автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Обеспечение санитарных норм запылённости и шума в рабочей зоне модельных станков

На правах рукописи

Романов Валерий Анатольевич

ОБЕСПЕЧЕНИЕ САНИТАРНЫХ НОРМ ЗАПЫЛЁННОСТИ И ШУМА В РАБОЧЕЙ ЗОНЕ МОДЕЛЬНЫХ СТАНКОВ

Специальность: 05.26.01 - Охрана труда (в машиностроении)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов-на-Дону - 2014

005548233

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Донской государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО ДГТУ)

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Булыгин Юрий Игоревич - доктор . технических наук, профессор

Финоченко Виктор Анатольевич -

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры "Безопасность жизнедеятельности" ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный университет путей сообщения».

Киреев Виталий Михайлович -

кандидат технических наук, кафедра "Отопление, вентиляция и кондиционирование" ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова».

Ассоциация производителей станкоин-струментальной продукции «СТАНКО-ИНСГРУМЕНТ» (г. Москва).

Защита состоится «3» июля 2014г. в 1(Р часов на заседании диссертационного совета Д 212.058.06 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Донской государственный технический университет» по адресу: 344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1, а. 1-252.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Донского государственного технического университета.

Автореферат разослан: <5^^апреля 2014 г.

А.Т. Рыбак

Ученый секретарь диссертационного совета

Содержание работы

Актуальность темы исследования. Модельные деревообрабатывающие станки получили широкое распространение и интенсивно эксплуатируются не только в деревообрабатывающей промышленности, но и на машиностроительных предприятиях, в частности, модельных цехах и участках литейного производства. Существующие модельные станки обладают техническими характеристиками, такими как точность обработки, производительность, надежность соответствующими станкам мировым стандартам, но по безопасности условий эксплуатации имеют неудовлетворительные показатели, т.к. создают в рабочей зоне операторов повышенные уровни шума и концентрации запылённости, намного превышающие санитарные нормы.

Поэтому задача снижения запылённости и шума модельных деревообрабатывающих станков является актуальной для машиностроения и имеет большое научно-техническое и социально-экономическое значение.

Работа выполнялась в рамках ФЦП по Госзаданию Минобрнауки РФ на проведение фундаментальной НИР в 2014 г. по теме: "Разработка основ технологии проектирования комплексных систем и средств защиты операторов от воздействия опасных и вредных производственных факторов".

Цель работы - улучшение условий эксплуатации модельных деревообрабатывающих станков за счет обеспечения санитарных норм шума и запыленности в рабочей зоне операторов.

Научная новизна исследования заключается в следующем:

- разработаны модели виброакустической динамики шпиндельных узлов модельных деревообрабатывающих станков, учитывающих характерные особенности технологического процесса фрезерования, что позволило уточнить закономерности формирования спектрального состава вибрации и шума.

- получены аналитические зависимости для оценки спектров шума данного типа станков, что позволяет обоснованно выбрать рациональные способы снижения шума при проектировании.

- установлено, что конструкции пылеуловителей не цилиндрической формы (шаровой циклон и циклон с обратным конусом (ЦОК)) с регулируемыми геометрическими параметрами позволяют более эффективно проводить процесс очистки пылевоздушного потока в сравнении с цилиндрическими традиционными циклонами.

- найдены оптимальные соотношения объёмов рабочей части ЦОК и бункера, а также отношения глубины погружения выхлопного патрубка к высоте рабочей части аппарата, при которых повышается эффективность пылеочистки до 99 %. "

Практическая ценность:

- разработана система защиты оператора, выполняющая комплексную функцию: снижение уровней звукового давления и запыленности рабочей зоны;

- усовершенствована конструкция циклона как важного элемента аспирационной системы для обеспечения эффективности очистки от пыли модельных деревообрабатывающих станков;

- разработана инженерная методика расчёта и выбора размеров ЦОК с регулируемыми параметрами.

Реализация работы в промышленности. Результаты исследований апробированы и внедрены в деревообрабатывающем цехе на участке модельных станков ОАО «Роствертол» (г. Ростов-на-Дону).

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на V Международной Научно-практической конференции "Инновационные технологии в машиностроении и металлургии" на семинаре 'Тенденции развития сварочного производства в России" в рамках IX Промышленного конгресса Юга России, г. Ростов-на-Дону, 11-13 сентября, 2013.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованных литературных источников. Материал диссертации содержит 129 страниц машинописного текста, 11 таблиц, 46 рисунков, список библиографических источников из 90 наименований. Отдельное приложение на 1 странице.

В первой главе выполнен обзор литературных источников существующих исследований шума, вибрации и запыленности деревообрабатывающих станков.

Анализ существующих исследований по снижению шума и запыленности деревообрабатывающих станков позволяет сделать следующие выводы:

1. В настоящее время большой объем исследований выполнен применительно к фуговальным, рейсмусовым, шипорезным, круглопильным и ленточнопильным станкам. Для этих групп станков получены выражения создаваемых уровней шума и для снижения запыленности использованы шаровые циклоны, а для пильных - метод гидрообеспыливания. Теоретические исследования по снижению запыленности направлены на оценку эффективности и энергоемкости процесса.

2. Компоновка акустической системы вышеуказанных станков имеет значительные отличия от модельных, что не позволяет использовать уже существующие теоретические исследования шумообразования для модельных станков.

3. Необходимо отметить, что метод гидрообеспыливания неприменим для модельных станков, так как на них производится финишная обра-

ботка древесины, к которой предъявляются технологические требования по ограничению влажности обработанных изделий.

4. Исследования по применению шаровых циклонов для модельных станков следует уточнить с учетом дисперсного состава пыли, который отличается от рейсмусовых, фуговальных и пильных.

5. Модельные станки имеют высокие частоты вращения и создают в рабочей зоне повышенные уровни шума и концентрации пыли.

Таким образом, решение задачи обеспечения в рабочей зоне санитарных норм шума и запыленности модельных станков является актуальной и имеет важное для машиностроительной отрасли научно-техническое и социально-экономическое значение.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Разработать модель процессов возбуждения вибраций и шумооб-разования доминирующих источников, создающих в рабочей зоне превышения уровней звукового давления над предельными спектрами.

3. Выполнить экспериментальные исследования спектров шума, вибрации и запыленности в рабочей зоне модельных станков.

4. Разработать практические мероприятия по снижению концентрации пыли и уровней звукового давления до нормальных значений.

Во второй главе приведены результаты теоретических исследований шума модельных станков и методика расчета конструктивных параметров циклона с обратным конусом (ЦОК).

Модельные станки имеют высокое значение скоростей вращения шпинделя, в кинематической цепи отсутствуют зубчатый привод. Поэтому при теоретическом исследовании шумообразования сделано допущение, что основными источниками шума, создающими превышение над санитар-нымси нормами, является шпиндельная группа, включающая непосредственно шпиндель и режущий инструмент. Расчеты спектра вибраций шпиндельной группы основан на дифференциальных уравнениях изгибных колебаний систем с распределенными параметрами, из которых с использованием функций А.Н. Крылова получено решение (в соответствии с силовым воздействием при фрезеровании) относительно осей ОУ и ОХ (ось х направлена вдоль оси шпинделя).

г(х) = |^АК| (бх) + 1Ж2 (бх) +СК3 (бх) + ИК4 (бх^т

р^Ич-1)^

30 ^ ' *

(1)

м

0,5

где б =--—; Г - собственные частоты колебаний шпиндельной

1 к

группы, Гц; п - частота вращения, об/мин; 1 - длина источника шума, м; К. (бх) - функции А.Н. Крылова; А, В, С, О - постоянные, определяемые

исходя из условий закрепления шпинделя, амплитуды силы резания и рас-

положения режущего инструмента относительно заготовки; г. - число зубьев фрезы.

В качестве моделей источников шума приняты линейный источник Ьд для шпинделя и точечный источник для режущего инструмента,

для которых получены следующие выражения уровней звукового давления

Ье = Ю18

ьг = 101ё

п«

+ 20 — + 124; г

ГШ -20^—— + 106; г

(2)

(3)

где I* - радиус источника шума, м; г - расстояние от источника шума до расчетной точки.

Полученные зависимости уточняют модель виброакустической динамики "шпиндельный узел - режущий инструмент" учитывают все основные конструктивные параметры как режущего инструмента, так и шпиндель, а так же параметры технологического процесса обработки изделий на модельных станках.

Выполнение санитарных норм запыленности в рабочей зоне достигается оптимальными соотношениями объемов рабочей части ЦОК и бункера.

В настоящее время нет единого критерия для выбора оптимальной формы циклонов, однако в конструкциях наиболее современных циклонов все четче проявляется тенденция развития конусной части. Между геометрической формой циклонов и их эффективностью существует целый ряд связей, которые проявляются через сложную аэродинамику течений, возникающих в этих аппаратах. Автором проведены исследования аэродинамических характеристик и эффективности пылеулавливания циклонных аппаратов различной формы. Одним из предлагаемых технических решений является циклонный аппарат, выполненный в виде обратного конуса без цилиндрической части (рис.1).

Была разработана инженерная методика расчёта ЦОК с регулируемыми параметрами. Расчёт конического циклона основан на том, что объём рабочей части конического циклона равен объёму эквивалентного цилиндрического аппарата:

КЦ

п "¡2

~ ^ЦП -15' ^

где ^и £>2-диаметры основания и вершины конуса, Пк- высота верхней

II

конусной части аппарата, нк - высота нижней конусной части аппарата; ^ЦН-15" полный объём рабочей части эквивалентного ЦН-15

2220

6- --

12 ¿Л 11 9

Ж

Рис. 1. ЦОК: 1 — верхний ко нус циклона; 2 — входной патрубок; 3 — выхлопной патрубок; 4 — нижний конус циклона; 5 — основания конусов; 6 — пылесборник; 7 — патрубок; 8 — верхний отсек пылесборника; 9 — нижний отсек пылесборника; 10 — задвижка; И — перегородка; 12 — полукруглые люки; 13 — противовесы; 14 — ось, относительно которой вращается перегородка; 15 — нагнетательное устройство; 16 — блок управления; 17 — источник питания; 18 — кольцевой упор; 19 — проушины; 20 — основания пневмоцилиндров; 21 — выдвижные штоки пневмоцилиндров; 22 — шкала с делениями; 23 — кольцевой упор; 24 - гофра, соединяющая выходной патрубок с вентиляционной системой.

Уравнение, связывающее высоту конуса с диаметрами его оснований:

л

Т'Щ ^ г

О, -07 =2Нк^(б),

(5),

ЦОК // , Я определяются по формулам:

где угол уклона конуса ЦОК не изменяется и принимается а = 15°; высоты

(б), (7),

где А = 1,

И - ■ О. , к 2 Г

где к. =0,4;

диаметр патрубка нижнего конуса принимаем равным диаметру выхлопного патрубка:

»З^вых' Ю-

Подставив уравнения (5), (6), (7) и (8) в уравнение (4), получим окончательное кубическое уравнение (9) для определения О/.

из него численным методом определяем следующие параметры ЦОК: С2,

• н

НК' НК~ ДиаметРы входного и выходного патрубков ЦОК находятся из

формул: с1 = (4-0 /(р-и ))°'5 и й =(40 /(р-и где

вх V вх V вх// вых V чвых V выхЛ ' м

ивх" СКОРОСТЬ воздуха на входе в циклон (принимается из того, что максимальная эффективность очистки от легких видов пыли достигается при ивх > 10 ивых~ СК°Р0СТЬ пылевоздушного потока на выходе из ЦОК.

Диаметр верхнего отсека пылесборника Об принимаем из требований к габаритным размерам ЦОК, а объем верхнего отсека пылесборника определяется из условия, которое обеспечивает высокую эффективность пылеулавливания:

' V,

I <

V кц )

<2. (10)

опт

Максимальная и минимальная высоты бункера, имеющего цилиндрическую

4-К

форму, определяются из формулы: иб =-где ^-диаметр бункера.

к • О , о

Высота допустимого слоя пыли в верхнем отсеке пылесборника равна (рис.1): /¡ = • Объём нижнего отсека сборника древесной

л- О2

пыли определяется по формуле: уп_с= к-—~, с учётом времени его

заполнения. Объем удаляемой в циклоне за сутки пыли определяется по формуле: Уп = М^/р, где М^ - массовый выброс пыли, кг/сут, р - плотность древесной пыли (213,9 кг/м3). Время заполнения пылесборника составляет ф =24-(Уп-с/Уп), ч.

Использование данного пылесборника позволит сократить периодичность удаления пыли и упростить обслуживание циклона с обратным конусом по сравнению, например с шаровым аппаратом и выполнить требования Сан-ПиН 2.2.3.1385-03.

Таким образом, в результате: 1. Обоснован выбор источников для описания спектров шума модельных станков.

2. Предложены расчетные схемы колебательной системы "шпиндельный узел - режущий инструмент", на основе которых уточнены зависимости скоростей колебаний основных источников шума.

3. Разработана инженерная методика расчёта и выбора размеров ЦОК с регулируемыми параметрами.

В третьей главе представлены экспериментальные исследования шума и запылённости модельных станков, а также исследования эффективности шарового циклона и ЦОК. Экспериментальные исследования спектров шума и вибрации модельных станков производились в условиях модельных участков литейных цехов ОАО "Роствертол" и ООО ПК НЭВЗ. Измерения уровней вибрации и шума производились акустическим измерителем "Экофизика".

Исследования закономерностей формирования спектров шума и вибрации модельных станков проводились на холостом ходу и при резании на различных породах древесины и при типичных режимах обработки. При измерениях уровней шума микрофон устанавливался на рабочем месте оператора. При измерениях вибраций пьезодатчик с помощью магнита крепился к основным элементам станков, а к заготовкам приклеивался специальной мастикой. Следует отметить, что при измерениях октавных уровней виброскорости фиксировались значения не в нормируемом на рабочем месте частотном диапазоне, а в интервале частот 31,5 - 8000 Гц. Сравнение спектров шума и вибрации позволяет качественно оценить вклад отдельных источников в формирование звукового поля в рабочей зоне и выделить доминирующие источники шума.

На холостом ходу при максимальных частотах вращения уровни звукового давления уже превышают предельно-допустимые значения (рис.2).

L. дБ

1 10 I ■ - г- г >.....г......-ч.......-:

100 so 80 70 60 50

Рис.2. Спектры шума в рабочей зоне среднего модельного станка на холостом ходу: 1 - при частоте вращения 6000 об/мин; 2 - при частоте вращения 4500 об/мин; 3 - при частоте вращения 1500 об/мин; 4 - предельный спектр.

На максимальных частотах вращения 4500 и 6000 об/мин уровни звукового давления станка уже превышают предельно-допустимые значения. Например, при частоте враения 4500 об/мин уровни звукового давле-

ния превышают предельно-допустимые в пятой и шестой октавах со среднегеометрическими частотами 500 и 1000 Гц (соответственно) на 3-4 дБ. При увеличении частоты вращения до 6000 об/мин превышение уровней звукового давления над предельно-допусгимыми составляет 5дБ в пятой октаве со среднегеометрической частотой 500 Гц, 4 дБ в шестой октаве со среднегеометрической частотой 1000 Гц, 2 дБ в седьмой октаве со среднегеометрической частотой 2000 Гц. Следует также отметить, что в восьмой и девятой октавах (среднегеометрические частоты 4000 и 8000 Гц соответственно) уровни звукового давления, ниже предельно-допустимых 1,5-2 дБ, что сравнимо с точностью-измерительной аппаратуры.

При обработке резанием спектры шума в рабочей зоне существенно изменяются. В спектрах шума доминируют средне и (в особенности) высокочастотные части спектра. Например, у легкого модельного станка наиболее интенсивные составляющие спектра шума расположены в пятой-девятой октавах (рис.3).

и. дБ

Рис.3. Спектры шума легкого модельного станка: 1 - обработка сосны (п=3000 об/мин); 2 - обработка сосны (п=6000 об/мин); 3 - обработка дуба (п=6000 об/мин); 4 - предельный спектр,

Превышение уровней звукового давления наблюдается при частоте вращения шпинделя 3000 об/мин и составляет 2-5 дБ (при обработке сосны) в интервале частот 1000-8000 Гц.

При увеличении частоты вращения шпинделя интенсивность звукового излучения возрастает. Расширяется активный диапазон спектра, в котором имеется превышение уровней звукового давления над предельно-допустимыми значениями. В частности, превышение уровней шума при обработке сосны составляет от 2 до 8 дБ в области частот 500-8000 Гц.

При обработке твердых пород древесины уровни звукового давления увеличиваются. Например, при фрезеровании дубовых заготовок (п=6000 об/мин) уровни звукового давления в сравнении с обработки заготовок из сосны возрастают на 3-4 дБ, что достаточно точно совпадает с теоретическими данными (расчетное значение 4 дБ). Превышение уровней звукового давления над предельно-допустимыми составляет 3-10 дБ. Сле-

дует отметить идентичность характера спектра шума при обработке различных пород древесины.

Аналогичные результаты получены на среднем модельном станке ФМС (рис.4).

Рис. 4. Спектры шума в рабочей зоне среднего модельного станка: 1 - обработка сосны при п=3000 об/мин; 2 - обработка сосны при п=6000 об/мин; 3 - обработка дуба при п=6000 об/мин; 4 - предельный спектр.

Увеличение уровней звукового дав'ления в сравнении с легким модельным станком в основном составляет 2-3 дБ в среднечасготной части спектра 500-1000 Гц. можно предположить, что этот факт объясняется увеличением мощности резания (теоретическое значение- составляет 3,2 дБ). Превышение уровней звукового давления над предельно-допустимыми значениями достигает 8-11 дБ в средне- и высокочастотной части спектра 500-8000 Гц.

Для уточнения вклада источников шума в формировании звукового поля в рабочей зоне модельных станков проводились измерения виброскорости на элементах несущей системы и обрабатываемых заготовках.

Наиболее высокие уровни виброскорости зафиксированы на корпусах шпиндельных бабок (рис.5).

Lv

IOO

V>0 80

Рис.5. Спектр виброскорости корпуса шпиндельной бабки среднего модельного станка: 1 - п=3000 об/мин; 2 - п=6000 об/мин.

Для легкого и среднего модельных станков закономерности формирования спектров вибрации практически идентичны и разница заключается только в интенсивности составляющих спектра.

Уровни виброскорости корпуса двигателя в области низких частот (до 250 Гц) 8-15 дБ ниже, чем корпуса шпиндельной бабки. Однако непосредственно в средне- и высокочастотной части спектра 500-8000 Гц уровни виброскорости корпуса двигателя практически не отличаются от корпуса шпиндельной бабки,

Спектры вибраций станины, стола и, в особенности, заготовок носят четко выраженный низкочастотный характер.

Результаты экспериментальных исследований вибраций элементов несущей системы модельных станков подтвердили правильность теоретического подхода к моделированию закономерностей формирования спектра шума. Основными источниками, определяющими превышение уровней звукового давления над предельно-допустимыми величинами в пятой-девятой октавой являются: корпус шпиндельной бабки и режущий инструмент, в первую очередь, а также двигатель главного привода.

Полученные данные являются основой для разработки технических решений по обеспечению санитарных норм шума в рабочей зоне модельных станков.

Дисперсный состав пыли исследовали методами ситового анализа и микроскопирования по стандартной методике с применением аппарата для исследования гранулометрического состава, включающего стандартный набор сит, вибрационную систему и корпус с электрооборудованием, а также микроскопа МИН-8. В результате предварительных исследований установлено, что распределение по размерам частиц всех используемых в экспериментах видов пылевого материала подчиняется логарифмически нормальному закону. Результаты расчёта параметров древесной пыли dm

и lgcr на различных режимах работы модельных деревообрабатывающих станков (при разной частоте вращения вала двигателя), полученные на основе экспериментальных исследований представлены в таблице. На рис.б показана зависимость между частотой оборотов модельного станка и размером образующихся при обработке материалов частиц древесной пыли.

Таблица

Парамет ры, характеризующие дисперсныи состав древесной пыли

Число Средний Стандартное Среднеквадратичное

оборотов, медианныи диа- отклонение, а отклонение в функции

п, об/мин метр dm, мкм ЛНР lgcr

2000 96,7 45,2 1,66

4500 91,7 45,06 1,65

6000 82,7 40,5 1,607

Из полученных данных можно сделать вывод, что древесная пыль и взятая на анализ проба является крупнодисперсной и обладает свойством полидисперсности. Учитывая, что рассматриваемая древесная пыль крупнодисперсная преимущество может быть отдано инерционным циклонным пылеуловителям, а не тканевым фильтрам.

95 1 90 35 80 75 :

2000 4500 6000

п, об/мин

Рис. 6. Зависимость среднего медианного диаметра древесной пыли от режима работы модельного деревообрабатывающего станка

Кроме того, увеличение скорости обработки древесины на модельных станках при повышенных оборотах приводит к уменьшению среднего медианного размера частиц и снижению эффективности её улавливания традиционными цилиндрическими циклонами (ниже 92,4%).

Поэтому выбор аппаратов очистки основан на использовании циклонов с развитой конусной частью и регулируемыми конструктивными параметрами для достижения максимальной эффективности. В ЦОК за счёт конусного профиля используется увеличенная центробежная сила, действующая на пылевую частицу, а возможность регулирования глубины погружения выхлопного патрубка в тело циклона обеспечивает уменьшение выноса пыли вторичными вихревыми течениями воздуха. Регулирование соотношения объёма рабочей части ЦОК и бункера позволяет более эффективно улавливать пыли разной плотносги.

Экспериментальные данные позволили сделать вывод, что взятые пробы пыли являются крупнодисперсными, а также полидисперсными. Далее, фиксировались моменты времени, когда происходил выброс сыпучего материала из выходного патрубка циклона при одинаковом значении расхода подаваемого воздуха 0= 25 м3/ч (\/=4,5 м/с). Далее измерялась масса опилок в бункере с помощью точных электронных весов и рассчитывался

коэффициент пылеочистки: П = ——-100% где твых - масса пыли после очистки, г; т8Х - масса пыли в дозаторе до очистки, г,

Исследование влияние отношения объёма бункера к рабочему объему циклона на эффективность пылеулавливания.

Исследования эффективности улавливания древесной пыли производились для разных объёмов бункеров от 5 л до 60 л в диапазоне частиц 40-315 мкм при расходе 27 м3/ч. Эффективность пылеочистки выше у конического циклона по сравнению с цилиндрическим циклонов и возрастает в случае увеличения отношения объёма бункера к рабочему объему циклона. На рис. 7 представлена эффективность пылеулавливания древесной пыли коническим циклоном в зависимости от её дисперсного состава, отношения объема бункера к рабочему объёму циклона при оптимальном соотношении высоты выпускного патрубка к высоте циклона Нп/Нц=0,6. Соотношения объема бункера к рабочему объёму циклона менялись в ходе исследований и соответственно были равны: для бункера объемом 19 л: Уб/Укц=0,7; для 30 л: \/б/Укц=1,11, для 60 л: Уб/\/кц=2,22. Как следует из экспериментов, эффективность пылеочистки выше при объеме бункера 60 л и соотношении Уб/Укц=2,22.

- Уб/Укц«0,7

■ Уб/УкЦ=1,1 I

- Уб/Укц™ ;.,;>,!

71 80 160 250 315 С), мкм

Рис. 7. Эффективность пылеулавливания древесной пыли коническим циклоном в зависимости от дисперсного состава, отношения объема бункера к рабочему объёму циклона при оптимальном соотношении Нп/Нц=0,6

Исследование влияния глубины погружения выхлопного патрубка циклонов на эффективность их пылеулавливания.

Были проведены экспериментальные исследования глубины погружения выхлопного патрубка на эффективность пылеулавливания циклонами с бункером объёмом 30 л в диапазоне частиц древесной пыли от 40 до 315 мкм (рис. 8, 9).

—котлубина ¿00 ■■■ я ■■ кон глубина 250 ■ А'' кон глубина 300 ®—кон глубина 3$0

60

40 50 63 71 80 100 160 250 31Ь

с!, ГЛКМ

Рис, 8. Эффективность пылеулавливания древесной пыли коническим циклоном в зависимости от глубины погружения выхлопного патрубка

40 50 6* 71 80 100 160 250 315 с!, мкм

-«о— цил глубина 200 ■■■■ Ш " цил глубин.) 2Ъ0 цил глубина 300 | цил глубина $ >0

Рис. 9. Эффективность пылеулавливания древесной пыли цилиндрическим циклоном в зависимости от глубины погружения выхлопного патрубка.

По результатам проведенных экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:

1. С увеличением глубины погружения выхлопного патрубка, при одних и тех же значениях входных скоростей запылённого воздуха, значения эффективности пылеулавливания конического аппарата значительно выше чем у цилиндрического, наиболее четко данный эффект просматривается при скоростях 15-20 м/с.

2. При глубине погружения выходного патрубка на И=300мм сопротивление конического циклонного аппарата принимает свои максимальные значения, а эффективность пылеулавливания достигает своих максимальных значений 97-99 %. Наоборот, при дальнейшем увеличении глубины погружения патрубка до 11=350 мм эффективность конического циклона падает.

3.Цилиндрический циклон обладает максимальным сопротивлением при глубине погружения выхлопного патрубка на Ь=350 мм. При этой глубине погружения экспериментально установлена и его наибольшая эффективность пылеулавливания, которая, однако, значительно ниже, чем у конического аппарата (88-92%).

Исследование влияния величины входной концентрации древесной пыли и объёма бункера циклонов на процесс пылеулавливания.

Как видно из графиков (рис. 10), полученным в результате обработки экспериментальных данных, коэффициент пылеочистки у конического циклона выше, чем у цилиндрического, что еще раз подтверждает его лучшую эффективность.

98 04 90 ¡«86

78 74 70

-«Они {160

-ЦИЛ Ц (160 ~-ОН ц

{170

- ЦИ/1 Ц

<(70

189 Сох г/мЗ

а)

¿83

96 ег

80

-КОК <180 -конц <1100 -ЦИЛ ц

с180 - аил ц

¡1100

189 283 Сох г/«|3 б)

Рис. 10. Зависимость эффективности пылеулавливания древесной пыли коническим и цилиндрическим циклонами в бункере на 60 л от разной входной концентрации: а) для частиц размером 60 и 70 мкм; б) 80 и 100 мкм.

Установлено, что конструкции пылеуловителей не цилиндрической формы (шаровой циклон и циклон с обратным конусом (ЦОК)) с регулируемыми геометрическими параметрами позволяют более эффективно проводить процесс очистки пылевоздушного потока в сравнении с цилиндрическими традиционными циклонами.

Найдены оптимальные соотношения объёмов рабочей части ЦОК и бункера, а также отношения глубины погружения выхлопного патрубка к высоте рабочей части аппарата, при которых повышается эффективность пылеочистки до 99 %.

В четвёртой главе диссертации приведена конструкция комплексной защиты операторов от шумового и пылевого воздействий (рис.11). Доминирующая роль в формировании спектров шума в рабочей зоне модельных станков звукового излучения режущего инструмента в области высоких частот и корпуса шпиндельной бобки в области средних частот позволяет ограничиться системой шумозащиты только зоны резания.

¿ш

!Жг

к

Рис. 11. Звукозащитное ограждение модельных станков.

Ограждения зоны обработки имеют достаточно высокую степень герметизации, что приводит к увеличению концентрации под защитным устройством. Поэтому, исходя из концентрации пыли в зоне резания, рассчитывалась концентрация пыли под ограждающей конструкцией и сравнивалась с экспериментальными значениями.

Установка звукозащитного ограждения зоны резания легких и средних модельных станков и акустических экранов двигателей средних станков обеспечила выполнение санитарных норм шума в рабочей зоне операторов (рис. 12).

Рис. 12. Спектр шума в рабочей зоне модельного станка

с системой шумозащиты зоны резания: 1 - спектр шума в рабочей зоне; 2 - предельный спектр

Применение уточненной системы очистки воздуха от пыли понизило концентрацию древесной пыли в рабочей зоне до 3,5-4 мг/м , что на 2-2,5 мг/м3 ниже предельно-допустимой концентрации.

Основные результаты исследований можно сформулировать в следующих выводах:

1. Анализ условий труда рабочих мест операторов модельных фрезерных станков показал, что несоответствие санитарным нормам наблюдается только по двум опасным и вредным производственным факторам -запыленности и шуму. Концентрация пыли превышает предельно-допустимую концентрацию в б раз, а уровни звука ПДУ - до 15 дБА.

17

2. В сравнении с существующими исследованиями шума и вибрации рейсмусовых, дуговальных, кругло- ленточнопильных станков для модельных станков уточнена модель формирования спектров шума системы «фрезерная бабка - режущий инструмент», учитывающий компоновку всей шпиндельной группы.

3. Экспериментальные исследования спектров вибрации и шума, проведенные в условиях модельных участков литейного производства выявили доминирующие в превышении санитарных норм шума источники и не только подтвердили правильность теоретических выводов об особенностях процесса шумообразования модельных станков', но и фактически Определили выбор способов выполнения предельно-допустимых значений уровней звукового давления.

4. Разработана конструкция системы шумо-пылезащиты модельных станков. Расчет конструктивных параметров, производится по критерию выполнения предельно-допустимых уровней шума и концентраций пыли.

Список литературных источников.

Статьи в журналах, входящих в «Перечень ведущих научных журналов и изданий»:

1. Уточнение методов расчёта вибрации шпиндельных бабок фрезерных и сверлильных деревообрабатывающих станков / Романов В.А., Чукарин А.Н., Флек Б.М. // Вестник ДГТУ. - Ростов-на-Дону, 2013. -№ 1/2(70/71 ), с.86-92.

2. Повышение эффективности обеспыливания воздуха рабочих зон металлообрабатывающих и деревообрабатывающих производств/ Булыгин Ю. И., Панченко О.С., Романов В.А., Денисов О.В. //Вестник ДГТУ. -Росгов-на-Дону, 2013. - № 7/8(75), с.49-57.

Статьи в других изданиях:

3. Романов В.А. Экспериментальные исследования спектров вибраций модельных деревообрабатывающих станков /В.А. Романов// Известия ИУИ АП, 2013. - №1-2(31-32), с. 7-10.

4. Романов В.А. Система обеспечения безопасных условий эксплуатации модельных станков /В.А. Романов// Известия ИУИ АП, 2012. -№1-2(27-28), с. 22-29.

Доклады и тезисы докладов на конференциях:

5. Романов В.А. Экспериментальные исследования процесса очистки воздуха от древесной пыли в шаровом циклоне деревообрабатывающих станков модельной группы // V Международная научно-практическая кон-ференцйя "Инновационные технологии в машиностроении и металлургии", г. Ростов-на-Дону, 11-13 сентября, 2013, с. 268-277.

6. Романов В.А. Система пыле- и шумозащиты модельных деревообрабатывающих станков // V Международная научно-практическая конференция "Инновационные технологии в машиностроении и металлургии", г. Росгов-на-Дону, 11-13 сентября, 2013, с. 278-280.

В печать 22.04.2014 г. Формат 60x84/16. Объем 1,0 усл. п. л. Заказ № 286. Тираж 100 экз.

Издательский центр ДГГУ

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

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

04201460176

На правах рукописи

РОМАНОВ ВАЛЕРИИ АНАТОЛЬЕВИЧ

ОБЕСПЕЧЕНИЕ САНИТАРНЫХ НОРМ ЗАПЫЛЁННОСТИ И ШУМА В РАБОЧЕЙ ЗОНЕ МОДЕЛЬНЫХ СТАНКОВ

Специальность: 05.26.01 - Охрана труда (в машиностроении)

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор Булыгин Ю.И.

Ростов-на-Дону - 2014

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.

Глава 1 Состояние вопроса, цели и задачи исследования.

1.1. Анализ существующих исследований шума.

1.2. Система аспирации в комплексе систем по снижению запыленности в воздухе рабочей зоны деревообрабатывающих станков.

1.3. Актуальность внедрения аспирационного укрытия в качестве объекта локализации источника пылевыделения с последующей очисткой аспирационного воздуха в циклонах усовершенствованной конструкции.

1.4. Описание объектов исследования.

1.5. Существующие исследования очистки воздуха от пыли в шаровом циклоне применительно к рейсмусовым и фуговальным деревообрабатывающим станкам.

1.5.1. Принцип действия шарового циклона.

1.5.2. Расчет и проектирование шарового циклона для очистки воздуха от пыли деревообрабатывающего цеха с рейсмусовыми и фуговальными станками.

1.6. Аэродинамический расчет системы борьбы с пылью деревообрабатывающих станков.

1.7. Известные исследования снижения запылённости воздуха рабочей зоны пильных станков методом гидроорошения.

1.8. Выводы по первой главе.

Глава 2 Теоретическое исследование виброакустической динамики модельных деревообрабатывающих станков. Расчёт и выбор пылеуловителя для аспирационной системы.

и

2.1. Моделирование шумообразования и вибрации акустической подсистемы шпиндельный узел - режущий инструмент. 38

2.2. Моделирование скоростей колебаний системы «шпиндельно-режущий инструмент». 38

2.3. Расчет и проектирование циклона с обратным конусом (ЦОК)

для очистки воздуха от пыли деревообрабатывающего цеха. 51

2.4. Выводы по второй главе. 58 Глава 3 Экспериментальные исследования шума и запыленности в рабочей зоне модельных станков. 59

3.1. Экспериментальные исследования уровня шума и вибрации, запыленности на рабочих местах модельных станков. 59

3.2. Результаты экспериментальных исследований вибраций модельных станков. 65

3.3. Экспериментальные исследования процесса очистки воздуха от древесной пыли в шаровом циклоне модельных станков. 69

3.4. Экспериментальные исследования процесса очистки воздуха от древесной пыли в циклоне с обратным конусом и регулируемыми параметрами. 83

3.4.1. Краткий обзор экспериментальных исследований аэродинамики циклонных пылеуловителей. 83

3.4.2. Экспериментальные исследования аэродинамики циклонных аппаратов. 86

3.4.3. Методы исследования аэродинамических свойств. 86

3.4.4. Экспериментальные исследования процесса очистки воздуха от древесной пыли в циклоне с обратным конусом. 96

3.4.5. Исследование влияние отношения объёма бункера к рабочему объему циклона на эффективность пылеулавливания. 98

3.4.6. Исследование влияния глубины погружения выхлопного патрубка циклонов на эффективность их пылеулавливания. 100

3.4.7. Исследование влияния величины входной концентрации древесной пыли и объёма бункера циклонов на процесс пылеулавливания. 102

3.4.8. Выводы по третьей главе. 104 Глава 4 Эффективность мероприятий по снижению шума и запыленности в рабочей зоне модельных станков. 106

4.1. Конструкция системы снижения шума и запыленности в рабочей

зоне модельных станков. 107

4.2. Применение шарового циклона для очистки воздуха от пыли деревообрабатывающего цеха. 109

4.3. Использование циклона с обратным конусом для очистки воздуха от пыли деревообрабатывающего цеха. 110

4.4. Эффективность способов снижения запыленности и шума. 115

4.5. Выводы по четвёртой главе. 117 Заключение 118 Список использованных источников 119 Приложения 129

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования.

Модельные деревообрабатывающие станки получили широкое распространение и интенсивно эксплуатируются не только в деревообрабатывающей промышленности, но и на машиностроительных предприятиях, в частности, модельных цехах и участках литейного производства. Существующие модельные станки обладают техническими характеристиками, такими как точность обработки, производительность, надежность соответствующими станкам мировым стандартам, но по безопасности условий эксплуатации имеют неудовлетворительные показатели, т.к. создают в рабочей зоне операторов повышенные уровни шума и концентрации запылённости, намного превышающие санитарные нормы.

Поэтому задача снижения запылённости и шума модельных деревообрабатывающих станков является актуальной для машиностроения и имеет большое научно-техническое и социально-экономическое значение.

Работа выполнялась в рамках ФЦП в рамках Госзадания Минобрнауки РФ на проведение фундаментальной НИР в 2014 г. по теме: "Разработка основ технологии проектирования комплексных систем и средств защиты операторов от воздействия опасных и вредных производственных факторов".

Цель работы - улучшение условий эксплуатации модельных деревообрабатывающих станков за счет обеспечения санитарных норм шума и запыленности в рабочей зоне операторов.

Научная новизна исследования заключается в следующем:

- разработаны модели виброакустической динамики шпиндельных узлов модельных деревообрабатывающих станков, учитывающих характерные особенности технологического процесса фрезерования, что

позволило уточнить закономерности формирования спектрального состава вибрации и шума.

- получены аналитические зависимости для оценки спектров шума данного типа станков, что позволяет обоснованно выбрать рациональные способы снижения шума при проектировании.

- установлено, что конструкции пылеуловителей не цилиндрической формы (шаровой циклон и циклон с обратным конусом (ЦОК)) с регулируемыми геометрическими параметрами позволяют более эффективно проводить процесс очистки пылевоздушного потока в сравнении с цилиндрическими традиционными циклонами.

- найдены оптимальные соотношения объёмов рабочей части ЦОК и бункера, а также отношения глубины погружения выхлопного патрубка к высоте рабочей части аппарата, при которых повышается эффективность пылеочистки до 99 %.

Практическая ценность:

- разработана система защиты оператора, выполняющая комплексную функцию: снижение уровней звукового давления и запыленности рабочей зоны;

- усовершенствована конструкция циклона как важного элемента аспирационной системы для обеспечения эффективности очистки от пыли модельных деревообрабатывающих станков;

- разработана инженерная методика расчёта и выбора размеров ЦОК с регулируемыми параметрами.

Реализация работы в промышленности. Результаты исследований апробированы и внедрены в деревообрабатывающем цехе на участке модельных станков ОАО «Роствертол» (г. Ростов-на-Дону).

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на V Международной научно-практической конференции "Инновационные технологии в машиностроении и металлургии" на семинаре "Тенденции развития сварочного производства в России" в рамках IX Промышленного конгресса Юга России, г. Ростов-на-Дону, 11-13 сентября, 2013

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованных литературных источников. Материал диссертации содержит 128 страниц машинописного текста, 11 таблиц, 46 рисунков, список библиографических источников из 90 наименований. Отдельное приложение на 1 странице.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Введение

Деревообрабатывающее оборудование эксплуатируется в различных отраслях машиностроения. Поэтому в настоящее время выполнены теоретические и экспериментальные исследования шума и запылённости в рабочей зоне операторов [1-14]. Среди комплекса этих исследований особо следует уделить внимание анализу исследований шума, вибрации и запылённости рейсмусовых, фуговальных, шипорезных, ленточнопильных и круглопильных деревообрабатывающих станков.

1.1. Анализ существующих исследований шума.

Шумообразование деревообрабатывающих рейсмусовых, фуговальных, шипорезных и пильных станков вследствие их конструктивных особенностей практически полностью определяются звуковой энергией, излучаемой заготовкой и инструментом. Для инструмента фуговальных и рейсмусовых станков принята модель балки [1-6] ограниченной длины на двух шарнирных опорах; для инструмента шипорезных и фрезерных станков - пульсирующая сфера. Для заготовок типа брусьев и досок - балка на упругом основании; для щитовых заготовок ограниченная пластина.

Уровни звуковой мощности на собственных частотах колебаний таких источников определяются следующим образом:

- ножевые валы рейсмусовых и фуговальных станков

=20^рп212к + 101§0 + 20^

1

где р - удельная сила резания, Па; п — круговая частота вращения, рад/с; ъ - число зубьев;

1 - длина режущего лезвия, м;

к - коэффициент, характеризующий соответствующую моду колебания; V - диаметр фрезы, м;

- инструмент шипорезных и фрезерных станков

М1

+0,4 10-8пг^(2к-1)2

0,32^(2к-1)2

+ 70, дБ

+ю-8(П2)2 +

(1.2)

- заготовки типа брусьев

Ь=Ю1ё

0,65Щ8

10

-12

( К^

чрму

, дБ,

(1.3)

где £ — собственные частоты колебаний, Гц; М - масса, кг;

8 — площадь поверхности, м2;

К* - максимальное значение величины виброскорости за время обработки 0 < 1: < — (Эп - скорость продольной подачи), м/с;

- для щитовых заготовок

Ь„=201ё-^-101§ь тп

2 2 Л т п

р(1-и2)1 1

2 2 У

+ 100, дБ,

(1.4)

2

где т0 - распределённая кг/м ; 11 и 12 - размеры щита, м; И - толщина щита,

о

м; р - плотность, кг/м ; Е - модуль упругости, Па; ц - коэффициент

Пуассона; тип- коэффициенты, характеризующие моду колебания.

Моделью источника шума дисковых пил является круглая пластина, жестко защемленная в центре. Для такого источника получены следующие зависимости звуковой мощности [7, 10]:

018К1апааааШгп^

О

-1018

р2} -КЧ2

+

V О2

\2

> +

(1.5)

+101ёК1-201ёК1-86, дБ,

2

где Кт - удельная работа, определяемая по данным, Н/м , ап,ав,а3 - коэффициенты, учитывающие породу дерева, влажность и затупление пилы (определяются по нормативным данным); Н — высота пропила, м;

- подача на зуб пилы, м/зуб; п - частота вращения, об/мин; ъ — число зубьев пилы; Ь - толщина пилы, м; Б - диаметр пилы, м;

(3 - коэффициент, определяющий соответствующую моду колебания; К1 — число пил.

В ленточнопильных станках для устойчивости работы пил создается предварительное напряжение [8-9]. Для такого источника в качестве модели принят линейный источник, звуковая мощность которого определяется следующим выражением:

11,Ь

+201§ к./22-106 И2

к У 10"5

(1.6)

V »у

Ыэ

+ 13, дБ,

где К^ах - максимальное значение скорости колебаний пыли, определяемое из уравнения поперечных колебаний за время обработки заготовки,

{ - шаг зубьев, м,

1 - длина пилы, м, Ь - толщина пилы, м, Ь - высота пилы, м.

На этой основе определяется потребная для выполнения санитарных норм шума величина звукоизоляции системы шумозащиты.

1.2. Система аспирации в комплексе систем по снижению запыленности в воздухе рабочей зоны деревообрабатывающих станков.

Модельные станки оказывают доминирующее влияние не только на уровни шума и вибрации, но и на величину общей запыленности воздуха в рабочих зонах деревообрабатывающих цехов.

Согласно СанПиН 2.2.3.1385-03 «Гигиенические требования к предприятиям производства строительных материалов и конструкций» [11]: оборудование, при работе которого возможны выделения вредных газов, паров и пыли, конструируется и поставляется в комплекте со всеми необходимыми укрытиями и устройствами, обеспечивающими надежную герметизацию источников их выделения. В конструкции укрытий предусматриваются приспособления для подключения к аспирационным системам.

Таким образом, система аспирации является единственно целесообразным способом организации коллективной охраны труда при обеспыливании процессов деревообработки на модельных станках.

Анализ состояний условий труда на деревообрабатывающих предприятиях позволил выявить основные причины неблагополучной санитарно-гигиенической обстановки на рабочих местах [12], в результате чего был сделан вывод, что неудовлетворительные условия труда, вызванные высокой запыленностью воздуха на рабочих местах, обусловлены следующими основными причинами:

- отсутствие или низкая герметичность применяемых конструкций укрытий, что приводит к снижению надежности и увеличению энергоёмкости систем аспирации;

-высокая энергоёмкость аспирационных систем, отрицательно влияющая на режимы их эксплуатации;

-отсутствие рекомендаций по применению тех или иных средств локализации в конкретных условиях.

Основной путь уменьшения пылеобразования заключается в совершенствовании существующих и создании качественно новых технологических процессов, характеризующихся полным отсутствием или незначительностью выделения пыли. Однако в нашей стране, на сегодняшний день на промышленных предприятиях этот путь борьбы с запылённостью неосуществим по ряду причин.

При эксплуатации модельных деревообрабатывающих станков, как правило, в должной мере не оборудованных герметичными укрытиями (только местные вентиляционные отсосы не решают проблему обеспыливания) возникают воздушные потоки, которые захватывают частицы пыли обрабатываемых материалов. При этом пыль от источников пылеобразования (сосредоточенные источники) попадающая в помещение является причиной образования распределённых, или вторичных источников пылевыделения, которая также является причиной профзаболеваний [12, 13].

В связи с этим, для обеспечения требуемых санитарно - гигиенических норм на деревообрабатывающих предприятиях необходимо использовать полный комплекс инженерных систем по борьбе с пылью. Он должен включать в себя аспирацию (местная вытяжная вентиляция) и общеобменную вентиляцию.

Определяющей из этих систем являются системы аспирации, от работы которых зависит требуемая производительность всего комплекса систем обеспыливания.

Как правило, простейшая система аспирации состоит из: укрытия источника пылеобразования 1; системы воздуховодов 2; системы очистки воздуха 3,4; и побудителя тяги 5 (рисунок 1.1).

Системы аспирации могут быть [14,15]:

- индивидуальными (децентрализованные), обслуживающие один местный отсос (рисунок 1.1. а);

- централизованными, включающую в себя несколько местных отсосов различных мест пылевыделения (рисунок 1.1.6).

Рис. 1.1. Принципиальная схема а) децентрализованной и б) централизованной системы аспирации: 1 - аспирационные укрытия; 2 — система воздуховодов; 3 - первая ступень очистки воздуха (циклон); 4 -вторая ступень очистки воздуха (рукавный фильтр); 5 - побудитель тяги (вентилятор); 6 - выброс аспирационного воздуха в атмосферу

При централизованной схеме аспирации, как правило, источники пылевыделения значительно удалены друг от друга, поэтому горизонтальные участки воздуховодов имеют большую протяжённость, обусловливая высокое аэродинамическое сопротивление. Зачастую централизованные разветвленные системы аспирации, имеют сложную компоновку, так как оборудование расположено на различных геометрических отметках и по всей длине цеха. Число присоединяемых к сети местных отсосов должно быть ограниченно. Рекомендуется принимать не более двадцати аспирационных отсосов, так при большем их числе возникают серьёзные трудности в гидравлическом регулировании сети. Существенным недостатком централизованной схемы аспирации является их высокая энергоёмкость, связанная с одновременной работой всех местных отсосов, хотя на практике

13

режим работы технологического оборудования, выделяющего вредности, отличается. Недостатком децентрализованной системы аспирации является высокие капитальные затраты при их монтаже.

Существует и многие другие возможные схемы системы аспирации, направленные на оптимизацию какого либо параметра работы системы [17].

При разработке аспирационных систем решаются следующие основные задачи: выбор схемы аспирации (расположение отсосов, использование централизованных или децентрализованных систем); выбор конструкции укрытий и определение его эффективности; определение объёмов аспирации и характеристик пыли в аспирируемом воздухе; аэродинамический расчёт системы трубопроводов; выбор эффективной и рациональной схемы очистки аспирируемого воздуха.

Построение аспирационных систем, отвечающих санитарным и экономическим нормам, сводится к обеспечению невыбивания пыли из укрытия при минимальном объеме отсасываемого воздух�