Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Проектирование систем снижения шума оборудования при высокочастотном импульсном характере технологического процесса. Учебное пособие
.pdf
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМ
СНИЖЕНИЯ ШУМА ОБОРУДОВАНИЯ
ПРИ ВЫСОКОЧАСТОТНОМ ИМПУЛЬСНОМ ХАРАКТЕРЕ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
Учебное пособие
Ростов-на-Дону
ДГТУ
2019
2
УДК 629.7.018.4(075.8)
П79
Рецензент
доктор технических наук, профессор А.Е. Литвинов
Авторы:
Б.Ч. Месхи, К.О. Кобзев, С.Ф. Подуст, И.М. Чукарина, С.А. Шамшура
Проектирование систем снижения шума оборудования
П79 при высокочастотном импульсном характере технологического
процесса : учеб. пособие / Б.Ч. Месхи [и др.] ; Донской гос. техн.
ун-т. – Ростов-на-Дону : ДГТУ, 2019. – 66 с.
ISBN 978-5-7890-1656-5
Рассмотрены условия возникновения шума в различных технологических
системах при высокочастотном импульсном характере технологического
процесса. Приведены методы расчета и проектирования систем снижения
шума. Показаны связи и зависимости между параметрами технологического
процесса и виброакустическими параметрами.
Предназначено для обучающихся бакалавриата и магистратуры. Может
быть полезным в системе дополнительного образования аспирантам и инженерно-техническим работникам, которые занимаются проблемами безопасности технологических процессов машиностроительных предприятий.
УДК 629.7.018.4(075.8)
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Донского государственного технического университета
Научный редактор
доктор технических наук, профессор М.А. Тамаркин
ISBN 978-5-7890-1656-5
© Донской государственный
технический университет, 2019
3
1. ПРОЦЕССЫ ФОРМИРОВАНИЯ ПРОЧНОСТИ
ТРУБ ЛОНЖЕРОНОВ
Для наклепа наружной и внутренней поверхности лонжеронов
виброударным способом с помощью стальных шариков используется
установка для виброупрочнения.
Установка для виброударного упрочнения труб лонжеронов состоит из опорной рамы, установленной на фундаменте, вибрирующей рамы, опирающейся на опорную раму через амортизаторы, четырех контейнеров, крепящихся к ложементам верхней плоскости виброрамы с
помощью гидрофицированных прихватов, а также подъемного устройства, несущего ящики для рабочей среды (шариков). Колебания вибро-
раме (частота (85050) мин–1, или (14,170,83) Гц, амплитуда (50,5) мм)
передаются от четырех валов-вибраторов, установленных в виброраме
на двухрядных роликовых сферических подшипниках и снабженных
эксцентричными грузами. Все четыре вала вращаются синхронно и
синфазно. Привод валов осуществляется четырьмя электродвигателями
(по два с каждой стороны) мощностью по 28 кВт через установленные
также с обеих сторон установки синхронизаторы, в которых два вибровала, получающие вращение от электродвигателя через ременные передачи, связаны друг с другом жесткой кинематической связью. Электродвигатели синхронизаторов смонтированы на индивидуальных подрамниках.
Связь между вибровалами, установленными на колеблющихся
виброрамах, и выходными валами синхронизаторов, установленных на
неподвижных подрамниках, осуществляется через промежуточные карданные валы. Синфазность колебаний виброрамы обеспечивается взаимной идентичной установкой эксцентриков на вибровалах.
Рядом с одним из торцов установки смонтированы подъемники
контейнеров (ящиков) с шариками для загрузки последних в рабочие
контейнеры, в которых устанавливаются обрабатываемые заготовки
лонжеронов.
Установка работает следующим образом. На специальных стеллажах четыре заготовки лонжеронов устанавливают в четыре контейнера,
в каждом из которых лонжерон занимает положение, соответствующее
одному из четырех технологических переходов операции виброобработки. Контейнеры с лонжеронами переносят на верхнюю поверхность
4
установки, располагая в наклонном положении. Из поднятых ящиков с
шариками в каждый из контейнеров поступает то количество шариков,
которое соответствует определенному технологическому переходу. После этого ящики с шариками опускают в исходное положение, а кронштейны с лонжеронами устанавливают в горизонтальное положение на
ложементах виброрамы и фиксируют прихватами. Включают электродвигатели вибровалов и виброрама получает колебание вместе с контейнерами, содержащими лонжероны и рабочую среду (шарики).
В каждом из контейнеров вибронаклепу подвергаются определенные
поверхности лонжерона. Длительность процесса виброобработки – 10 мин.
После этого установку отключают, в контейнерах меняют положение
заготовок в определенном порядке с таким расчетом, чтобы за четыре
перехода были упрочнены все предусмотренные документацией внутренние и наружные поверхности лонжерона.
1.1. Оборудование для центробежно-ротационного
наклепа лонжеронов
Оборудование центробежно-ротационного наклепа по своей компоновке представляет собой модернизированные токарные станки.
Схема обработки лонжерона с помощью центробежно-ротационного
наклепа напоминает схему токарной обработки, где вместо резца используется инструмент для ротационного наклепа: заготовка вращается
в центрах вокруг своей оси, инструмент-ротор со скоростью подачи
движется вдоль оси заготовки. Специфика процесса накладывает ряд
особенностей на конструкцию станка и инструмента.
Радиальные габариты изделия таковы, что требуется высота центров над станиной не менее 300 мм и над суппортом не менее 170 мм.
Этому отвечают токарные станки с высотой центров 300 мм, такие как
163, 1Д630, 16К20 и им подобные. Станок мод. 163 и положен в основу
установки вибрационного наклепа со следующими изменениями, отвечающими требованиям технологического процесса:
– в целях обеспечения общей длины станины (около 17 м), в которую входит длина заготовки 14 м, длина устройств базирования заготовки и длина задней бабки, потребовалась состыковка нескольких станин станков мод. 163;
5
– особенность длины станины вызвала необходимость установить
не менее двух люнетов, делящих заготовку на три отдельных участка,
в каждом из которых действует свой суппорт с инструментом и фартуком, причем люнеты имеют базовые поверхности, соответствующие
некруглому профилю заготовки, и способны менять свое осевое поло-
жение вдоль станины приблизительно на 0,5 м для обеспечения перекрытия участков обработки по длине изделия;
– чтобы обеспечить нормативную частоту вращения заготовки
(5-6 мин–1) потребовалась модернизация коробки скоростей станка, так
как в ней такая низкая частота вращения шпинделя не предусмотрена.
Это повлекло введение дополнительных зубчатых передач, в результате
чего уровень шума установки на холостом ходу стал достигать 80 дБА;
– нормативная подача суппортов должна составлять 50 мм/мин,
что также превышает паспортные данные станка мод. 163, поэтому потребовалась модернизация фартуков.
Инструмент – вращающийся ротор с двумя или пятью рядами шариков на периферии и индивидуальным приводом от электродвигателя
и ременной передачи – должен иметь возможность самоустанавливаться по поверхности заготовки, прижиматься к заготовке с определенной
силой и легко отводиться от нее. Эти требования обеспечиваются балансирной конструкцией держателя инструмента, снабженной противовесом. Частота вращения ротора – 2500 мин–1.
Аналогичную схему имеет оборудование и шарикостержневого
упрочнения, так как этот процесс в большинстве случаев реализуется
на базе токарных станков.
1.2. Установка для динамических испытаний
лонжеронов вертолетов
Установка для динамических испытаний предназначена для испытаний на циклическую прочность широкой номенклатуры изделий. Рассмотрим такие испытания на примере лонжеронов вертолетов. Объясняется это тем, что данное изделие представляет собой длинномерную
и маложесткую оболочку, поэтому при динамических испытаниях таких изделий возникают наиболее высокие уровни вибрации и шума.
6
Установка для динамических испытаний лонжеронов лопастей вертолета – сложная конструкция, состоящая из нескольких подсистем
(рис. 1.1).
Рис. 1.1. Структурная схема установки динамических испытаний лопасти вертолета:
1 – подсистема опоры со стороны лонжерона;
2 – со стороны системы натяжения; 3 – подсистема тросов натяжения; 4 – подсистема
лонжерона; 5 – подсистема вибровозбудителя
Рассмотрим более подробно структуру установки. Опоры со стороны лонжерона и со стороны системы натяжения, массами М1 и М2 соответственно, соединены с полом цеха упругодиссипативными связями.
Жесткость cij и диссипация hij связей, i = 1, 2, …; j = 1, 2, … в общем
случае нелинейно зависят от смещений xi и скоростей
i
x
.
Подсистема натяжения представляет собой систему стальных тросов, с помощью которой осуществляется предварительный натяг лонжерона в установке. С точки зрения излучения звуковых колебаний, эта
подсистема представляет собой набор струн. Однако для исследования
передачи вибрации в опоры установки ее можно заменить упругодиссипативной связью (см. рис. 1.1).
Возбудитель колебаний представляет собой два эксцентрика, закрепленных на правом конце лонжерона, и, для уменьшения колебаний
в продольном направлении, вращающихся навстречу друг другу. Вращение осуществляется от электродвигателя постоянного тока (на схеме
не показан) с приводом через упругую муфту, практически исключающую передачу колебаний на двигатель.
Эксцентрики имеют форму полуцилиндров, сумма несбалансированных масс эксцентриков равна m, расстояние от несбалансированной
массы до оси вращения – r, циклическая частота вращения ω может регулироваться. Общая масса эксцентриков с системой закрепления равна Mз.
Для рассматриваемого оборудования обработка ведется без удаления стружки. Поэтому превалирующим фактором следует предположить только повышенные уровни шума и вибрации. Остальные опасные и вредные производственные факторы (ОВПФ) являются нехарактерными для такого оборудования.
h
12
2
М
2
с
12
с
11 h11
х
1
с
3
h
3
х2 с
21 h12 h12 с22
1
М
1
7
2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВИБРОАКУСТИЧЕСКОЙ ДИНАМИКИ
ПРИ ВИБРОУДАРНОМ УПРОЧНЕНИИ И ДИНАМИЧЕСКИХ
ИСПЫТАНИЯХ ДЛИННОМЕРНЫХ ЗАГОТОВОК
2.1. Теоретические основы виброакустической динамики
при центробежно-ротационном наклепе
Механизм станка для упрочнения лонжеронов вертолета
(рис. 2.1) состоит из копирного ролика 1, который, перекатываясь по
поверхности трубы лонжерона 2, обеспечивает копирование его поверхности вибровозбудителем 3, несущим упрочняющие шарики 4
(диаметром 7–20 мм). За счет динамического (ударного) взаимодействия с трубой лонжерона 2 шарики обеспечивают ей упрочнение ротационным наклепыванием. Вибровозбудитель 3 и труба лонжерона 2
имеют индивидуальные приводы, обеспечивающие в соответствии с
технологическим процессом попутное или встречное вращение.
Рис. 2.1. Расчетная схема механизма для упрочнения лонжеронов вертолетов
Ротационный наклеп оценивается натягом h, представляющим разницу между максимальным радиусом вылета шариков (роликов) и расстоянием между осью упрочнителя и наружной поверхностью трубы
лонжерона в процессе наклепа.
Взаимодействие копирных роликов 1 и трубы лонжерона 2 оценивается статическими реакциями между ними в точках касания и регулируются в соответствии с технологическим процессом массой груза
противовеса 5.
8
С позиции теории механизмов и машин, механизм для упрочнения
(см. рис. 2.1) относится к типу кулачковых, в котором роль кулачка выполняет труба лонжерона 2, совершающая вращательное движение с
угловой скоростью ω2. Копирные ролики 1, имеющие общую ось вращения с вибровозбудителем 3 (вращающимся с угловой скоростью ω3),
установлены на коромысловом толкателе 5.
В момент соприкасания шариков 4 (установленных рядами в вибровозбудителе) с трубой лонжерона 2 происходит ударное взаимодействие, обеспечивающее ее упрочнение.
Определим сначала степень подвижности W механизма до соприкосновения шарика 4 с трубой лонжерона 2 (шарик 4 при этом с вибровозбудителем представляет одно звено):
4 3 2 1
6 4 3 2W n P P P P
, (2.1)
где n – число подвижных звеньев; Р4, Р3, Р2, Р1 – число кинематических
звеньев четвертого, третьего, второго и первого классов соответственно.
В соответствии со схемой механизма (на рис. 2.1 механизм изображен в положении, когда оси вращений звеньев 1, 2, 3, 6 параллельны)
два копирующих ролика 1, вращаясь относительно своих осей, обладают лишними степенями свободы, которые в соответствии с правилами
структурного анализа механизмов следует исключить. В результате
этого, оба ролика с осью представляют одно звено, которое своими цилиндрическими поверхностями, относительно поверхности трубы лонжерона (с переменной кривизной), может перекатываться и скользить
как в вертикально-продольной плоскости ZOY, так и в вертикальнопоперечной плоскости ZOX, обеспечивая четыре независимых движения. Таким образом, труба лонжерона с копирными роликами образуют кинематическую пару второго класса, т. е. Р2 = 1. При этом число
подвижных звеньев n = 5, число кинематических пар – Р4 = Р3 = Р1 = 0.
Обозначив номером 0 неподвижное звено, получим кинематические пары 5-го класса, образованные звеньями: 0 и 2, 3 и 6, 0 и 6, 1 и 5,
5 и 6. Таким образом, Р5 = 5.
В соответствии с равенством (2.1)
6 5 5 5 2 1 3W
.
9
В качестве обобщенных координат приняты угол поворота трубы
лонжерона φ2, угол поворота вибровозбудителя φ3, угол поворота 5-го
звена относительно 6-го φ4, который обеспечивается силой тяжести 1, 3,
4, 5-го звеньев механизма.
Определим степень подвижности механизма в режиме упрочнения.
В этом случае шарик (или ряд шариков) ударяет о поверхность трубы
лонжерона и может иметь три независимых вращения относительно
центра шарика и два независимых поступательных движения (скольжений в продольной плоскости ХOZ ввиду переменной кривизны поверхности трубы лонжерона). Следовательно, число степеней свободы в кинематической паре «шарик – труба лонжерона» равно 5, а число условий связи 1 и кинематическая пара относится к 1-му классу.
Кинематическая пара «шарик – вибровозбудитель» относится
к 2-му классу, так как число независимых вращательных движений шарика относительно его центра равно 3, а число поступательных движений в направляющих 1. Число степеней свободы в этой кинематической
паре, таким образом, равно 4, а число условий связи – 2.
Таким образом, в режиме упрочнения число подвижных звеньев
n = 6, число кинематических пар 5-го класса Р5 = 5, кинематических пар
2-го класса Р2 = 1 и число кинематических пар первого класса Р1 = 1.
В соответствии с равенством (2.1)
6 6 5 5 2 1 1 8W
.
Учитывая, что три вращения шарика относительно его центра
представляют лишние степени свободы, получаем
8 3 5W
.
Из этих степеней свободы три относятся к механизму копирования
и две к перемещениям шарика относительно вибровозбудителя и трубы
лонжерона.
Рассмотрим частоту ударных возмущений. При встречном вращении угловые скорости упрочнителя ω3 и трубы ω2 направлены в одну
сторону, а при попутном – в противоположные (рис. 2.2). В первом
приближении рассмотрим упрочнение участка цилиндрической поверхности трубы лонжерона, что позволяет перейти сначала к плоской
модели ударного взаимодействия трубы и упрочнителя.
В соответствии с рис. 2.2 период Т ударного возмущения шариками
можно определить из соотношения
3
T
, где φ – угловой шаг между
соседними шариками, тогда
3
T
. (2.2)
10
Соответственно, угловой шаг λ упрочнения трубы лонжерона
определяется из соотношения для встречного вращения:
2
2
3
.T
(2.3)
При попутном вращении (труба лонжерона вращается в том же
направлении, а упрочнитель – в противоположном) зависимости (2.2) и
(2.3) сохраняются.
Этим расчетам соответствует схема ударного взаимодействия на
рис. 2.2.
При цилиндрических поверхностях упрочнителя и трубы лонжерона, ось упрочнителя можно считать неподвижной, и тогда механизм
упрочнения является плоским и имеет три подвижных звена: 2, 3 и 4-е.
Число кинематических пар второго класса (для плоского механизма)
Р2 = 2 (образуется звеньями 0 и 3, 0 и 2, где «0» обозначена станина),
число кинематических пар первого класса Р1 = 2 (образуется звеньями
3 и 4, 2 и 4).
Тогда степень подвижности механизма определяется зависимостью (2.1):
21
3 2 , 3 3 2 2 2 3W n P P W
.
Рис. 2.2. Схема ударного упрочнения при встречном вращении упрочнителя
и трубы лонжерона
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]