2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ......................................................5
1 АНАЛИЗ ШУМООБРАЗОВАНИЯ ОТ КРУГЛОПИЛЬНЫХ ДЕРЕВООБРАБАТЫВАЮЩИХ СТАНКОВ И НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ЭФФЕКТИВНЫХ ПУТЕЙ СНИЖЕНИЯ ШУМА..........................................................10
1.1 Краткая характеристика и причины шумообразования при механической обработки древесины..................................10
1.2 Круглопильные деревообрабатывающие станки как излучатели шума и возможные пути его снижения...................................14
1.3 Анализ вибродемпфирующих устройств для снижения шума от пильного диска круглопильных деревообрабатывающих станков..............21
1.4 Обоснование выбора вибродемпфирующих материалов по физикомеханическим и эксплуатационным свойствам для устройства демпфирования пильных дисков............................................28
1.4.1 Вибродемпфирующие материалы..........................28
1.4.2 Обоснование выбора композитных материалов для вибродемпфирующих прокладок с сухим трением (ВДПСТ) под зажимные фланцы
пильного диска.............................................36
1.5 Цель и задачи исследования................................39
1.6 Выводы....................................................42
2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СНИЖЕНИЯ ШУМА ОТ ПИЛЬНОГО ДИСКА ПРИМЕНЕНИЕМ ВДПСТ...................44
з
2.1 Математическая модель снижения шума от пильного диска применением ВДПСТ...........................................................44
2.2 Выводы......................................................57
3 МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.................................................58
3.1 Определение модуля упругости и коэффициента Пуассона вибродемпфирующих прокладок с сухим трением (ВДПСТ)............58
3.2 Измерение характеристик демпфирующих свойств вибродемпфирующих прокладок с сухим трением (ВДПСТ).......61
3.3 Исследование акустической эффективности
вибродемпфирующих прокладок с сухим трение (ВДПСТ)...........64
3.4 Обработка результатов исследований.......................67
3.5 Выводы...................................................68
4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВИБРОДЕМПФИРУЮЩИХ ПРОКЛАДОК С СУХИМ ТРЕНИЕМ (ВДПСТ)..............................................69
4.1 Общая характеристика прокладок с сухим трением (ВДПСТ) и обоснование их использования для демпфирования пильных дисков.69
4.2 Экспериментальное определение физико-механических характеристик вибродемпфирующих прокладок с сухим трением (ВДПСТ) 71
4.2.1. Поверхностная плотность и толщина ВДПСТ...........71
4.2.2 Модуль упругости и коэффициент Пуассона вибродемпфирующих прокладок с сухим трением (ВДПСТ).....................73
4
4.3 Влияние зернистости частиц и вида основы прокладок на эффектив
ность демпфирования...........................................75
4.4 Влияние температурного фактора на эффективность демпфирования..........................................82
4.5 Выводы....................................................86
5 ОЦЕНКА АКУСТИЧЕЧКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВИБРОДЕМПФИРУЮЩИХ ПРОКЛАДОК С СУХИМ ТРЕНИЕМ (ВДПСТ)..........................................................87
5.1 Критерии оценки акустической эффективности конструкции....87
5.2 Результаты экспериментальной оценки акустической эффективности (ВДПСТ).....................................89
5.3 Выводы....................................................96
6 ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РАЗРАБОТКИ.............................97
6.1 Натурные испытания ВДПСТ..................................97
6.2 Сравнительный анализ результатов теоретических исследований и натурных испытаний ВДПСТ..............................104
6.3 Практическая реализация результатов научных исследований.106
6.4 Перспективы применения и развития вибродемпфирующих прокладок с сухим трением (ВДПСТ)...............................111
6.5 Выводы...................................................114
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ....................................115
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК........................................119
ПРИЛОЖЕНИЕ..................................................134
5
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность. Настоящая работа направлена на снижение шума от круглопильных деревообрабатывающих станков, уровень которого значительно превышает нормативные значения.
Как известно, круглопильные деревообрабатывающие станки относятся к одному из наиболее шумных видов деревообрабатывающего оборудования (уровень шума на рабочем ходе достигает 110-115 дБ А). Круглопильные деревообрабатывающие станки различного функционального назначения и модификаций используются как для первичной, так и повторной обработки древесины и изделий из нее. Доминирующим источником шума от круглопильных деревообрабатывающих станков на рабочем ходе является пильный диск, вследствие возбуждения в нем звуковой вибрации. Излучаемый шум по спектральной характеристике является - высокочастотным (свыше 1000 Гц), причем с выраженными тональными составляющими раздражающими (обременительными) для слухового восприятия человеком.
Шумообразование при пилении зависит от многих факторов: вида породы и влажности древесины; направление резания относительно волокон древесины; скорости подачи и резания; высоты и ширины пропила; конструкции пильного диска (диаметра и толщины диска; числа, размера, формы зубьев и т.п.) и степени его износа; аэродинамических завихрений от зубчатого венца.
Снижение шума от круглопильных деревообрабатывающих станков является сложной проблемой, требующей комплексного решения.
Для механической обработки древесины, как правило, необходимо постоянное присутствие оператора в непосредственной близости со станком для контроля и управления технологическим процессом. Поэтому применение методов и средств снижения шума на пути его распространения
6
(кожухи, экраны) малоэффективно без сочетания с мерами по снижению шума в источнике возникновения (пильном диске). Наиболее радикальным и рациональным подходом к снижению шума в источнике возникновения (пильном диске) являются средства вибродемпфирования. Большой вклад в развитие вибродемпфирования и создания средств вибродемпфирования внесли известные отечественные ученые: И.И. Клюкин, Г.С. Писаренко, A.C. Никифоров, Б.Д. Тартаковский, В.Ю Кирпичников, В.Ф. Асминин и др., а также известные зарубежные ученые Е. Кервин, Г. Оберст, Е. Унгар, А. Нашиф, Д. Джоунс и др.
На основании анализа существующих технических средств вибродемпфирования для снижения звуковой вибрации от пильных дисков были выявлены их общие недостатки и сформулированы критериальные требования для разработки новой высокоэффективной унифицированной вибродемпфирующей конструкции применимой для круглопильных деревообрабатывающих станков различного функционального назначения и модификации. Предложена новая унифицированная конструкция устройства, состоящая из вибродемпфирующих фрикционных прокладок (с сухим трением), помещаемая между пильным диском и зажимным фланцем круглопильных деревообрабатывающих станков.
Целью работы является разработка унифицированных
вибродемпфирующих прокладок с сухим трением для снижения звуковой вибрации пильных дисков круглопильных деревообрабатывающих станков.
Общая методика исследования построена на сочетании теоретического анализа литературных источников, экспериментальных и теоретических методов. В работе применялись: физическое и математическое моделирование, натурное обследование круглопильных
деревообрабатывающих станков (КДС) и пильных дисков как излучателей звуковой вибрации, а также натурные испытания ВДПСТ, оригинальные, стандартные и адаптированные лабораторные методы исследования с
7
использованием современных измерительных средств и компьютерной техники. Полученные экспериментальным путем результаты обрабатывались по типовым программам с использованием методов теории вероятности и математической статистики.
Научная новизна работы состоит:
• в научном обосновании и разработки конструкции ВДПСТ, а также результатах исследования акустической эффективности новых вибродемпфирующих прокладок (ВДПСТ) с сухим трением для снижения звуковой вибрации от пильных дисков круглопильных деревообрабатывающих станков (КДС);
• в установлении и качественной оценке доминирующего физического фактора диссипации колебательной энергии в системе «пильный диск - ВДПСТ», который обусловлен сухим трением между абразивными частицами слоев вибродемпфирующих прокладок;
• в разработанной математической модели, описывающей снижение шума от пильного диска применением ВДПСТ;
© в экспериментальном установлении влияния зернистости абразивных частиц прокладок на диссипативные и акустические свойства ВДПСТ;
• в экспериментальном установлении отсутствия влияния температурного фактора (в диапазоне рабочих температур от 0 до +60С°) на диссипативные и акустические свойства ВДПСТ.
Практическая ценность работы. В результате работы созданы и предложены пригодные для практики:
• расчетная методика определения снижения шума от пильного диска круглопильного деревообрабатывающего станка (КДС) применением ВДПСТ с варьируемыми характеристиками;
8
• эмпирические выражения для приближенной оценки коэффициента потерь в системе вибровозбужденный «пильный диск - ВДПСТ»;
• эмпирические выражения для приближенной оценки акустической эффективности от применения ВДПСТ на вибро возбужден ном пильном диске, учитывающие зернистость минеральных абразивных частиц;
• конструкция устройства, состоящая из вибродемпфирующих прокладок с сухим трением (ВДПСТ) с рекомендуемыми характеристиками;
• рекомендации по основным параметрам конструкции ВДПСТ.
Опытная серия образцов ВДПСТ, являющаяся практическим результатом диссертационных исследований, была внедрена в производство на ЗАО ХК «Мебель Черноземья» (г. Воронеж) для снижения звуковой вибрации от пильных дисков круглопильных деревообрабатывающих станков и от оборудования для заточки круглых пил.
На защиту выносятся:
• результаты экспериментального исследования влияния различных факторов: частоты возбуждения, температуры окружающей среды, зернистости минеральных абразивных частиц, вида основы на диссипативные свойства ВДПСТ;
• эмпирические выражения, устанавливающие зависимость коэффициента потерь ВДПСТ от частоты возбуждения и температуры;
• математическая модель снижения шума от пильного диска КДС применением ВДПСТ;
• результаты экспериментального исследования влияния различных фактов: зернистости минеральных абразивных частиц, вида основы на акустическую эффективность ВДПСТ;
9
• эмпирические выражения, устанавливающие зависимость акустической эффективности ВДПСТ от размера минеральных абразивных частиц;
• результаты натурных испытаний на акустическую эффективность опытной серии ВДПСТ;
• рекомендации по основным параметрам конструкции ВДПСТ.
Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в 8 печатных работах (в том числе 2 работы в изданиях входящих в перечень ВАК), докладывались на следующих научных конференциях: Третья Всероссийская научно-
техническая конференция «Современные проблемы экологии и безопасности» г.Тула 2007г.; Первая международная научно-практической конференция «Леса России в XXI веке» г. Санкт-Петербург июль 2009 г.; Третья международная научно-практическая конференция «Леса России в XXI веке» г. Санкт-Петербург апрель 2010 г.; Третья всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Защита населения от повышенного шумового воздействия» г. Санкт-Петербург 22-24 марта 2011 г, а также на ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподовательского состава ВГЛТА (2008-2011).
Образцы ВДПСТ экспонировались и награждены дипломом межрегиональной выставки «Усадьба - 2010» (г. Воронеж, «Выставочный Центр Вета»).
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, библиографического списка из 149 наименований и приложения. Основной материал, включая 37 рисунков и 11 таблиц, изложен на 136 страницах; объем приложения - 5 страниц.
10
1. АНАЛИЗ ШУМООБРАЗОВАНИЯ ОТ КРУГЛОПИЛЬНЫХ ДЕРЕВООБРАБАТЫВАЮЩИХ СТАНКОВ И НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ЭФФЕКТИВНЫХ ПУТЕЙ СНИЖЕНИЯ
1.1. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И ПРИЧИНЫ ШУМООБРАЗОВАНИЯ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
Основной производственной вредностью деревообрабатывающих цехов является шум, возникающий при обработке древесины. Наиболее шумным технологическим процессом является процесс резания. Из всех видов резания наиболее шумными являются пиление, строгание и фрезерование древесины. Деревообрабатывающим станкам присущи высокие скорости резания и подачи, значительно усложняющие задачу борьбы с шумом. Также, борьба с шумом усложняется в результате развития прогрессивных технологических процессов обработки древесины, связанных с чрезмерной концентрацией оборудования на сравнительно небольших площадях. Еше одной сложностью борьбы с шумом в деревообрабатывающей отрасли является необходимость нахождения обслуживающего персонала в непосредственной близости от мощных
Звуковая мощность (IV), излучаемая круглой пластиной (или тонкостенной металлической конструкцией) выражается [14, 15, 114]:
у - коэффициент излучения пластины, зависящий от формы и размеров,
ШУМА
ДРЕВЕСИНЫ
источников шума [12, 14, 15, 74, 101, 114, 115, 119, 121, 122].
0.1)
где рс - удельное акустическое сопротивление среды; 5 - площадь пластины; и2 - колебательная скорость;
11
частоты звука, распределения скорости по поверхности излучения и других факторов.
В процессе резания часть энергии, затрачиваемой на резание, переходит в энергию шума. Поэтому можно считать, что мощность шума (Жш), генерируемого в процессе резания, прямопропорциональна мощности резания (И'р), то есть
№ш=Кп1Ур (1.2)
Где Кп - коэффициент пропорциональности.
Энергия является производной от мощности. Поэтому мощность, затрачиваемую на резание в единицу времени, можно при некоторых допущениях считать одним из определителей шумности процесса. Мощность, затрачиваемая на резание, определяется из формулы А.Л. Бершадского.[12, 100]
ИГ?-КЬИУП9 (1.3)
где К- удельная работа, затрачиваемая на отделение 1 см’ объема древесины при резании, кг •м/сек;
Ь - ширина стружки, мм;
И - высота пропила или припуск при фрезеровании, мм;
Уп - скорость подачи, м/сек.
Удельная работа (К) является переменной величиной, зависящей от физических свойств и породы обрабатываемой древесины, параметров и скорости резания, угловых величин заточки и состояния резца.
Исходя из формулы (1.3) и предположения прямой зависимости интенсивности шума от затрачиваемой на резание мощности, можно считать,
что уровень шума, возникающего при резании древесины, зависит от следующих основных факторов:
• размеров, профиля, угловых значений заточки режущих инструментов (зубьев пильных дисков);
• скорости подачи и скорости резания;
• твердости и влажности обрабатываемой древесины;
• ширины стружки и высоты пропила (величины припуска);
• степени износа режущей кромки инструмента.
Для круглых пил уровень шума зависит, кроме того, от количества зубьев пильного диска, одновременно находящихся в рабочем контакте с обрабатываемой древесиной [45, 49, 101, 117, 119].
В табл. 1 представлены данные об акустической мощности основных фупп деревообрабатывающих станков. Из табл. 1 видно, что уровни шума деревообрабатывающих станков на рабочем и холостом ходу значительно превышают допустимые нормы (ГОСТ 12.1.003-83, Г1С-75), что
подтверждает актуальность задачи снижения шума от данного вида оборудования. Также из таблицы следует, что наибольшее превышение допустимых норм получается в результате работы круглопильных, фрезерных и строгальных станков. [14, 15, 44, 84, 94, 101, 114, 115, 119, 121, 122]. Одним из самых распространенных видов деревообрабатывающих станков являются круглопильные станки [37, 62, 63]. Они находят применение, как при первичной, так и при дальнейшей обработке древесины. Поэтому считаем рациональным поиск путей снижения шума именно от этой группы станков.
- Київ+380960830922