Экспериментальные исследования спектров шума в рабочей зоне круглопильных деревообрабатывающих станков

Введение. Для современных высокопроизводительных деревообрабатывающих станков большую актуальность приобретают экологические проблемы и, в частности, повышенное шумообразова-ние. Эта проблема наиболее актуальна для круглопильных станков при работе циркулярных пил большого диаметра. Этот инструмент является маложёстким, имеет большое число зубьев и при высоких частотах вращений создаёт в высокочастотной части спектра уровни шума, намного превышающие санитарные нормы.

Постановка задачи. Цель проведённых исследований – выявление особенностей процесса шу-мообразования круглопильных станков с циркулярными пилами серийными и с «акустическими разрывами» различной формы.

Методы исследований. Экспериментальные исследования проводились на раскройном станке ЦПА-2 с циркулярными пилами диаметром 360 мм и числом зубьев z = 48, 60 и 120. В дальнейшем фреза с z = 48 обозначена как «фреза 1», с z = 60 – как «фреза 2», с z = 120 – как «фреза 3». Измерение октавных уровней шума у таких фрез позволяет выявить закономерности шумообразо-вания в зависимости от соответствующих частот возбуждения колебаний.

При измерениях использовали прибор ВШВ-003-М2 и конденсаторный микрофон, который устанавливали на рабочем месте оператора. В процессе измерений фиксировали октавные уровни звукового давления (децибелы) в нормируемом диапазоне частот.

Результаты экспериментов и их обсуждение. Результаты замеров шума приведены на рис.1-4. Спектр шума холостого режима станка имеет чётко выраженный среднечастотный характер. В интервале частот 31,5 – 1000 Гц интенсивность звукового излучения по октавам распределяется достаточно равномерно. Разница уровней шума по среднегеометрическим частотам полос не превышает 4 дБ. На более высоких частотах наблюдается спад интенсивности звукового излучения 6-8 дБ на октаву. Уровни шума ниже предельно допустимых во всём нормируемом диапазоне частот. Следует отметить, что в пятой октаве со среднегеометрической частотой 500 Гц разница составляет всего 2 дБ, что сравнимо с точностью измерительной аппаратуры.

При обработке резанием характер спектров шума существенно изменяется в высокочастотной части спектра. Спектр шума станка на холостом ходу имеет типичный для металлорежущего оборудования вид (см.рис.1).

Рис. 1. Спектры шума станка при работе серийных циркулярных пил: 1 – на холостом ходу; 2 – предельно допустимые уровни шума;

3, 4, 5 – соответственно для фрез 1, 2 и 3

Спектр шума имеет чётко выраженный высокочастотный характер. Уровни шума превышают норматив в области частот 1000-8000 Гц на 9-16 дБ. У фрез 1 и 2 максимальная интенсивность звукового излучения приходится на седьмую октаву со среднегеометрической частотой 2000 Гц. Действительно, частоты возбуждения у этих фрез составляют 1400 и 1750 Гц и попадают в одну и ту же октаву. У фрезы 3 частота возбуждения составляет 3500 Гц, и максимум интенсивности приходится на восьмую октаву со среднегеометрической частотой 4000 Гц. У этой фрезы в области частот 2000-3000 Гц интенсивность излучения звука распределена достаточно равномерно.

В следующей серии экспериментов измерялись уровни шума при работе фрез с дуговыми прорезями (см.рис.2), круговыми отверстиями (см.рис.3) и отверстиями с демпфирующими элементами из полиуретана (см.рис.3, кривая 5). Испытания проводили при неизменных режимах резания на фрезах 2 и 3 (как наиболее шумоактивных).

Полученные в работе [1] теоретические зависимости позволяют рассчитать ожидаемое снижение шума от влияния следующих факторов: уменьшения виброскорости, уменьшения площади звукоизлучающей поверхности, и от демпфирующих элементов, увеличивающих эффективный коэффициент потерь колебательной энергии. Причём эффект в снижении шума может быть рассчитан как от всех вместе взятых факторов, так и от каждого в отдельности. Установить поэлементный вклад вышеперечисленных факторов экспериментально не представляется возможным. Поэтому ниже приводятся результаты сравнения теоретических и экспериментальных уровней шума.

На рис.2 приведены уровни шума фрезы 3 с прорезями.

Рис. 2. Спектры шума цельной фрезы и фрезы с прорезями: 1 – цельная фреза; 2 – теоретический спектр шума при снижении виброскорости (для пилы с дуговыми прорезями); 3 – теоретический спектр при учёте снижения виброскорости и площади звукоизлучающей поверхности (для пилы с дуговыми прорезями); 4 – экспериментальный спектр пилы с дуговыми прорезями; 5 – предельно допустимые уровни шума

Результаты расчётов свидетельствуют о том, что снижение уровней шума за счёт уменьшения виброактивности фрезы составляет 4-5 дБ, а за счёт уменьшения площади звукоизлучающей поверхности – 2 дБ. Таким образом, теоретический расчёт показал, что фреза такой конструкции создаёт шум на 6-7 дБ ниже, чем цельная фреза. Экспериментальные исследования позволили сделать вывод, что фактическое снижение шума намного больше и составляет 10-12 дБ. Следовательно, разница между теоретическим расчётом и опытными данными составляет 4 дБ, что можно считать приемлемым для инженерных задач. При пересчёте уровней шума в амплитуды звукового давления (Па) соответствие расчётных и экспериментальных величин составляет 30-35%. Авторы считают необходимым отметить, что вышеуказанный вариант фрезы не обеспечивает выполнения санитарных норм шума (см.рис.2), так как превышение над предельно допустимыми значениями сохраняется в высокочастотной части спектра 1000-8000 Гц и составляет 2-9 дБ.

У фрезы с круговыми отверстиями (см.рис.3) эффект в снижении добавляется ещё возможностью увеличения диссипации колебательной энергии за счёт заливки в отверстия демпфирующего материала (в данном случае резины 8470, имеющей коэффициент потерь колебательной энергии η =0.46 ).

Рис.3. Спектры шума циркулярной пилы: 1 – цельная фреза; 2 – теоретический спектр с учётом снижения виброактивности пилы (для пилы с дуговыми прорезями);

3 – теоретический спектр с учётом уменьшения площади излучающей звук поверхности (для пилы с круговыми отверстиями); 4 – теоретический спектр с учётом увеличения коэффициента потерь колебательной энергии (для пилы с повышенным демпфированием); 5 – экспериментальный спектр пилы с повышенным демпфированием; кривая 6 – предельно допустимые уровни шума

У пилы предлагаемой конструкции снижение шума достигает 4 дБ за счёт уменьшения вибрации, 5 дБ – за счёт уменьшения площади звукоизлучающей поверхности и 2-3 дБ – за счёт увеличения эффективного коэффициента потерь колебательной энергии. Таким образом, ожидаемый эффект в снижении шума, определённый теоретически, составляет 12 дБ. Фактическое снижение шума – на 4 дБ больше и составляет 16 дБ.

Выводы. Экспериментальные исследования показали, что для пилы 2 соблюдаются санитарные нормы шума, причём выполнение предельных спектров достигается активными методами: за счёт изменения конструкции самой циркулярной пилы. Авторы считают необходимым отметить, что полученные количественные показатели в снижении шума справедливы для конкретного типа циркулярных пил, диаметр которых ≤ 360 мм.