Экспериментальные исследования шума и вибрации ленточнопильных и многопильных деревообрабатывающих станков

УДК 67.05

05.00.00 Технические науки

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ШУМА И ВИБРАЦИИ

ЛЕНТОЧНОПИЛЬНЫХ И МНОГОПИЛЬНЫХ ДЕРЕВООБРАБАТЫВАЮЩИХ СТАНКОВ

Литвинов Артем Евгеньевич к.т.н., доцент БРШ-код:9345-4185 Скопус author Id=36988041300 Кубанский Государственный Технологический Университет, Краснодар, Россия

Чукарин Александр Николаевич д.т.н, профессор SPIN-код: 5881-9764

Ростовский Государственный Университет Путей Сообщения, Ростов-на-Дону, Россия

В статье представлены результаты экспериментальных исследований шумообразования ленточнопильных и многопильных деревообрабатывающих станков. Проведенные исследования показали, что деревообрабатывающие станки пильной группы, как и металлорежущие, имеют общие закономерности в формировании спектрального состава, что позволяет подойти к разработке практических рекомендаций по снижению уровней звукового давления в рабочей зоне операторов до санитарных норм. Особо следует отметить то, что повышенные уровни шума создаются режущим инструментом. Выявлено влияние изменения параметров технологического процесса, в особенности, глубины резания и подачи на создаваемые инструментом уровней шума. Например, увеличение глубины резания в два раза приводит к увеличению уровней звукового давления на 5-8 дБ (теоретически полученная величина составляет 6 дБ), а уменьшение подачи в два раза снижает уровни звукового давления на 5 дБ. Достаточно высокая для инженерных целей сходимость теоретических и экспериментальных уровней звукового давления и тот факт, что расчетные величины выше экспериментальных, позволяет рассчитывать и проектировать системы снижения шума рассматриваемых в работе станков е только находящихся в эксплуатации, но и при их проектировании

Ключевые слова: ОТРЕЗНОЙ СТАНОК, ШУМ, ВИБРАЦИЯ, ЗВУКОВОЕ ДАВЛЕНИЕ

Doi: 10.21515/1990-4665-124-047

UDC 67.05 Engineering sciences

EXPERIMENTAL STUDY OF NOISE AND VIBRATION OF THE BAND SAW FRAME SAWS AND WOODWORKING MACHINES

Litvinov Artem Evgenevich

Cand.Tech.Sci., associate professor

SPIN-code:9345-4185

Scopus author ID: 36988041300

Kuban State Technological University, Krasnodar,

Russia

Chukarin Alexander Nikolaevich Dr.Sci.Tech., professor SPIN-code: 5881-9764

Rostov State Transport University, Rostov-on-Don, Russia

The article presents the results of experimental studies of band noise generation and multirip woodworking machines. The studies have shown that saw woodworking group, as well as metal, are general patterns in the formation of the spectral composition that allows to approach the development of practical recommendations to reduce sound pressure levels in the work area to the operators of sanitary norms. Of particular note is the fact that elevated levels of noise generated by the cutting tool. The effect of changes in process parameters, in particular, the depth of cut and feed to levels of noise generated by the tool. For example, increasing the depth of cut in half leads to an increase of sound pressure levels at 5.8 dB (theoretically obtained value is 6 dB), and supplying a halving of the sound pressure levels reduces by 5 dB. High enough for engineering purposes convergence of theoretical and experimental sound pressure levels and the fact that the calculated values above experimental, allows the calculation and design of the system to reduce the noise under consideration in the machine is, only in service but also in their design

Keywords: CUTTING MACHINE, NOISE, VIBRATION, SOUND PRESSURE

Существующие исследования шума пильных

деревообрабатывающих станков ограничены мощностью до 7 кВт для ленточнопильных станков и однопильными круглопильными станками. Поэтому в качестве объектов исследования в данной работе выбраны тяжелые ленточнопильные станки с мощностями 75-160 кВт и многопильные круглопильные станки, технические характеристики которых приведены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1 - Технические характеристики объектов исследования.

Модель Мощность, кВт Скорость подачи, м/с Толщина пилы Длина пилы, мм Скорость резания, м/с Шаг зубьев

ЛПС-1 75 2.3 1.6 10250 45 50,60

ЛГ-190 75 1.3 1.8 12500 45 60

ЛБ-240 160 2 2.4 14450 45 60,80

Таблица 2 - Технические характеристики объектов исследования.

Модель* Мощность, кВт Число пил, шт Диаметр пилы, мм Частота вращения пилы, об/мин Число зубьев**

ЦДК 5-1 10 5 400,250 3600 36,48,60 72,96,120

ЦМР-1 26 10 320,250 4615

Т-94 100 8 400-650 1470 48,72 72,120

А-727 28 27 600 2080

СЛ-1 95 6 1500 685

* - ЦДК 5-1 - многопильный прирезной; ЦМР - 1 - многопильный раскройный; Т-94 восьмипильный для развала брусьев; А -727 - торцовочный пильный; СЛ -1 - слепшер. ** - числа зубьев в верхнем ряду применяются для продольной распиловки, в нижнем -для поперечной.

Круглые пилы, используемые в этих станках, имеют малую толщину и большие диаметры. Поэтому они имеют очень большое количество собственных частот колебаний. Причем первые моды колебаний попадают даже в первую октаву. В частности, дисковые пилы диаметром 400 мм имеют 320 собственных частот, которые попадают в нормируемый

диапазон частот 22.4-11200 Гц. Пилы, диаметром 600 мм - 373 собственных частоты форм колебаний, а пилы диаметром 1500 мм - 4667.

Теоретический расчет уровней звукового давления выполнялся на ЭВМ, т.е. в программе расчета автоматически учитывается количество собственных частот и их сортировку по ширине полос соответствующих октав. Частоты силового возмущения, определяемые частотами возмущения пильных дисков и количеством зубьев пил приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Частоты силового воздействия дисковых пил, попадающих в

октавные полосы.

Модель станка Частоты силового воздействия дисковых пил попадающих в октавные полосы.

1 2 3 4 5 6 7 8 9

22.4 45 45 90 90 180 180 355 355 710 710 1400 1400 2800 2800 5600 5600 11200

ЦДК 5-1 2160 2880 3600 4320 5760 7200

ЦМР-1 2772 3696 4620 5544 7392 9240

Т-94 880 1176 1470 1764 2352 2940

А-727 1680 2520 4200

СЛ-1 530 790 1320

Спектры шума тяжелых ленточнопильных станков представлены на

рисунке 1.

Спектры шума тяжелых лепточпопильпых станков

1 \ ч

\ г" V/ с----- с   - Г--- 1

ч 1 к ч ч к

1— ___

-н

31,5 63 125 250 500 1000 2000 1000 8000 _£1ч_,

1-ЛПС 1 и ЛГ 190 — ± — 2 ЛБ 210 — - 3 Предельный спектр

Рисунок 1 - Спектры шума тяжелых ленточнопильных станков: 1 -ЛПС-1 и ЛГ-190; 2 - ЛБ-240; 3 - предельный спектр.

Обработке на ленточнопильных и многопильных круглопильных станках подвергались различные породы древесины, включая заготовки из дуба. Измерение шума показывает, что разница в уровнях звукового давления составляет 1.5-3.5 дБ (теоретически рассчитанное значение составляет 2 дБ). Поэтому на спектрах шума приведены максимально зафиксированные уровни звукового давления.

В отличии от ленточнопильных металлообрабатывающих станков в данном случае спектр имеет равномерное распределение интенсивности излучаемой звуковой энергии в широкой полосе частот 125-8000 Гц. Собственно, в этом же интервале уровни звукового давления выше санитарных норм для всех типов станков, что показано на рисунке 2.

Превышения у ровней зву ко вшо давления ндд I, дБ зл предельно-допустимыми величинами

1

1 ) г Г у

1 / 1------ г

/ / (

/ / .

/ {

31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 _Цц_

—»— 1-ЛПС-1 — - 2-ЛГ-190и ЛБ-240

Рисунок 2 - Превышения уровней звукового давления над предельно-допустимыми величинами: 1 - ЛПС-1; 2 - ЛГ-190 и ЛБ-240.

Измерения показали, что у станков этих моделей превышения над санитарными нормами начинаются с третьей октавы и составляют 6 и 10 дБ дл станков ЛС-1 и Лг-190 соответственно. По мере увеличения частот разница между санитарными нормами фактическими уровнями звукового давления возрастает и достигает значений 24 дБ для станка ЛС-1 и 27 дБ у станков ЛГ-190 и ЛБ-240. Скорости резания у станков вышеуказанных моделей одинаковы. Поэтому изменение сил резания определяется соотношениями мощностей резания. Согласно теоретическим расчетам увеличение уровней звукового давления составляет 7 дБ. Экспериментальное значение 4-5 дБ, что подтверждает правильность теоретических расчетов.

Характер спектров шума у круглопильных станков существенно отличается от ленточнопильных.

Спектры шума всех многопильных станков носят четко выраженный высокочастотный характер. измерения уровней звукового давления проводились при работе дисковых пил с числами зубьев 36 и 120.

Максимальные уровни звукового давления создаются в рабочей зоне станка ЦМР-1(показано на рисунке 3).

Спектры шума станка ЦМР-1

ч ч ч ч к ч ч 77 / . У у* </ ч__; N Г4-

ч 1 к ч ч N /7 ¿7 I- _

г--- V- _ _ ^__

— -1

31.5 ЬЗ 125 250 500 1000 2000 4000 8000

_1.1 и__

—•— 1-прм числе зубьев — * — 2-прп числе зубьев 2=120

— — Предельный спектр

Рисунок 3 - Спектры шума станка ЦМР-1: 1 - при числе зубьев 7=36; 2 -при числе зубьев 7=120; 3 - предельный спектр.

Превышения уровней звукового давления начинаются с пятой октавы и составляют 3-7 дБ при числе зубьев 36 и 120 соответственно. В высокочастотной части спектра(1000-8000 Гц) уровни звукового давления достигают 110 дБ в октавах 7 и 8 (для дисковых пил с 7=36 и 7=120).

Превышение над предельно-допустимыми значениями составляют: 22 и 25 дБ в шестой октаве; 33 и 30 дБ - в седьмой октаве; 29 и 38 в восьмой октаве и 27 и 36 дБ в девятой.

Увеличение числа зубьев сопровождается смещением максимального уровня звукового давления в более высокочастотную часть спектра.

Аналогичные закономерности имеют и другие типы многопильных станков.

Спектры шума станка 11.1 К 5

\ \ \

N к ч ч ч ''1

ч 1 к X / / / (

г " -1

31-. (.3 125 250 500 1000 2000 4000 8000 ¿Гц

—♦— 1-при числе зубьев 2=36 — А — 2-при числе зубьев 2=120

— - — 3-Предельный спектр

Рисунок 4 - Спектры шума станка ЦДК-5: 1 - 7=36; 2 - 7=120; 3 -предельный спектр.

У станка ЦДК-5 превышение уровня звукового давления (показано на рисунке 7) в пятой октаве меньше, чем у станка ЦМР и составляет 2-2.5 дБ. Превышения уровней звукового давления в шестой-девятой октавах составляют: 10-20 дБ, 27-30 дБ, 24-34 дБ и 25-31 дБ соответственно.

Спектр шума станка СЛ-1 характеризуется наличием максимальных уровней звукового давления в пятой и шестой октавах

Спектры шума станка СЛ-1

ч ч \ \

ч V ч V / ^N

Ч 1 к ч \  т

' -1 к к ___

31,5 63 123 250 500 1000 2000 4000 8000 _Ыч_

—*— 1 при числе зубьев 2-36 — А — 2-при числе зубьев 2=120

— - 3 Предельный спектр

Рисунок 5 - Спектры шума станка СЛ-1: 1 - 7=36; 2 - 7=120; 3 -предельный спектр.

У данного станка уровни звукового давления при Z=120 ниже предельно-допустимого значения в четвертой октаве на 2-2.5 дБ. При Z=36 превышение составляет 5 дБ, что объясняется снижением частоты воздействия силового возмущения. В пятой-девятой октавах превышения составляют: 12-19 дБ; 20-25 дБ; 14-20 дБ; 6-11 дБ и 5-9 дБ соответственно.

У станка А727 (показано на рисунке 6) "характер" спектра шума в значительной степени напоминает станки ЦМР-1 и ЦДК-5.

Спектры шума станка А 727

ч N ч ч

\ к ч ч

ч 1 к ч ч ч [ч

~~ ^ н к _

-н

31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 _¿Гц_

—ф— 1 при числе зубьев 2=36 — а — 2-при числе зубьев 2=120

— - - ЗПредельный спектр

Рисунок 6 - Спектры шума станка А727: 1 - Z=36; 2 - Z=120; 3 -предельный спектр.

В пятой октаве уровни звукового давления при работе дисковой пилой с числом зубьев Z=36 на 5 дБ превышают норматив, а при числе зубьев Z=120 на 2 дБ. В шестой-девятой октавах превышения составляют: 15-20 дБ; 18-27 дБ; 19-27 дБ и 16-21 дБ соответственно.

Станок Т94 характеризуется наиболее плотным распределением интенсивности звукового излучения в седьмой-девятой октавах (показано на рисунке 7) в особенности при использовании пилы с числом зубьев Z=120.

I, ,1Ь

С пектры шума станкд Т 94

100

во

ч ч ч ч

ч к V \ \ -1 к N Ч / N Ч . ч. ' п

к _ __

ч

125 250 500 1000 2000 4000 8000 _ЬГц_

-1 -ттрг/1 ч1/гг./1р яупьнн 7—36 - П редельный спектр

— А — 2-гтрот чпгле зуйьрв Z-120

Рисунок 7 - Спектр шума станка Т94: 1 - Z=36; 2 - Z=120; 3 -предельный спектр.

Разница в уровнях звукового давления в этих октавах составляет 1.52 дБ, что фактически соизмеримо с точностью измерительной аппаратуры. Станок Т94 создает в сравнении с вышеуказанными значительно большее превышение уровня звукового давления в пятой октаве (на 9-10 дБ), что подтверждается расчетами, приведенными в таблице 1.

В шестой-девятой октавах превышение уровней звукового давления над нормативными величинами составляют: 16-18 дБ;17-20 дБ; 14-22 дБ и 15-20 дБ соответственно.

Проведенные экспериментальные исследования подтвердили правильность теоретического подхода и моделирования процесса формирования спектров шума станков пильной группы и, в частности, то, что основным источником, создающим превышения уровней звукового давления над санитарными нормами является узел резания.

Сравнение расчетных и экспериментальных уровней звукового давления показано на примере станка ЦМР-1 (рисунок 8) как создающего наиболее высокие уровни шума.

I. дБ 110 —

100 -

90 — 30 — 70 * :

60 — 31,5

—*—1 Экспериментальный уровень — —  2 Теоретический уровень

Рисунок 8 - Экспериментальные (1) и теоретические (2) уровни звукового давления.

Сходимость теоретических и экспериментальных уровней шума не превышает 3-4 дБ. Такая точность является достаточной для проведения инженерных расчетов, т.к. существующие методы расчета звукоизоляции имеют такую точность и точность измерительной аппаратуры составляет ± 2 дБ.

Следует отметить тот факт, что расчетные уровни звукового давления превышают полученные экспериментально. Объяснением этому факту служит то, что в расчетах задается коэффициент потерь колебательной энергии самих пил, а не всего пильного узла, у которого он естественно выше .[1-11]

Список литературы

1. Чукарин А.Н. Теория и методы акустических расчетов и проектирования технологических машин для механической обработки // А.Н. Чукарин. - Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2005. - 152 с.

2. Чукарин А.Н., Каганов В.С. Звукоизлучение заготовки при токарной обработке // Борьба с шумом и звуковой вибрацией. -М., 1993. - С. 21-24.

3. Балыков И. А., Чукарин А.Н., Евсеев Д.З. Влияние процессов резания на шум фрезерных станков // Новое в безопасности и жизнедеятельности и экологии: Сб. ст. докл. конф., Санкт-Петербург 14-16 октября. -Санкт-Петербург, 1996. - С. 222-223.

4. Балыков И.А. О расчёте шума, излучаемого заготовкой при фрезеровании / Донской гос. тех. ун-т. -Ростов-н/Д, 1996. -Деп. в ВИНИТИ 16.08.96, № 2687-В96.

5. Чукарин А.Н., Балыков И.А. Экспериментальные исследования шума и вибрации фрезерных станков / Донской гос. тех. ун-т. -Ростов-н/Д, Деп. в ВИНИТИ 16.08.96, № 2687-В96.

6. Литвинов А.Е., Чукарин А.Н., Корниенко В.Г. Экспериментальные исследования шумов и вибрации на ленточнопильных станках. Политематический сетевой электронный научный журнал КубГАУ.-2011.-№69

7. Литвинов А.Е., Сухоносов Н.И., Корниенко В.Г. Ленточно-отрезной станок (патент) № 2548853 МПК B23D 55/08 (2006.01) по заявке № 2013154955/02 от 10.12.2013.

8. Litvinov A.E. Improving tool life and machining precision in band saws. Russian engineering research 2016 г. № 9 с.761-760

9. Литвинов А.Е. Некоторые аспекты шумообразования отрезных ленточнопильных станков. Сборник статей студентов, аспирантов, молодых ученых и преподавателей международной конференции "Векторы развития науки" 2015 г. с 7475

10. Литвинов А.Е. Методика расчета ленточной пилы на прочность и усилия натяжения для обеспечения устойчивости резания//Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) №9(113)2015 г

11. Литвинов А.Е. Оценка влияния резонансной частоты колебаний системы "пила-направляющая пилы" на процесс резания ленточными пилами//Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ)№2(96)2014 г .

References

1. Chukarin A.N. Teorija i metody akusticheskih raschetov i proektirovanija tehnologicheskih mashin dlja mehanicheskoj obrabotki // A.N. Chukarin. - Rostov n/D: Izdatel'skij centr DGTU, 2005. - 152 s.

2. Chukarin A.N., Kaganov V.S. Zvukoizluchenie zagotovki pri tokarnoj obrabotke // Bor'ba s shumom i zvukovoj vibraciej. -M., 1993. - S. 21-24.

3. Balykov I.A., Chukarin A.N., Evseev D.Z. Vlijanie processov rezanija na shum frezernyh stankov // Novoe v bezopasnosti i zhiznedejatel'nosti i jekologii: Sb. st. dokl. konf., Sankt-Peterburg 14-16 oktjabrja. -Sankt-Peterburg, 1996. - S. 222-223.

4. Balykov I.A. O raschjote shuma, izluchaemogo zagotovkoj pri frezerovanii / Donskoj gos. teh. un-t. -Rostov-n/D, 1996. -Dep. v VINITI 16.08.96, № 2687-V96.

5. Chukarin A.N., Balykov I.A. Jeksperimental'nye issledovanija shuma i vibracii frezernyh stankov / Donskoj gos. teh. un-t. -Rostov-n/D, Dep. v VINITI 16.08.96, № 2687-V96.

6. Litvinov A.E., Chukarin A.N., Kornienko V.G. Jeksperimental'nye issledovanija shumov i vibracii na lentochnopil'nyh stankah. Politematicheskij setevoj jelektronnyj nauchnyj zhurnal KubGAU.-2011.-№69

7. Litvinov A.E., Suhonosov N.I., Kornienko V.G. Lentochno-otreznoj stanok (patent) № 2548853 MPK B23D 55/08 (2006.01) po zajavke № 2013154955/02 ot 10.12.2013.

8. Litvinov A.E. Improving tool life and machining precision in band saws. Russian engineering research 2016 g. № 9 s.761-760

9. Ькутоу А.Е. №коШ1уе аБреЙу 8Ьиш00Ьга20уап1]а о1ге2пуЬ 1еп1осЬпор11'пук Б1апкоу. БЬогшк Б1а1е] Б^епШу, аБриапШу, шо1оёуЬ исЬепуЬ 1 ргероёауа1е1е] ше2Ьёипагоёпо] ко^егепсп "Уек1;огу га2у111]а паикГ' 2015 g. б 74-75

10. Ы1у1поу А.Е. Ме1оё1ка гавсЬе1а 1еп1осЬпо] рПу па ргаЛпоБ^ 1 шПуа па1]а2Ьеп1]а ё1]а оЬевресИепуа шШ^Ыуобй ге2ап1]а//Ро111еша11сЬе8к1] Бе1еуо] ]е1ек1гоппу] паисЬпу] 2Ьигпа1 Kubanskogo gosudarstуennogo agramogo ишуеге^а (КаисЬпу] 2Ьигпа1 КиЬОАИ) №9(113)2015 g

11. Litуinoу А.Е. Осепка у1уапуа rezonansnoj chastoty ко^апу sisteшy "рПа-napraу1jajushhaja рПу" па process rezanija 1entochnyшi pi1aшi//Po1iteшaticheskij seteуoj je1ektronnyj паиЛпу] zhurna1 Kubanskogo gosudarstуennogo agrarnogo ишуеге^а (Nauchnyj zhurna1 КиЬ0АИ)№2(96)2014 g .

http://ej .kubagro.ru/2016/10/pdf/47.pdf