Экспериментальные исследования звукоизолирующих характеристик ограждающих конструкций станков

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Рис. 4. Переходные процессы по току статора, скорости ю и моменту М двигателя при пуске и набросе

нагрузки в момент времени t =1, 5 сек.

модели этого же двигателя ( рис.1), учитывающей вытеснение тока (рис.4б).

Сравнение переходных процессов на рис.4а и рис.4б позволяет сделать следующие выводы:

1. Максимальный момент двигателя увеличивается со значения 280нм до значения 329нм, а пусковой момент двигателя увеличивается пропорционально сопротивлению ротора со значения 140нм до значения 210нм. Эти значения соответствуют номинальным данным двигателя.

2. Время пуска двигателя до установившегося значения скорости при учете эффекта вытеснения тока уменьшается с 0,8 до 0,6 сек.

БИБЛИОГРАФИЯ

1. Проектирование электрических машин : учеб. пособие для вузов / под ред. И. П. Копылова. М. : Энергия, 1980. 496 с.

2. Асинхронные двигатели серии 4А : справ. / Кравчик А. Э. [и др.]. М. : Энергоатомиздат, 1982. 504 с.

Медведев А. М., Литовка Г. В.

УДК 621.01

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗВУКОИЗОЛИРУЮЩИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ СТАНКОВ

Интенсификации и повышению эффективности производства в машиностроении способствует с одной стороны неуклонное развитие научно-технического прогресса, а с другой - улучшение санитарно-гигиенических условий, что обеспечивает повышение культуры производства и создает условия высокоэффективного труда. В ча-

стности, повышение производительности машиностроительного оборудования тесно связано не только с увеличением скоростей, мощностей и прогрессивных конструктивных решений, но и тенденцией повышения их динамического качества, в полной мере коррелирующего с акустическими характеристиками оборудования. Напри-

мер, акустические характеристики металлорежущих станков в значительной мере определяют их эксплуатационные показатели и являются важным фактором, влияющим на производительность труда.

Работы по улучшению акустических характеристик машин ведутся как при разработке новых машин и модернизации действующих (снижение шума в источнике возникновения - конструктивно-технологический способ), так и при их эксплуатации (шумоглушение на путях распространения шума - акустический способ). Как показала практика развития мирового и отечественного машиностроения, а также результаты проведенных исследований, решение проблемы снижения шума невозможно на основе традиционного подхода к конструированию машин без учета связи их динамики и акустики.

Исследование акустического способа снижения шума велось в направлении увеличения звукоизолирующей способности существующих ограждающих конструкций металлорежущих станков.

Увеличение звукоизолирующей способности ограждающих конструкций в основном зависит от правильного выбора звуко- или вибропоглощаю-щих покрытий. Последнее предполагает конкретное знание вклада каждой составляющей шума (структурный или воздушный шум) в общее зву-коизлучение привода станка.

С акустической точки зрения приводы металлорежущих станков необходимо рассматривать как систему элементов (пластин и воздушных объемов, обладающих сложными резонансными свойствами), акустически связанных между собой, в соответствии с геометрией передач [1, 4].

Экспериментально исследована звукоизоляция ограждающих конструкций, выполненных в виде прямоугольной замкнутой оболочки, в диффузном звуковом поле.

Размеры оболочки, с целью максимального приближения экспериментальных исследований к реальным условиям, были выбраны в соответствии с геометрическими размерами ограждающих конструкций и воздушных объемов, заключенных между станиной и ограждениями исследуемых металлорежущих станков.

Звукоизолирующая оболочка, размеры которой 780x850x840 мм, состоит из стенок панелей, изготовленных из стали толщиной 1 мм, каркаса, выполненного из тонкостенного углового профиля. Данная конструкция обеспечивает заданную геометрическую форму и жесткость оболочки и

основания, представляющего собой чугунную пластину толщиной 12 мм.

На массивное основание, имитирующее станину станка, жестко крепился образцовый источник шума. Таким образом, в исследуемой оболочке возбуждалась как структурная, так и воздушная составляющая шума. Звукоизоляция оболочки, оцениваемая, в данном случае, разностью между средним значением уровня звукового давления при работе источника образцового шума без оболочки и средним значением уровня звукового давления при работе того же образцового источника шума закрытого оболочкой, определялась в ревер-берационной камере 1-го класса акустического комплекса института охраны труда г. Иваново. Параметры и характеристики камеры полностью соответствуют рекомендациям международной организации по стандартизации. Исследуемая оболочка размещалась на расстоянии не менее 2-х метров от углов камеры. Все измерения выполнялись с помощью прецизионной аппаратуры фирмы Robotron в октавных полосах частот в диапазоне от 63 до 8000 Гц. Средние квадратические отклонения уровня звукового давления в октавных полосах не превышали 2 дБ для октавных полос со среднегеометрическими частотами менее или равными 500 Гц, и 1,5 дБ - для октавных полос со среднегеометрическими частотами более или равными 1000 Гц.

Блок-схема установки для измерения звукоизолирующей способности ограждающих конструкций металлорежущих станков приведена на рис.1.

Рис. 1. Структурная схема установки для измерения звукоизолирующей способности ограждающих конструкций станков: 1 - стабилизатор; 2 - переключатель; 3 - образцовый источник шума; 4 - исследуемая оболочка; 5 -микрофон; 6 - предусилитель; 7 - переключатель диапазонов; 8 - усилитель напряжения; 9 - блок корректирующих фильтров; 10 - усилитель мощности; 11 - детектор; 12 - блок усреднения; 13 - переключатель временных характеристик; 14 - показывающий прибор

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Частотная зависимость средней звукоизоляции прямоугольной оболочки без покрытий приведена на рис.2 (кривая 1).

ДдБ 40

63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

—*— 1 - полюя оболочка; /> Рц

2 - чбчюшсо внукаооглоощющимптоагтием-

—а— 3 - чбчоччшс виМроооглолщющимполагтием

(мллачгючогсотярелнш); —х— 4 - чбчоччшс рuброооглолщющuмm>lлаlтшм (Гврлоо-Д);

—х— 5 - раочлгтчерначе-те.

Рис. 2. Звукоизоляция прямоугольной оболочки

В области средних и высоких частот звукоизоляция оболочки существенно ниже звукоизоляции рассчитанной по «закону массы» для плоской пластины той же поверхностной массы [1, 2]. Провалы звукоизоляции с повышением частоты обусловлены как резонансами изгибных колебаний стенок-панелей, так и резонансами ее внутреннего объема. Нижняя резонансная частота внутреннего объема оболочки составляет 346,7 Рц, именно в октавной полосе со среднегеометрической частотой 250 Рц /н = 177 Рц, /в = 355 Рц наблюдается наибольший провал на графике звукоизоляции.

Экспериментально показано уменьшение звукоизоляции прямоугольной оболочки в полосах частот, включающих расчетное значение резонансных частот. Поскольку при повышении частоты плотность спектра собственных частот оболочки и ее внутреннего воздушного объема увеличивается, а средний коэффициент звукопоглощения под оболочкой аоб« 1, то значение величин снижения проникающих уровней становятся значительно ниже собственной звукоизоляции стенок оболочки.

С целью увеличения звукоизолирующей способности ограждающих конструкций были исследованы структуры, обладающие одновременно, но в различной степени, как звуко - так и вибро-поглощающими свойствами. В качестве исследуемых были выбраны: пенорезина (ОСТ 38.0692-83) - преимущественное звукопоглощение в сочетании с вибропоглощением, мелкопористая резина (ТУ 17-21-132-76) и самоклеющийся материал герлен-д (ТУ 400-1-165-79), сочетающие в равной степени и вибродемпфирующие и звукопоглощающие свойства.

Для исследования влияния звукопоглощения на звукоизоляцию оболочки на ее внутреннюю поверхность было нанесено покрытие из пенорезины толщиной 50 мм. На низких частотах, где величина звукоизоляции определяется толщиной стенок оболочки, звукопоглощение мало, внесение его оказалось неэффективным почти не изменило звукоизоляцию. Влияние звукопоглощения на изоляцию становиться заметным, начиная с частот, к резонансным колебаниям внутреннего объема оболочки, что соответствует октавной полосе со среднегеометрической частотой 250 Рц. Увеличение звукоизоляции вследствие звукопоглощения при оболочке достигает 20-24 дБ. В результате внесения звукопоглощающего материала внутрь оболочки звукоизоляция ее на низких и высоких частотах стала практически равной звукоизоляции по «закону массы» плоской бесконечной пластины. Таким образом, звукопоглотитель, демпфируя резонансы внутреннего объема оболочки, приближает звуковое поле в определенной мере к полностью заглушенному пространству и тем самым увеличивает звукоизоляцию.

Для исследования влияния вибропоглощения на звукоизоляцию оболочки после удаления звукопоглотителя внутренние поверхности были поочередно облицованы мелкопористой резиной толщиной 9 мм и самоклеющимся материалом герлен-д толщиной 5 мм. Самоклеющаяся герметизирующая лента герлен-д представляет собой материал, получаемый методом экструзии смеси синтетического каучука, мягчителей и наполнителей, дублирована нетканым синтетическим материалом. Нанесение вибропоглощающих покрытий существенно повысило звукоизоляцию оболочки во всем частотном диапазоне. В области низких и средних частот устранение резонансных колебаний стенок оболочки путем демпфирования приводит к увеличению динамической жесткости оболочки как единого целого. В области высоких частот, где звукоизоляция существенно зависит от поглощения звуковых волн в воздушном объеме, вибропоглощение, тем не менее, также увеличило звукоизоляцию. Это увеличение является потерями энергии при колебании оболочки. Увеличение звукоизоляции замкнутой прямоугольной оболочки при наличии вибропоглощения начинается с низких частот использованного диапазона и возрастает к средним и высоким частотам до величин порядка 14-22 дБ для мелкопористой резины (кривая 3) и 11-14 дБ для Герлен-Д (кривая 4). Вибропоглощение так же как и звукопоглощение приближает на средних и высоких частотах звукоизо-

35

30

25

5

0

системным анализ и его приложения

ляцию прямоугольной оболочки к звукоизоляции по «закону массы» для бесконечной пластины.

В звукоизолирующих конструкциях металлорежущих станков звукопоглощающие материалы могут применяться только в сочетании с защитными «акустически прозрачными» покрытиями. Это обусловлено тем, что большинство звукопоглощающих материалов не обладают требуемой механической прочностью, а также для защиты от действия агрессивной среды (масляного тумана) и увеличения срока эксплуатации звукопоглощающих материалов [1, 2, 4]. Акустически прозрачной считается такая структура, которая практически не ухудшает звукопоглощающих свойств материала.

Влияние пленочного покрытия на звукопоглощение пористого материала определяется в основном инерционностью пленочного покрытия, т.е. поверхностной массой Ми [2]. Пленки с Ми >

кг

0,070 —— применять не рекомендуется, так как

м

они значительно снижают коэффициент звукопоглощения в области высоких частот [1, 3].

Используя рекомендации работ [3, 4] в качестве защитного пленочного покрытия в звукоизолирующих конструкциях металлорежущих станков машины была использована полиэтиленовая пленка (ГОСТ 10354-82, переиздание 2001) толщиной 25 мкм, с поверхностной массой 0,023 кг

—— , не внесшая существенного значения в сни-

м

жение величин коэффициента звукопоглощения [5]. Однако, при апробации пленочного покрытия в производственных условиях выявлена его недостаточная механическая прочность. Пленочное покрытие не удовлетворяет требованиям ГОСТ Р 12.3.047-98 (переиздание 2004, ССБТ. Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля) - горит при соприкосновении с пламенем.

В качестве оптимизационных параметров выбора защитного пленочного покрытия являлись звукопрозрачность, механическая прочность и негорючесть. Характеристики некоторых пленок, выпускаемых отечественной промышленностью, которые могут быть использованы для облицовки звукопоглощающих материалов, приведены в табл. 1.

Наиболее перспективным пленочным покрытием, рекомендуемым для использования в качестве защитной оболочки на звукоизолирующие конструкции станков, является полиэтиленте-рефталатная пленка. Имея высокий процент зву-копрозрачности, пленочное покрытие трудносго-

раемо и обладает достаточной механической прочностью и эластичностью. Но наряду с этим

кг

поверхностная масса составляет 0,094-0,112 ——.

м2

Поэтому применение данного пленочного покрытия внесет определенное и неизбежное снижение величин коэффициента звукопоглощения.

Таблица 1 Физико-механические характеристики пластмассовых пленок

Тип пленки Толщина, мкм Па Прозрачность, % Температура применения ,°С

Поливинил-хлоридная, ТУ 6-05-22678 150 15,5 80 - 60 -+ 80 горит

Поливинил-хлоридная ПЭДА, ТУ 6-19-12779 600 18,0 - то же

Полиамидная ПМ, ТУ 6-19-10278 100 - 130 90 -100 - - 60 -+ 220 трудно-сгораемая

Полиэтилен- терефталат- ная, ТУ 6-05-12176 80 -120 40 -50 90 - 60 -+ 100 трудно-сгораемая

Примечание: где растяжении.

стр - разрушающее напряжение при

Исследование частотной зависимости звукоизоляции полиэтилентерефталатной пленки от толщины проводилось в заглушенной камере 1 -го класса акустического комплекса института охраны труда г. Иваново.

На рис. 3 представлена структурная схема аппаратуры для измерения звукоизоляции поли-этилентерефталатной пленки. Схема аппаратуры для измерения звукоизоляции состоит из двух независимых трактов: тракта генерации воздушного шума и измерительного тракта.

Тракт излучения шума предназначен для обеспечения необходимой интенсивности звука во всем частотном диапазоне. Генератор шума 03 004 обеспечивает как «белый», так и «розовый» шум. Использование «розового» шума позволяет повысить уровни звукового давления в области низких и средних частот. В качестве усилителя мощности использован усилитель ЬУ102. Акустическая сис-

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

тема, создающая шум высокой интенсивности во всем исследуемом диапазоне частот, состоит из широкополосного громкоговорителя 15 ГД фирмы AUDAX (Франция).

Рис. 3. Структурная схема установки для измерения звукоизоляции полиэтилентерефталатной плёнки: 1 - стабилизатор; 2 - звуковой генератор; 3 - усилитель мощности; 4 - акустическая система; 5 - полиэтиленте-рефталатная пленка в экране; 6 - микрофон; 7 - предуси-литель; 8 - переключатель диапазонов; 9 - усилитель напряжения; 10 - блок корректирующих фильтров; 11 усилитель мощности; 12 - детектор; 13 - блок усреднения; 14 - переключатель временных характеристик; 15 - показывающий прибор.

Измерительный тракт состоит из конденсаторного микрофона М¥ 103, установленного перед акустической системой на поворотно выдвижном устройстве, и прецизионного импульсному шумо-меру 00017 с набором октавных фильтров. Все приборы тракта генерации и измерительного тракта, за исключением акустической системы, фирмы Robotron.

При испытании использовались образцы из полиэтилентерефталатной пленки толщиной 85, 100, 115 мкм. Звук подавался интенсивностью 90 дБ. Замеры проводились при установке микрофона на расстоянии 250, 500, 1000 мм от пленки. Звукоизоляция пленки оценивалась разностью между средними значениями уровня звукового давления при работе акустической системы без образцов пленки и средними значениями уровня звукового давления при работе той же акустической системы с образцами пленки. Результаты измерений звукоизолирующей способности полиэтилентерефта-латной пленки приведены на рис. 4.

Таким образом, пленочным покрытием, рекомендуемым для использования в качестве защитной оболочки на звукоизолирующие конструкции станков, является пленка толщиной 85 мкм.

а) толщина 85 мкм;

R, дБ 8 6 4 2 0 -2 6 -4

б) толщина 100 мкм;

8000

f, Гц

К,дБ 8 6 4 2 0

Рис. 4. Частотная зависимость звукоизоляции полиэтилентерефталатной пленки.

Результаты экспериментальных исследований звукоизолирующей способности замкнутой прямоугольной оболочки были использованы для снижения шума приводов токарно-винторезного станка мод. 16К20 и зубофрезерного полуавтомата мод. 5К324. Внутренние поверхности существующих ограждений были облицованы звуко- и виб-ропоглощающими структурами (табл. 2).

Для проверки экспериментальных исследований увеличения звукоизолирующей способности ограждающих конструкций металлорежущих станков на участке механообработки ОАО «Амурский металлист» (Амурская область) были проведены производственные испытания звукоизолирующих средств снижения шума станков.

Материалы покрытий плотно приклеивались к ограждающим конструкциям эпоксидным клеем и клеем № 88. Сравнительные испытания двух одинаковых ограждений с одинаковыми покрытиями, но с разными клеями показали, что марка клея не оказывает влияния на звукоизолирующие характеристики ограждающих конструкций станка.

4

системный анализ и его приложения

Таблица 2

Параметры звукоизолирующих ограждений

Место нанесения покрытия Тип, марка покрытия Толщина, мм Защитное покрытие

Ограждение токарно-винторезного станка 16К20 пенорезина 50 полиэтиленовая пленка

мелкопористая резина 9 полиэтилен-терефталат-ная пленка

Ограждение зубофрезерно-го полуавтомата 5К324 герлен-д 5 то же

мелкопористая резина 9 то же

Частотные зависимости звукоизоляции ограждений, облицованных различными звуко- и вибропоглощающими материалами приведены на рис. 5.

Н, дБ 10

На, дБА

0

63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 —— ограждение, облицованное ллролн-д; ^ Рц

—ограждение, ороинованнол олнорлниной; —*— ограждение, ороицованное млоалолриоmлйрезиной.

Рис. 5.

Обсуждение результатов, выводы

Анализ экспериментальных исследований звукоизоляции прямоугольной оболочки и защитного пленочного покрытия позволяют сделать следующие выводы:

• во всем частотном диапазоне звукоизоляция прямоугольной оболочки имеет значения гораздо меньшие, чем значения, определяемые по «закону массы»;

• звукоизоляция, вызванная звукопоглощением, может превысить значение «закона массы» для пластины той же массы только в области средних и высоких частот;

• увеличение звукоизоляции, обусловленное вибропоглощением, может оказаться столь же

1. 2.

3.

4.

5.

эффективным, при этом и в низкочастотной области, как повышение звукоизоляции, вызванное звукопоглощением; экспериментальные исследования полиэтилен-терефталатной пленки показали, что она обладает звукоизолирующими свойствами в основном на частотах 2000, 4000, 8000 Рц, на низких и средних частотах пленка «акустически прозрачна». Использование пленки в качестве защитного покрытия звукопоглотителя в звукоизолирующих конструкциях станков даст возможность дважды переломить высокочастотные составляющие шума зубчатых передач. Кроме того, звукоизолирующие свойства по-лиэтилентерефталатной пленки, помимо снижения интенсивности шума трансформируют в благоприятную сторону его характер, наиболее эффективно заглушая звуки высоких частот;

результаты экспериментальных исследований в производственных условиях ограждающих конструкций облицованных, звуко- и вибро-поглощающими структурами показали высокие результаты увеличения звукоиозоляции ограждений станков. По абсолютной величине уровни звукового давления, зарегистрированные при испытаниях в 2-3 раза ниже, т.е. 5-8 дБА, чем при испытаниях обычных ограждений.

БИБЛИОГРАФИЯ

Справочник по технической акустике : пер. с нем. / под ред. М. Хекла, Х. А. Мюллера. Л. : Судостроение, 1980. 440 с. Справочник по судовой акустике / под ред. И. И. Клюкина, И. И. Боголепова. Л. : Судостроение, 1978. 504 с.

Клюкин И. И. Борьба с шумом и звуковой вибрацией на судах. 2-е изд. перераб. и доп. Л. : Судостроение, 1971. 416 с. Боголепов И. И. Промышленная звукоизоляция. Л. : Судостроение, 1986. 368 с. Медведев А. М., Бородин Н. И. Звукоизолирующая конструкция : информ. л. / Ивановский ЦНТИ. Иваново, 1986. 3 с. № 275-86.

8

7

6

5

4

2