автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Улучшение условий труда операторов специальных колесофрезерных станков

На правах рукописи

УЛУЧШЕНИЕ УСЛОВИЙ ТРУДА ОПЕРАТОРОВ СПЕЦИАЛЬНЫХ КОЛЕСОФРЕЗЕРНЫХ СТАНКОВ

Специальность: 05.26.01 - Охрана труда (в машиностроении)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов-на-Дону, 2013 г.

005546243

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

Научные руководители: доктор технических наук, профессор

Месхи Бесарион Чохоевич,

Официальные оппоненты: Тамаркин Михаил Аркадьевич -

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Технология машиностроения» ФГБОУ ВПО ДГТУ

Финоченко Виктор Анатольевич -

доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Безопасность жизнедеятельности» ФГБОУ ВПО РГУПС

Ведущая организация: Российская ассоциация производителей

станкоинсгрументальной продукции "СТАНКОИНСГРУМЕНТ" (г. Москва)

Защита состоится 27 декабря 2013 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.058.06 в ФГБОУ ВПО «Донской государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО ДГТУ) по адресу: 344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1, ауд. 252.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО ДГТУ.

Автореферат разослан "20" ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного 1

совета А.Т. Рыбак

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Одно из основных направлений государственной политики в области охраны труда, которое закреплено в российском законодательстве - обеспечение приоритета сохранения жизни и здоровья работников. Это требует повышение качества и комфортности рабочих мест путем улучшения условий труда и обеспечения безопасности занятых на них работников. Состояние условий труда по-прежнему сохраняет тенденцию к ухудшению. При этом в промышленности доля работников, занятых во вредных условиях труда, составляет 33,3 % от общего количества работающих; в строительстве - 20,2%; на транспорте - 34,5 %; в организациях, осуществляющих деятельность по добыче полезных ископаемых, обрабатывающих производствах, превышает 75 %.

Одной из основных причин профессиональных заболеваний является производственный шум, который совместно с вибрацией дает 30-35 % всех профессиональных заболеваний.

Участки колесофрезерных станков являются неблагоприятными с точки зрения шумового дискомфорта. Приведение к санитарным нормам уровней шума улучшает условия труда на рабочих местах операторов, снижает производственный травматизм и способствует повышению конкурентоспособности оборудования, т.к. показателям безопасности труда в развитых странах уделяется очень серьезное внимание. Поэтому задача снижения шума в рабочей зоне колесофрезерных станков является актуальной и имеет важное научно-техническое и социально-экономическое значение.

Целью работы является улучшение условий труда на участках колесофрезерных станков при обработке колесных пар путем снижения уровней шума до нормативных величин.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Получены аналитические зависимости уровней звукового давления, учитывающие характерные особенности компоновки и условий обработки узлов колесных пар и режущего инструмента, что в значительной степени отличает их от существующих для универсальных фрезерных станков.

2.Теорегически обоснованы параметры системы снижения шума в самом источнике до предельно-допустимых значений на основе полученных моделей шумообразования и уточненных регрессионных зависимостей коэффициентов потерь колебательной энергии колесных пар и узла режущего инструмента.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Разработаны конструкции систем шумозащиты, основанные на демпфировании узла резания и колесных пар, установка которых обеспечила выполнение санитарных норм шума в рабочей зоне оператора специальных колесофрезерных станков.

2. Обоснована рациональная конструкция звукопоглощающей акустической облицовки производственного помещения колесофрезерных станков, относящегося к типу соразмерных, с учетом характерных особенностей спектрального состава шума.

Реализация работы в промышленности. Результаты исследований внедрены в моторовагонном депо Северокавказской дирекции мо-торовагонного подвижного состава (г. Минводы).

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на V научно-практической конференции «Инновационные технологии в машиностроении и металлургии» (11-13 сентября 2013 г., г. Ростов-на-Дону).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ, в том числе 2 в журналах, входящих в «Перечень ведущих научных журналов и изданий».

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и рекомендаций, списка использованной литературы из 109 наименований, имеет 42 рисунка, 13 таблиц и изложена на 120 страницах машинописного текста. В приложение вынесены сведения о внедрении.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе представлен аналитический обзор выполненных ранее исследований, посвященных проблемам безопасности эксплуатации, шума и вибрации металлорежущих станков. В частности, снижению шума корпусных и базовых деталей с использованием сыпучих поглотителей посвящены работы Б.Е. Болотова, М.П. Козочкина, С.Н. Панова. Шумообразование заготовок и режущего инструмента в этих работах не рассматривалось. В работах Б.Г. Заверняева рассматривалась задача снижения шума механизмов поддержки прутка с пружинами ступенчато-переменного диаметра токарных многошпиндельных автоматов. Шум и вибрация механизмов поддержки высокоскоростных прутковых станков изучались Т.А. Финоченко. Влиянию процессов резания на акустические характеристики станков токарной группы посвящены работы А.Н. Чука-рина.

Группе фрезерных станков посвящены работы И.А. Балыкова, Б.И. Месхи, O.A. Калашниковой. Анализу этих исследований уделено особое внимание.

Для этих типов станков получены аналитические зависимости и инженерные методики расчета уровней звукового давления и вибраций, в которых" отражены компоновочные решения станков, технологические режимы обработки, параметры обрабатываемых заготовки и режущего

инструмента. При моделировании процессов виброакустической динамики заготовки рассматривались как системы с распределенными параметрами с соответствующими способами закрепления и воздействии подвижной технологической нагрузки, а инструмент как консольно-закрепленные системы. Специальные станки, в том числе и колесофре-зерные, изучены недостаточно. Компоновка колесофрезерного станка, обрабатываемые колесные пары и узел резания имеют существенные отличия от универсальных и широкоуниверсальных станков, что и не позволяет использовать существующие модели шумообразования для данного типа оборудования. Существующие экспериментальные исследования диссипативной функции и полученные на их основе регрессионные зависимости эффективных коэффициентов потерь колебательной энергии пластин, швеллеров, двутаврового профиля и т.д., неприменимы для расчета уровней шума обрабатываемых колесных пар и узла режущего инструмента специального колесофрезерного станка. Таким образом, решение задачи улучшения условий труда операторов колесофрезерных станков за счет снижения шума до санитарных норм является актуальной.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

- разработать модели процессов возбуждения вибраций и шумообразования основных источников, учитывающих характерные особенности компоновки и условий обработки;

- получить аналитические зависимости для определения спектров шума, учитывающих конструктивные, физико-механические характеристики и, в частиости, диссипативные параметры;

- провести экспериментальные исследования виброакустических характеристик процесса фрезерования колесных пар, а также эффективного коэффициента потерь колебательной энергии;

- разработать инженерные решения по снижению уровней звукового давления в рабочей зоне операторов до санитарных норм.

Во второй главе приведены результаты теоретических исследований закономерностей виброакустических характеристик специального колесофрезерного станка. Условия расположения станка в производственном помещении таковы, что габаритные размеры самого станка того же порядка, что и производственного помещения. Поэтому процесс шумообразования в рабочей зоне следует рассматривать для источников, расположенных в соразмерных помещениях. В качестве доминирующих источников шума следует выделить технологическую подсистему «фреза - колесная пара», обладающую намного меньшей жесткостью, чем несущая система станка и непосредственно воспринимающую силы резания при фрезеровании.

Уровни звукового давления, создаваемого источниками шума в рабочей зоне оператора при условии выполнения санитарных норм шума, определяется по формуле

о 1/. I (¿¡а ^.зд-я 14

2 • Ю0'11* + Ю0'1^ + Ю0'1^ = 10 1 ^ + ^ > ' , (1)

где ¿1, ¿2, ¿з - уровни звукового давления колес, оси колесной пары и фрезы (соответственно), дБ; ¿с- санитарные нормы шума, дБ; г - расстояние от источника шума до расчетной точки, м; 5- площадь производственного помещения, м2; а - коэффициент звукопоглощения.

В качестве моделей источников шума приняты: круглая пластина, защемленная в центре, для колеса, а для оси колесной пары и фрезы -линейный источник, уровни звукового давления которых определяются следующими зависимостями колеса:

^ =201д^Л"-201д/?,г + 301дЛ„ + 174 ; (2)

оси колесной пары и фрезы

- для условий шарнирного закрепления:

4(3) = 201д1/^-201дг + 301д^) +51д-^- + 165 ; (3)

- для условий жесткого закрепления:

¿2(3) = 20\дук(2к -1) - 201д г + 301д¿0{ф) + 5+162 . (4)

где 14 - скорость колебаний источника шума, м/с; к - коэффициент, характеризующий собственные частоты колебаний; ЯК - радиус колеса, м; Нк - толщина обода колеса, м; с!а /„ - диаметр и длина оси колесной пары, м; бф, /ф- диаметр и длина фрезы, м.

Скорости колебаний обрабатываемых колес определены при допущении, что на колесную пару воздействуют симметрично приложенные силы резания, имеющие гармонический характер. Выражение максимальных значений среднеквадратичных скоростей, на основе которых определяются уровни звукового давления, для обрабатываемых колес получены в следующем виде

КД =- ^ -1-г5- 1В, (5)

4г /г Л, - 2 • 10 (лг V*)

где Ру и Рг - составляющие силы резания, Н; х\к - коэффициент потерь колебательной энергии колеса; п- частота вращения фрезы, об/мин; г -число зубьев фрезы.

Максимальные значения среднеквадратичных скоростей колебаний оси колесной пары, как системы с распределенной массой, получены из дифференциальных уравнений изгибных колебаний в следующем виде

1 max'2 d2JB к

. Ttkl. . пЩ+L) sin—L + sin-^-^

' n ' n

1,7-10'

+ 3-101'

Jo,

лХ4

-0,5

(6)

где /i и 4 - координаты приложения сил резания, м; х\а - коэффициент потерь колебательной энергии оси.

Аналогичным образом получено выражение максимального значения среднеквадратичной скорости колебаний фрезы

л к/. . nkl2 . nkf_.4

S_____l i cin __

1 max'3 dfa к

sin—i■ + sin -—— +... + sin—-'Ф 'ф Ф )

1,7-10 °d¡

vV

•(0,1/7Z*)2

+ 3.10lfr,X

-0,5

(7)

где // - координаты расположения зубьев фрезы, м; Цф - коэффициент потерь колебательной энергии фрезы.

На этой основе определены скорости колебаний, соответствующие выполнению санитарных норм шума при условии одновременного излучения звуковой энергии тремя источниками: колес

К =f-io к

0,05i<.+lg^f-9

оси колесной пары и фрезы

- для условий шарнирного закрепления

К

= 1-10

8,5

(8)

(9)

- для условии жесткого закрепления 1

» 2к-1

0,05/,+ 10 "с(*>

(10)

Из выражений скоростей колебаний определяется значение требуемой величины эффективного коэффициента потерь колебательной энергии источников, что показано на примере колеса

Для оси колесной пары и узла резания зависимость коэффициентов потерь колебательной энергии вследствие громоздкости в автореферате не приводятся.

Теоретические исследования фактически позволяют обосновать конструктивные параметры системы, обеспечивающей выполнение санитарных норм шума в рабочей зоне оператора специального колесофре-зерного станка путем снижения интенсивности звукового излучения непосредственно самих источников.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований условий труда операторов специальных колесофрезерных станков (КФС). Анализ результатов аттестации рабочего места оператора КФС показал, что среди комплекса опасных и вредных производственных факторов только шумовые характеристики превышают санитарные нормы.

Таблица 1.

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

Эквивалентный уровень звука, дБА 80 87-92 12 3.1

Эквивалентный уровень виброскорости, дБ 107 77-97 - 2

Температура воздуха, °С (категория - Пб) 15-22 24 - 2

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

Влажность воздуха, % 15-75 48 - 2

Освещенность (общая / рабочей поверхности), лк 300 / 750 308 / 820 - 2

Аэрозоли (пыль) преимущественно фиброгенного действия 2 нпч - 2

Химический (акролеин) 3.1

Напряженность труда - - - 2

Тяжесть труда - - - 2

Общая оценка условий труда - - - 3.1

Экспериментальные исследования спектров шума и вибрации проводились в условиях локомотивного депо акустическим комплектом «Октава». Уровни вибрации на рабочем месте оператора намного ниже предельно-допустимых значений и в автореферате не приводятся.

Расположение точек измерений (рис. 1) и результаты экспериментов уровней звукового давления приведены на рис. 2-3.

Рис. 1. Расположение точек измерения шума колесофрезерного станка

Рис. 2. Спектры шума колесофрезерного станка при частоте вращения фрезы 180 об/мин: 1 - холостой ход; 2 - рабочий режим без выдувания стружки; 3 -выдувание стружки; 4 - предельно-допустимые уровни шума

Уровни звукового давления в рабочей зоне оператора показаны на рис. 2 (точка 5). Уровни шума холостого хода существенно ниже предельно-допустимых значений во всем диапазоне частот. В рабочем режиме спектр шума станка существенно изменяется. Фактически превышение уровней звукового давления наблюдается в широкой полосе частот 250-8000 Гц. В рабочем режиме в этом интервале частот превышение уровней звукового давления составляет 4-10 дБ. Необходимо отметить, что максимальные величины превышения уровней звукового давления над санитарными нормами зафиксированы в пятой и шестой октавах (среднегеометрические частоты 500 и 1000 Гц) и составляют 9-10 дБ. На более высоких частотах (в седьмой, восьмой и девятой октавах) превышение уровней звукового давления меньше и составляет 4-5 дБ.

Процесс выдувания стружки повышает интенсивность шумообра-зования, в средне- и высокочастотном диапазонах 250-8000 Гц. Увеличение уровней звукового давления составляет 2-3 дБ при неизменном характере спектрального состава.

Таким образом, величины превышения уровней звукового давления над предельно-допустимыми значениями составляет 10-18 дБ.

Анализ результатов измерений показал, что превышение уровней звукового давления над предельно-допустимыми величинами формируется звуковым излучением системой «фреза - обрабатываемое колесо». Действительно, спектральный состава шума в точках 3, 4 и 6 (см. рис. 3) с шагом 0,7-0,75 м, которые расположены фактически против зоны обработки, идентичен спектральному составу шума в рабочей зоне оператора. Следует отметить, что разница уровней звукового давления в этих точках не превышает точности измерительной аппаратуры.

Рис. 3. Спектры шума колесофрезерного станка в точке 3

Измерения вибраций производились на несущей системе станка, узлах крепления колесной пары и правой опоре узла режущего инстру-

мента (см, рис. 1, точки 1 и 2). Увеличение уровней вибрации в сравнении с несущей системой составляет 7-10 дБ в области частот 315-1000 Гц. Еще более высокие уровни вибрации зафиксированы на узле крепления фрезы, где уровни вибрации на 5-6 дБ выше, чем на узле крепления колесной пары.

В лабораторных условиях проводилась серия экспериментов по определению коэффициентов потерь колебательной энергии узлов колесных пар и режущего инструмента.

Результаты измерений (см. рис. 4) показали, что при общей закономерности характера частотно-зависимых коэффициентов потерь колебательной энергии их величины для узлов колесных пар и режущего инструмента существенно отличаются от известных данных для пластинчато-стержневых конструкций. Поэтому полученные результаты позволяют уточнить расчеты спектров шума и вибраций колесной пары и узла режущего инструмента.

Рис. 4.

Таким образом, экспериментальные исследования, проведенные в реальных производственных условиях, подтвердили правильность теоретического подхода к моделированию процессов шумообразования в рабочей зоне специальных колесофрезерных станков. В частности, доказано, что превышение уровней звукового давления в рабочей зоне оператора практически полностью определяется звуковым излучением обрабатываемых колес и режущего инструмента.

Полученные теоретические и экспериментальные данные позволяют выбрать наиболее эффективные, рациональные и технически реализуемые решения конструкции системы шумозащиты, обеспечивающие выполнение санитарных норм шума в рабочей зоне операторов подобного оборудования.

Т1

0,0055 0,005 0,0045 0,004 0,0035 0,003

31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 f, Гц

Коэффициенты потерь колебательной энергии узлов колесных пар и режущего инструмента

В четвертой главе приведены результаты эффективности мероприятий по снижению шума и вибрации и внедрение результатов исследований. Выбор способов снижения шума фактически определяется величинами превышения над предельно-допустимыми значениями.

Как видно из полученных результатов по величинам превышения уровней имеется четко выраженный максимум в пятой октаве со среднегеометрической частотой 500 Гц, где величина превышения составляет 17 дБ (см. рис, 2). По характеру спектра величины превышений уровней звукового давления видно, что наиболее сложная ситуация по доведению уровней звукового давления до предельно-допустимых значений возникает в пятой и шестой октавах. На этих частотах основные существующие способы снижения воздушного и структурного шума имеют сравнительно невысокую эффективность, в особенности, применительно к объекту исследования.

На первом этапе снижения уровней шума в рабочей зоне оператора, которая по габаритным размерам представляет собой соразмерное помещение, были проведены мероприятия по акустической облицовке стен и пола. В качестве облицовки стен был выбран материал, представляющий собой совокупность стеклопластика толщиной 3 мм в качестве наружного и внутреннего слоев, между которыми располагается серый войлок толщиной 15 мм. Этот материал эффективен в сравнительно узком диапазоне частот, но фактически именно в полосе 500-1000 Гц имеет наиболее высокие коэффициенты звукопоглощения, составляющие 0,75 на частоте 500 Гц, 0,99 на частоте 630 Гц, 0,75 на частоте 800 Гц. Акустическая облицовка стен помещения колесофрезерного станка привела к заметному снижению уровней звукового давления в наиболее «опасном» частотном диапазоне 500-1000 Гц, которое составило 5 и 4 дБ (соответственно).

Для обоснования рациональных параметров конструкции системы шумозащиты рассчитывался количественный вклад основных источников шума - обрабатываемых колес, оси колесной пары и фрезы в формирование спектров шума в рабочей зоне оператора. Для этих целей по экспериментальным данным, приведенным на рис. 4 получены регрессионные зависимости коэффициентов потерь колебательной энергии: колеса

т) = -0,042 + 0,106 (1д Г) - 0,096 (1д /)2 + 0,046 (1д Г)1 - 0,012 (1д +

+ 0,002(1д/г)5-0,0001(1д/г)6. оси колесных пар Л = -0,035 + 0,108 (1д /) - 0,121 (1д + 0,072 (|д Г)3 - 0,024 (1д /г)4 +

+ 0,004(!д/7)5 -0,0003(1д/г)6.

фрезы

т1 = 0,037 - 0,07(1д/') + 0,0б(1д/")2 - 0,025 (1д Л)3 + 0,005 (1д ^ - 0,0004 (1д Г)5.

Условия обработки колесных пар таковы, что реально можно выполнить вибродемпфирование торцевых поверхностей фрезеруемых колес, что составляет 97 % общей площади звукоизлучающей поверхности, и всей поверхности оси колесной пары. Конструктивная схема шумоза-

В качестве материала для системы шумозащиты колесной пары использован магнитопласт (ферромагнитный порошок и эпоксидная смола). При окончательном определении конструктивных и физико-механических параметров элементов системы шумозащиты учитывалось, что помимо вибродемпфирующих свойств данная система обладает и звукоизоляцией. Уточненный расчет показал, что для выполнения санитарных норм шума толщина стенки элементов, закрывающих торцевые поверхности колес должна быть 38-40 мм, а толщина втулки оси колесной пары - 150 мм на сторону.

Снижение уровней шума, создаваемых узлом режущего инструмента, достигалось уменьшением виброакустической активности как подшипниковой опоры оправки, так и самого режущего инструмента. Замена двух шариковых подшипников роликовым привело, к снижению уровней вибрации на 7-9 дБ

Снижение интенсивности звукового излучения режущего инструмента достигнуто повышением вибродемпфирующих свойств фрезерной оправки за счет установки втулки из капролона.

Внедрение разработанной системы шумозащиты на специальном колесофрезерном станке привело к выполнению санитарных норм уровней звукового давления во всем нормируемом диапазоне частот (рис. 6).

Рис. 6. Спектр шума в рабочей зоне колесофрезерного станка, оснащенного системой шумозащиты

Уровни звукового давления в области низких частот практически не претерпели изменений. В среднечастотной области (3-5 октавы со среднегеометрическими частотами 125, 250 и 500 Гц) уровни звукового давления ниже предельно-допустимых значений на 2 дБ (что фактически соответствует точности измерений). В высокочастотной части спектра (1000-8000 Гц) уровни звукового давления на 4-5 дБ ниже предельно-допустимых величин. Результаты исследований внедрены в моторовагон-ном депо Северохавказской дирекции моторовагонного подвижного состава (г. Минводы). Ожидаемый годовой социально-экономический эффект за счет снижения уровней звукового давления составляет 37 500 руб. на один станок (в ценах 2012 года).

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

Полученные в работе научные и практические результаты можно представить следующими выводами:

1. В акустической системе специальных колесофрезерных станков выделены подсистемы обрабатываемых колесных пар и узла режущего инструмента, излучение звука которыми определяет превышение уровней звукового давления в рабочей зоне над санитарными нормами.

2. Показано отличие в колебательных моделях колесных пар и узла резания от существующих моделей системы «заготовка - инструмент» для универсальных и широкоуниверсальных станков фрезерной группы.

3. Получены аналитические зависимости уровней звукового давления основных акустических подсистем - колесных пар и узла режущего инструмента, учитывающие характерные особенности компоновки источников, значительно отличающих их традиционных фрезерных станков.

4. Экспериментальные исследования, проведенные в реальных условиях эксплуатации специальных колесофрезерных станков подтвердили теоретические выводы о закономерностях формирования спектров вибрации и шума.

5. Получены регрессионные зависимости эффективных коэффициентов потерь колебательной энергии колесных пар и узла резания, что позволило не только уточнить расчеты спектров шума этих источников, но и определить параметры технического устройства снижения уровней звукового давления до нормативных величин.

6. Разработана конструкция системы, выполняющей функции вибродемпфирования и звукоизоляции основных источников и обеспечившее выполнение санитарных норм шума в рабочей зоне специального колесофрезерного станка.

7. Результаты исследований внедрены в моторовагонном депо Северокавказской дирекции моторовагонного подвижного состава (г. Минводы). Ожидаемый годовой социально-экономический эффект за счет снижения уровней звукового давления составляет 37 500 руб. на один станок (в ценах 2012 года).

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

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

1. Досов В.Е. Теоретическое исследование шумообразования колесных пар, обрабатываемых на специальных колесофрезерных станках/ В.Е. Досов, А.Н. Чукарин // Вестник РГУПС, №3, 2013. - С. 7-13.

2. Досов В.Е. Оценка уровней шума, создаваемого фрезами при обработке колёсных пар / В.Е. Досов // Вестник ДГТУ. - 2013. №5/6 (74). -С. 91-96.

Статьи в других изданиях:

3. Досов В.Е. Виброакустмческие характеристики колесофрезерного станка / В.Е. Досов // Известия ИУИ АП, 3-4 (25-26). - 2011. - С. 131137.

4. Досов В.Е. Обоснование звукопоглощающей облицовки участков специальных колесофрезерных станков / В.Е. Досов // Известия ИУИ АП, 1-2 (27-28). - 2012. - С. 10-15.

Доклады и тезисы докладов на конференциях:

5. Досов В.Е. Оценка тяжести труда операторов специальных колесофрезерных станков / В.Е. Досов, Б.Ч. Месхи // V научно-практическая конференция «Инновационные технологии в машиностроении и металлургии»: сб. статей (11-13 сентября 2013 г., г. Ростов-на-Дону). - Ростов н/Д: Изд. центр ДГТУ, 2013. - 776 с. - С. 252-254.

В печать 12.11.2013 г.

Объем 1,0 усл.п.л., 1,0 уч.-изд.л. Офсет. Бумага тип №3. Формат 60x84/16. Заказ № 1135. Тираж 100.

Издательский центр ДГТУ

Адрес университета и полиграфического предприятия: 344000, г. Росгов-на-Дону, пл. Гагарина,!.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО

ОБРАЗОВАНИЯ

«ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

04201454647

На правах рукописи

Досов Виктор Евгеньевич

УЛУЧШЕНИЕ УСЛОВИИ ТРУДА ОПЕРАТОРОВ СПЕЦИАЛЬНЫХ КОЛЕСОФРЕЗЕРНЫХ СТАНКОВ

Специальность: 05.26.01 - Охрана труда (в машиностроении),

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Месхи Б.Ч.

Ростов-на-Дону, 2013

СОДЕРЖАНИЕ

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

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ...................8

1Л. Теоретическое исследование шума при фрезеровании на универсальных фрезерных станках...................................................................................................8

1.2. Обзор работ по изучению шума и вибраций станков прерывистого резания.....................................................................................................................12

1.3. Анализ работ шума и вибраций продольно-фрезерных станков...............23

1.4. Анализ существующих исследований эффективных коэффициентов потерь колебательной энергии.............................................................................25

1.5. Системы шумозащиты специальных колесотокарных станков.................27

1.6. Описание объекта исследования...................................................................29

1.7. Выводы по главе, задачи исследования........................................................32

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ШУМООБРАЗОВАНИЯ КОЛЕСНЫХ ПАР, ОБРАБАТЫВАЕМЫХ НА СПЕЦИАЛЬНЫХ КОЛЕСОФРЕЗЕРНЫХ СТАНКАХ.........................................................................34

2.1. Вывод зависимостей скоростей колебаний колесной пары.......................38

2.2. Моделирование процесса шумообразования узлом режущего инструмента............................................................................................................47

2.3. Выводы по главе.............................................................................................55

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВИБРОАКУСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КОЛЕСОФРЕЗЕРНОГО СТАНКА......................................57

3.1. Оценка состояния труда оператора...............................................................57

3.2. Экспериментальные исследования шума и вибрации................................64

3.3. Экспериментальные исследования эффективных коэффициентов потерь колебательной энергии колесных пар и узла резания........................................74

3.4. Выводы по главе.............................................................................................80

4. ЭФФЕКТИВНОСТЬ МЕРОПРИЯТИЙ ПО СНИЖЕНИЮ ШУМА КОЛЕСОФРЕЗЕРНЫХ СТАНКОВ.........................................................................81

4.1. Регрессионные зависимости коэффициентов потерь колебательной

энергии....................................................................................................................84

4.2. Система шумозащиты колесных пар............................................................96

4.3. Способы снижения шума узла резания......................................................100

4.4. Выводы по главе...........................................................................................105

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ...........................................................106

ЛИТЕРАТУРА.........................................................................................................108

ПРИЛОЖЕНИЕ.......................................................................................................120

ВВЕДЕНИЕ

Одно из основных направлений государственной политики в области охраны труда, которое закреплено в российском законодательстве -обеспечение приоритета сохранения жизни и здоровья работников. Это требует повышение качества и комфортности рабочих мест путем улучшения условий труда и обеспечения безопасности занятых на них работников. Состояние условий труда по-прежнему сохраняет тенденцию к ухудшению.

По данным Росстата продолжается увеличение доли работников, занятых во вредных условиях труда.

Так, на конец 2011 года доля таких работников составила 30,5 % (в 2010 году - 29,0 %). Таким образом, практически каждый третий работник в Российской Федерации трудится во вредных условиях.

При этом в промышленности доля работников, занятых во вредных условиях труда, составляет 33,3 % от общего количества работающих; в строительстве - 20,2 %; на транспорте - 34,5 %; в организациях, осуществляющих деятельность по добыче полезных ископаемых, обрабатывающих производствах, превышает 75 %. Во всех этих видах экономической деятельности в 2011 году отмечен рост доли работающих во вредных условиях труда.

Одной из основных причин профессиональных заболеваний является производственный шум, который совместно с вибрацией дает 30-35 % всех профессиональных заболеваний.

Акустическое загрязнение является одним из основных опасных и вредных производственных факторов, применительно к металлорежущим станкам, для которых наиболее трудно обеспечить выполнение санитарных норм. Продолжительность и уровень шума отражаются на здоровье и работоспособности человека. Кроме этого, шум является одним из важнейших комплексных показателей качества оборудования, а в ряде случаев, может быть

и технического уровня машины, поскольку отображает неточности изготовления практически всех деталей и узлов.

Для того чтобы общий уровень шума в производственных помещениях не превышал установленных санитарных норм, шум, производимый отдельными станками, должен быть значительно ниже регламентированного санитарными нормами. Поэтому вопросы снижения производственного шума являются актуальными в настоящее время.

Машиностроительная промышленность - наиболее обширная хозяйственная отрасль, в которой наибольший объем работ приходится на станочную металлообработку, где занято около 50 % всех рабочих отрасли.

Создание металлорежущих станков и станочных комплексов большой мощности и производительности неизбежно сопровождается увеличением уровней шума на рабочих местах.

Участки колесофрезерных станков являются неблагоприятными с точки зрения шумового дискомфорта. Приведение к санитарным нормам уровней шума улучшает условия труда на рабочих местах операторов, снижает производственный травматизм и способствует повышению конкурентоспособности оборудования, т.к. показателям безопасности труда в развитых странах уделяется очень серьезное внимание. Поэтому задача снижения шума в рабочей зоне колесофрезерных станков является актуальной и имеет важное научно-техническое и социально-экономическое значение.

Целью диссертационной работы является улучшение условий труда на участках колесофрезерных станков при обработке колесных пар путем снижения уровней шума до нормативных величин.

Методы исследования. При выполнении диссертационной работы использовались основные положения конструирования и расчета металлорежущих станков, теория колебаний механических систем и технической виброакустики.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Получены аналитические зависимости уровней звукового давления, учитывающие характерные особенности компоновки и условий обработки узлов колесных пар и режущего инструмента, что в значительной степени отличает их от существующих для универсальных фрезерных станков.

2. Теоретически обоснованы параметры системы снижения шума в самом источнике до предельно-допустимых значений на основе полученных моделей шумообразования и уточненных регрессионных зависимостей коэффициентов потерь колебательной энергии колесных пар и узла режущего инструмента.

Практическая ценность работы:

1 Разработаны конструкции системы шумозащиты, основанные на демпфировании узла резания и колесных пар, установка которых обеспечила выполнение санитарных норм шума в рабочей зоне оператора специальных колесофрезерных станков.

2 Обоснована комбинация звукопоглощающих материалов для акустической облицовки производственного помещения колесофрезерных станков, относящегося к типу соразмерных.

Исследования проводились с привлечением основных положений технической виброакустики, статистических методов обработки экспериментальных данных. Экспериментальные исследования проводились в производственных условиях в локомотивном депо Кавказская. Измерения проводились испытательной лабораторией научно-производственного центра «Охрана труда» ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный университет путей сообщения» (РГУПС), аккредитованного в системе аккредитации аналитических лабораторий № РОСС 1111.0001.516980 и добровольной системе аккредитации в области охраны труда СДСОТ № РОСС Яи.И493.04ЕЛ00 № 1/1 000027.

Реализация в промышленности. Результаты исследований внедрены в моторовагонном депо Северокавказской дирекции моторовагонного подвижного состава (г. МинВоды), а также в учебном процессе.

Апробация работы. Основные положения диссертации доказывались и обсуждались на V научно-практической конференции «Инновационные технологии в машиностроении и металлургии» (11-13 сентября 2013 г., г. Ростов-на-Дону).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ, в том числе 2 в журналах, входящих в «Перечень ведущих научных журналов и изданий».

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и рекомендаций, библиографического списка из 109 наименований, имеет 42 рисунка, 13 таблиц и изложена на 120 страницах машинописного текста. В приложение вынесены сведения о внедрении результатов исследования.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Проблемами безопасности эксплуатации, шума и вибрации металлорежущих станков посвящено большое количество работ [1-83]. В частности, снижению шума корпусных и базовых деталей с использованием сыпучих поглотителей посвящены работы Б.Е. Болотова, М.П. Козочкина, С.Н. Панова [37-40]. Шумообразование заготовок и режущего инструмента в этих работах не рассматривалось. Влиянию процессов резания на акустические характеристики станков токарной группы посвящены работы А.Н. Чукарина [41-51].

Группе фрезерных станков посвящены работы И.А. Балыкова, [52-55] Б.Ч. Месхи [57-73], O.A. Калашниковой [79-83]. Анализу этих исследований в данной главе уделено особое внимание.

1.1. Теоретическое исследование шума при фрезеровании на универсальных фрезерных станках

В работах И.А. Балыкова изучались шумовые и вибрационные характеристики универсальных фрезерных станков.

На современных фрезерных станках обрабатывается широкая номенклатура деталей различными типами фрез. Большинство реальных излучателей звука представляют собой плоские и пространственные излучатели, многообразие которых сведено к ограниченному числу типовых источников звука. В частности, корпусные детали, элементы плоских ограждений и заготовки, имеющие форму, близкую к прямоугольному параллелепипеду моделируются монополями или плоскими излучателями в соответствующих частотных интервалах; для заготовок, у которых один из размеров является доминирующим, использована модель балки ограниченной длины; концевые и торцевые фрезы рассматриваются как дипольный

излучатель; акустической моделью дисковых и отрезных фрез служит поршень в жестком экране.

Фрезерные станки рассматривались как системы широкополосных источников, одновременно излучающих звук.

Шумообразование корпусных и базовых деталей фрезерных станков не имеет принципиальных отличий от станков других типов, и расчет их акустических характеристик выполняется на основе уравнений энергетического баланса.

Основное отличие шумообразования фрезерных станков заключается в особенностях процесса резания, акустическом излучении системы заготовка-фреза. Поэтому основное внимание в данной работе уделено акустическим моделям системы заготовка-фреза и ее отдельным элементам для различных типов фрез, заготовок и условий закрепления.

Заготовки, закрепляемые на столе фрезерного станка или в тисках, рассматриваются как балки на упругом основании, жесткость которого равна приведенной жесткости приспособления, и стыка стола с направляющими станины. Представляя силу резания как подвижную нагрузку, перемещающуюся со скоростью подачи, автором получено дифференцированное уравнение поперечных колебаний вдоль оси ОУ:

60 2 ) I I '

т <7 - П 2 т1кЗ %кх

-/--СОБ-СОБ-

СОБ

СОБ

(1.1)

где а

Е/

т0

Е - модуль упругости заготовки, Па; 3— момент инерции заготовки, м4; то - распределенная масса, кг/м; / - длина заготовки, м; п - частота вращения фрезы, об/мин; г - количество зубьев фрезы;

<7 - номер зуба;

минутная подача, м/мин; ¥у - составляющая силы резания, Н; ]у - приведенная жесткость, Н/м; к — число, определяющее форму колебаний.

Решение уравнений (1.1) относительно колебательной скорости получено в виде:

АъО = Е

а

'тг^4

V I У

+ ■

Л

тп

(к\ + к\) бш

а

71 к

чТу

тп

+

+-

пР

тп

пг кБ

зо~Т

сое

/ ппг пкБ Л / , ч 2п

30

а

\ I /

_1_ ^у ъ2 Н-----71

т0

пг кБ 30 " Т

\2

+

(1.2)

+-

(пг кБЛ (71 пг 7 ч 2л

--- СОБ -+ ) —

130 / ; 30 / J

а

V / У

_1_ ■'У -тг2 Н-----71

г т кЪ^

30 /

^СОБ-

%кх

где к\ и к2 - постоянные .интегрирования, определяемые из начальных условий.

Виброскорости вдоль оси ОЪ описываются аналогичным выражением с учетом замены Ру и]у на Р2 и

Торцевые и кольцевые фрезы рассмотрены автором как консольно-защемленные балки, колебательные скорости которых найдены с использованием функций А.Н. Крылова. Звуковое давление таких источников определяется выражением:

р,

р =

Ро р^тР/___

Г2(4 + /СХ)0,5 45£/ £

этл/—/эЬл/—/ + БЬ. —/ Бт./—/ а М а М а М а

а

Р 1

ехр /— / - ехр а

/

\

а

(1.3)

ХСОБ

7Ш2 , , ч 27С

——

30 2

ехр г

71 2 АД. ^

г?/ + АД, - Аг +--агс1е-^-г

Ф /

где р1 - собственные частоты колебаний фрезы, рад/с; к — волновое число, 1/м; Кф - радиус фрезы, м;

г - расстояние от источника шума до точки замера, м;

о

р0 - плотность воздуха, кг/м .

Дисковые и отрезные фрезы рассматриваются как круглые пластины, жестко защемленные в центре. Для расчета звукового давления такого источника получено следующее выражение:

Р = -

85

т

4-108^(3

2В4

фг тп

\

ппг

То

\2

О4

/

щ,/

ехр ¡(г-с^),

(1.4)

где т - масса фрезы, кг;

кф - толщина фрезы, м; Вф - диаметр фрезы, м;

Ртп - коэффициент, определяющий соответствующую моду колебаний фрезы;

кЯф - функция Бесселя;

со - скорость звука в воздухе, м/с; Е - сила резания, Н.

Таким образом, полученные зависимости позволяют определить спектральные уровни шума системы фреза-заготовка, в зависимости от их

механических и геометрических параметров, технологических нагрузок и условий закрепления.

Полученные зависимости имеют ряд ограничений и недостатков.

1. Модуль дипольного излучателя корректен только для концевых фрез малого диаметра.

2. Зависимости (1.1-1.4) сложны для технических расчетов.

3. В этих формулах автор не учитывает диссипативную функцию.

1.2. Обзор работ по изучению шума и вибраций станков прерывистого

резания

Шумообразование станков прерывистого резания (вертикально-фрезерных, консольно-фрезерных, фрезерно-отрезных, зубофрезерных, зубодолбежных, зубошлифовальных, шлицефрезерных и шлицешлифовальных, резьбофрезерных и резьбошлифовальных, круглошлифовальных, плоскошлифовальных, заточных (табл. 1.1)) имеет свои особенности.

Исходя из анализа компоновок этих станков, автор определил расчетные схемы заготовок и режущего инструмента (табл. 1.2).

В основу теоретических исследований положено уравнение колебаний в векторной форме:

+ О-5)

В соответствии с известными законами механики силы, действующие на инструмент и заготовку, представлены следующим образом:

К, = -т

и

д2у{х,1)~. + д2г{х,1)-

аг эг

где у и к - единичные орты осей YиZ (соответственно);

у и х - смещения заготовки или инструмента в направлении осей Ч \ т - масса заготовки или инструмента.

(1.6)

Таблица 1.1.

Типовые конструктивные компоновки металлорежущих и деревообрабатывающих станков

Схема

Тип станка и конструктивная компоновка

Вертикально-фрезерные

л

Станки с вертикальным или поворотным в вертикальной плоскости пинольным шпинделем. Крестово перемещающийся в горизонтальной плоскости стол

вертикально перемещающейся по стойки консоли. Оснащаются устройствами и сравнительно

смонтирован на

направляющим

копировальными

простыми устройствами ЧПУ.

№

ЛГ г-г\

Консольно-фрезерные

Одношпиндельные станки с горизонтальным шпинделем и дополнительной опорой («серьгой») для инструментальной оправки. Крестово перемещающийся в горизонтальной плоскости стол смонтирован на вертикально перемещающейся по направляющим стойки консоли. На станках могут устанавливаться долбёжные и вертикальные фрезерные головки._

Универсально-фрезерные

Станки с горизонтальным и дополнительным откидным вертикальным шпинделем, смонтированными на поперечно-подвижном в горизонтальной плоскости ползуне. Стол с вертикальной поверхностью для крепления как обрабатываемой детали, так и горизонтального неповоротного или поворотного рабочего стола совершает крестовое перемещение в вертикальной плоскости._

Фрезерно-отрезные

Станки имеют горизонтальным гидравлического инструментальная

компоновку, при которой по направляющим станины от цилиндра перемещается

бабка. В качестве инструмента

используется круглая цельная пила 0500 мм или сборная 0700-3000 мм со вставными зубчатыми сегментами (движение подачи Б5). Привод пильного диска осуществляется от индивидуального асинх