Акустическая динамика внутри- и круглошлифовальных станков тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

1 ц ЦиЛ \998

На правах рукописи

ЧУКАРИНА Ирина Михайловиа

АКУСТИЧЕСКАЯ ДИНАМИКА ВНУТРИ И КРУГЛОШЛИФОВАЛЬНЫХ СТАНКОВ

Специальность 01. 02. 06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание степени кандидата технических наук

Ростов-на-Доиу. 1998

Работа выполнена на кафедре «Металлорежущие станки и инструмент» Донского государственного технического университета

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Каганов B.C.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Заковоротный B.JI. кандидат технических наук, доцент ТрембачВ.Г.

Ведущее предприятие: АО «Красный Аксай»

Защита состоится 23 декабря 1998 г. в 10 часов на заседании диссертационн< Совета К. 063.27.03 в Донском государственном техническом университете (ДГТУ адресу: 344708, г. Ростов-на-Дону, ГСП-8, пл. Ю. Гагарина 1, ауд. 252.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ДГТУ. Автореферат разослан ^ноября 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета к.т.н., доцент

у-

А. А. Андро

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Шлифовальные станки широко используются в условиях меха-□сборочных цехов. Как показывает опыт, среди станков шлифовальной группы наи-элее акустически активными являются внутри и круглошдифовальные станки. Эти ганки создают уровни шума, превышающие допустимые на 5 - 12 дБА и имеют не-лагоприятный состав спектра, так как превышение над нормативом , в основном, наглодается в интервале частот выше 1 кГц. Длительное воздействие на работающих ибрации и шума повышенного уровня приводит к ряду профессиональных заболева-ий, потере производительности труда и увеличению брака выпускаемой продукции, нижение шума промышленного оборудования оказывается гораздо более эффектив-ым для повышения производительности труда, чем использование работающими ин-ивидуальных средств защиты от шума. Одновременно известно, что уровень шумо-ого излучения металлорежущих станков определяет один из интегральных показате- ... ей качества станков. Поэтому, исследования, направленные на снижение шума станов, всегда актуальны для станкостроения.

Цель работы - улучшение эргономических показателей и качества функшгони-ования системы шлифовальный крут - заготовка на основе рационального подбора онструктивных параметров, направленных на снижение акустической активности нутри и круглошлифовальных станков.

Автор защищает:

1. Раскрытие источников и закономерностей формирования акустических ха-актеристик внутри и круглошлифовальных станков.

2. Модели виброакустической динамики процессов внутреннего и наружного руглого шлифования при первичном возбуждении преобразующей системы шлифо-альный круг - заготовка процессом резания.

3. Аналитические зависимости уровней звукового давления, излучаемого от реобразующей системы шлифовальный круг - заготовка в воздушную среду.

4. Методику инженерного расчета акустических характеристик системы шли-ювальный круг - заготовка при внутреннем и наружном круглом шлифовании на ста-ии проектирования станков.

5. Результаты экспериментальных исследований виброакустических характери-гик внутри и круглошлифовальных станков.

6. Способы снижения шума при внутреннем и наружном круглом шлифовании.

Научная новизна. Разработаны модели виброакустической динамики системы

кшфовальный круг - заготовка для процессов внутреннего и наружного круглого • шифования. На основе разработанных моделей получены аналитические зависимо-ги для определения спектральных уровней акустического излучения шлифовальных

кругов и заготовок, что позволяет на стадии проектирования станка теоретическ оценить шумовые характеристики внутри и круглошлифовальных станков и наметит пути конструктивного решения по доведению уровней шума до нормативных знач< ний.

Практическая ценность. Результатом работы является методика инженерно! расчета спектральных уровней звукового давления системы шлифовальный круг - з готовка для процессов внутреннего и наружного круглого шлифования. Разработаь математическое обеспечение акустических расчетов для различных условий цшф вания. Предложены способы снижения шума кругов и заготовок за счет установки э. ранов и ограждений с требуемой акустической эффективностью. Для внутршшшф' вальных станков предложен способ, позволяющий одновременно производить дем: фирование оправки шлифовального круга и понизить интенсивность акустическо] излучения из торца отверстия шлифуемой детали.

Реализация в промышленности. На АО «КВАНТ» внедрены мероприятия I снижению шума внутришлифовальных станков за счет демпфирования оправки шл фовального круга и заготовки, а также понижения интенсивности излучения звука ] торца отверстия. Кроме этого, для заводов изготовителей внутришлифовальных ста ков предложены варианты демпфирования опор качения шпинделей. На обоих ста ках установлены ограждения зоны шлифования с повышенными звукоизолирующие свойствами.

В результате внедрения разработок по снижению шума, уровни шума внутри круглошлифовальных станков понижены на 5 - 15 дБ в интервале частот 500 - 40001 и на 7 - 12 дБА по уровням звука. Общий эконо>шческий эффект от внедрения соста ляет 10,27 млн. рублей (в ценах 1997 г.).

Апробация работы. Основные положения диссертации были апробированы : научно-практических конференциях с международным участием «Новое в безопасн сти жизнедеятельности и экологии», Санкт-Петербург, 22 мая 1997 г. и 16-18 шо: 1998 г.

В полном объеме работа докладывалась на совместном заседании кафе, «Металлорежущие станки и инструмент», «Автоматизация производственных проце сов » и «Сопротивление материалов» Донского государственного технического ун верситета в сентябре1998 года.

Публикации. По материалам выполненных исследований опубликовано 6 г чатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех paз^ лов, общих выводов и рекомендаций, списка использованной литературы из 100 г именований, имеет 56 рисунков и 12 таблиц, приложения и изложена на 142 стран цах машинописного текста. В приложение вынесены сведения о внедрении.

(ОДЕГ/К АММК ГЛЬОТЫ

Во шшдешш ооосновынаеюя научно-техническая проблема тучшни акустической динамики ннутрп и круг.чошлифовальпых станков и снижения акустической ак-пшносгп (.чайков лих ппмв. 11рнполятся основные результаты ее решения с указанием степени новизны н значпмоечи.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

В разделе представлен аналитический обзор выполненных ранее теоретических и экспериментальных исследований по изучению вибрации и шума металлорежущего оборудования. Для изучения шума необходимо рассматривать двоякую задачу. Во-первых, изучать источники образования вибраций элементов металлорежущего станка. Во-вторых, рассматривать преобразования вибраций в акустические характеристики излучателей и формирования шума, как излучения в воздушную среду. При анализе первичных источников возбуждения вибраций проанализированы известные исследования в области динамики станков, прежде всего, работы В. Л. Вейца, Ю. И. Городецкого, В. Л. Заковоротиого, В. Л. Кудипова, Р. Опица, Г. Мерита, И. Тлустого и др. Анализ этих работ показал, что в них отсутствуют данные по возбуждению вибраций процессов шлифования. При анализе работ в области формирования шума .металлорежущего оборудования рассмотрены исследования И. А. Бадыкова. Б. Г. Заверняе-ва. С. Н. Панова, В. Г. Трембача. А. А. Феденко и др. В этих работах изучались шумовые характеристики подшипников качения, зубчатых передач, способы снижения их вибраций и шума, пути снижения шума корпусных и базовых деталей, заготовок и инструмента. Тем не менее, в указанных работах отсутствуют данные по изучению шума станков шлифовальной группы. Внутри и круглошлифовадьные станки имеют характерные отличия от других универсальных металлорежущих станков, а именно: отсутствие быстроходных зубчатых передач, применение подшипников скольжения в шпиндельных узлах, высокие частоты вращения шпинделей и скоростей линейных перемещений подвижных органов, развитую гидросистему.

Исходя из этого, сформулирована изложенная выше цель и следующие задачи исследования:

1. Разработать адекватные модели акустической динамики преобразующей системы шлифовальный круг - заготовка на основе первичного возбуждения от процесса резания для внутри и круглошлифовальных станков.

2. Произвести теоретический анализ разработанных моделей и получить аналитические зависимости для определения уровней звукового давления, создаваемого отдельными элементами и преобразующей системой шлифовальный круг - заготовка в целом и излучаемого в воздушную среду.

3. Провести экспериментальные исследования виброакустических характеристик виутри и круглошлифовальных станков.

4. Разработать методику инженерного расчета шума этих станков на стадии проектирования, включая практические рекомендации по достижению нормативных величин.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ АКУСТИЧЕСКОЙ

ДИНАМИКИ ВНУТРИ И КРУГЛОШЛИФОВАЛЬНЫХ СТАНКОВ

Особенности компоновок и кинематических схем внугри и круглошлифовальных станков существенно ограничивают круг задач для теоретического исследования акустического излучения внутри и кр>тлршлифовальньк станков и сводят их к построению виброакустических моделей системы шлифовальный круг - заготовка и ее отдельных элементов. Несмотря на большое разнообразие схем внутреннего и наружного круглого шлифования, размеров и форм шлифовальных, кругов и шлифуемых де талей, построение колебательных моделей и расчет излучаемого ими шума можно вести с единых позиций. В качестве типовых излучателей звука приняты: цилиндр ограниченной длины - для наружного круглого шлифования; дипольный излучатель -для консольно закрепленной заготовки и оправки; поршневой излучатель - для шлифовальных кругов, диаметр которых больше длины волны в воздухе на соответствующей частоте колебания, и для модели излучения звука из отверстия шлифуемой детали при внутреннем шлифовании.

Акустическое излучение в воздушную среду является вторичным эффектом относительно первичного возбуждения вибраций в преобразующей системе шлифовальный круг - заготовка. При наличии внешнего возмущающего воздействия от процесса шлифования, элементы преобразующей системы, которые представляют собой систему волноводов, приводят в колебательное движение на собственных их формах колебаний, что и является причиной излучения звуковой энергии. Возбуждение от процесса шлифования представляет собой совокупность внешних дельтообразных воздействий от абразивных зерен, распределенных случайным образом, и с достаточно высокой точностью может быть представлено белым шумом. В такой постановке задача расчета уровней звукового давления системы шлифовальный круг - заготовка, элементы которой рассматриваются как волноводы с распределенной массой, сводится к определению собственных частот колебаний отдельных элементов этой системы и колебательных скоростей на этих частотах. Производя энергетическое суммирование уровней шума отдельных источников, определяются спектры шума в октавных или третьоктавных интервалах частот. Общий алгоритм решения приведен на рис. 1.

Рис. 1. Обший алгоритм расчет шума системы шлифовальный круг - заготовка

Заготовки, обрабатываемые па впутришлифовальных станках, представляют собой консолыю-защсмленные. Их колебательные скорости определяются из дифференциального уравнения поперечных колебаний, которое для подвижной нагрузки и краевых условий закрепления заготовки получено в следующем виде

~,2 -л4 ю ю

ох

¡ = 1 П—1

1 + -

Л1Т

т I 2 тах 1 П+соэ

Т

V

(1

хеш

. (2га тптЛ 2 . д 7шх . 4 ттЭ блпх блпБ

1X1 -г + — -БШ -ЙШ -иоа-соз-1

V т т; т0/ I 1 I 1 где т0 - распределенная масса, кг/м; 8 - подача, м/с; / - длина заготовки, м; п - порядо!

ГЁГ 4

колебания; а - -; Е - модуль упругости, Па; I - момент инерции, м ; А - амплитуда силы резания, Н; х - время шлифования за один проход, с; Т - период шлифования, равный интервал времени между предыдущим и последующим проходами, с.

В общем виде решение уравнения (1) относительно колебательных скоростей получено в виде суммы

ч 2 __л 2

X

СО 00

>=22:

1 = 1 П=1

„ , к-,

С2а\ — | соэа|

/

к-ттЗ . кчпп8

<-, Д1 -------БШ —-1

к7яп1 Ак, ; / х зта| —— I-------1------' —

/

32ш0/ /%тт5'

I

кттгпх ^ Гксяп^ Гк-гтт^ ХСОБ^^-+> > > <С2а\ —] С05£э| —^—| ь

-С,а

/

к<г7ГП

]=1 1=1 п=1 I

1 л2 кстт 1

V /

к5яп8

/

, . • тТ , 2 Л1Т

кдАвт — Л1+соз ••• с/ш | / 4 т V Т Бтд| ^—I Ч-—--—*-¡-X

СОБ

1 ) ' Л / к5тт8 к62т к7тт

/

Т

Т

32т0Ы к^ттх

з—-,

1

а I Т~) Ч I

где С! и С2 - постоянные, определяемые из начальных условий.

Аналогичным образом получено дифференциальное уравнение поперечных к лебаний для заготовок, обрабатываемых на круглошлифовальном станке, которь рассматриваются как балки на двух опорах. Для этого вида шлифования колебател ные скорости заготовки на собственных формах колебаний определяются следующ( зависимостью

П=1

(7Ш\ (7пЛ _ „ (. и] , С^—^ сояа^—^ г - ^ вша^— I X +

„ . лпБ ттБ

2А,-соэ-1

1 / /

а

2] ™

ап—+ УУ—|

1 ^Ы

2га 7гп8

--н-1 Б1П

Т I

2т япв^ шт —+——

т / ) т

4т) Чт-^

2

2та тт8

~т Г

2га тл^ як

---к +-

Т I ) Т

1-т—п а Ы

вт-

(3)

На шлифовальном круге координата приложения нагрузки не изменяется. Для ого случая получено следующее выражение колебательной скорости

7ПТ

н 2 Я1Т Г 2Я1 ТС1Т

со оо 2АЛ 1 + соз —соя—1н--Нш

¡=1 П=1

МТ

п2(п2-1)

•Ек1к

И

4

ш0

4Л212

" Т2

(4)

1е М - масса шлифовального круга, Па; Ек - модуль упругости шлифовального круга, а; 1к - момент инерции шлифовального круга, м4.

На основе этих выражений определяются уровни звукового давления: тя консольной заготовки

Ь = 201«-

К3у

'(4 + к%4)°>5г2 пя заготовки при наружном круглом шлифовании

+112дБ;

при кЛ<1,

прикБ{>1 ля шлифовального круга

У /

Ь = 40^ + 20 ^ + 65дБ;

г

Ь= 10^Г;К. + 201§—+ 122дБ;

г

Ь = 201е^^ + 118дБ, г

(5)

(6)

(7)

(8)

це к - волновое число, 1/м; ^(кЯ^) - функция Бесселя; г - расстояние от источника 1ума до расчетной точки, м.

Полученные аналитические зависимости положены в основу инженерной мето-ики расчета акустических характеристик системы шлифовальный крут - заготовка на тадии проектирования станка. На этой основе возможно расчетным путем опреде-ить спектральные уровни шума системы заготовка - шлифовальный круг в зависимо-ти от вида шлифования, геометрических параметров, технологических нагрузок и

определить причины и количественные значения превышения над нормативными величинами.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АКУСТИЧЕСКОЙ И ВИБРАЦИОННОЙ АКТИВНОСТИ ВНУТРИ И КРУГЛОШЛИФОВАЛЬНЫЗ

СТАНКОВ

Экспериментально изучались физические закономерности формирования ви роакустических характеристик этих станков. Кроме этого, экспериментальным путе определялись модули упругости шлифовальных кругов с различными физик техническими характеристиками.

Виброакустические характеристики при шлифовании и холостом ходе замер

лись на виутришлифовальном стан мод. ЗА227 и круглошлифовальш станке мод. ЗА151. Результаты эксп римента на холостом ходу стан ЗА227 показали, что акустическ излучение гидросистемы практичес! не оказывает влияния на шум стан в целом (рис. 2).

» Влияние бабки шпинделя \ делия ненамного больше. Опред ляющее влияние на шум станка : холостом ходу оказывает бабка шл фовального круга, причем уровни шума превышают допустимые д

станка в целом на 4 дБ и по уровг звука на 3 дБА. Это объясняет структурной составляющей шуз корпусов при возбуждении от ои< качения шпинделей, частоты вран ния которых составляли - 1200 шя для шпинделя изделия и 12600 мш для шпинделя шлифовального кру! Данные по шуму подтверждают замерами вибраций (рис. 3). Спект{ шума при шлифовании существен:

63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 f, Гц охличаются. ОНИ ИМеЮТ Ярко BblJ

Рис. 3. Спектры виброскорости: женный высокочастотный харакк

1 - бабка шлифовального круга; 2 - бабка Наиболее интенсивные уровни зе шпинделя изделия; 3 - станина кового давления сосредоточены

L, дБ

100

90 SQ 70 60 50

4 2 3 1

_|_|_L-.

63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 ^ Гц

Рис. 2. Спектры шума отдельных узлов: 1 - помехи; 2 - работает гидростанция; 3 - подключена бабка шпинделя шлифовального круга; 4 - подключена бабка шпинделя изделия 5 - норма шума

ь, дБ ^ 3 2

80 70 60 50 40 30 ■ 20

L, дБ

100

90

частотном диапазоне 1000 - 4000 Гц, в котором превышение над нормативом составляет 8-16 дБ. Интенсивность вибрации корпусных и базовых деталей станка в этом интервале частот доказывает определяющую роль звукового излучения системы шли- . фовальный круг - заготовка в формировании шума станка в целом. Для оценки вклада акустического излечения отдельных элементов этой системы, производилось шлифование втулок с различной толщиной стенок, различными внутренними и наружными диаметрами (рис. 4).

Шлифование во всех трех случаях производилось при постоянных значениях частоты вращения, глубины шлифования и подач,' что обеспечивало постоянство силы резания. При шлифовании толстостенной заготовки наблюдается снижение уровня шума на частоте 8 кГц, а высокий уровень шума - на частоте 2кГц объясняется звуковым излучением оправки. Характерной особенностью процесса внутреннего шлифования является излучение звука из торна отверстия на собственных частотах колебаний воздушной полости заготовки, представляющей собой цилиндрический резонатор и возбуждаемый колебаниями шлифовального круга и оправки.

Исследование виброакустических характеристик при наружном круглом шлифовании осуществлялось на станке модели ЗА151. Шпиндель шлифовальной бабки этого станка устанавливается на двух специальных подшипниках скольжения.

63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 f, Гч

Рис. 4. Спектры шума при шлифовании: 1 -втулка Dxdx/= 150x100x100мм; 2 - втулка 100x40x100мм; 3 - втулка 57x40x83мм

63 125 250 500 1 ООО 2000 4000 8000 Г, Гц

Рис. 5. Спектры шума круглошлифовалыюго станка на холостом ходу: 1 - помехи; 2 - шум гидростанции; 3 - работает передняя бабка;

4 - допустимые уровни шума У этого станка на холостом ходу влияние гаума гидростанции намного больше, чем у внутришлифовального, и сравнимо с воздействием акустического излучения бабки изделия.

На холостом ходу (рис. 5) уровни звукового давления станка не превышают допустимых. Спектры шума при шлифовании также имеют четко выраженный высокочастотный характер. Превышение над нормативом наблюдается в интервале частот 1-

4 кГц и достигает 11 дБ на частоте 4 кГц, а по уровню звука составляет 10 дБ А (рис. 6). Аналогично процессу внутреннего шлифования, шумовые характеристики круглошлифовально-го станка практически полностью определяются акустическим излучением заготовки и шлифовального круга. 125 250 500 1000 2000 4000 8000 f, Гц ^

Рис. 6. Спектры шума при шлифовании: Экспериментальные исследо-

1 - шлифование заготовки D х / = 40 х 400 мм; ва1шя ™дгвердили правильность вы-2-Dx 7 = 40 х 250мм- водов 0 Ф°Рм1РоваШ1И шУма при

3 - допустимые уровни шума процессах внутреннего и наружного

круглого шлифования.

Для уточнения значений модулей упругости шлифовальных кругов с различными физико-техническими параметрами проводились экспериментальные исследования с применением метода резонансного пика при изгибных колебаниях консольно-закрепленного образца. Испытания проводились с цилиндрическими образцами из карбида кремния зеленого и электрокорунда белого диаметром 8 мм и длиной от 40 до 85 мм. Эксперименты проводились на основе методов полного факторного эксперимента на приборе типа «ДЕКА», изготовленном на кафедре «Технология конструкционных материалов» ДГТУ. На основе экспериментальных данных получены зависимости для определения модулей упругости шлифовальных кругов из карбида кремния зеленого

Ек = 3640,95Н°'35ГГ°>33 (9)

и электрокорунда белого

Ек =е8,258-0,4ЬЗер,1ПП3ер0Л4п-0,19 _ (Ш) ..... «

4. МЕТОДИКА ИНЖЕНЕРНОГО РАСЧЕТА ВИБРОАКУСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВНУТРИ И КРУГЛОШЛИФОВАЛЬНЫХ СТАНКОВ НА СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ МЕРОПРИЯТИЙ ПО

СНИЖЕНИЮ ШУМА

На основании теоретических зависимостей разработана методика инженерного расчета уровней шума системы шлифовальный круг - заготовка для внутри и круг-лошлифовальных станков на стадии проектирования. Расчеты показали, что разница теоретических и экспериментальных уровней шума (рис. 7 и 8) не превышает 3 дБ, что является достаточно высокой точностью для инженерных расчетов.

и дБ

100

90 80 70 60 50

Ц дБ

100

90 80 70

125 250 500 1000 2000 4000 8000 П Гц

63 125 ,250 500 1000 2000 4000 ВООО Г. Гц

Рис. 7. Спектры шума внутришлифоваль- Рис. 8. Спектры шума круглошлифоваль-ного станка: 1 - спектр эксперименталь- ного станка: 1 - спектр экспериментальный; 2 - теоретический ный; 2 - теоретический На основании теоретических и экспериментальных исследований особенностей формирования шума внутри и круглошлифовачьных станков разработаны способы по доведению шумовых характеристик до нормативных значений. Для внутришлифо-вальных станков снижение уровней звукового давления на 4-7 дБ в интервале частот 1000-4000 Гц достигается за счет демпфирования оправки шлифовального крута специальной втулкой, имеющей экран для отражения звуковой энергии из торца шлифуемого отверстия. Кроме этого, спроектировано специальное ограждение, конструкция которого определяется требу емыми величинами снижения шума.

В результате применения предложенных способов уровни шума внутри и круг-лошлифовальных станков понижены на 4-15 дЬ и не превышают допустимых значений (рис. 9 и 10).

г, дБ

гао

90

во

70 60

50

I, дБ

!00

90 80 70 60 50

63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 Г, Гц 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 Г, Гц

Рис. 9. Спектры шума внутришлифоваль- рис. ю. Спектр шума круглошлифовально-

ного станка при наличии ограждения

го станка с ограждением

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

В работе рассмотрены основные направления решения важной научно-технической и социально-экономической задачи - изучения виброакустической динамики . процессов внутреннего и наружного шлифования и на этой основе снижения шума станков.

Конечные результаты рнооты можно upe,к тани i1, следующими основными иы-водамн:

1. Biiyipn п круг.ишшпфовильные станки cmjjaiui уровни шума na 7-12 дБА. превышающие нормативные. Наиболее иитенсиьные уровни звуковою давления сосредоточены в интервале частот выше 1000 Гц. что характеризует неблагоприятный качественный показатель функционирования шлифовальной системы.

2. Показано, что повышенная акустическая активность этих станков практически полностью определяется звуковым излучением системы шлифовальный круг- заготовка, ч то существенно зависит от условий шлифования.

3. Установлены основные закономерности формирования акустических характеристик внутри н круглошлифовальных станков при различных условиях шлифования.

4. Разработаны модели акустической динамики процессов внутреннего ti наружного круглого шлифования, на основе которых получены анатитнческие зависимости для определения уровней звукового давления, создаваемого системой шлифовальный круг - заготовка и её отдельных элементов. Это позволяет не только решить вопросы снижения шума, по н в дальнейшем наметить пути изучения н улучшения динамики процесса шлифовании.

5. Разработана методика инженерного расчета шума при внутреннем и наружном круглом шлифовании на стадии проектирования, позволяющая с достаточной для инженерных расчетов точностью определять уровни шума, создаваемого шлифовальными кругами и заготовками. Разница между экспериментальными и теоретическими величинами не превышает 3 дБ.

6. Выполнено экспериментальное исследование шумовых характеристик для различных условий внутреннего и наружного круглого шлифования и выявлены основные источники и их вклад в акустическое излучение станка. Показано, что расхождение теоретических и экспериментальных значении уровней звукового давления не превышает 3 дБ. что подтверждает адекватность полученных теоретических моделей.

7. Па основе теоретических и экспериментальных исследований закономерностей шумообразования внутри и круглошлифовальных станков автором разработаны и внедрены в производство способы снижения шума системы шлифовальный круг -заготовка за счет демпфирования оправки внутриишифовального шпинделя и ограждения. излучаемой из шлифуемого о тверстия звуковой энергии, а также специальных, ограждающих зону шлифования конструкции, с требуемой величиной звукоизоляции.

За счет внедрения указанных мероприятий уровни шума внутри и круглошлифовальных станков доведены до нормативных значений. Экономический эффект от внедрения на АО завод «КВАНТ» составил 10.27 млн. рублей (ls цепах 1997 года).

Основное содержание диссертации отражено в 6 работах, в том числе:

1. Чукарина И.М., Каганов B.C. Акустическая модель системы шлифовальный круг - заготовка в процессе внутреннего шлифования // Фундаментальные и прикладные проблемы современной техники: Сб. ст. - Ростов н/Д, 1997. - с. 90 - 102.

2. Чукарина И.М. Акустическая модель системы шлифовальный круг - заготовка круглошлифовального станка // Промышленная экология - 97: Докл. науч. - практ. конф., 12 - 14 нояб. - СПб, 1997. -с. 294 - 300.

3. Чукарина И.М., Балыков И.А. О расчете спектра шума трубопроводов шлифовальных станков // Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности: Докл. И Всерос. науч. - пракг. конф. с междунар. участием, 20 - 22 мая. - СПб, 1997. - Т. 3. - с. 168 - 170.

4. Чукарина И.М., Балыков И.А., Дмитриев В. С. Шумовые характеристики шлифовальных станков // Надежность и эффективность станочных и инструментальных систем: Сб. науч. тр. - Ростов н/Д, 1997. - с. 119 - 123.

5. Чукарина И.М.. Балыков И.А., Саликов В.Ф. Акустическое излучение консольной заготовки при шлифовании // Доклады и тезисы докладов III Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности», 16-18 июня. - СПб, 1998. - Т. 2. - с. 446 - 448.

ЛР № 020639 от 26. 04. 96 г. В набор 10. 11. 98 г. В печать 16. 11. 98 г. Объем 1,0 усл. п. л., 0,9 уч. -изд. л. Офсет. Формат 60x84/16 Бумага Тип № 3. Заказ № 446. Тираж 100.

Издательский центр ДГТУ

Адрес университета и полиграфического предприятия: 344010, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1.

ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЧУКАРИНА Ирина Михайловна

АКУСТИЧЕСКАЯ ДИНАМИКА ВНУТРИ И КРУГЛОШЛИФОВАЛЬНЫХ СТАНКОВ

Специальность 01. 02. 06 - Динамика, прочность машин,

приборов и аппаратуры

На правах рукописи

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание степени

кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Каганов В.С.

Ростов-на-Дону, 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Стр

ВВЕДЕНИЕ 4

1. АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПО ИЗУЧЕНИЮ 7 ВИБРОАКУСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Пути снижения шума и вибрации корпусных деталей 7

1.2. Способы снижения шума системы инструмент - заготовка при токарной 11 обработке

1.3. Пути снижения шума фрезерных станков 15

1.4. Шумовые характеристики сверлильных станков 17

1.5. Способы снижения шума гидросистем металлорежущих станков 21

1.6. Способы снижения шума зубчатых передач, подшипников качения и 27 электродвигателей

1.7. Выводы по разделу. Цель и задачи исследования 28

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ АКУСТИЧЕСКОЙ ДИНАМИКИ 31 ВНУТРИ И КРУГЛОШЛИФОВАЛЬНЫХ СТАНКОВ

2.1. Принципы построения колебательных моделей системы шлифовальный 32 круг - заготовка

2.2. Излучение звука из отверстия детали при внутреннем шлифовании 34

2.3. Акустическое излучение консольной заготовки при шлифовании 45

2.4. Акустическое излучение заготовки при наружном круглом шлифовании 47 2.5 Колебательные скорости шлифовального круга 50

2.6. Шумовые характеристики на рабочем месте при ограждении зоны шли- 52 фования

2.7. Выводы по разделу 55

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АКУСТИЧЕСКОЙ И 56 ВИБРАЦИОННОЙ АКТИВНОСТИ ВНУТРИ И КРУГЛОШЛИФОВАЛЬНЫХ СТАНКОВ

3.1 Методика проведения экспериментальных исследований 56

3.1.1. Измерение условий шума и вибрации 5 6

3.1.2. Методы определения модулей упругости шлифовальных кругов 59

3.2. Исследования виброакустических характеристик процесса внутреннего 62 шлифования

3.3. Исследования виброакустических характеристик процесса наружного 72 круглого шлифования

3.4. Экспериментальные исследования модуля упругости шлифовальных 78 кругов

3.5. Выводы по разделу 84 4. МЕТОДИКА ИНЖЕНЕРНОГО РАСЧЕТА ВИБРОАКУСТИЧЕСКИХ 86 ХАРАКТЕРИСТИК ВНУТРИ И КРУГЛОШЛИФОВАЛЬНЫХ СТАНКОВ НА СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ МЕРОПРИЯТИЙ ПО СНИЖЕНИЮ ШУМА

4.1. Расчет звукового давления при внутреннем шлифовании 87

4.2. Расчет звукового давления при наружном шлифовании 108

4.3. Расчет уровня шума при шлифовании заготовки, установленной в цен- 123 трах

4.4. Эффективность мероприятий по снижению шума 126

4.5. Выводы по разделу 129 ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 130 ЛИТЕРАТУРА 132 ПРИЛОЖЕНИЕ 141

ВВЕДЕНИЕ

Создание высоко производительных и скоростных станков и станочных комплексов приводит к неизбежному увеличению уровней шума и вибрации на рабочих местах, существенно превышающих допустимые величины.

Шум и вибрация являются одними из наиболее распространенных неблагоприятных экологических факторов условий труда, для которых добиться соответствия установленным нормативам наиболее сложно. Шумовая и вибрационная болезни занимают второе и третье место в списке профессиональных заболеваний и в сумме составляют 1/3 общего числа профессиональных заболеваний [1].

Снижение шума и вибрации сопровождается повышением производительности труда и снижением брака выпускаемой продукции. Причем, производительность труда возрастает в большей степени при снижении шума оборудования, чем при использовании работающими индивидуальных средств защиты от шума [2]. Кроме этого, шум и вибрация являются важными комплексными показателями качества изготовления и сборки станка, поскольку отражают неточности изготовления практически всех деталей.

Шлифовальные станки широко используются в мехобработке. Среди станков этой группы одними из наиболее акустически активных являются внутри и круглош-лифовальные станки, уровни шума которых существенно превышают нормативные значения. В настоящее время проблему снижения шума металлорежущих станков приходится решать на оборудовании уже изготовленном и находящимся в эксплуатации с помощью методов вибропоглощения, вибро и звукоизоляции, что далеко не всегда приводит к положительному эффекту.

Работы по доведению акустических характеристик станков до нормы следует начинать на стадии проектирования станка. Для принятия технически и экономически обоснованных решений необходимо разработать модели акустической динамики внутри и круглошлифовальных станков, на их основе получить аналитические зависимости для расчета уровней шума отдельных подсистем и станков в целом, определить источники и величины превышения действующих норм шума. Эти данные явля-

ются базовыми для разработки практических рекомендаций по снижению интенсивности звукового излучения.

Назначение настоящего исследования - решение важной научно-технической и социально-экономической проблемы, заключающейся в улучшении эргономических показателей и качества функционирования системы шлифовальный круг - заготовка на основе рационального подбора конструктивных параметров, направленных на снижение акустической активности внутри и круглошлифовальных станков.

Автор защищает:

1. Раскрытие источников и закономерностей формирования акустических характеристик внутри и круглошлифовальных станков.

2. Модели виброакустической динамики процессов внутреннего и наружного круглого шлифования при первичном возбуждении преобразующей системы шлифовальный круг - заготовка процессом резания.

3. Аналитические зависимости уровней звукового давления, излучаемого от преобразующей системы шлифовальный круг - заготовка в воздушную среду.

4. Методику инженерного расчета акустических характеристик системы шлифовальный круг - заготовка при внутреннем и наружном круглом шлифовании на стадии проектирования станков.

5. Результаты экспериментальных исследований виброакустических характеристик внутри и круглошлифовальных станков.

6.Способы снижения шума при внутреннем и наружном круглом шлифовании.

Научная новизна работы заключается в разработке модели виброакустической

динамики системы шлифовальный круг - заготовка для процессов внутреннего и наружного круглого шлифования. На основе разработанных моделей получены аналитические зависимости для определения спектральных уровней акустического излучения шлифовальных кругов и заготовок, что позволяет на стадии проектирования станка теоретически оценить шумовые характеристики внутри и круглошлифовальных станков и выбрать способы по доведению уровней шума до нормативных значений.

Практическая ценность работы состоит в создании методики инженерного расчета спектральных уровней звукового давления системы шлифовальный круг - заго-

товка для процессов внутреннего и наружного круглого шлифования. Разработано математическое обеспечение акустических расчетов для различных условий шлифования. Предложены способы снижения шума кругов и заготовок за счет установки экранов и ограждений с требуемой акустической эффективностью. Для внутришлифо-вальных станков предложен способ, позволяющий одновременно производить демпфирование оправки шлифовального круга и понизить интенсивность акустического излучения из торца отверстия шлифуемой детали.

Исследования проводились с привлечением основных положений теории колебаний, технической акустики, методов математической теории планирования эксперимента и статистических методов обработки экспериментальных данных.

Экспериментальные исследования проводились в производственных цехах АО «Красный Аксай», АО завод «КВАНТ», лабораториях кафедр «Металлорежущие станки и инструмент» и «Технология конструкционных материалов» Донского государственного технического университета (ДГТУ).

Произвести точный расчет экономической эффективности от снижения шума не представляется возможным из-за отсутствия надежных методик определения экономической эффективности от производства и использования новых средств труда с улучшенными качественными характеристиками. Ориентировочный годовой экономический эффект составляет 10,27 млн. рублей (в ценах 1997 г.).

Внедрены мероприятия по снижению шума на внутри и круглошлифовальных станках за счет устройств, увеличивающих демпфирующие характеристики оправки и детали, отражения звуковой энергии, излучаемой из торца отверстия шлифуемой заготовки, и ограждений зоны шлифования с требуемой величиной звукоизоляции.

Диссертация состоит из четырех разделов, включающих анализ состояния вопроса, цель и задачи исследования (первый раздел), теоретическое исследование акустической динамики внутри и круглошлифовальных станков (второй раздел), экспериментальные исследования акустической и вибрационной активности внутри и круглошлифовальных станков (третий раздел), методика инженерного расчета вибродинамических характеристик внутри и круглошлифовальных станков на стадии проектирования и эффективность мероприятий по снижению шума (четвертый раздел).

1. АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПО ИЗУЧЕНИЮ ВИБРОАКУСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Шумообразование металлорежущего оборудования определяется акустическим излучением корпусных деталей, заготовки, режущего инструмента и вспомогательного оборудования, к которому относятся: электродвигатели, вентиляторы, стойки ЧПУ, насосы, элементы гидросистем и др.

Вентиляторы, применяемые в станках, обычно имеют небольшие и производительность и создают низкие уровни шума. Кроме этого, проведены обширные исследования в области снижения шума вентиляторов [3,4].

В настоящее время наиболее подробно изучены теоретически и экспериментально процессы шумообразования токарных, фрезерных и сверлильных станков. Для всех этих станков общими вопросами являются процессы излучения звуковой энергии корпусных и базовых деталей и малая оснащенность гидрооборудованием. Принципиальные их различия заключаются в акустике системы режущий инструмент - заготовка.

1.1. Пути снижения шума и вибрации корпусных деталей

Причинами звукового излучения корпусных деталей являются вибрации, которые от элементов кинематики через подшипниковые узлы передаются в корпус. Теоретический расчет шума корпусных деталей в основном проводится на основе методов энергетического баланса [5-7]. Опыт показывает, что практически у всех станков наибольшая интенсивность спектра приходится на частотный диапазон 500-1000 Гц, где кривая коэффициента потерь колебательной энергии имеет минимум. Именно поэтому в основном снижение шума корпусных и базовых деталей производится за счет виброизоляции, вибродемпфирования и увеличения демпфирующих свойств конструкции.

На станке 1716ПФЗ установка электродвигателя на резиновые шайбы [8] привела к снижению шума на 10-20 дБ в высокочастотной части спектра, а установка тек-

столитовой прокладки под автоматической коробкой скоростей [9] станка 16К20Т1 позволила понизить уровни шума на 2-7 дБ. У токарно-револьверных станков 1Е316П и 1Д325П при установке редуктора на резиновой прокладке [10] также привела к существенному снижению шума.

Большой эффект в снижении шума наблюдается при использовании вибропог-лощающих покрытий, которые наносятся на поверхность звукового излучения, а эффект тем больше, чем меньше жесткость и больше площадь задемпфированной поверхности. Экспериментально установлено, что жесткие покрытия дают наибольший эффект на низких частотах, на средних - армированные, а на высоких -мягкие. Так, установка на передней стенке токарно-винторезного станка армированного покрытия из материала «Випонит-1М» позволила понизить вибрацию на 6 дБА [11], что эквивалентно увеличению толщины стенки в три раза (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Уровни виброускорения шпиндельной бабки станка 1А616

Существенное снижение шума достигается для сварных конструкций, воздушные полости которых между стенками заполняются сыпучими вибропоглащающими материалами. Для станка 16Б16П заполнение песком поддона сварного основания привело к снижению вибраций в широком диапазоне (рис. 1.2 [12]).

Аналогичные результаты получены и на станке 1716ПФЗ, где заполнение песком сварного основания позволило понизить шум на 7 дБА [12, 13].

Ьа, ДБ 95

75

55

0,063 0,125 0,25 0,5 1 2 4 8 16 £ кГц

Рис. 1.2. Уровни виброускорения сварного основания станка 16Б16П:

1-без песка; 2-с песком

Тем не менее, сварные корпуса нетехнологичны, требуют специальных режимов отжига и могут привести к снижению точности обработки. Поэтому, на кафедре «Металлорежущие станки и инструмент» ДГТУ разработаны способы увеличения диссипативных характеристик, особенно корпусов шпиндельных бабок [14] за счет демпферов колебаний (рис. 1.3) предлагается крепить к станине 3 дополнительно анкерными шпильками 4, помимо винтов 2, крепящих днище к станине. Анкерные шпильки имеют длину больше, чем высота бабки. Дополнительный эффект получается, если между крышкой и корпусом расположить пакет из чередующихся слоев обычного конструкционного материала 1 и материала с высоким коэффициентом внутреннего трения 8.

При затягивании гаек 6 анкерных шпилек 4 по верхнему срезу корпуса образуется второй силовой пояс затяжки. Корпус бабки оказывается сжатым между крышкой и станиной. Это повышает жесткость узла в направлении силы Р2 и способствует снижению действующей в этом же направлении составляющей амплитуды колебаний шпинделя. Крышка, особенно если она выполнена из материалов с высокими демпфирующими свойствами, будучи прижатой к корпусу, выполняет роль демпфера колебаний, в том числе и в звуковом диапазоне частот. Этот эффект усиливает пакет между крышкой и корпусом. Эффект демпфирования проявляется и в направлении силы Ру.

а) б)

Рис. 1.3. Способы увеличения демпфирующих характеристик шпиндельной бабки: а- за счет установки под крышкой пакета типа «сэндвич» и крепления анкерными шпильками; б- за счет установки демпфера колебаний; 1- корпус бабки; 2- винты; 3-станина; 4- анкерные шпильки; 5- крышка; 6- гайка; 7- прокладки из конструкционного материала; 9- тарельчатые пружины; 10- цилиндрическая полость; 11- шайба

На рис. 1.3-6 показана конструкция демпфера колебаний корпуса 1 в виде пакета вложенных одна в другую тарельчатых пружин 9, которые располагаются в цилиндрической полости 10.

Пакет тарельчатых пружин в свободном состоянии выступает над верхней плоскостью корпуса на величину А. При затягивании анкерных шпилек гайками через крышку сначала происходит деформирование пакета, а после устранения зазора -

окончательное затягивание шпилек. Демпфирование колебаний корпуса осуществляется за счет трения между пружинами.

1.2. Способы снижения шума системы инструмент - заготовка при токарной

обработке

В ряде случаев звуковое излучение заготовки и инструмента намного превышает уровни шума от корпусных и базовых деталей, особенно в области частот выше 1000 Гц. Наиболее ярко это наблюдается при точении длинных и консольных заготовок и растачивании отверстий. Показано что при растачивании роль расточного резца достаточно велика, с точки зрения возбуждения колебаний воздушной полости заготовки [14]. При резании шум корпусных и базовых деталей также возрастает из-за увеличения нагрузок на элементы привода и кинематики и, как следствие, увеличения вводимой в корпусные детали вибрационной мощности.

Снижение шума при резании производят различными способами: изменением геометрии инструмента, применением СОЖ, увеличением жесткости системы СПИД, демпфированием режущего инструмента и заготовки, применением специальных виброгасителей [15].

Ь, дБ 100

90 80

70 60

0,25 0,5 1 2 4 8 Г?Гц 1 %2

/

/ / \ \

/ / / \ ч

У / — —

1 2

3

Рис. 1.4. Снижение шума при точении [16 ]: 1- без демпфирования; 2- с демпфированием; 1- демпфирующий материал; 2- стальные пластины

Спектры шума инструмента и заготовки зачастую тональные. Демпфированием инструмента добиваются снижения шума до 20 дБ [15, 16] .В этой работе показано, что демпфирование колебаний резца с помощью приклеенных к державке комплектов пластин из полиуретана позволяет существенно понизить уровень шума (рис. 1.4).

Аналогичный метод демпфирования может быть использован и для расточных борштанг (рис. 1.5).

А

/ / / / / т

Рис. 1.5. Демпфирование колебаний расточной борштанги: 1- демпфирующий материал; 2- стальная втулка; 3- демпфирующие кольца

L, дБ 80

70 -

60 _

63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 f, Гц Рис. 1.6. Спектры шума при наружном продольном точении:

l-/xd = 40x 600 мм; 2-/xd = 80x 600 мм; 3 - холостой ход

Установлено, что характер звукового излучения имеет существенные различия у заготовок с различным соотношением длины к диаметру [14]. Спектральный состав шума токарных станков до частоты 1000 Гц практически не зависит от параметров заготовки, а определяет�