автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Снижение шума в рабочей зоне бабинно-дисковых и цилиндро-шлифовальных деревообрабатывающих станков

На правах рукописи 00504ьоо*

Щерба Михаил Юрьевич

СНИЖЕНИЕ ШУМА В РАБОЧЕЙ ЗОНЕ БАБИННО-ДИСКОВЫХ И ЦИЛИНДРО-ШЛИФОВАЛЬНЫХ ДЕРЕВООБРАБАТЫВАЮЩИХ СТАНКОВ

Специальность 05.26.01 - Охрана труда (в машиностроении)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Росгов-на-Дону, 2012 г.

005046689

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

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Чукарин Александр Николаевич

Официальные оппоненты:

Булыгин Юрий Игоревич - доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Донской государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО ДГТУ), кафедра "Безопасность жизнедеятельности и защита окружающей среды"

Финоченко Татьяна Анатольевна - кандидат технических наук, начальник научно-производственного центра «Охрана труда» ФГБОУ ВПО РГУПС

Ведущая организация: Российская ассоциация производителей сганкоинструментальной продукции «Станкоинструмент»

Защита состоится 17 мая 2012 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.058.06 при ФГБОУ ВПО «Донской государственный технический университет» (ДГТУ) по адресу: 344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1, ауд. 252.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ДГГУ. Автореферат разослан « ^ » апреля 2012г.

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

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуащишсть, Деревообрабатывающие станки интенсивно эксплуатируются практически во всех отраслях машиностроения. Культура- современного производства предполагает не только использование высокоэффективного и-высокотехнологичного оборудования, но и безопасность условий труда операторов. Показатели безопасных условий эксплуатации технологического оборудования в значительной степени определяют его конкурентоспособность на мировых рынках, т. к. в развитых странах человеческий фактор - основной, и улучшение условий труда, повышение его безопасности относится к приоритетным направлениям развития производства. Передовые отечественные предприятия выпускают деревообрабатывающие станки, отвечающие мировым стандартам по показателям точности обработки, производительности, надежности, но по показателям безопасности труда наблюдается существенное отставание .от западных аналогов и, прежде всего, по несоответствию уровней шума в рабочей зоне предельно-допустимым значениям. Негативное влияние шумов повышенных уровней не только приводит к ряду профессиональных заболеваний, но и к увеличению брака выпускаемой продукции и снижению производительности труда. Поэтому проблема снижения шума шлифовальных деревообрабатывающих станков является актуальной и имеет большое научно-техническое и социально-экономическое значение.

Целью данной работы является улучшение условий труда операторов бабинно-дисковых и цилиндро-шлифовальных деревообрабатывающих станков за счет снижения уровней шума до предельно-допустимых значений.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Теоретически описан процесс шумообразования бабинно-дисковых и цилиндро-шлифовальных деревообрабатывающих станков, выявлены источники шума и определен их количественный вклад в формирование акустических характеристик в рабочей зоне.

2. Аналитические зависимости уровней звукового давления учитывают номенклатуру шлифовального инструмента,

геометрические и механические характеристики, параметры режимов обработки и породу древесины.

3. Теоретически обоснованы конструктивные параметры дисков, бабин, шлифовальных цилиндров по критерию выполнения санитарных норм шума.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1. Разработаны методы выбора рациональных вибродемпфирующих характеристик узлов шлифования бабинно-дисковых и цилиндро-шлифовальных деревообрабатывающих станков.

2. На основе теоретических исследований разработаны конструкции малошумных дисков, бабин и шлифовальных цилиндров, у которых соответствие санитарным нормам шума обеспечивается повышенными вибродемпфирующими свойствами.

Методы исследований. Исследования проводились с привлечением основных нормативных документов по охране труда, положений технической виброакустики, теории колебаний и статистических методов обработки экспериментальных данных. .

Реализация в промышленности. Результаты исследований по увеличению диссипативных свойств шлифовальных дисков, бабин и цилиндров внедрены на деревообрабатывающем участке ООО «Завод по выпуску КПО» (г. Азов), что обеспечило выполнение санитарных норм шума в рабочей зоне бабинно-дисковых и цилиндро-шлифовальных деревообрабатывающих станков. Ожидаемый социально-экономический эффект от внедрения составил 15 тысяч рублей на один бабинно-дисковый и 16,5 тысяч рублей на один цилиндрошлифовальный станок (в ценах 2011 г.).

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на IX Международной научно-технической конференции «Инновация, экология и ресурсосберегающие технологии на предприятиях машиностроения, авиастроения, транспорта и сельского хозяйства» «ИнЭРТ-2010», а также на Международной научно-практической конференции в рамках VII Промышленного конгресса юга России в сентябре 2011г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 работ, в том числе 4 в журналах, входящих в «Перечень ведущих научных журналов и изданий».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и рекомендаций, списка использованной литературы из 101 наименования, имеет 39 рисунков, 19 таблиц и изложена на 132 страницах машинописного текста. В приложение вынесены сведения о внедрении.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель работы, научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

В первой главе выполнен обзор литературных источников, посвященных безопасным условиям эксплуатации деревообрабатывающих станков и, в первую очередь, процессам шумообразования и запыленности. Анализ этих работ показал, что в настоящее время наиболее полно изучены процессы шумообразования и обеспыливания широкой гаммы деревообрабатывающих станков фрезерующей группы и пильной группы, включающей фуговальные, рейсмусовые, шипорезные, круглопильные, ленточнопильные. Для вышеуказанных станков получены аналитические зависимости и инженерные методики расчета эффективности и энергоемкости процессов обеспыливания, уровней шума и вибрации. Обращает на себя внимание недостаточность теоретических и экспериментальных исследований для бабинно-дисковых и цилиндро-шлифовальных станков, для которых процесс обработки древесины имеет существенные отличия от фрезерующих и пильных станков. Поэтому модели виброакустической динамики фрезерующих и пильных станков неприменимы для бабинно-дисковых и цилиндро-шлифовальных станков. Разработанный метод гидрообеспыливания для станков пильной группы неприемлем для шлифовальных станков, предназначенных для чистовой обработки деталей. Вместе с тем методы аэродинамической очистки от пыли могут быть использованы для шлифовальных станков и поэтому в данной работе не рассматриваются.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Разработать модели виброакустической динамики дисков, бабин и шлифовальных цилиндров на основе первичного возбуждения от процесса шлифования.

2. На основе моделей виброакустической динамики получить аналитические зависимости для определения уровней звукового давления, создаваемых узлами резания бабинно-дисковых и цилиндро-шлифовальных станков.

3. Провести экспериментальные исследования виброакустических характеристик объектов исследования.

4. Разработать практические рекомендации по снижению уровней шума рассматриваемых станков до санитарных

Во второй главе приведены результаты теоретических исследований процессов виброакустической динамики бабинно-дисковых и цилиндро-шлифовальных деревообрабатывающих станков. Их конструктивные особенности позволяют предположить, что формирование спектров шума в рабочей зоне определяется непосредственно шлифовальным инструментом, в качестве акустических моделей которого приняты: монополь (когда радиус дисков и бабин меньше длины волны в воздухе), в противном случае - круглая пластина (для диска) и линейный источник (для бабин и шлифовальных цилиндров). Уровни звукового давления таких источников определяются следующими зависимостями: круглая пластина

норм.

(1)

монополь

(2к -1)

линейный источник

Ь=20Щ (3)

/

где К - скорость колебаний на соответствующей моде м/с; О ~ диаметр соответствующего элемента, м; г - расстояние от источника шума до расчетной точки, и; /- длина элемента, м; И -толщина диска, м; к - коэффициент, определяющий соответствующую форму собственных колебаний; N■ количество цилиндров; с!- внутренний диаметр цилиндра, м.

Таким образом, задача теоретического определения спектральных уровней звукового давления сводится к выводу зависимостей виброскоростей источников на их собственных частотах колебаний.

Виброскорости источников найдены из дифференциальных уравнений изгибных колебаний с использованием представления модуля упругости в комплексной форме, что позволяет учесть коэффициент потерь колебательной энергии, в следующем виде:

где - усилие нажатия детали, Н; п - частота вращения, об/мин; т - масса, кг; /7 - эффективный коэффициент потерь колебательной энергии; А* - коэффициент, характеризующий объемное содержание шлифовального материала;

- диска

+

- бабины

ЕР (2 к 160

7і) -(оциО

ЕР2(2к-\

160 І /

-(0,1«Г)2

+ 7

ЕР2 2-Ю6

0,5

где Е - модуль упругости, Па;

(5)

- оси барабана

_ 0 лдпк* '

гк шах ~ Л

т

-_\и у ї ї і і

(б)

м

дз-іс?£?^Т -сам*)2

^З-ІСР^х^4

аз

где /,- расстояния между пластинами внутри барабана, м.

Полученные зависимости учитывают максимальные значения виброскоростей и, соответственно, уровней звукового давления, возникающих в течение времени обработки, т. к. мероприятия по снижению шума должны обеспечить выполнение санитарных норм для самых неблагоприятных условий обработки.

Барабан цилиндро-шлифовальных станков представляет собой длинномерный тонкостенный цилиндр с промежуточными элементами в виде круглых пластин. Поэтому расчет виброскоростей барабана основан на энергетических методах, традиционно применяемых для пластинчато-стержневых конструкций. С учетом конструктивных особенностей получено следующее выражение виброскорости барабана:

( ( \

\ г

где Д - наружный диаметр цилиндра, м; Ь - собственные частоты колебаний, с"1; /? и Л/ - наружный и внутренний радиус, м; q¡ - потоки вибрационной мощности в элементах барабана, Вт/м; а -коэффициенты передачи вибромощности; §, -коэффициенты поглощения в соответствующем элементе, 1/м; 5/ - площадь соответствующего элемента, м2; 1а - длина линии контакта, м; бв -внутренний диаметр барабана, м.

Полученные зависимости позволяют расчетным путем определить уровни и учитывают как компоновочное решение самого станка, так и нагрузочные характеристики. Сравнение ожидаемых уровней шума с санитарными нормами позволяет определить превышения и источники, их образующие. Собственно эта информация и является основной для выбора инженерных решений по обеспечению санитарных норм шума.

1_третьей главе приведены результаты

экспериментальных исследований вышеуказанных станков. Измерения показали, что в рассматриваемой группе станков концентрация пыли на рабочих местах превышает предельно-допустимые значения в 1,5-2,5 раза, а уровни звука на 6-12 дБА (Рис. 1. и Рис. 2.)

І. дБЛ

С УШ*

12 10

4 2 -І 0

сі

п

і; З

т

¡4

сх

За

со 2 З оо ЙЗ

ф Ч -Г

3 д.

Г4 СО

І К

<"> З

і 9

т

12 10

а

гм і, а

ш ч

і

§

о с; З

с; З

Тшіьі станков

Тшш сіанков

Рис. 1. Фактические концентрации запыленности в рабочей зоне

Рис. 2. Превышение уровней звука в рабочей зоне

Результаты измерений показали, что уровни звукового давления по группам станков имеют идентичный характер в закономерностях формирования спектров шума. Поэтому формирование процесса шумообразования показано на примере наиболее и наименее шумоактивных станков. У станков со значительной мощностью привода главного движения уже на холостом ходу уровни звукового давления превышают предельно-допустимые значения. В частности, у двухдискового станка Шл 2Д уровень звукового давления в пятой октаве превышает санитарную норму на 2-3 дБ, а в шестой октаве практически находится на предельно-допустимом значении (рис. 3.).

У трехцилиндровых станков уровни звукового давления на холостом ходу превышают предельно-допустимые е пятой и шестой октавах на 5 и 3 дБ соответственно. У этих станков (в отличие от дисковых и бабинно-дисковых) двигатель располагается в станине и можно предположить, что повышенные уровни шума на 500 и 1000 Гц создаются подшипниками шлифовального узла.

Рис. 3. Спектры шума холостого хода: 1 -двухдискового Шл2Д; 2 -трехцилиндровых ШлЗЦ-19 и ШлЗЦВ-19; 3-предельный спектр.

Эти выводы подтверждены и уточняются измерениями вибрации на основных узлах (рис. 4) Наиболее высокие уровни вибрации зафиксированы на ограждении шлифовального диска и подшипниковых узлах цилиндровых станков. Спектры этих узлов имеют интенсивные уровни вибрации в области средних и высоких частот, т. е. в достаточно широкополосном диапазоне 250-8000 Гц. Вибрации стола и станины практически не оказывают влияния на процесс шумообразования станка. Действительно, в области средних и высоких частот уровни виброскорости стола и станины не превышают 60 дБ, что на 2030 дБ меньше, чем уровни виброскорости на подшипниковых узлах цилиндровых станков. Уровни вибрации на заготовках еще ниже и поэтому в автореферате не приведены. Спектры шума при шлифовании претерпевают существенные изменения в сравнении со спектрами холостого хода. В частности, у баби нно-дисковых станков звуковая энергия имеет равномерное

Рис, 4. Спектры виброскорости: 1 -

на ограждении диска станков Шл2Д; 2 - на подшипниковых узлах цилиндровых станков; 3 - на корпусе двигателя Шл2Д; 4 -- на столе; 5 - на станине.

распределение по интенсивности в частотном диапазоне 1000 -8000 Гц (рис. 5.).

Рис. 5. Спектры шума бабинно- Рис. б. Спектры шума

дисковых деревообрабатывающих цилиндровых станков: 1 - ШлЗЦ-станков при шлифовании: 1 - 19; 2 - ШлЗЦВ; 3 - предельный

станок Шл2Д; 2 - станок ШлДБ; 3 - спектр,

предельный спектр.

Обращает на себя внимание идентичность спектрального состава в высокочастотной части спектра. Превышение уровней звукового давления у станка Шл2Д составляет 5-10 дБ в интервале частот 1000 - 8000 Гц. У станка Шл ДБ уровень звукового давления в шестой октаве со среднегеометрической частотой 1000 Гц находится на предельно допустимом значении, а на более высоких частотах (2000-8000 Гц) превышение уровней звукового давления над предельно-допустимыми значениями составляет 4-6 дБ. Разница в уровнях звукового давления у этих станков составляет 4,5-5 дБ, что объясняется мощностью процесса резания. Теоретическое значение измерения уровней шума составляет 7д5. Таким образом, граница между теоретическими и экспериментальными величинами составляет 3 дБ, что сравнимо с точностью измерительной аппаратуры. Для цилиндровых станков закономерности шумообразования несколько иные, в особенности, в области частот 250 - 1000 Гц (рис. б.). Разница в

уровнях звукового давления этих станков составляет 6-8 дБ. Теоретическое значение, т.е. сходимость расчетных и экспериментальных величин еще выше. Превышение же уровней звукового давления у станка ШлЗЦ-19 создается в более широкой полосе частот 250 - 8000 Гц и составляет 7-12 дБ. Характерными отличиями спектров шума цилиндровых станков от бабинно-дисковых являются акустические характеристики в области частот 250 - 1000 Гц. Можно предположить, что в этом интервале значительное влияние оказывает звуковое излучение самого шлифовального цилиндра. Действительно, в отличие от дисков и бабин, цилиндр имеет большую длину (1,9 - 2 м) и поэтому его спектр собственных форм колебаний более низкочастотный. Кроме этого, непосредственно в этом интервале частот происходит интенсивное излучение звуковой энергии подшипниковых узлов. Аналогичные закономерности формирования спектров шума получены для станка ШлЗЦВ. Здесь также уровни звукового давления превышены в области частот 500 - 8000 Гц и величины превышений составляют 4-8 дБ. Таким образом, экспериментальные исследования подтвердили правильность теоретических выводов о закономерностях шумообразования. Уровни звукового давления объектов исследования превышают санитарные нормы в широком частотном диапазоне 250-8000 Гц на 6-12 дБ, что вызывает необходимость разработки комплекса мероприятий для доведения шума на рабочих местах операторов до нормативных значений.

Четвёртая глава посвящена эффективности мероприятий по снижению шума рассматриваемых в работе станков. Расчёты уровней бабинно-дисковых и цилиндро-шлифовальных станков (рис. 7, рис. 8), выполненные на основе теоретических и экспериментальных исследований показали, что разница величин не превышает 2-3 дБ, что сопоставимо с точностью измерительной аппаратуры.

—1 -"А™ 2

Рис. 7. Расчётные и экспериментальные спектры шума станка ШлЗЦ-19; 1 - экспериментальный; 2 - расчётный

.УГ г" ■

£_____

м 1А ли «га таи» жи «п» ¡, 1 и

Рис. 8. Расчётные и экспериментальные спектры шума станка Шл 2Д: 1 ~ экспериментальный; 2 - расчётный

Это является главным критерием теоретического обоснования вибродемпфирующих параметров шлифовального инструмента, как доминирующего источника шума, исходя и:з выполнения предельно допустимых уровней шума.

Эффект в снижении уровней звукового давления бабинно-дисковых станков достигается путём демпфирования торцевой поверхности диска мастикой «Аитивибрит-2» и стеклопластиком, и использования бабины, состоящей из стальной, резиновой и винипластовой втулок (рис. 9).

Эффект в снижении шума цилиндро-шлифовальных станков достигнут путём заполнения внутренних воздушных полостей цилиндра сыпучим поглотителем и виброизоляцией подшипниковых узлов (рис. 10).

Рис. 9. Схема бабинно-дискового станка с повышенными вибродемпфирующими свойствами

Внедрение разработанных способов в условиях деревообрабатывающего цеха ООО «Завод по выпуску КПО» обеспечило выполнение санитарных норм шума не только отдельных станков, но и в условиях участка при одновременной их работе (рис. 11, рис. 12).

Рис. 10. Схема цилиндро-шлифовального станка с заполнением внутренних воздушных полостей цилиндра сыпучим поглотителем и виброизоляцией подшипниковых узлов

Ожидаемый годовой социально-экономический эффект, полученный за счёт повышения производительности труда операторов от снижения шума составляет 15 тысяч рублей на один бабинно-дисковый и 16,5 тысяч рублей на один цилиндро-шлифовальный станок (в ценах 2011 г.).

Общие выводы и рекомендации.

.

Конечные результаты работы можно представить следующими основными выводами:

1. Обеспечены безопасные условия труда операторов бабинно-дисковых и цилиндро-шлифовальных станков путем снижения запыленности до предельно-допустимых концентраций и уровней звукового давления до нормативных значений.

2. Построены математические модели виброакустической динамики шлифовального инструмента бабинно-дисковых и цилиндро-шлифовальных станков, формирующего превышение уровней шума в высокочастотной части спектра 1000-8000 Гц.

Рис. 11. Спектры шума бабинно-дискового станка: 1 - базового варианта, 2 - с диском и бабиной,

обладающими повышенными вибродемпфирующими свойствами; 3 - предельный спектр.

31 5 63 125 250 500 1000 2000 <000 .■ г„

—#—2 -*--3 ''

Рис. 12. Спектры шума трехцилиндрового станка: 1 -

базового варианта; 2-е модернизированными узлами шлифовальных цилиндров; 3 - предельный спектр.

3. Вскрыта и описана взаимосвязь между уровнями звукового давления в рабочей зоне, конструкцией шлифовального инструмента и технологическими режимами процесса шлифования.

4. Получены зависимости для уровней шума, позволяющие прогнозировать шумообразование в рабочей зоне при проектировании подобных станков, учитывающие структуру шлифовальной шкурки и диссипативные характеристики инструмента, что существенно уточняет формирование спектров шума и позволяет выбрать рациональные варианты вибродемпфирования для выполнения санитарных норм шума.

5. Разработанная на основе моделей шумообразования методика расчета спектров звукового давления подтверждена экспериментальными исследованиями. Разница между теоретическими и экспериментальными уровнями шума находится в пределах 2-4 дБ, что является достаточно высокой точностью для практических расчетов.

6. Результаты исследований прошли апробацию в производственных условиях ООО «Завод по выпуску КПО». Снижение уровней шума до санитарных норм достигнуто путем увеличения диссипативных свойств дисков и бабин у бабинно-дисковых шлифовальных станков. У цилиндро-шлифовальных станков помимо увеличения диссипативных свойств самого барабана выполнена виброизоляция подшипников узла шлифования.

Содержание диссертации отражено в б работах, основными из которых являются:

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

1. Чукарин А.Н. Экспериментальные исследования шума и вибраций бабинно-дисковых и цилиндровых шлифовальных деревообрабатывающих станков/ А.Н. Чукарин, М.А, Тамаркин, М.Ю. Щерба// Вестник РГУПС. - 2011.- №4(44). - С.98-101. (лично автором - 2 С.).

2. Тамаркин М.А. Оценка условий труда на рабочих местах бабинно-дисковых и цилиндровых шлифовальных станков/ М.А.

Тамаркин, М.Ю. Щерба// Вестник Дон. гос. техн. ун-та. - 2011. -Т.11, №8(59), вып. 2. - С.1391-1399. (лично автором - 6 С.).

3. Щерба М.Ю. Моделирование виброакустической динамики шлифовальных цилиндров цилиндрошлифовальиых деревообрабатывающих станков/ М.Ю. Щерба// Весгник РГУПС. -2012.- №1(45). - С.38-41.

4. Щерба М.Ю. Статистические исследования отклонений профилей дорожек качения подшипников цилиндрошлифовальных станков / М.Ю. Щерба, В.А. Кохановский // Вестник Дон. гос. техн. ун-та. - 2012. - №1(62), вып. 1. - С.74-78. (лично автором - 3 С.).

Статьи в других научных изданиях:

5. Щерба М.Ю. Моделирование вибраций гибких связей на примере ременных передач и шлифовальных лент деревообрабатывающих станков/ М.Ю. Щерба// Инновационные технологии в машиностроении: сб. тр. Междунар. науч. - пракг. конф. "Метмаш. Станкоинструмент" , 8-10 сент. [Электронный ресурс]. - Ростов н /Д, 2010. - Секц. II. - С. 275-278. - 1 электрон, опт. диск (CD-ROM).

6. Авакян A.A. Расчёт вибрации и шума ремённых передач деревообрабатывающих станков/ A.A. Авакян, М.Ю. Щерба// Инновационные технологии в машиностроении и металлургии: сб. ст. Междунар. науч. - практ. конф. "Метмаш. Станкоинструмент" в рамках VII пром. конгр. Юга России , 7-9 сент. [Электронный ресурс]. - Ростов н /Д, 201L- Секц. II. - С. 346-348. - 1 электрон, опт. диск (DVD-ROM). - № гос. регистрации 0321103287. (лично автором - 1 С.).

В печать 10.04.12.

Объем 1,0 усл.п.л. Офсет. Формат 60x84/16. Бумага тип №3. Заказ №¿93. Тираж 100

Издательский центр ДГТУ

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

61 12-5/3056

ФГБОУ ВПО

«РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ

СООБЩЕНИЯ»

На правах рукописи

ЩЕРБА МИХАИЛ ЮРЬЕВИЧ

СНИЖЕНИЕ ШУМА В РАБОЧЕЙ ЗОНЕ БАБИННО-ДИСКОВЫХ И ЦИЛИНДРО-ШЛИФОВАЛЬНЫХ ДЕРЕВООБРАБАТЫВАЮЩИХ СТАНКОВ

Специальность 05.26.01 - Охрана труда (в машиностроении)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Чукарин А.Н.

Ростов-на-Дону, 2012 г.

Содержание

Введение 4

Глава 1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследования. 7

1.1 Анализ существующих исследований эффективности и энергоемкости процесса обеспыливания при эксплуатации деревообрабатывающих станков 8

1.2 Методы выбора оптимальной технологии обеспыливания 11

1.3 Анализ исследований шума и запыленности фрезерующих деревообрабатывающих станков 13

1.4 Анализ работ по снижению шума и запыленности пильных станков 25

1.5 Описание объектов исследования 38

1.6 Выводы по главе. Цель и задачи исследования 40 Глава 2. Теоретическое исследование виброакустических характеристик бабинно-дисковых и цилиндро-шлифовальных станков 43

2.1 Вывод зависимостей виброскоростей шлифовального диска 46

2.2 Вывод зависимостей виброскоростей бабины 50

2.3 Вывод зависимостей виброскоростей узла цилиндров шлифовального станка 53 2.4. Моделирование вибраций ременных передач 59 2.5 Выводы по главе 62 Глава 3. Экспериментальные исследования шума и вибраций бабинно-дисковых и цилиндро-шлифовальных станков 64

3.1 Проведение измерений значений вредных производственных факторов станков 64

3.2 Условия проведения измерений 65

3.3 Измерения уровней шума и вибрации на рабочих местах 68

3.4 Экспериментальные исследования шума и вибрации источников 70

3.5 Оценка состояния условий труда на рабочих местах и гигиеническая классификация труда 75

3.6 Оценка условий труда на отдельных предприятиях металло- и деревообрабатывающей промышленности 79

3.7 Оценка условий труда на рабочих местах бабинно-дисковых и щшиндровых шлифовальных станков 81

3.8 Методика измерения коэффициента потерь колебательной энергии 88

3.9 Статистическая обработка экспериментальных данных 92

3.10 Статистические исследования отклонений профилей дорожек качения подшипников цилиндрошлифовальных станков 95

3.11 Выводы по главе 101 Глава 4. Эффективность мероприятий по снижению шума в рабочей

зоне бабинно-дисковых и цилиндрошлифовальных

деревообрабатывающих станков 103

4.1 Снижение шума цилиндрошлифовальных станков 103

4.2 Снижение шума бабинно-дисковых станков 111

4.3 Выводы по главе 119 Заключение 121 Библиография 123 Приложение 132

Введение

Деревообрабатывающие станки интенсивно эксплуатируются практически во всех отраслях машиностроения. Культура современного производства предполагает не только использование высокоэффективного и высокотехнологичного оборудования, но и безопасность условий труда операторов. Показатели безопасных условий эксплуатации технологического оборудования в значительной степени определяют их конкурентоспособность на мировых рынках, т. к. в развитых странах человеческий фактор - основной и улучшение условий труда, увеличение его безопасности относится к приоритетным направлениям развития производства. Передовые отечественные предприятия выпускают деревообрабатывающие станки, отвечающие мировым стандартам по показателям точности обработки, производительности, надежности, но по показателям безопасности труда наблюдается существенное отставание от западных аналогов и, прежде всего, по несоответствию уровней шума в рабочей зоне предельно-допустимым значениям.

Негативное влияние шумов повышенных уровней не только приводит к ряду профессиональных заболеваний, но и к увеличению брака выпускаемой продукции и снижению производительности труда. У операторов шлифовальных станков требования к точности обработки изделий особенно высоки, в том числе и при шлифовании древесины. Поэтому проблема снижения шума шлифовальных деревообрабатывающих станков является актуальной и имеет большое научно-техническое и социально-экономическое значение.

Целью данной работы является улучшение условий труда операторов бабинно-дисковых и цилиндро-шлифовальных деревообрабатывающих станков за счет снижения уровней шума до предельно-допустимых значений.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Теоретически описан процесс шумообразования узлов резания бабинно-дисковых и цилиндро-шлифовальных деревообрабатывающих станков, выявлены источники шума и определен их количественный вклад в формирование акустических характеристик в рабочей зоне.

2. Аналитические зависимости уровней звукового давления учитывают номенклатуру шлифовального инструмента, геометрические и механические характеристики, параметры режимов обработки и породу древесины.

3. Теоретически обоснованы конструктивные параметры дисков, бабин, шлифовальных цилиндров по критерию выполнения санитарных норм шума.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1. Разработана методика и математическое обеспечение инженерного расчета уровней звукового давления бабинно-дисковых и цилиндро-шлифовальных деревообрабатывающих станков.

2. На основе теоретических исследований разработаны конструкции малошумных дисков, бабин и шлифовальных цилиндров, у которых соответствие санитарным нормам шума обеспечивается повышенными вибродемпфирующими свойствами.

Исследования проводились с привлечением основных нормативных документов по «охране труда», положений технической виброакустики, теории колебаний и статистических методов обработки экспериментальных данных.

Реализация в промышленности. Эксперименты проводились на деревообрабатывающем участке ООО «Завод по выпуску КПО» (г. Азов). Внедрение комплекса мероприятий по повышению вибродемпфирующих

характеристик шлифовальных дисков, бабин и цилиндров обеспечило выполнение санитарных норм шума.

Апробация работы. Основные положения диссертации

докладывались на Международной научно-практической конференции в рамках промышленного конгресса юга России (8-10 сентября, 2010, Ростов-на-Дону, Россия) «ВертолЭкспо», на Международной научно-практической конференции в рамках VII Промышленного конгресса юга России (7-9 сентября, 2011, Ростов-на-Дону, Россия), а также на семинарах кафедры "Основы проектирования машин" ФГБОУ ВПО РГУПС.

Публикации. Основные положения диссертации отражены в 6 публикациях, в том числе 4 публикации в журналах, входящих в «Перечень ведущих научных журналов и изданий».

Структура работы. В соответствии со сложившейся структурой исследования, целью и поставленными задачами диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и рекомендаций, библиографического списка из 101 наименования и приложения. Диссертация содержит 39 рисунков, 19 таблиц и изложена на 132 страницах машинописного текста.

Глава 1. Состояние вопроса.

Цель и задачи исследования

Вопрос улучшения условий труда операторов деревообрабатывающих станков обусловливает необходимость исследования закономерностей возникновения акустического шума, а также разработки методов и средств снижения влияния шума на человека и окружающую среду. По результатам анализа существующих исследований по данной проблематике особо следует отметить отсутствие комплексного подхода к обеспечению санитарно-гигиенических условий труда в рабочей зоне шлифовальных, сверлильных и фрезерных деревообрабатывающих станков за счет снижения шума рассматриваемого оборудования. Среди работ, посвященных безопасности труда операторов деревообрабатывающих станков, особое внимание в данной главе уделено исследованиям процесса обеспыливания, а также обеспечения безопасных условий эксплуатации и экологичности деревообрабатывающих станков фрезерной группы [1-80].

В этих работах выполнено теоретическое описание процесса аэродинамической вихревой очистки воздуха от древесной пыли для рассматриваемого оборудования на основе построения физической модели процессов снижения загрязнения воздуха рабочей зоны и шумообразования.

Так как реализация процессов связывания и задержания пыли на рассматриваемом деревообрабатывающем оборудовании не представляется возможной из-за жестких технологических требований, предъявляемых к древесине и рабочим органам станков, а процесс улавливания организуется локально встроенными в станки инженерными средствами, то в дальнейшем рассматривается процесс очистки воздуха от древесной пыли как основной этап реализации снижения загрязнения воздуха с учетом известных технологий.

1.1 Анализ существующих исследований эффективности и энергоемкости процесса обеспыливания при эксплуатации деревообрабатывающих станков

Учитывая функциональные зависимости результирующих характеристик и параметров свойств взаимодействующих дисперсных систем в процессе очистки, математическое описание процесса заключается в получении параметрических зависимостей эффективности очистки и энергоемкостного показателя. С учетом вероятностного характера процесса эффективность очистки может быть записана в общем виде

Еэф = 1-(1-Еи)х(\-Еа)х...х(1-Е,\ (1.1)

где Ец, Еа Ет - соответствующие физические механизмы удаления частиц дисперсной фазы из потока пылевого аэрозоля [78]. При описании процесса аэродинамической вихревой очистки воздуха от пыли можно выделить следующие зоны сепарации частиц пыли из пылевого аэрозоля: центробежная, инерционная и гравитационная. Эффективность центробежного механизма определена по формуле

Е?ф=1-0,0ЮУч1], (1.2)

где В[с1Ч1~\ - распределение частиц древесной пыли по размерам (фракциям).

Эффективность инерционного механизма очистки представлена следующей формулой

Е:;=1-(1-Е;ф)х(1-Е%% (1.3)

где - Екэф, Е™ф - соответственно эффективности коагуляции частиц пыли и их транспортировки в гравитационную зону.

Эффективность гравитационного механизма описана следующей зависимостью:

игр _ пэф ~

(1.4)

где - соответственно массовые скорости частиц пыли,

уловленных в инерционной и гравитационной зонах, а также неуловленных в гравитационной зоне.

Исходя из этих зависимостей, получена параметрическая зависимость эффективности аэродинамической вихревой очистки:

Еэф= 1-

о,оош

9 ud S

I г^г eux пат

р£оСк

X

о,оош

у

ч50

Л2

|14,08х//г

Рч х Q

(1.5)

площадь «внешней» дисперснои системы,

2.

создающей

где [лг- коэффициент Пуассона;

deux - диаметр входящего закручивающегося потока, м;

S пат

тангенциально-закрученный поток, м" рч - плотность воздуха, кг/м3;

о

Qo - расход воздуха, поступающего в зону очистки, м /с; ч5о - коэффициент сопротивления среды движению частиц пыли.

Кроме эффективности, результирующим параметром процесса аэродинамической вихревой очистки является энергоёмкостный показатель, который характеризует экономичность реализации процесса и определяется следующей обобщенной формулой:

W

Т?э _ vv ПО -

Jno

N

ПО

N

(1.6)

ПО

где 1¥ло - энергетический параметр, характеризующий полезную энергию процесса очистки, расходуемую непосредственно на разделение дисперсной фазы и дисперсионной среды пылевого аэрозоля;

г

Л

У

V

У

- энергетический параметр, характеризующий полезную энергию на каждом /'-ом этапе процесса очистки;

Ыпо - энергетический параметр, характеризующий энергию, затраченную на организацию процесса очистки воздуха от пыли.

Для получения параметрической зависимости энергоемкостного показателя, аналогично эффективности, рассмотрены физические механизмы реализации рассматриваемого процесса очистки (по трем выделенным зонам). Для каждого механизма выделены виды полезной энергии, расходуемой на обеспечение соответствующих видов эффективности, а также виды затраченной энергии.

Используя зависимости энергетических параметров, характеризующих полезную энергию центробежного, инерционного и гравитационного механизмов, получено выражение энергоемкостного показателя

0,01хсох

Е? ■

ПО '

100-/)

аОА

X

( п V ( к V ' +

Ы) П

V У

+33,4х

ч50

рЛч

чЬч50

щ

(1.7)

где Р0 - давление воздуха, создаваемое побудителем тяги во входном сечении активной зоны очистки, Па;

Кф - тангенциальная составляющая скорости, м/с;

-аксиальная составляющая скорости, м/с;

с^ - диаметр вихря, м;

с0 - начальная концентрация частиц дисперсной фазы пылевого аэрозоля, поступившего в зону очистки, мг/м3;

г

\

/п - средняя центробежная составляющая скорости частиц

¡=о

дисперсной фазы;

к

/к - средняя аксиальная составляющая скорости частиц дисперсной

/=о

фазы;

йц50 - медианный диаметр частиц дисперсной фазы пылевого аэрозоля, поступивших на очистку, м;

^о - коэффициент сопротивления среды движению частиц пыли диаметром с!ч50.

Таким образом, выполнено математическое описание и получена возможность расчета значений эффективности и энергоёмкостного показателя процесса аэродинамической вихревой очистки воздуха от пыли для заданных производственно-технологических условий фрезерных деревообрабатывающих станков.

1.2 Методы выбора оптимальной технологии обеспыливания

Выбор оптимальной технологии (метод-способ-устройство) очистки воздуха от пыли для рассматриваемого деревообрабатывающего оборудования осуществляли по разработанной методике [80], включающей следующие основные этапы:

1. Сбор информации о реально возможных в условиях данного производства технологических параметрах реализации процесса очистки (характеристики вентиляторов, типы и характеристики встроенных элементов улавливания пыли, геометрические характеристики воздуховодов и т.д.), исходя из наличия соответствующего оборудования на предприятии или возможности его приобретения.

2. Формирование возможных к реализации вариантов технологий (метод-способ-устройство) на основе выбранных по п. 1 технологических

параметров, а также известных конструкций аппаратов очистки (циклонов).

3. Сопоставление технологических параметров и особенностей, сформированных в п. 2 вариантов с технологическими особенностями рассматриваемого производства, требованиями к сырью, отходам, основному технологическому оборудованию, производственному помещению, воздуху рабочей зоны внутри помещения и на территории предприятия (недопустимость переувлажнения сырья и воздуха, превышения температуры, подвижности воздуха, показатели взрыво-пожароопасности и другие). Отбор наиболее приемлемых вариантов.

4. Для каждого отобранного в п. 3 к дальнейшему рассмотрению варианта расчет эффективности процесса очистки (Еэф) и дополнительный отбор только тех вариантов, которые обеспечивали соблюдение ПДК в воздухе рабочей зоны рассматриваемого производственного помещения и ПДК в воздушном бассейне территории промышленной площадки. Если условие соблюдения ПДК не выполняется для всех вариантов, то выбор только того варианта, который обладает максимальной эффективностью.

5. Если условие соблюдения ПДК выполняется в п. 4 для нескольких вариантов, то дальнейший выбор оптимального условия осуществляется на основе расчета энергоёмкостного показателя Еэ для каждого из них.

6. Окончательный выбор оптимальной технологии реализации процесса очистки воздуха от древесной пыли осуществляется на основе максимального значения энергоёмкостного показателя Еэ.

Если для нескольких вариантов значения энергоёмкостного показателя оказываются равными, то такой выбор осуществляют по минимальному из соответствующих значений затраченной энергии N.

В результате выполнения расчетов для условий запыленного воздуха рабочих зон деревообрабатывающего цеха установлено, что оптимальным из различных устройств очистки воздуха от древесной пыли является шаровой циклон, обладающий максимальной эффективностью очистки при максимальном энергоёмкостном показателе процесса.

1.3 Анализ исследований шума и запыленности фрезерующих деревообрабатывающих станков В работах [74,76] также сделан вывод, что шумообразование деревообрабатывающих фрезерных станков вследствие их конструктивных особенностей практически полностью определяется звуковой энергией, излучаемой заготовкой и инструментом. Для инструмента фуговальных и рейсмусовых станков принята модель балки 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

1

1,к -20Ър~Гк+тв + тЪм_0Л70-8)

где р - удельная сила резания, Па; п- круговая частота вращения, рад/с; 2 -число зубьев; / - длина режущего лезвия, м;

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

- инструмент ш�