автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Разработка и исследование металлических сплавов пониженного звукоизлучения

РГ Б ОД - 2 ПИВ 1995

московшй гссумрстазты:: институт стали и спяавсв

/ТЕХКОЛОП1ЧЕШЙ УШВЕРСИГЁГ/

Ка правах рукописи УДК 669.018.64

ФАКЬ Ш

РАЗРАБОТКА. И ИССВДСВАКИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ ПОБИШШОГО звукоиэлучишя

Специальность 05.26.01 - "Охрана труда а пожарная

безопасность"

Автореферат диссертации на соискание учвной степени ■ кандидата технических каук

Москва 1994

Работа выполнена на кафедре "Охрана труда и окружающей среды" Московского государственного института стали* и сплавов.

Научный руководитель: кандидат технических нар<, доцент Муравьев В.А.

кандидат технических наук, гоцент Утепов Е.Б.

Официальные оппоненты; доктор технических наук, профессор Лагунов Л.Ф. кандидат технических каук, Белов А.В.

Ведущее предприятие: Завод по обработке спэцсплавов г.Москва

Защита состоится 1995 года в 10

на заседании специализированного совета К-053.08.05 Московского института стали и сплавов по адресу: 117936, Москва, Ленинский проспект, 4.

С диссертацией моллю ознакомиться в библиотеке Московского института стали и сплавов. ■

Автореферат разослан ^еХй^Л 1994 г.

Учений секретарь специализированного совета

Б.А. ЬЗГРАВЬЕВ

Об'цая характеристика работы

Актуальность тема. В .растоящее время в связи с резким увеличением машинного парка, повышением мощностей и скоростей машин и механизмов, произошел значительный рост уровня производственного иума. Запита человека от воздействия шума стала одной из самых актуальных проблем в-промышленности. Воздействие шума может вызвать различные заболевания и является одним из факторов, влияющим на экономико-социальные показатели деятельности предприятия.

Для современных металлургических предприятий характерно ■ чрезвычайно большое число и разнообразие видов источников шума, их весьма высокий уровень звуковой мощности,, что делает проблему борьбы с шумом сложной и трудоемкой. Наибольшее число рабочих, подвергающихся неблагоприятному воздействию шума в металлургическом производстве, относится к прокатному производству. Значительные уровни шума в прокатном производстве создают рабочие клети станов, маятниковые и дисковые пилы, агрегаты резки и транспортировки листа и другое технологическое оборулование. Возникновение шума вызвано главным образом ударными процессами.

Для снижения ударного шума разработаны различные методы; одним из перспективны* методов является метод снижения шума в источнике его возникновения, который достигается применением конструкционных металлических и неметаллических материалов ..увеличивающих продолжительность соударения и затрудняющих возникновение и распространение интенсивных звуковых колебаний. Использование неметаллических материалов обеспечивает высокий эффект снижения ударного шума, но из-за незначительной прочности,

пониженной износостойкости и ограниченного температурного интервала работы, применение их ограничено. Поэтому разработка металлических материалов с повышенный! йиссяпативныш свойствами имеет большое практическое значение. Исследования характеристик звукоизлученяя сплавов на основе келеза с различными легирующими элементами являются актуальными, так как позволяют значительно снизить уровни шума и улучшить условия труда обслуживающего персонала.

■ Цель работн. Разработка и исследование металлических сплавов пониженного эвукоизлучения. Определение возможностей использования некоторых конструкцкошшх сплавов для снижения шума в агрегатах продольной резки. В связи с этпм в'работе реаались 'следующие задачи:

• Т. Исследование влияния структуры сплавов на параметры эвукоизлучения..

2. Установление взаимосвязи маяду физико-механическими в ■ аккустачесюшк свойствами сплавов.

3» Уточнение механизма звукокзлучения пластины при ударном возбуждении.

, Научная новизна. Усовершенствована методике исследования параметров эвукоизлучения с цел.ьго определения продолжительности соударения.

Разработаны сплавы на основе железа, обладающие повышенными веотфГрующиг/и свойствами и т'ещие достаточные механические характеристики. Изучены их аккустические свойства. Установлено, что сплавы, состоящие из относительно твердой матрицы.и мягких включений, облапают пониженными параметрами эвукоизлучения.

Установлена определенная взаимосвязь между механическими

характеристикам и звукоизлучением металлов.

Определено, что отжиг, особенно двойной, повышает демпфирующие свойства сплавов из-за роста зерен металла, утолщения границ зерен, препятствующих движению изгибной звуковой волны,

.Показано, что Фактора, влияющие на демпфирующие свойства сплавов оказывает воздействие и на затухание колебаний. Демпфирование вызвано различными несовершенствами кристаллической решетки, которые создают локальные пики микронапряжений, играющие роль сопротивлений при прохождении упругих колебаний.

Практическая ценность. Результата теооетического и экспериментального исследования использованы при разработке устройств по снижение шума на участке продольной резки листа.

Рекоуендованы различные режимы термической обработки для получения сплавов пониженного звукоизлучения. Полученные научные результаты, разработанные металлические материалы пониженного г<пукоизлучеш!я могут быть эффективно использованы для снижения шума ударного происхождения.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на международной кон1еренции по борьбе с пуком и вибрацией / Санкт-Пет<=фбург, 1993г. /, на конференции по борьбе с шумом и вибрацией / Актюбинск, 1994г. /.

Объем работы.Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, содержит 12.^ страниц г/ащиннописного текста, рисунков, |О таблиц и список литературы из 9$ наименований.

Содержание работы.

Проблема снижения шума ударного происхождения. ■

Показана актуальность борьбы с производственным шумом и дан краткий обзор известных методов ослабления шума, в том числе и ударного происхождения.

. Проанализирована возможность снижения шума ударного происхождения путем увеличения .продолжительности соударения. С увеличением продолжительности ударов происходит "сжатие" спектра интенсивно возбуждаемых колебаний и большая часть .энергии удара сосредотачивается в области низких частот, что вызывает-значительные снижения шума на средних и высоких частотах. Продолжительность удара может быть определена по формуле:

-и = з.дск/уку)1*".

где К =1 ,, здесь Е, и Вг -

модули упругости,Па коэффициент Пуассона соударяющих-

ся тел;Л\ - масса шарика, кг; Еч - радиус шара.м ; V- скорость

шара;при ударе, мс!

• Использование металлических материалов с низким модулем

упругости позволит снизить уровни шума ударного происхождения.

. Поэтому одним из перспективцых способов снижения шума ударного происхождения является применение конструкционных металлических и неметаллических материалов, увеличиваюадх продолжительность соударения н затрудняющих возникновение и распространение интенсивных звуковых колебаний. Отмечается, что применение известных и разработанных новых металлических материалов не решает окончательно проблему снижения шума в источнике его возникновения.

Рассмотрены вопроси использования сплавов повышенного демпфирования. Проанализировано влияние различных легирующих элементов и режимы термической обработки на звукоизлучение сплавов.

Подробно рассмотрены методы исследования звукоизлучения ' -при соударении. Отмечается, что исследование параметров звукоизлучения на простой модели в виде пластины является корректным надежным методом, позволяющим оценить влияние различных физико-механических свойств на уровни звука я затухание колебаний.

Материал и методика исследования

В качестве объекта исследования были выбраны сплава с содержанием углерода от 0,03 до 0,4 %, т.е. диапазоны доэвтекто-идных сплавов. В качестве легирующих элементов были• выбраны, Мп / постоянные примеси стали /, .¿г . V .МЬ.Ло.Т! . А1 . В , ¿е . ¿а. , 1-а,,Со .¿а. Такой набор легирующих элементов выбран с целью создания сплавов с резко выраженной гетерогенной структурой и удовлетворительными механическими свойствами.

Химический состав исследованных сплавов представлен в таблице Т.

Исследования проводились на простой модели в виде пластины размером 50x50x5 мм. возбуждаемой ударами шарика. Размеры исследуемой пластины и масса шарика выбраны на основании неравенства: м < ¿/.5 р\ Ь.1"

гдеМ - масса шарика, г;

I - расстояние от точки приложения удара до ближайшего края пластины, см;

Я- толщина пластины, см;

Р~ плотность материала пластины, г/см^.

Параметры звукоизлучения фиксировались 'с помощью шумомера и осциплографа по уровню звука / <|БА /, уровню звукового давле-

Таблица Т

Химический состав исследованных сплавов

№ сплава С Мп № ¿У V Нъ т \ В ¿е. ¿а, ¿-¡X Со Си.

1 0,145 2,52 1 ,61 1 1 ,75 1 1 0,01

0,090 1 ,40 1 ,53 1,83 1 1 0,8 0,10

2 0,035 1,72 0,76 0,3 0,74 0,3 0,3 0,01

0,5? 0,52 0,54 0,65 0,3 0,3 0,2 0,1

3 0,317 0.35 2.62 0,5 0.14 0,5 0,001 0,01

0,30 0,29 0,05 4,10 1.5 - 0,001 0,1

0,305 0,40 0,60 0,1 0,05 0,5 0,001 0,01

0,38 0,09 0,52 4,0 1 .5 1,0 0,001 0,1

0,386 0,84 0.20 1 ,5 0,27 0,7 0,001 0,01

0,52 0,31 0,20 0.25 1.5 0,8' - 0,1

6 0,230 0,4В 0,36 1.5 0,22 0,7 0,01 0,01

0,62 0,24 0,26 0,25 1.5 0,6 - 0,1

7 0,02 1 ,19 - - - - - -

•3,14 0,29 - - - - - -

8 0,47 1.1 - - - - - -

1,73 0,40 - - - ' - - -

ния / ^Б /, скорости затухания звука / /. Скорость затуха-

ния звука / 033 / определяли по формуле:

V

и I

где 1-,- максимальный уровень звука, фЕА и,- уровень звука через врег.'Я Т. ^БА; время затухшая, с. Логарифмический декремент колебаний определяется по ш'лДп-туле затухающих колебаний:

сГ = ^п ,

гдя А,, Ап - амплитуда колебамяЭ, начальное и через П. циклов.

Теоретические ооноры звукоизлучения пластины при ударо

Излучение звука пластинаг/л и другими простайшига формами при у парном возбуждении внзваяо изгибнат колебаниями, которое формируются в конструкциях.

Амплитуда колебаний при возбуждении сосредоточенной силы Р« определяется по формуле:

Ч

к™ ~ тР.,: Б.Л^тЧ! '

где и) - частота возбуждающей силн;

Ч - коэффициент потерь колебательной энергии;

(Тиц- масса пластины на единицу поверхности; площадь поверхности пластины.

На рис.1 показана зависимость Аптпра различных коэффициентах потерь. Видно, что наибольщйё амплитуды имеют моды, собственные частоты которых совпадают с частотой возбуждающей силн или близка к ней.

низкочастотное! шеБоние

колеьзние резонансных частот

ШШШшТНШгп

колебание

Рис.1

Звуковая мощность излучаемая пластиной под действием сосредоточенной силы Ро :

Р =

тр/1 .

где р , С - плотность и скорость распространения колебз-ний;

О - цилиндрическая жесткость пластины;

Е\\*/\Ю-Мг)

граничная частота пластины;

)П„ - масса пластины на единицу площади. Влияние потерь на звуковую модность учитывают путем ввеце ния комплексного модуля упругости и, следовательно, комплексной жесткости на изгиб:

Анализ представленных формул показывает, чго на звуковую мощность единичного импульса оказывает влияние упругие, инерци-

— Т1 —

онные и демпфирующие характеристики материала.

Показано, что процесс формирования звукоизлучения пластины при ударном возбуждении следует рассматривать в две стадии: первая стадия- образование звукового импульса при соударении и вторая - шум собственных колебаний, вызванных нагибными колебаниями пластины. Установлено, что на величину звукового импульса оказывают влияние Физико-механичсские характеристики соударяющихся изделий, а на шум собственных колебаний - величина собственных потерь, вызванных внутренней структурой сплава. В результате образования звукового импульса и шума собственных колебаний формируется звуковая мощность излучения пластины.

Влияние струкуры сплавов на параметры звукоизлучения

Показано влияние химического состава сплавоЬ на параметры звукоизлучения. Наименьший уровень звука /78£Б / зафиксирован У сплава сложного химического состава и имеющего в структуре неметаллические включения / Рис.2 /. Мягкая матрица сплава /твердость / и различные включения оказали существенное влияние на продолжительность соударения / ~ / и, тем самым, обеспечили пониженные параметры звукоизлучения.

Наличие неметаллических включений в структуре сплава спо-собствавало увеличению скорости затухания звука по сравнению с другими сплавами.

Результаты проведенных исследований показали, что увеличение содержания углерода от 0,02 до 0,386$ вызывает некоторое увеличение уровня звука. Аналогичная зависимость наблюдается и при увеличении содержания ниобия и хрома. Увеличение содержания

■■ »-»'г " '1-» * Л" ' 8 Д^ЧЙ .. . «Пи»'.-» *. \ Ч «•' ¿1

N02

) •■ V. ."У. - . -' •» -1

; . 11 •; 45

¿^•Л'Л».. '.»и*»!;.*

* , ..... •

' ■ -V " — »г.-

к о ^ • - . л-

Г ■ ' • . ^ ,

1т " • ф' 6 * •>'" „ • Мдп '

; • .;т , ^

Ч1' •»

г-' . ' . ч « -

/Ш

Рис.2 Микроструктуры сплавов / 2, 3, 5 / с неметаллическими включениями.

иерия от 0,3 до резко попивает уровень звука на 10

Проведенные исследования влияния химического состава на звукоизлучеиие пали возможность установить сплаш с повышенными декгсТяруклтаки свойствами / сплав 2, 3, 5, ? /. Установлено, что оптш/алышм содержанием легирующих элементов является состав сплава 2, в котором сравнительно низкое содержание таких дорогостоящих элементов как церий, бор, ниобий. Ьтот сплав характеризуется гетерогенной структурой, состоящей из относительно прочной матрицы и мягких пластичных включений избыточной ф-з>

311.

Результаты исследований показывают, что термическая обработка сказала влияние на звукоизлучение всех исследованных сплавов. При закалке и ояяяге .наблюдается некоторое стеснив уровня звука от 1 до 9 и нэкзняется пзгш'1пру;сдел способность сплавов.

Высокая дег/п|арущая способность непосрелгтвеыго после закатки обусловлена как тетрагоналвностыо структур, так и значительными внутренними напряжениями. Однако вследствие низкого сопротивления пластической деформации сплавов в закаленном состоянии внутренее напряжение в них довольно быстро ралаксирует даже при комнатной температуре, что приводит к существенному уменьшению демпфирования и уменьшению скорости затухания звуковых колебаний.

Показано, что максимальное снижение уровня после отжига произошло у сплавов 5, 3 / на 8 /. ото можно объяснить механизмом роста зерен, утолщением их границ, что является допол нительным препятствием прохождению звуковой волны.

У сплава 2 отжиг повысил звукоизлучение, т.е. снизил деют-

фирующие свойства. Это можно объяснить тем. что откиг привел к снятию напряжений, аннигиляции дислокаций, уничтожению препятствий на пути звуковой волны. При этом значительного роста зерен не произошло.

Анализ осциллограмм изменений уровня звука после удара исследованных сплавов представлен>на рис.3, дает возможность оценить влияние различных факторов на затухание колебаний.

Теоретический анализ формирования звукового импульса при ударном нагружении показал, что различные физико-механические свойства соударяющихся тел оказывают определенное влияние на величину уровня звука. Известно о неоднозначном влиянии твердости и предела прочности на звуковой импульс при соударении.

На рис. 4 и 5 представлены характеристики уровня силы звука, твердости и предела прочности исследованных сплавов.

Анализ результатов исследования твердости и уровня силы звука показал, что имеется определенная взаимосвязь между этими характеристиками, однако нельзя однозначно утверждать, что увеличение твердости будет способствовать и повышению уровня звука. Для большинства исследованных сплавов при увеличении твердости наблюдается некоторое увеличение уровня звука, однако прямой корреляции между этими характеристикам; не установлено .

Влияние твердо* ти мояно объяснить при рассмотрении различных этапов соударения: повышенная твердость сплава уменьшает первый этап- этап неупругого удара, и большая ч^^гь энергии в этом случае будет перенесена на третью стадию - стадию упругого соударения, в результате этого повышается амплитуда колебаний.

3 | !'!1

щ •. . 1; ' м ..; г/1 .

ч 1 ¡»р К 1!|(м

г "!1' 1; 111 <ц.н а

сллйё 4 с Зсшшзх , отпуск)

Сплол 3 с ЗСШХЛКСь, отпуск)

Рис.3 Осцк'1логр1лг-я згукошх колебаний после учара по образ., спланой.

I На рис.5 даны результаты исследования предела прочности и силы звука. Так же как и в случае с твердостью, результаты исследования не позволяют сделать заключение о связи между пределом прочности и аккустическими характеристиками.

На рис.6 даны результаты исследования продолжительности соударения и уровня силы звука.

В работах Заборова В.И., Борисова К.П.. ТартаковскогоД.И. и других ученых была определена взаимосвязь между продолжительностью соударения и реальным шумом в различных конструкциях: при увеличении продолжительности соударения наблюдается снижение шума. В работе не удалось подтвердить одназначной связи между этики характеристиками. Это расхождение, по-видимому, можно объяснить тем, что в работе были исследованы сплавы, обладающие существенным различием в физико-мзханпческих свойствах, которые также оказали влияние на продолжительность соударения.

Основное влияние демпфирующие свойства сплавов оказывают на скорость затухания свободных звуковых колебаний, характеристика которых представлена на рис.7. Это обусловлено тем, что факторы, влиявшие на демпфирующие свойства сплавов оказывают воздействие и на затухание колебаний. Дегазирование вызвано различными несовершенствами кристаллической решетки, которые создают локальные пики микронапряжений, играющие .роль сопротивлений при прохождении упругих колебаний.

Мероприятия по уменьшению шума ударного происхождения

Одним из наиболее шумоизлучавщих технологических процессов

50

го

70

^ £0

'¡И

1 Ъ ч- 5 6 7 8СгЗГ

- номер сплавов

Рис, 4 Характеристики изменения уровня звука

и твердости исследованных сплавов, а - литое о-уровень звука, дБЛ

6 - отожженное х-твердость, НВ в — закаленное

3 Ст.35

I .2 3 Ч- 5 6

номер сплавов

Рис.5 Характеристики изменения уровней

звука и предела прочности, а - литое . О-уровень звука, д&А

б - отожженное х-предет прочности. МПА

в - закаленное

I 2 3 4-567 X ст.3£

номер сплавов Рис.6 Характеристики изменения уровней

звука и продолжительности соударения, а - литое О-уровень звука, д^А

б - отожненное х-продолжительность

в - закаленное соударения, МКС

| 2. 3 ч- 5 6 Т 8 Ст.35"

номер сплавов

Рис/? Изменение скорости затухания звуковых колебаний и внутреннего трения / литое состояние /. о - скорость затухания звуковых колебаний, х - коэффициент затухания.

— гт —

металлургической промышленности является прокатное произвбдст-во, и, особенно, агрегаты продольной н поперечной резки металла. В таких агрегатах явно выражено высокочастотное излучение, источником которого являются ударней процессы и трение, возникающее пря соприкосновения кромки, ластового проката о боковую поверхность диска делительного ролика. Применение таких методов снижения щука как звукоизолирование звукопоглощение затруднено из-за необходимости проведения постоянного визуального контроля за ходом технологического процесса. Поэтому одним из методов, позволяющих улупштъ условия труда при работе» является снижение шума в источнике возникновения.

На излучение звуковых колебания, которые образованы силой трения двух коитактируюаих поверхностей, влглот шяиексинй га-дуль упругости: Е — ЕЕ С 1 'I),

где Ч - коэффициент

Следует отметить, что пз двух сопрякГгеэпдтхся тел возможность влиять на указанные параметра остается чолько у диска.

Результате исследовали позволяет -./лтровать рекомендации по использованию разработанных сплавов, которые характеризуются пониженными звукоязлученияни. Диски изготовленные из сплава 2 / литое / и 5 / закаленное / кспнтали на физической модели. Результата испытаний показали, что разработанные сплавы высокого демпфирования помагавт снизить уровень шума при пзаиуосвязи меяду кромкой яисгового проката и боковой поверхностью диска делительного ролика. Были изготовлены рабочие диски делительного ролика. ,

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ литературных источников и практические измерения показали, что металлургическое производство характеризуется интенсивными уровнями звукового давления, причем прокатное производство относится к наиболее шумному. Основным источником шума в прокатном производстве является процесс транспортировок и резки проката. Установлено, что улучшение условий труда обе. лртивающего персонала в отделении листоотделки листопрокатных цехов достигается конструктивными изменениями элементов транспортирующих устройств.

2. Проанализирована математическая модель, описывающая процесс звукоизлучения пластины при импульсном возбуждении колебаний. Установлено, что на уровень звукового импульса при ударе основное влияние оказывают упругие и инерционные свойства металлов, а на шум собственных колебаний- величина собственных потерь, вызванных внутренней структурой сплава. В результате образования звукового импульса и шума собственных колебаний формируется звуковая мощность излучения пластины при ударном возбуждении.

3. Внесены дополнительные устройства в установку для исследования звукоизлучения металлических материалов, ■ отличающаяся от аналогов более высокой точностью измерения. Проведены исследования физико-механических свойств различных сплавов, которые позволяют уточнить механизм звукоизлучения металлов.

4. Проанализировано изменение уровня звукового давления в зависимости от содержания легирующих элементов. Сделана попытка в уточнении влияния механических характеристик разработанных

сплавов на аккустические свойства. Проведенное исследование влияния химического состава на звукоиэлучение позволило разработать сплавы с повышенными демпфирующими свойствами.

5. Анализ характеристик звукоизлучения, микроструктуры, демпфирующих свойств сплавов позволил установить определенное влияние термической обработки на эти характеристики, Установле- ' но. что для исследованных сплавов закалка обеспечила снижение уровня звука при соударении за счет образования мартеновской структуры. Отжиг, особенно двойаой, повышает затухание звуковых колебаний сплавов вследствие роста зерен металла, утолщения границ между зернами, препятствующих движению изгибной звуковой волны.

6. Проанализированы механизмы шумоизлучения при работе агрегата поперечной и продольной резки листовой стали, на основании чего предложены способы снижения шума в источнике возникновения,- используя для этого разработанные сплавы. Практически установлена, что использование сплавов пониженного звукоизлучения в агрегатах продольной резки обеспечивает уменьшение уровня звука на 6 а уровне» звукового, давления на 4-11 дБ в широком спектре звуковых частот.

7» Результаты исследования могут быть использованы при совершенствовании работы узлов и механизмов металлургического и машиностроительного оборудования. Демпфирующие конструкционные металлы имеют большие перспективы применения в решении снижения шума в источнике его возникновения.

— 24 —

' Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

1. Е.Б. Утепов, В.А. Муравьев, Фань Ш. Fait снизить уровень шума - издательство "Металлургия", "Металлург", И, 1993 г. с.28

2. Е.Е. Утепов, Фань Ш. Снижение шума ударного происхождения - в-книге: Тезиса докладов ме.-хдународной конференции по борьба с иутлоы и вибрацией, г.Санкт-Петербург.

31 мая - 3 июня 1993 г.

МОСКОВСКИ!! ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ

Ленинский проспект, д.4

Заказ 2S5 Объем -I О Tnpat "lOO

Типография МИСиС, Орджоникидзе 6/9