние соседних частиц при обработке; Л- радиус описанной окружности; - плотность материа-

£ И

ла частицы; ° - ускорение свободного падения; 6 - диаметр барак

бана; Л . коэффициент, учитывающий влияние зернистости абразивной частицы на фактическую площадь контакта; ^ - предел текучести материала детали.

Зависимость для определения сьема металла определяется следующим образом:

5

? = ХАбк^3

бш (Зк

0.5

сог* J

{*гр-/)рд, (2)

где Ра — плотность материала детали; / - коэффициент пропорциональности при резании; с - коэффициент увеличения предела текучести; /5 - углом воздействия абразивной частицы; на обрабатываемую поверхность. . - ■

В процессе обработки поверхность детали непрерывно подвергается динамическому воздействию абразивных частиц. При этом количество взаимодействий, приходящихся на единицу поверхности детали в единицу; времени, носит случайный характер и его невозможно функционально связать с технологическими параметрами процесса.

Для упрощения расчетов принято допущение, что частота воздействия абразивных гранул на поверхность детали (учитывая специфику процесса галтовки) равна частоте вращения барабана.

В работе получены зависимости для расчета условной высоты НуС и среднего арифметического отклонения профиля установившейся шероховатости R,\ __

//..=0,58- р35- ' (3)

\4v>z0

где Len - удельная длина; z0 - номинальное количество зерен над единицей поверхности связи. ... .

Яа = 0,09- р»*-. №

V А,)2о

Приведенные выше зависимости удаления металла и формирования шероховатости обработанной поверхности использованы для определения времени обработки детали галтовкой при решении различных технологических задач:

- времени удаления заусенца t=k

Щ R2 , (5)

где к с - коэффициент учитывающий особое расположение заусенца; а и Ь - большая и малая полуоси эллипсов контакта; /в - частота циклов воздействия массы абразивных частиц на поверхность детали; 10 - толщина заусенцев у основания; Р2 " вероятность события, заключающегося в том, что взаимодействие абразивной частицы с поверхностью детали приведет к микрорезанию; Я - радиус абразивной частицы; V -объем метала удаленного за один удар частицы;

- время для удаления облоя и скругления острых кромок 0.85 А'V

К ~ к,

r nabPjy t (6)

где кг - коэффициент учитывающий специфическое условие взаимодействия абразивной частицы с кромкой детали; г - радиус скругления острой кромки.

Полученные зависимости позволяют при проектировании технологических процессов теоретически определять его основные параметры и производительность обработки.

В третьей главе приведены результаты теоретических исследований виброакустической динамики галтовочных барабанов. Компоновка их позволяет в качестве акустической модели излучателя принять цилиндр ограниченной длины, для уровней звукового давления которого получена следующая зависимость:

к (ЛЛ°'25

L = 20lgVk + 20/д - + Шдй + 51д \ — +177, (7)

г . \м)

где /-длина корпуса, м; Ук- виброскорость на соответствующей частоте колебаний, м/с; к - коэффициент, определяющий соответствующую форму колебания; г - расстояние от корпуса до расчетной точки, м; D -наружный диаметр корпуса, м; J - момент инерции корпуса, м4; М -масса, кг.

Как видно из полученной зависимости расчет спектров шума сводится к определению скоростей колебаний корпуса барабана. Расчет скорости колебаний таких систем традиционно производится На основе уравнений энергетического баланса, которые для галтовочного барабана получены в следующем виде:

1 I i

где б,- коэффициенты поглощения в соответствующем элементе, 1/м; о» , c/ß - коэффициент передачи вибромощносги из /-го в п-й элемент станины; длина линии контакта, м; q,-потоки вибрационной мощности, Вт/м; Nl вводимая вибрационная мощность, Вт; 5- площадь элемента, м2.

. Из данной системы уравнений определяются скорости колебании корпуса:

2Cuimoi

(9)

где д,- Сы - скорость изгибной волны (для стальной трубы); т0. -распределенная масса, кг/м2.

Полученное выражение подставляется в формулу(7), и таким образом определяются уровни звукового давления, создаваемого эле-

ментами корпуса галтовочного барабана.-Уровни шума, излучаемого во внешнее пространство, определяются по принципу энергетического, суммирования:

^ = 10/$100'ш + 10°'ш + 10°'ш. (10)

Полученные зависимости позволяют расчетным путем определить спектры шума, учитывают компоновку оборудования, конструктивные и механические параметры и воздействия рабочей среды. Как видно из полученных данных, фактически снижение шума галтовочных барабанов можно добиться только уменьшением скорости колебаний корпуса V. Поэтому выполнения санитарных норм шума, в левую часть выражения (7) подставлены предельно допустимые уровни звукового давления 1С и учтено то, что на участке может одновременно эксплуатироваться несколько галтовочных барабанов. В этом случае зависимость (7) примет вид:

к Л

¿с = гО/дУ + 20/д — + 10/дй + 5/д— + 10/дк +177, (11) г М

где к- количество галтовочных барабанов на участке.

Из полученной зависимости выразим величины скорости колебаний скорости корпуса, соответствующие выполнению санитарных норм шума:

0.05-10—-0.5 ^ £>-0.25—+0.5/^ Л-8.85

К = 10 м . (12)

Необходимо отметить, что выполнение требуемых значений скоростей колебаний корпуса, может быть доступно путем создания многослойных конструкций.

Как видно из полученных зависимостей, для расчета скоростей колебаний и уровней звукового давления необходимо определить вводимую в несущую систему галтовочных барабанов вибромощность от рабочей среды.

В работе использован Я — £ метод учета турбулентного движения сред. Согласно этому подходу при описании движений гранулированной среды используется система уравнений Навье-Сгокса и уравнение неразрывности.

Конструкция галтовочного барабана обладает осевой симметрией но, так как окружные скорости среды не равны нулю, все три компоненты скорости будут отличны от нуля. В состоянии стационарного осесимметричного течения среды уравнения получена система уравнений:

/ ди V2

си

и—---+ w-

or г dz

dv uv dv p\ и------f w—

dr r dz

( dw dws V or dz .

dp

dr '

I JLÍ.ÉE

r dr I dr

и d_u_

7+dz2

I JLf dv

r dr I dr

r2+ dz2

1 + "l L \dw\ ( d2w

) dz г dr v' dr J f dz2

+

(13)

где M - радиальная составляющая скорости, V

W

окружная, - oce-

F F F

r ' Й)» 1 z

вая. - компоненты массовой силы.

Так как основной интерес представляли свойства моделируемой системы в режиме стационарного вращения, решение задачи отыскивалось при постоянных числах оборотов дна: 120, 180, 240 и 300 об/мин. Решение задачи выполнялось в системе конечноэлементного моделирования Comsol Multiphasics с использованием базы данных системы о параметрах гранулированной среды используемой в галтовочных барабанах.

Для рассчитанных значений скоростей вращения барабана построены зависимости скоростей среды обтекания и нормальных компонент скоростей на границах, давлений на стенках , которые затем использованы для определения потока энергии среды, действующего на стенки барабана, и возбуждаемых звуковых частот.

Результаты расчета показывают, что источником звуковой активности является, в основном, корпус барабана.

--120 об/мин

..... 180 об'мин

---МОоо-шш

- - • • 300 об/мик

Частота, Гц

Рис. 1. Спектр акустического действия гранулярной среды на стенки контейнера.

Разделив полосу частотного спектра на узкие интервалы шириной 5 Гц и суммируя вклады от акустической мощности, вводимой средой на частотах, попадающих в каждый интервал, был получен спектр частот для каждой частоты вращения.

Как видно, с ростом частоты интенсивность воздействия возрастает, а сам спектр смещается в область более высоких частот.

Приведенные результаты показывают, что мощность имеет экстремальный характер. Это может быть объяснено тем, что, несмотря на большую плотность мощности при больших частотах вращения, площадь взаимодействия контейнера становится меньше из-за оттеснения средь: к стенкам за счет центробежной силы. Истинное значение интегральной мощности может быть получено при точном указании режима работы барабана, который позволяет плавную регулировку и выбирается из оптимальных технологических условий.

В четвертой главе приведены результаты аттестации рабочих мест операторов галтовочных барабанов, экспериментальные исследования спектров шумов и вибрации и параметров технологического процесса.

Результаты аттестации рабочих мест по условиям труда галтовщика представлены в табл. 1

Анализ результатов аттестации рабочих мест галтовщиков показал, что среди комплекса опасных и вредных производственных факторов, влияющих на здоровье работника, санитарные нормы превышают только виброакустические характеристики.

Результаты экспериментальных исследований различных типов галтовочных барабанов показали идентичные закономерности формирования виброакустических характеристик. Поэтому анализ результатов приведен на примере барабана 4П - 01- 42, измерение спектра шума и вибрации которого проводились в кузнечном цехе ОАО «Роствертол» при неработающем оборудовании на других производственных участках. Общий вид галтовочного барабана показан на рис. 2.

Рис. 2. Общий вид барабана

Таблица 1.

Фактическое состояние условий труда на рабочих местах галтовщика

Наименование производственного фактора Допустимый уровень Фактический уровень Величина отклонения Класс условий труда

Эквивалентный уровень звука, дБ 80 91-102 22 3.1

Эквивалентный уровень виброскорости, дБ 107 105-109 - 3.1

Температура воздуха, "С (категория - Пб) 15-22 23 2

Скорость движения воздуха, м/с 0-0,2 0,2 2

Влажность воздуха, % 15-75 54 — . 2

Освещенность (общая/ рабочей поверхности), лк 200 275 2

Пыль 2 2,0 - г

Напряженность труда — — 2

Тяжесть труда - - - 2

Общая оценка условий труда 3.2

Измерение звукового давления вдоль корпуса барабана показали, что разница уровней звукового давления не превышает 2дБ, что сравнимо с точностью измерительной аппаратуры. Поэтому анализ спектрального состава шума выполнен на примере двух точек: 1 - по центру корпуса барабана; 2 - против ограждения закрывающего ременную передачу (далее точки 1 и 2). Спектр шума в точке 1 приведен на рис. 3.

Прежде всего, обращает на себя внимание очень незначительная разница в уровнях звукового давления при открытой и закрытой крышке, которая не превышает 2,5 дБ (соизмерима с точностью аппаратуры в 4, 5 и б октавах со среднегеометрическими частотами 250, 500 и

1000 Гц соответственно). Эти данные наглядно показали, что источником звукового излучения является корпус барабана, а не рабочая среда и детали. Следует отметить зафиксированные превышения уровней звукового давления над предельно допустимыми значениями (рис. 4).

Рис. 3. Спектр шума в точке 1:

1-е открытой крышкой барабана;

2-е закрытой крышкой барабана; 3 - предельный спектр

63 250 600 1000 2000 «00 8000

1Гц

Рис.4. Превышение уровней звукового давления в рабочей зоне барабана над санитарными нормами

Фактически только в первой и второй октавах (среднегеометрические частоты 31,5 и 63 Гц рис. 3) уровни звукового давления ниже предельно допустимых. В третьей октаве (среднегеометрическая частота 125 Гц) уровень звукового давления фактически равен предельно допустимой величине. 4-9 октавах уровни звукового давления превышают санитарные нормы в 15 - 30 дБ.

Следует отметить характерные особенности формирования спектрального состава. В области средних частот наблюдается существенное увеличение интенсивности звукового излучения с ростом частоты составляющие 10 дБ и 7 дБ при переходе отЗк4иот4к5 октавам. Далее увеличение интенсивности звукового излучения по мере роста частоты снижается и составляет 2 Дб на октаву (до 7 октавы со среднегеометрической частотой 200 0Гц). В 8 и 9 октавах имеет место тенденция к снижению интенсивности по мере увеличения частоты и составляет 3 дБ и 7 дБ соответственно.

Аналогичные результаты получены при измерениях уровней звукового давления в точке 2 (рис.5).

,,-т;.; ; г! ■ 1,дБ '.20 НО 100 50 80 70 60 50

Рис. 5. Спектры шума в точке 2 Рис. 6, Спектры виброскорости:

1 - на корпусе барабана; 2 - на ограждении ременной передачи

Эти результаты подтверждают сделанные ранее предположения о доминирующем влиянии звукового излучения корпуса барабана, т.е. определяющим влияние структурной доли шума.

Измерения виброскорости показали равномерность распределе-у~"ния, интенсивности по несущей сис+еМе барабана. Анализ закономерностей формирования спектров вибрации приведен по результатам измерений на корпусе барабана и кожухе ременной передачи (рис. 6.).

Характерной особенностью спектра вибрации корпуса барабана является его высокочастотный характер и равномерность в распределении интенсивности вибрации по всему частотному диапазону. Разница в уровнях виброскорости в интервале частот 31,5 - 1000 Гц не превышает 3 - 4 дБ, На частотах выше 1000 Гц наблюдается спад интенсивности вибрации, составляющий 2 Дб на октаву. Следует отметить, что по характеру спектры виброскорости соответствуют спектру шума, что и является основным подтверждением определяющего влияние структурной доли шума в превышении уровней звукового давления над санитарными нормами.

Спектр вибрации на ограждении ременной передачи более типичен, т.к. по всему частотному диапазону наблюдается равномерный спад интенсивности вибрации. Однако необходимо отметить следующий > факт: несмотря на то что уровни виброскорости на ограждении ременной передачи ниже чем на корпусе барабана на 8 - 11 дБ, интенсивность вибрации достаточно высока. Поэтому до достижения санитарных норм шума в рабочей зоне следует снизить вибрации как самого барабана, так и ограждения ременной передачи.

Доминирующее влияние структурной доли шума предопредели- ] ло выбор инженерных решений. "Практически выполнение санитарных норм шума может быть выполнена повышением эффективного коэффициента потерь касательной энергии элементов несущей системы бараба-

на, что достигается облицовкой корпуса барабана и кожуха ременной передачи звука-, вибропоглощающими материалами.

Облицовка внутренней поверхности ограждения ременной передачи слоем войлока толщиной 10 мм и мягкой губчатой резиной 1002 (формула) понизила уровни виброскоросги на ограждении на 10 - 18 дБ, но практически не изменила урони звукового давления в рабочей зоне оператора.

Облицовка корпуса барабана слоем войлока толщиной 15 мм и губчатой резиной 1002 (формула) толщиной 10 мм привела к существенному снижению уровней звукового давления в рабочей зоне на 9 -27 дБ (рис. 7).

60 ■

ЧО ' ..................................................

31,5 63 125 3 50 500 1000 2000 4000 ЙООО

Рис. 7. Спектры шума в рабочей зоне барабана при использовании губчатой резины и войлока

Однако это не привело к выполнению санитарных норм шума в рабочей зоне, хотя превышение уровней звукового давления над предельно допустимыми значениями не превысила 10 дБ и на одну октаву уменьшила диапазон частот, в которых сохраняется превышение над санитарными нормами.

Эти данные и являются теми величинами дополнительного снижения уровней шума для выполнения санитарных норм шума при условии работы одного галтовочного барабана. Для участка таких барабанов, величины требуемого снижения уровней звукового давления должны быть увеличены еще на 3 - 5 дБ.

Для проверки полученной зависимости, произведена серия экспериментальных исследований процесса абразивной галтовки. Определялось влияние зернистости абразивных гранул и механических свойств обрабатываемых материалов на съем металла с образцов площадью

5^=10 СМ2.

Результаты сравнения теоретических и экспериментальных исследований в таблицах 2 и 3.

Таблица 2

Влияние зернистости абразива на съем металла при галтовке

Зернистость Q теоретический (кг) 2 экспериментальный (кг)

4 7,48* 10'9 7,6* 10"9

8 1*10"8 1,2*10"8

16 1,36* 10"8 1,5*10~8

25 1,64*10"8 1,8*10~8

40 2,0*10"8 2,4*10"8

Таблица 3

Влияние предела текучести материала детали на съем металла при галтовке

(7г (МПа) () теоретический (кг) Q экспериментальный (кг)

200 8,83*10° 9*10"8

300 5,1*10° 5,5*10"8

400 3,5*10"8 4,2*10"8

600 2,0*10"8 2,3*10"8

Анализируя результаты теоретических и экспериментальных исследований, можно сделать вывод о том, что полученные зависимости могут быть использованы при технологических расчетах параметров абразивной галтовки, т.к. разница между теоретическими и экспериментальными величинами составляет 7-10%.

Исходя из выше приведенных данных облицовка наружной поверхности барабана выполнена из губчатой резины 1002 толщиной 15 мм, технического войлока толщиной 15 мм и наружной обоймы трубы -винипласта толщинойЮ мм.

В результате этих мероприятий уровни звукового давления в рабочей зоне барабана ниже предельно допустимых значений на 3 - 4 дБ (рис. 8) во всем нормируемом частотном диапазоне.

Л,ДБ 110 100 90 80 i 70 i

бо ;

50

3i,S 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

МЧ

Рис. 8 Спектры шума в рабочей зоне барабана после модификации корпуса

Результаты исследований внедрены на ОАО «Роствертол» с ожидаемым годовым социально - экономическим эффектом 42 тысячи руб. (в ценах 2012 года)

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

Конечные результаты работы можно представить следующими основными выводами:

1. На основании результатов проведенных исследований разработана научная база для обеспечения требуемых параметров качества изделий и санитарных норм шума при обработке на галтовочных барабанах.

2. Разработаны модели процессов формирования профиля шё- 1 роховатости поверхностей обрабатываемых деталей, а также виброакустической динамики галтовочных барабанов, учитывающие конструктивные параметры и условия эксплуатации.

3. Получены зависимости для расчетов параметров шероховатости деталей и производительности процесса галтовки на этапе проектирования технологического процесса.

4. Установлена взаимосвязь между компоновкой галтовочных барабанов, режимами эксплуатации, параметрами технологического процесса и характерными особенностями спектрального состава акустических характеристик.

5. С использованием программного комплекса имитационного моделирования динамики рабочей среды для галтовочных барабанов определена вибрационная мощность, вводимая в несущую систему галтовочных барабанов от рабочей среды, что в комплексе с энергетическими методами расчета корпусных деталей позволяет теоретически рассчитать уровни звукового давления.

6. Достоверность теоретических исследований и возможность их исследования на этапах проектирования технологических процессов галтовки и галтовочных барабанов подтверждена экспериментальными исследованиями в условиях реального производства.

7. Разработаны инженерные решения по снижению звукового давления до предельно допустимых значений путем уменьшения интенсивности звукового излучения в самом источнике. Эффективность в снижении уровней шума достигнута в счет повышения диссипативных характеристик несущей системы галтовочных барабанов.

Основное содержание диссертации отражено в б работах:

Статьи, опубликованные в изданиях, рекомендованных

ВАК РФ

1. Ющенко A.B. Теоретическое исследование шумообразования галтовочных барабанов /A.B. Ющенко // Вестник РГУПС. - 2012. -№4(48) - С. 11-14.

2. Ющенко A.B. Закономерности динамического взаимодействия рабочей среды со стенками галтовочного барабана / A.B. Ющенко, А.Н. Чукарин // Вестник Дон. гос. техн. ун-та. - 2013. - № 1-2(70-71). -С.118-126.

3. Ющенко A.B. Исследование процесса съема металла при абразивной галтовке / A.B. Ющенко, М.Б. Флек // Вестник Донск. гос. техн. ун-та. - 2013. - № 3-4(72-73). - С.125-133.

Статьи, опубликованные в других научных изданиях и материалах научно-технических конференций

4. Ющенко A.B. Экспериментальные исследования спектров шумов и вибрации галтовочных барабанов / A.B. Ющенко // Известия Института управления и инноваций авиационной промышленности-2011 -№ 3-4. - С.Юб-112.

5. Ющенко A.B. Влияние факторов производственной среды на условия труда операторов галтовочных барабанов / A.B. Ющенко // Известия Института управления и инноваций авиационной промышленности. - 2012. - №1-2. - С.3-10.

6. Ющенко A.B. Обоснование источников шума галтовочных барабанов / A.B. Ющенко // Инновационные технологии в машиностроении и металлургии: мат-лы IV Междунар. науч.-пракг. конф., г. Ростов-на-Дону, 5 сент. 2012 г. - Ростов-на-Дону: Изд. центр Донск. гос. техн. ун-та, 2012. - 361 е., С.78-80.

В печать 27.08.2013.

Формат 60x84/16. Бумага тип №3. Офсет.

Объем 1,0 усл.п.л. Заказ №856. Тираж 100 экз. Цена свободная

Издательский центр ДГТУ

Адрес университета и полиграфического предприятия: 344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1.

ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный университет путей сообщения» ФГБОУ ВПО «Донской государственный технический университет»

На правах рукописи

04201362148

1 А

л

Ющенко Алексей Викторович

ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА И АКУСТИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ОБРАБОТКЕ ИЗДЕЛИЙ НА ГАЛТОВОЧНЫХ БАРАБАНАХ \

Специальности: 05.26.01 - Охрана труда (в машиностроении) 05.02.08 - Технология машиностроения

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: доктор технических наук, профессор Чукарин Александр Николаевич; доктор технических наук, профессор Флек Михаил Бенсионович.

Ростов-на-Дону 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение................................................................................4

Глава 1. Состояние вопроса и постановка задачи исследований.........7

1.1. Сущность и технологические возможности галтовки........................7

1.2. Характеристика абразивных гранул............................................12

1.3. Обзор работ в области исследования галтовки...............................21

1.4. Анализ существующих исследований виброакустических характеристик технологического оборудования механической обработки.............................................................................22

1.5. Оценка вибрационной мощности от воздействия технологической среды...........................................................24

1.6 Выводы по главе. Цели и задачи исследования..............................32

Глава 2. Теоретическое исследование параметров технологического процесса галтовки.........................................34

2.1 Исследование единичного взаимодействия...................................34

2.2 Исследование процесса удаления металла....................................42

2.3. Формирование шероховатости обработанной поверхности................44

2.3.1. Определение параметров установившейся шероховатости................46

2.4. Определение времени обработки................................................53

2.4.1. Удаление дефектного слоя........................................................54

2.4.2. Достижение установившейся шероховатости.................................54

2.4.3. Изменение шероховатости поверхности.......................................55

2.4.4. Удаление заусенцев и облоя......................................................57

2.4.5. Скругление острых кромок.......................................................58

2.5 Выводы по главе....................................................................59

Глава 3. Теоретическое исследование виброакустической

динамики галтовочных барабанов................................................60

3.1 Моделирование шумообразования галтовочных барабанов................60

3.2 Вывод зависимостей вводимой в корпус вибрационной

мощности от рабочей среды.....................................................67

3.3 Выводы по главе....................................................................82

Глава 4. Экспериментальные исследования на участках галтовочных барабанов. Эффективность мероприятий по снижению шума...............84

4.1. Влияние факторов производственной среды.................................84

4.2. Экспериментальные исследования спектров шумов и вибрации галтовочных барабанов............................................................91

4.2.1. Эффективность мероприятий по снижению шума.........................99

4.3. Экспериментальные исследования шероховатости изделий.............102

4.4. Выводы по главе..................................................................108

Общие выводы и рекомендации................................................110

Библиографический список......................................................112

Приложения........................................................................123

ВВЕДЕНИЕ

Развитие машиностроения на современном этапе невозможно без постоянного повышения производительности труда и улучшения качества выпускаемых изделий. В машиностроении все более широкое применение находят методы обработки абразивным инструментом. Абразивная обработка позволяет обеспечить требуемые точность и качество деталей при высокой производительности, а также высокую надежность и долговечность машин в процессе эксплуатации, поэтому роль абразивных операций в современном машиностроении непрерывно возрастает.

Стремление удешевить окончательную обработку привело к созданию новых методов обработки - свободными абразивами, в которых инструмент не имеет жесткой кинематической связи со станком.

При обработке свободными абразивами зерна более полно используют свои режущие способности, так как происходит равномерное распределение их режущих кромок относительно обрабатываемых поверхностей, а также переориентация и перемещение в процессе обработки.

Методы обработки свободными абразивами позволяют осуществлять обработку деталей сложной конфигурации, в больших размерных диапазонах, из различных материалов, при этом используется сравнительно простое и надёжное в эксплуатации оборудование. Значительно снижается, по сравнению со шлифованием, и температурный режим процесса, так как скорости резания меньше, чем при обычном шлифовании, а зоны микрорезания обильно омываются технологической жидкостью (ТЖ). Это позволяет получать высокое качество обработанной поверхности без прижогов, микротрещин и нежелательных структурных изменений.

Сущность метода галтовки заключается в очистке и отделке (шлифовании, полировании) поверхности детали путем совместного пересыпания с абразивом в барабане. При вращении барабана (или колокола) обрабатываемые изделия вместе с абразивными частицами (гранулами) беспорядочно переме-

щаются и трутся одно об другое, в результате чего с поверхности снимается слой металла.

Таким образом, задача снижения шума и обеспечения качества при обработке деталей на галтовочных барабанах является актуальной для машиностроения и имеет большое научно-техническое и социально-экономическое значение.

Цель работы является улучшение условий труда за счет снижения уровня шума до санитарных норм, и обоснование параметров технологического процесса галтовки обеспечивающих требуемое качество обработки изделий.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана модель виброакустической динамики галтовочного барабана, учитывающая динамическое воздействие на несущую систему рабочей среды, что позволяет уточнить закономерности шумообразования данного типа оборудования (05.26.01 п.7).

2. Получены аналитические зависимости уравнений звукового давления, учитывающие конструктивные особенности оборудования и технологические режимы работы, что дает возможность выбора способов обеспечения санитарных норм шума, непосредственно при проектировании оборудования (05.26.01 п.7).

3. Предложена и экспериментально подтверждена модель формирования профиля шероховатости обрабатываемой поверхности деталей на галтовочных барабанах, учитывающая режимы обработки и параметры рабочей среды (05.02.08 п.2).

Практическая ценность работы. Сформулированы технологические рекомендации для обеспечения требуемых параметров шероховатости поверхности изделий и производительности при обработке на галтовочных барабанах (05.02.08). Предложены мероприятия по доведению уровней звукового давления в рабочей зоне галтовочных барабанов до предельно допусти-

мых величин путем снижения интенсивности звукового излучения несущей системы, т.е. в самом источнике. Предложенные способы снижения шума могут быть реализованы как при проектировании, так и при эксплуатации галтовочных барабанов (05.26.01).

Внедрение результатов исследования в промышленности. Результаты исследований внедрены на ОАО «Роствертол». За счет рационального подбора вибропоглощающих и звукопоглощающих материалов корпуса галтовочного барабана уровни звукового давления понижены на 15-35 дБ в рабочей зоне оператора, что обеспечило выполнение санитарных нор шума. Ожидаемый годовой социально-экономический эффект составляет 42 тыс. руб. (в ценах 2012года).

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международных научных конференциях: «ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В МАШИНОСТРОЕНИИ И МЕТАЛЛУРГИИ» (Ростов-на-Дону 5 сентября 2012 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ, 3 из которых опубликованы в изданиях рекомендуемых ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, общих выводов и рекомендаций, списка использованной литературы из 115 наименований, имеет 32 рисунка, 5 таблиц и изложена на 122 страницах машинописного текста основной части и 25 страницах приложений.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Сущность и технологические возможности галтовки

Развитие машиностроения на современном этапе невозможно без постоянного повышения производительности труда и улучшения качества выпускаемых изделий. В машиностроении все более широкое применение находят методы обработки абразивным инструментом. Абразивная обработка позволяет обеспечить требуемые точность и качество деталей при высокой производительности, а также высокую надежность и долговечность машин в процессе эксплуатации, поэтому роль абразивных операций в современном машиностроении непрерывно возрастает.

По виду режущего инструмента известные методы абразивной обработки можно разделить на два вида:

- обработка закрепленным абразивом:

- шлифование;

- хонингование;

- притирка и т. п.

- обработка свободными абразивами:

- вибрационная обработка (ВиО);

- галтовка;

- центробежно-ротационная обработка (ЦРО);

- струйноабразивная обработка (САО);

- турбоабразивная обработка (ТАО);

- обработка свободным абразивом уплотненным инерционными силами (ОСАУИС);

- магнитно-абразивная обработка (МАО) и другие.

Методы обработки закрепленным абразивом получили широкое распространение ввиду обеспечения высокой производительности и геометрической точности деталей, возможности обработки высокотвердых материалов и возможности получения низкой шероховатости поверхности детали. Однако при существенном наличии положительных факторов существуют и отрицательные, такие как, возможность снижения физико-механических свойств поверхности детали в случае появления скачков температур [1,2,3,4,5,6,7,8, 9,10,11,12,13,14,15,16,17,18].

Стремление удешевить окончательную обработку привело к созданию новых методов обработки - свободными абразивами, в которых инструмент не имеет жесткой кинематической связи со станком.

При обработке свободными абразивами зерна более полно используют свои режущие способности, так как происходит равномерное распределение их режущих кромок относительно обрабатываемых поверхностей, а также переориентация и перемещение в процессе обработки [19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40].

Методы обработки свободными абразивами позволяют осуществлять обработку деталей сложной конфигурации, в больших размерных диапазонах, из различных материалов, при этом используется сравнительно простое и надёжное в эксплуатации оборудование. Значительно снижается, по сравнению со шлифованием, и температурный режим процесса, так как скорости резания меньше, чем при обычном шлифовании, а зоны микрорезания обильно омываются технологической жидкостью (ТЖ). Это позволяет получать высокое качество обработанной поверхности без прижогов, микротрещин и нежелательных структурных изменений [11,12,41].

Сущность метода галтовки заключается в очистке и отделке (шлифовании, полировании) поверхности детали путем совместного пересыпания с абразивом в барабане. При вращении барабана (или колокола) обрабатываемые изделия вместе с абразивными частицами (гранулами) беспорядочно переме-

щаются и трутся одно об другое, в результате чего с поверхности снимается слой металла. Барабаны могут быть цилиндрическими, многогранными, бочкообразными с 2-3 внутренними ребрами объемом до 4 м1. Частота вращения 10-50 об/мин. объем абразивного материала в 3-8 раз должен превышать общий объем деталей, а объем всей массы загрузки (деталей и абразива) не должен превышать более 60% объема барабана. Существует сухая и мокрая (жидкостно-абразивная) галтовка.

При сухой галтовке следует добавлять в абразив сухой порошковооб-разный ингибитор коррозии ЛИК 609 или ЛИК 307 из расчета 300 грамм на 1 м1 объема барабана. В качестве ТЖ используют водный раствор соды или других ингибиторов коррозии из расчета 1/20-1/40 от объема жидкости. Уровень раствора должен быть на 30-50 мм выше уровня деталей в барабане, продолжительность процесса может быть 2.. .50 часов.

С помощью галтовки можно обрабатывать абсолютно все металлы, сплавы, так же многие синтетические материалы, камень, дерево. Галтовка -это механо-химический процесс очистки поверхности небольших заготовок и деталей (удаление заусенцев, ржавчины, окалины, коррозии и т.п.), а так же улучшения качества поверхности изделий путем шлифования и полирования (скругление кромок, уменьшение шероховатости, придание блеска).

При вращении барабана вся масса загрузки вовлекается в сложное движение, которое обеспечивается конструкцией рабочей камеры, при этом происходят относительные перемещения и взаимодействия частиц абразива и деталей, обуславливающие процесс обработки. В процессе обработки детали занимают различные положения в рабочей среде, что обеспечивает достаточно равномерную обработку всех поверхностей. Обработка может осуществляться с непрерывной подачей технологической жидкости, что способствует удалению продуктов износа (частиц металла, абразива) с поверхности деталей и частиц рабочей среды. Таким способом могут обрабатываться детали

различной геометрической формы, недеформируемые в потоке массы загрузки.

Сообщение потоку обрабатывающей среды вращательного движения обеспечивает высокие относительные скорости частиц абразива и деталей, а также большие силы их взаимодействия. Однако, метод галтовки отличается повышенным износом рабочей среды, по сравнению с другими методами, что в свою очередь накладывает определённые ограничения на выбор абразивных частиц для обработки.

В качестве обрабатывающей среды могут применяться: абразивные частицы различной конфигурации: фарфоровые шары, призмы трехгранные ПТ, конуса и т.д. Из анализа работы [42] известно, что наиболее эффективны в использовании гранулированный абразив на керамической и полимерной связке и абразив естественного происхождения, такие как байкалит, кварцит, гранит, мрамор.

К основным преимуществам галтовки относятся:

- данный метод обеспечивает выполнение практически всех отделочно-зачистных операций;

- обработка осуществляется на простом по конструкции оборудовании;

- возможность одновременной обработки партии заготовок «внавал»;

обработка деталей практически из любых материалов.

Способ галтовки обладает широкими технологическими возможностями, но имеет несколько особенностей:

1) ограничение номенклатуры и массы обрабатываемых деталей (детали малой жёсткости и больших размеров не рекомендуется обрабатывать).

2) первоначальный съем вершин исходного профиля шероховатости, что создает возможность плосковершинной обработки с сохранением масло-ёмких карманов;

3) в поверхностном слое обработанной детали создаются остаточные напряжения сжатия;

4) неравномерность обработки участков детали, имеющих различную форму, преимущественное скругление острых кромок, выступов наружных поверхностей.

Можно выделить три группы факторов, влияющих на производительность и качество галтовки: технологические параметры режима обработки (угловая скорость вращения рабочей камеры, объем загрузки рабочей камеры, объёмное соотношение обрабатываемых деталей и частиц абразивного материала, масса детали и др.), параметры рабочей среды (зернистость и грануляция) и физико-механические свойства материала детали.

Сведения об исследовании влияния на выходные показатели обработки технологических параметров практически отсутствуют. В целом можно сказать, что сведения о галтовке весьма малы и это сдерживает применение этого высокопроизводительного метода.

Между тем, галтовка обеспечивает выполнение всех отделочных операций, начиная от очистки деталей и заканчивая полированием. Однако высокая производительность метода, обусловленная большими давлениями в загрузке и высокими относительными скоростями движения деталей и частиц наполнителя, определяет его преимущественное использование для выполнения грубых операций, таких как очистка деталей, удаление заусенцев, шлифование и др.

Известно, что обработка свободными абразивами приводит к существенным изменениям топографии и физико-механических свойств поверхностного слоя. При этом галтовка в абразивных средах устраняет следы предшествующей обработки, сглаживает гребешки микронеровностей, поверхность становится изотропной, хаотичной структуры и формируется установившаяся шероховатость с увеличенной опорной поверхностью, параметры которой зависят от условий обработки и свойств обрабатываемого материала.

При галтовке воздействие множества ударов частиц обрабатывающей среды на поверхность обрабатываемых заготовок создает предпосылки для изменения физико-механических свойств поверхностного слоя деталей.

Нар