автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Защита окружающей среды и среды пребывания оператора от шума горных машин многослойными остекленными конструкциями

Северо-Кавказский государственной

технологический университет

На правах рукописи

Тарасова Ольга Григорьевна

Защита окружающей среды и среди пребывания оператора от шума горнах машин многослойными остекленными конструкциями

05.05.06. Горные машины

11.00.11. Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов (технические науки)

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

АЭПсШ

СОДЕРЖАНИЕ стр.

ВВЕДЕНИЕ . ....................... 5

ГЛАВА 1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ...............15

1.1. Актуальность вопроса борьбы с шумовым загрязнением окружающей среды и среды пребывания оператора при работе горных машин....................15

1.2. Анализ факторов, влияющих на звукоизоляцию остеленных конс-труций.....................52

1.3. Выводы и задачи исследования...........60

ГЛАВА 2. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ ЗВУКОИЗОЛЯЦИИ ОСТЕКЛЕННЫХ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ........62

2.1. Виды ограждающих конструкций ...........63

2.2. Звукоизоляция остекленных ограждений при нормальном падении звуковой волны...............65

2.3. Модель расчета звукоизоляции конструкций с двухслойным остеклением....................67

2.4. Методика расчета звукоизоляции конструкций с двухслой-

ным остеклением..................68

2.5. Сравнение данных теоретического расчета с экспериментальными значениями................69

2.6. Расчет звукоизоляции конструкции с трехслойным остеклением .......................70

2.7. Прохождение звука через ограждение при падении плоской гармонической волны под некоторым углом ...... 75

2.8. Выводы к главе 2.................101

ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ЗВУКОИЗОЛЯЦИИ МНОГОСЛОЙНЫХ

ОСТЕКЛЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА ОСНОВЕ АКТИВНЫХ МНОГО-

ФАКТОРНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ............ 103

3.1. Графоаналитические методы расчета звукоизоляции конструкций с глухим остеклением ........... 103

3.1.1. Однослойная остекленная конструкция . ......104

3.1.2. Двухслойная остекленная конструкция ...... .104

3.1.3. Трехслойная остекленная конструкция ...... .109

3.1.4. Совпадение данных звукоизоляции окон, рассчитанных графическим методом, с имеющимися экспериментальными значениями . .............. . . . 116

3.2. Математическое описание звукоизоляции многослойных конструкций методом планируемого эксперимента . . ,121

3.3. Акустическая камера, оценка достоверности и точности измерений звукоизоляции конструкций ....... 133

3.4. Математическая модель звукоизоляции ограждающих конструкций с двойным остеклением .......... .14?

3.5. Математическая модель звукоизоляции ограждающих конструкций с тройным остеклением ...........163

3.6. Экспериментальная проверка звукоизоляционных свойств многослойных остекленных конструкций с оптимальными геометрическими параметрами ........ ... .19?

3.7. Математическая модель звукоизоляции двухслойной конструкции с гидравлической прослойкой между стеклами 204

3.8. Выводы к главе 3.................239

ГЛАВА 4. ИНЖЕНЕРНЫЕ МЕТОДЫ РАСЧЕТА ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ МНОГОСЛОЙНЫХ КОНСТРУКЦИЙ И ИХ ЗВУКОИЗОЛЯЦИИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭВМ . ..... ....... .242

4.1. Метод расчета геометрических параметров по толщине элементов конструкций с максимальными звукоизоляцион-

ными свойствами при воздушном промежутке между стеклами ......................242

4.2. Метод расчета геометрических параметров по толщине элементов трехслойных остекленных конструкций с максимальными звукоизоляционными свойствами при воздушном промежутке между стеклами . .......... . .250

4.3. Метод расчета геометрических параметров по -толщине элементов двухслойных остекленных конструкций с максимальными звукоизоляционными свойствами при гидравлической прослойке.................260

4.4. Применение разработанных методик для расчетов остекленных конструкций ограждения окружающей среды от воздействия шума .................. .264

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ...................... .288

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......... ........ . 293

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 ..................... .310

ПРИЛОЖЕНИЕ 2............................340

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 ........... .......... .355

- ь -

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Шумовое загрязнение окружающей среды, в настоящее время, является одной из актуальных проблем для России и многих технически развитых стран мира.

Основными источниками шумового загрязнения окружающей среды и пространства, где находится обслуживающий персонал горных машин, на шахтах и разрезах являются: забойные машины различного технологического назначения, транспортные средства горного предприятия, горношахтные стационарные установки, машины и механизмы коммунальной службы административно-бытового комбината.

Высокая производительность современных горных предприятий и полная механизация основных технологических процессов горного производства обуславливают необходимость применения на очистных и проходческих работах самоходного бурового оборудования, большегрузных погрузочных и погрузочно-доставочных машин, проходческих и очистных комбайнов, скреперных установок, вентиляторов участкового и местного проветривания и большегрузных транспортных машин в виде самосвалов и электровозной откатки.

При работе указанного оборудования, несмотря на постоянное его усовершенствование, в замкнутое пространство горных выработок излучается воздушный шум высокой интенсивности намного превосходящий санитарные нормы в спектрах частот от 160 до 4000 Гц.

Для обеспечения жизнедеятельности горного предприятия и добычи полезного ископаемого, на промплощадке и в камерах под землей сооружаются мощные комплексы стационарных машин, а именно: рудничные подъемные установки, установки главного проветривания горных выработок, установки главного и вспомогательного

водоотлива, компрессорные агрегаты для выработки энергии сжатого воздуха и компрессоры холодильных станций на глубоких шахтах.

Единичная мощность стационарных агрегатов достигает тысячи и более кВт, а суммарная мощность постоянно работающих стационарных установок на горном предприятии, в ряде случаев, достигает десятков тысяч кВт.

Мощные и высокопроизводительные стационарные машины при работе излучают в производственные помещения или подземные камеры, где они установлены, воздушный шум высокой интенсивности, который намного выше допустимого санитарными нормами. Возникает важная проблема защиты рабочих от шума при работе горных машин.

Шум, при работе горных машин, отрицательно влияет на здоровье рабочих, часто является причиной ошибочного восприятия сигналов полезной информации и возникновения аварийной ситуации.

В производственных помещениях, где размещены стационарные установки шахт, на самоходных горных машинах и транспортных средствах для защиты обслуживающего персонала от вредного воздействия шума сооружаются кабины управления и отдыха оператора.

Воздушный шум, генерируемый в замкнутом пространстве помещений, передается в окружающую среду через наружные ограждающие конструкции здания. Происходит шумовое загрязнение окружающей среды и, в случае расположения промплощадки горного предприятия возле жилых массивов рабочих поселков, или административной зоны происходит шумовое загрязнение селитебной территории.

Проникновение воздушного шума, при работе горных машин, в кабины управления и в окружающую среду зависит от звукоизоляционных свойств ограждающих конструкций кабин управления и промышленных зданий. Известно, что наименьшей звукоизоляцией обладают

остекленные ограждающие конструкции, которые занимают до 30% площади поверхности наружных ограждений. Так например звукоизоляция кирпичной стены толщиной 270 мм составляет 46 дБА, а двухслойного окна со стеклами по 3 мм каждое только 22 дБА Е1, 23. Следовательно шум из помещений промышленных предприятий проникает в окружающую среду и в кабины управления, в основном, через оконные проемы. Повышение звукоизоляции остекленных конструкций кабин управления горных машин и оконных проемов промышленных зданий, существенно уменьшит шумовое загрязнение окружающей среды и помещения оператора при эксплуатации горных машин.

Остекленные прозрачные поверхности кабин управления горных машин применяются с одинарным, двойным и реже тройным остеклением с воздушными промежутками между стеклами. Их звукоизоляция зависит от геометрических параметров элементов конструкций и соотношения параметров между собой.

Дальнейшее совершенствование звукоизоляции оконных заполнений промышленных зданий, жилых и административных помещений, кабин управления, наблюдения и отдыха на стадии проектных решений позволяет повысить защиту окружающей среды от загрязнения промышленным шумом и обеспечить комфортное пребывание в помещениях, без дополнительных затрат на реконструкцию окон [3].

Высокая эффективность звукоизоляции остекленных конструкций кабин управления горных машин может быть достигнута поиском оптимального решения при проектировании с учетом спектра преобладающих частот шума, создаваемого конкретным источником.

Выполненные ранее исследования по описанию математической модели звукоизоляции многослойной конструкции не позволяют в явном виде представить звукоизоляцию, как функцию влияющих на нее

переменных величин-геометрических параметров. В результате чего нет возможности исследования и решения задач на оптимум.

Идея выполненных исследований состоит в выявлении таких оптимальных геометрических параметров по толщине элементов многослойных остекленных конструкций ограждающих поверхностей кабин управления горных машин, при которых сама конструкция приобретает максимальную звукоизоляцию от проникновения аэродинамического шума в заданных среднегеометрических полосах частот. Геометрическими параметрами конструкции, влияющими на ее звукоизоляцию, являются: толщина каждого слоя остекления и расстояние между стеклами.

Цель исследований состоит в повышении звукоизоляционных свойств многослойных остекленных конструкций кабин управления горных машин за счет рационального выбора геометрических параметров конструкции и прозрачной среды между стеклами различной плотности с учетом величин уровней шума по спектрам частот при работе горных машин.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Геометрические размеры по толщине многослойных остекленных конструкций кабин управления горных машин и остекления оконных проемов помещений расположения шахтных стационарных установок, следует определять исходя из уровней шума по частотам, при работе горного оборудования, для достижения максимальной звукоизоляции конструкции в необходимых спектрах частот.

2. Звукоизоляция двух- и трехслойных остекленных конструкций с воздушными промежутками между стеклами зависит от геометрических размеров по толщине элементов конструкции и описывается в виде трех- и пятифакторной функций геометрических параметров

по толщине элементов конструкций теоретическим методом, как произведение отношений звуковых давлений на границах раздела сред. Такие математические модели, отображая общую закономерность процесса прохождения звука через ограждающую конструкцию, позволяют анализировать изменение звукоизоляции остекленной конструкции по условиям частотного резонанса.

3. Математические модели звукоизоляции двух- и трехслойных остекленных конструкций с воздушными промежутками между стеклами, полученные методом планирования эксперимента по критерию Д-оптимальных планов в виде полиномов второй степени трех и пяти управляемых факторов, которыми являются геометрические размеры по толщине элементов конструкций, адекватны эксперименту и с высокой степенью точности описывают закономерность распределения звукоизоляции конструкции по среднегеометрическим полосам частот. При этом форма записи математических моделей звукоизоляции позволяет определить долю звукоизоляции каждого элемента конструкции и выполнить исследование функции на наличие экстремумов.

4. Замена воздушного промежутка между стеклами на гидравлическую прослойку в двухслойной конструкции обуславливает изменение ее звукоизоляции. По математическим моделям звукоизоляции такой конструкции, полученным методом планирования эксперимента по критерию Д-оптимального плана в виде полиномов второй степени трех управляемых факторов, достоверно определяется закономерность распределения звукоизоляции по среднегеометрическим полосам частот и степень повышения звукоизоляции за счет увеличения плотности среды между стеклами. Замена воздушного промежутка гидравлической прослойкой позволяет, не снижая звукоизоляции, уменьшить расстояние между стеклами и сократить размеры по тол-

щине всей конструкции, что особенно важно для многослойного остекления кабин управления горных машин.

5. Двух- и трехслойные остекленные конструкции при определенных оптимальных значениях параметров по толщине составных элементов обеспечивают максимальную звукоизоляцию конструкции в определенных спектрах частот шума. Использование двух- и трехслойных конструкций с оптимальными геометрическими параметрами по толщине лучше защищает кабину управления и окружающую среду от проникновения воздушного шума при работе забойных и стационарных горных машин и дает экономию в расходовании листового стекла по массе.

6. Установленные закономерности звукоизоляции многослойных остекленных конструкций справедливы, как для шума генерируемого при работе горного оборудования, так и воздушного шума других источников в рассматриваемом диапазоне частот.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций Научные положения и выводы, сформулированные в диссертации, обоснованы: преемственностью разработанных математических моделей звукоизоляции многослойных остекленных конструкций с фундаментальными научными положениями в области акустики ; проведением большого объема экспериментальных исследований в акустической камере Северо-Кавказского государственного технологического университета (СКГТУ) на базе закономерностей теории вероятности и математической статистики с конкретным применением метода планирования эксперимента по критерию Д-оптимальности. Сходимость математических моделей звукоизоляции многослойных конструкций, представленных в виде уравнений регрессии, с экспе-

по критерию Фишера.

Научная новизна работы заключается:

- в установлении функциональной зависимости между геометрическими параметрами по толщине элементов многослойной остекленной конструкции с воздушными прослойками или гидравлической прослойкой между стеклами и звукоизоляцией конструкции в целом;

- в установлении экстремальных значений (шах или min) звукоизоляции элементов конструкции при определенных значениях геометрических параметров по толщине для третьоктавных полос частот от 160 до 4000 Гц и по шкале "А";

- в новых принципах выбора оптимальных геометрических размеров по толщине элементов конструкции остекления ограждения кабин управления горных машин, исходя из достижения максимальной звукоизоляции всей конструкции для заданных спектров среднегеометрических полос частот шума при работе горного оборудования;

- в развитии представлений о путях повышения звукоизоляции многослойных остекленных конструкций кабин управления горных машин, являющихся важными составляющими защиты среды обитания человека от проникновения аэродинамического шума.

Научное значение работы состоит в создании математических моделей звукоизоляции многослойных остекленных конструкций в третьоктавных среднегеометрических полосах частот шума от 160 до 4000 Гц, по шкале "А" и среднему значению, как многофакторных функций трех и пяти переменных величин в виде полиномов второй степени, полученных методом планирования эксперимента по критерию Д-оптимального плана.

„ -i V» — J.

методик расчета оптимальных геометрических параметров по толщине элементов двух- и трехслойных остекленных конструкций, обладающих максимальными звукоизоляционными свойствами в заданных полосах среднегеометрических частот аэродинамического шума: "Методика расчета оптимальных по звукоизоляции геометрических параметров двухслойной остекленной конструкции с воздушным промежутком между стеклами"; "Методика расчета оптимальных по звукоизоляции геометрических параметров двухслойной остекленной конструкции с гидравлической прослойкой между стеклами"; " Методика расчета оптимальных по звукоизоляции геометрических параметров трехслойной остекленной конструкции с воздушными промежутками между стеклами".

Для каждой из трех методик, на языке "Бейсик", написаны программы расчетов в диалоговом режиме с реализацией на ЭВМ IBM, по которым рассчитываются оптимальные параметры многослойных остекленных конструкций кабин управления горных машин и их звукоизоляция с учетом уровней спектров шума излучаемого при работе горного оборудования. Конструкции с оптимальными гео