Акустический метод улучшения динамического качества механических приводов металлорежущих станков

СТАНКИ И ОБОРУДОВАНИЕ

УДК 621.01

Акустический метод улучшения динамического качества механических приводов металлорежущих станков

А. М. Медведев, Г. В. Литовка, А. В. Станийчук

Ключевые слова: звукоизолирующее ограждение, звукопоглощающий материал, металлорежущий станок.

Введение

В современных условиях рыночных отношений машиностроительные предприятия вынуждены постоянно искать способы повышения производительности технологических процессов посредством их интенсификации. Использование интенсивных режимов резания в процессе механообработки сдерживается главным образом из-за потери динамической стабильности технологической системы. В станках со сложной кинематикой формообразования кинематические связи практически мало изменились и остаются достаточно сложными. В качестве механизмов станочных приводов с неизменной или дискретно изменяемой структурой используются различные передачи зацеплением (зубчатые, червячные, зубчато-реечные, червячно-реечные и др.). В целях упрощения конструкции станка применяют коробки со сменными колесами, что снижает время перенастройки станка и значительно упрощает его конструкцию. Сменные колеса широко используют при массовом и серийном производстве: в автоматах, зубо- и резьбонарезных станках, в специальном и операционном оборудовании, а также в некоторых универсальных станках. Для удобства валы оснащены консольной частью. Таким образом, механический привод является источником повышенной виброакустической активности и оказывает существенное влияние на обеспечение динамического качества станка.

Оценка способов увеличения звукоизоляции ограждений

В связи с конструктивными особенностями металлорежущих станков шум механических приводов слагается из шума, излучаемого ограждающими конструкциями, которые колеблются под действием шума внутри них и вследствие передающихся на них вибраций, шума излучаемого станиной, а также

воздушного шума, проходящего через отверстия и неплотности. Звукоизоляция является наиболее распространенным акустическим методом шумоглушения в машиностроении [1, 2].

Предположим, что распространение звука в слое происходит только в виде продольных волн. Слой окружен с обеих сторон одинаковой газообразной средой. Плоские звуковые волны падают на этот слой из пространства первой среды под углом и0 и проникают в пространство второй среды под тем же углом, как это показано на рис. 1. Остальная энергия волн, падающих на слой, отражается от него.

Звукоизоляция Я слоя произвольной толщины s при падении волн под углом и>о определяем c помощью выражения [3]

Я = Ю^[сов2 [ ———cos и | +

1

+—

4

( 2, + ^ ' 2 ,

вт

X

21 2п—

X

сов и |] =

= 10^[сов2 [ й—сов и | +

1

+—

4

РоСо сов и+ рс сов и>0

2

сов и>0 рс сови РоСо

• 2I — I

где X — длина волны; 2о — акустическое сопротивление воздуха, 2о = росо/сов и>о; 2 — акустическое сопротивление звукопоглотите-ля, 2 = росо/сов и; — — круговая частота, — = 2л/, где / — частота колебаний; Со, с — скорость звука в воздухе и слое звукопоглотите-ля соответственно; ро, р — плотность воздуха и звукопоглотителя.

Важная закономерность, которая вытекает из формулы (1), состоит в том, что на частотах, соответствующих условию

2п—

——сов и = «всов и = I —-— |п,

звука через слой материала и снижения интенсивности отраженного звука.

Анализ схемы наклонного прохождения звука через слой звукопоглощающего материала позволяет выявить дополнительные возможности увеличения звукопоглощения путем разработки определенных типов поверхностей с целью снижения отраженной части звуковой волны Р\2. На практике данное положение реализовано в виде звукопоглощающего слоя, поверхность которого имеет чередующиеся углубления и обращена к источнику акустической активности.

Рис. 1. Схема наклонного прохождения звука через слой произвольной толщины:

Рц» Р12 — звуковое давление в падающих на границу и отраженных от нее волнах соответственно; Р21, Р22 — звуковое давление в слое звукопоглотителя; Z — акустическое сопротивление среды; ро, р — плотность воздуха и слоя звукопоглотителя соответственно; Со, с — скорость звука в воздухе и в слое звукопоглотителя; в — толщина слоя звукопоглотителя; Р31 — звуковое давление в волнах, после выхода из слоя звукопоглотителя

где k — волновое число; п — количество форм колебаний, п = 0, 1, 2...;

2( 2ns . cos I —j—cos u| = 0,

21 2ns I

sin I —j—cos u| = 1,

звукоизоляция слоя достигает своих максимальных значений, которые не зависят от частоты. Этот случай имеет место, когда длина четверти волны (или целого числа четвертей волн), спроектированная на нормаль к слою, равна толщине слоя:

~ |(2га + 1) = scos и.

Таким образом, зная частотный диапазон источника акустической энергии и используя формулу (4), мы можем подобрать толщину и материал ограждающей конструкции с оптимально возможными звукоизолирующими характеристиками (в настоящее время толщину и материал ограждений металлорежущих станков в основном определяют с учетом конструктивных особенностей последних).

Для увеличения звукоизоляции ограждения на его внутреннюю поверхность (со стороны источника шума) следует нанести звукопоглощающий материал. Применение такого средства уменьшает уровни звукового давления, воздействующего на ограждение, за счет поглощения части энергии при прохождении

Пример работы программного модуля

Теоретические зависимости расчета дополнительной звукоизоляции ограждающих элементов металлорежущих станков, облицованных звукопоглотителем с углублениями, реализованы в программном обеспечении [4]. Разработан программный модуль в среде программирования Delphi 7.0, интерфейс которого представлен ниже. Используемый язык программирования — Object Pascal.

Применение программного продукта на стадии проектирования акустических мероприятий позволяет разработать оптимальные геометрические формы углублений звукоизолирующей конструкции металлорежущих станков, а также дает возможность рассчитать общую звукоизоляцию ограждающей конструкции.

На начальном этапе проектирования программное обеспечение позволяет выбирать на вкладке «Поверхности» один из трех возможных типов поверхностей. Первый тип — плоская поверхность без углублений, второй — поверхность с прямоугольным углублением, третий тип — поверхность с углублением в форме треугольника (рис. 2).

а)

б)

в)

Рис. 2. Различные типы поверхностей: а — поверхность с прямоугольным углублением; б — поверхность без углублений; в — поверхность с углублением в форме треугольника

Рис. 3. Определение местоположения источника акустической энергии по высоте и ширине относительно углубления (а) и изменение ширины и глубины углубления в звукопоглощающем слое (б):

1 — отображение падающей и отраженной частей звуковой волны в воздухе; 2 — отображение звуковой волны в слое звукопоглотителя

Рис. 4. Расчет оптимальной звукоизоляции ограждающих конструкций токарно-винторезного станка мод. 16К20: а — углубление прямоугольной формы; б — углубление треугольной формы: 1 — отображение падающей и отраженной частей звуковой волны в воздухе; 2 — отображение звуковой волны в слое звукопоглотителя

Выбор звукопоглощающего материала выполняли в зависимости от скорости распространения звука в выбранном материале. Далее осуществляли расчет угла преломления при прорисовке схемы прохождения звуковых волн через границу раздела двух сред.

Когда открывается вкладка «Источник» появляется возможность сдвига источника звука влево — вправо и вверх — вниз (рис. 3, а). Обращение ко вкладке «Углубление», доступной только для поверхностей второго и третьего типов, дает возможность изменения ширины и глубины углубления (рис. 3, б).

Во вкладке «Расчеты» производится расчет уровня шума машины после установки звукоизолирующих конструкций; расчет уровня шума машины со звукопоглощающим материалом с углублениями и общей звукоизоляции ограждающей конструкции. Имеется возможность осуществить сравнение полученных значений шума с уровнями, допустимыми по санитарным нормам.

В качестве объекта теоретических исследований выбран механический привод токарно-винторезного станка мод. 16К20 (станкостроительный завод «Красный Пролетарий», Москва). Дополнительная звукоизоляция поглощающего материала с углублениями заметно увеличивается в зависимости от количества отражений. Экспериментальным путем определено число отражений k, необходимых для снижения уровня шума машины до требований санитарных норм, в зависимости от частоты, а также поиск акустически оптимальных геометрических форм углублений звукоизолирующей конструкции представлен на рис. 4. Исходные и расчетные значения звукоизолирующей способности ограждающих конструкций токарно-винторезного станка мод. 16К20, сведены в таблице.

Акустические характеристики механического привода токарно-винторезного станка

Частота /, Гц Коэффициент затухания Р Уровень шума, дБ* Количество отражений kmin Уровень шума, дБ **

63 0,026 72 — -

125 0,074 79 - -

250 0,122 84 12 81,96

500 0,190 82 8 77,96

1000 0,300 80 5 74,96

2000 0,370 76 4 72,96

4000 0,420 73 3 70,96

8000 0,500 68 - -

* Уровень шума механического привода облицованного непрерывным слоем звукопоглотителя. ** Уровень шума механического привода облицованного слоем звукопоглотителя с углублениями, при к отражениях (расчетный). « — » — исследования не проводились, так как на данных частотах нет превышения санитарных норм.

На основе анализа исследований по увеличению звукоизолирующей способности ограждений (см. рис. 4) можно сделать вывод, что для оптимальной звукоизоляции следует применять поверхности с углублениями, сечение которых представляет собой треугольник. При использовании углублений подобных форм отраженная часть звуковой волны, так же как и прошедшая, многократно направляется вглубь материала, где происходит ее затухание (поглощение).

В трехмерном пространстве такими формами являются тетраэдр, конус и призма. Технологически при производстве звукопоглощающего материала любую из данных форм углублений несложно изготовить в промышленных условиях литьевым способом.

Практическая реализация результатов исследований

Для проверки теоретических зависимостей увеличения звукоизолирующей способности ограждающих конструкций металлорежущих станков проведен комплекс производственных

I Гц

Рис. 5. Дополнительная звукоизоляция Я ограждающих конструкций токарно-винторезного станка мод. 16К20, облицованных слоем звуко-поглотителя, в зависимости от среднегеометрического значения октавной полосы частот /: 1 — расчетное значение; 2 — ограждение, облицованное звукопоглотителем с углублениями; 3 — ограждение, облицованное слоем звукопоглотителя

испытаний звукоизолирующих средств снижения шума станочного оборудования на участке механообработки ОАО «Амурский металлист» (Амурская обл.).

Внутренние поверхности существующих ограждений были облицованы звукопоглощающими структурами (покрытие нанесено на ограждение токарно-винторезного станка мод 16К20; марка покрытия — пенорезина; толщина покрытия — 25 мм). Для соблюдения мер пожарной безопасности и увеличения срока эксплуатации звукопоглощающего материала его поверхность покрыта полиэти-лентерефталатной пленкой [5]. 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 звукоизоляцию. Частотные зависимости звукоизоляции ограждений, облицованных звукопоглощающим материалом, приведены на рис. 5.

Выводы

Физически процесс звукоизоляции конструкции, облицованной звукопоглотителем с углублениями, может быть представлен следующим образом: звуковые волны, падая на звукоизолирующую конструкцию, частично отражаются

и рассеиваются, а частично задерживаются дискретно расположенным поглотителем, причем это поглощение в определенном диапазоне частот значительно увеличивается за счет дифракционных эффектов. Усиление звукопоглощения за счет дифракционных эффектов уменьшает долю энергии, прошедшую через конструкцию, и таким образом увеличивает ее звукоизоляцию.

Разработана программа расчета оптимальной звукоизолирующей способности ограждающих конструкций металлорежущих станков, установлены акустически оптимальные геометрические формы углублений в слое зву-копоглотителя.

Разница между теоретической и экспериментальной величинами звукоизолирующей способности в результате использования зву-копоглотителя с углублениями в ограждающих конструкциях механического привода станка незначительна, то есть в предельном случае составила 2-3 дБ в диапазоне средних и высоких частот (см. рис. 2). Удовлетворительная сходимость теоретических и экспериментальных значений позволяет использовать методику расчета звукоизоляции со слоем зву-копоглотителя с углублениями при проектировании оборудования с улучшенными виброакустическими характеристиками.

Литература

1. Юдин Е. Я. Борьба с шумом на производстве. М.: Машиностроение, 1985. 400 с.

2. Фолкнер Л. Справочник по контролю промышленных шумов. М.: Машиностроение, 1979. 448 с.

3. Боголепов И. И. Промышленная звукоизоляция. Л.: Судостроение, 1986. 368 с.

4. Свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ, рег. №№ 2007612441 (09.06.2007). Расчет акустически оптимальной архитектуры звукоизолирующих конструкций машин и оборудования / М. Я. Мазур, А. М. Медведев, Г. В. Литовка. // Официальный бюллетень федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. М.: ФГУ ФИПС, 2007. № 3 (60), ч. 2. С. 246.

5. Медведев А. М., Бородин Н. И. Опыт применения новых защитных пленочных покрытий // Акустическая экология — 90 / Под ред. Н. И. Иванова. Л.: ЛДНТП, 1990. С. 79-81.