CC BY
3
УДК 331.43; 658.382.2
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-101-102
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ШУМА И ДИСПЕРСНЫЙ АНАЛИЗА БРАЗИВНО-ЧУГУННОЙ ПЫЛИ ОБДИРОЧНО-ШЛИФОВАЛЬНЫХ СТАНКОВ
И.С. Купцова, Ю.И. Булыгин, В.С. Исаков
Приведены результаты экспериментальных исследований шума и дисперсного состава пыли, образующихся при обработке заготовок из чугуна на обдирочно-шлифовальных станках. Установлены закономерности-формирования вибрационных характеристик станков, позволяющие идентифицировать источники шума, создающие превышения уровней звукового давления над предельно-допустимыми. Полученные в экспериментальных исследованиях характеристики пыли, а также результаты дисперсного анализа позволят построить математические модели, адекватно описывающие интегральные и дифференциальные кривые распределения абразивных и чугунных частиц пыли по размерам. Результаты представляют практический интерес для обоснования конструкций систем снижения шума и пыли на рабочих местах операторов исследуемых станков.
Ключевые слова: уровни шума и вибраций, станки, шлифование, шум, дисперсный состав, запыленность, рабочее место
Введение. Проблемы уменьшения уровня шума и концентраций пыли на рабочем месте оператора станочного оборудования взаимосвязаны:
- во-первых, снижение шума и концентраций пыли на рабочих местах, территориях подлежащих нормированию, согласно санитарно-гигиеническим нормам одна из основных задач государственного регулирования;
- во-вторых, в снижении шума и количеству выделяющейся пыли в рабочую зону станочниказаинтересо-ваны сами производители, так как требования к шумовым характеристикам оборудования, а также к их оснащению аспирационными системами содержатся в технических документах, стандартах на них.
Для решения этой комплексной проблемы необходимо проводить инструментальные измерения, как уровней звука, так и запыленности на рабочих местах станочников для определения превышений уровней звукового давления и концентраций пыли над санитарными нормами [1].
Также необходимо отметить, что для проектирования систем аспирации станков и выбора параметров устройств пылеулавливания важно знать не только распределение частиц пыли по размерам (гранулометрический состав), но и выявить форму пылевых частиц, чтобы ответить на вопросы о том, на сколько она существенно отличается от сферической и как от этого зависят ее аэродинамические свойства [2].
Объект исследования. Эксперименты проводились в условиях реальной эксплуатации обдирочно-шлифовальных станков на производственном участке. Несущая система рассматриваемого станка (рис.1) включает: корпус 1, подшипники 2, кронштейн 3,15, защитный кожух 4, шлифовальные круги 5, лампу 6, опору для подручников 7, защитный кожух 8, отводящие патрубки 9, плиту 10, приводной шкив 11, вал 12, панель с кнопками управления 13, шкаф с электрооборудованием 14, защитный экран 16 [3].
Экспериментальные исследования шума на рабочем месте. Можно предположить, что основными источниками шумообразования являются: обрабатываемые детали, абразивные круги, станина станка, изготовленная из листов конструкционной стали толщиной 10-12 мм.
При проведении эксперимента для измерения уровня звука использовался шумомер Октава, фильтр, соответствующие 1-му классу точности, сертифицированные по действующим стандартам, а также имеющие действующий сертификат о поверке [4].
Поскольку все источники излучают звуковую энергию одновременно, то при измерениях звукового давления чрезвычайно затруднительно даже косвенно отделить источники по долевому вкладу в общее звуковое поле на рабочих местах операторов. Потому, проводились измерения уровней вибрации на всех основных излучающих звук поверхностях: элементах станины, бабке шпиндельного круга, столе и заготовке. При измерениях пьезоакселе-рометр крепился к измерительной поверхности с помощью специального магнита. Уровни вибрации фиксировались в нормируемом диапазоне звуковых частот, так как фактически сравнение спектров шума и спектров вибраций позволяет косвенно идентифицировать вклад отдельных источников шума в формирование акустических характеристик на рабочих местах операторов рассматриваемых станков. Результаты измерений вибраций приведены на рис. 2 - 5.
Следует отметить, что спектральный состав вибраций несущей системы станка с точки зрения распределения интенсивности по октавам носит в значительной степени равномерный характер, что характерно для станочного оборудования различных групп [5,6]. Максимальные уровни вибраций зафиксированы на обрабатываемой детали (рис.2), достигающие значения 90дБ в шестой октаве.
U дБ W
roo
90 ВО 70 60 50 АО JO 20 ю
63 125 2SO 500 1000 2000 4000 8ОО0 СреЗнегеам частоты
октлбных полос, f. Гц
Рис 2. Спектры вибраций детали: 1 — на детали; 2 — на столе станка; 3 -санитарный норматив
Фактически максимальную интенсивность вибрации определяют пятая и шестая октавы, в которых разница в уровнях вибрации не превышает 2-2,5 дБ, что сравнимо с погрешностями проведения экспериментальных исследований. Спектральный состав вибраций стола практически идентичен, а интенсивность вибрации ниже на 2-3 дБ в области низких частот 31,5-125 Гц, на 5-6 дБ в интервале 200-2000Гц и на 3-4 дБ в высокочастотной части спектра 4000-8000Гц.
Интенсивности вибраций отличаются незначительно. В 6-ой и 7-ой октавах уровни вибраций станины на 2-3дБ выше, чем на столе станка. Разница в уровнях вибраций станины в рабочем режиме и на холостом режиме станка не превышает 4-5 дБ в октавах, где наблюдаются максимальные уровни вибрации, что доказывает значительное влияние вибраций двигателя, передаваемых на станину.
125 250 500
1000 2000 4000 3000 СреЗнегеон частоты октойных полос, f. Гц
Рис. 3. Спектр вибраций станины: 1 — в рабочем режиме; 2 — на холостом режиме работы станка;
3 -санитарный норматив
Спектр вибраций бабки привода главного движения (вращения шлифовальных кругов) представленный на рис. 4 отличается тем, что имеет достаточно равномерное распределение интенсивности в широкой полосе частот 31,5-2000Гц, в которой разница в уровнях вибраций не превышает 2-3 дБ. В 8-ой и 9-ой октавах снижение интенсивности вибраций составляет 5дБ на октаву.
и дБ ^ 110 юо
90 80 70 60 50 40 30 20 10
N
__^
_ — J
ь_ _ __
/ '
2J
63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 СреВнегеоп частоты
октайных name, f, Гц
Рис 4. Спектр вибраций бабки привода главного движения: 1 — рабочий режим; 2 — холостой ход;
3 -санитарный норматив
Следует отметить, что разница в условиях вибрации при рабочем режиме и холостом ходе больше чем на станине и составляет 5-7 дБ. К наиболее важным результатам измерений следует отнести то,что уровни вибрации бабки привода главного движения на 10-12 дБ ниже, чем на станине, несмотря на то,что возбуждение вибраций происходит от воздействия подшипниковых узлов с частотой вращения 980 об/мин.
Эти данные объясняются повышенным коэффициентом потерь чугуна, из которого изготовлен корпус бабки и величина которого, предварительно в 10 раз больше, чем стали, из которой изготовлена станина. Спектр вибраций кожуха шлифовальных кругов имеет четко выраженный максимум в седьмой октаве (рис. 5) достигающий значение 87 дБ.
63 125 250 500 1000 2000 WOO вООО СррВнегепм частоты
актаВных полос, f, Гц
Рис. 5. Спектр вибраций кожухашлифовального круга: 1 — рабочий режим; 2 — холостой ход;
3 - санитарный норматив
Спад интенсивности в шестой и восьмой октаве составляет 10 дБ. Экспериментальные исследования подтвердили правильность теоретического подхода к оценке источников шума объекта исследования.
Определение дисперсного состава образующейся пыли В [7] подробно был выполнен первичный физический анализ абразивно-металлической пыли, образовавшейся при резании стальных заготовок с использованием современного комплекса Fritsch Analysette 22 Compact. В [8] методом математического программирования установлено, что для описания фракционного состава пылевых частиц на основе экспериментальных данных, наиболее предпочтительным является простейшее экспоненциальное распределение. На основе этого распределения воспроизводятся все интегральные показатели, а также графические данные, воспроизводимые измерительным комплексом.
Принимая во внимание ранее полученные результаты, мы по аналогичному алгоритму можем подойти к определению параметров дисперсного состава абразивно-чугунной пыли, образовавшейся при обдирочном шлифовании чугунных заготовок.
В отличии от исследований [7] дисперсный состав пыли определялся методом лазерной дифракции в водной среде на более совершенном и точном анализаторе размеров частиц Fritsch Analysette 22 NanoTec ("Fritsch", Германия), разрешающая способность которого соответствует размеру частиц 0,08-2000 мкм (рис. 6). Пыль отбиралась на рабочем месте станочника. Кривые распределения (рис. 6) близки к унимодальным несимметричным. Реальные образцы абразивно-чугунной пыли состоят из множества частиц разных размеров и форм.
х pin
Рис. 6. Распределение частиц абразивно-чугунной пыли по размерам при усреднении результатов повторных наблюдений: 1 - интегральная, 2 - дифференциальная формы распределения
Первичными результатами анализа гранулометрического состава пыли являются автоматически выдаваемые прибором отчеты, представленные в виде удобного интерфейса (рис. 7). Можно видеть на рис. 7 график интенсивности распределения чугунной пыли. Далее определяются отдельные дифракционные картины, из которых он состоит. Матрица, иллюстрирующая общий принцип анализа, показана на рис. 8.
Алгоритм оценивает пропорции классов размеров в общем объеме, т.е. распределение частиц по размерам, сравнивая измеренные данные с ожидаемыми теоретическими значениями для разных классов размеров. Необработанные данные интенсивности (I) показаны в оранжевых скобках и разделены на части, измеренные каждым
детектором, то есть под каждым углом от ш до ап. Матрица в синих скобках - часть уравнения, представляющая теоретическую часть, то есть ожидаемые интенсивности для каждого класса размеров (от 1мм до 1см) и под каждым углом обнаружения (от од до ап).
АМА^УЯЕТТЕ » Ма ПоТвн
Меа». N0, Ма(ег1а1
1гк(оггиа(1й11
Оа1« Вл1сЬ АПг№и1€ Л - р1я. ес1||
ТЬигя*1ау, 05 МагсЬ 2020 02:46 РМ
С-а1си1аЫоп РгвилЬеГег
Яе(г.1с11 уг
Tr.nd.-OII
ДЬ»грМбп 1псЗ 1-х
ЬгО«1 ЮОО
|Ноп 1-4.0 % 100 "Л
А ав
0.1 1 до 100 (ООО
х цт
176-03 и*п П[4.Э] 176.0 И
Осоте* Не Исаи 35-96 ит Меап/М«»лп 0.47
ЦиайгаИс меап 396.31 рт Моае 133.56 мт
SpCt.Su 1 (.не 13,392-5 ст»/«п' Mrali.ui »1.976
(1Ю 0.18 ^т 5рап (<гао чпоуаэо *>[-в,3] 176.0 рг
ееотс1г(с Меап 35-96 мт Мелп/МнЛап 0.47
фиакЛгаКс меап 396.31 ит майе 13 3.56 мт
«р*с*£иггм» 13,392.5 ет*/ст» М«<Нап> £1.97« рт
Рис. 7. Скриншот отчета анализа чугунной ныли из интерфейса программного обеспечения лабораторно-измерительного комплекса Г^сН
Сравнивая теоретическую интенсивность с фактической, можно рассчитать распределение частиц по размерам. Этот результат показан матрицей в красных скобках (на графике эти данные изображены в виде гистограммы), где N обозначает относительную долю каждого класса размеров в общем объеме [9].
Программное обеспечение прибора позволяет выдавать результаты измерений как в первичной графической, так и в обработанной цифровой форме. Например, результаты первичного анализа сепарированных отдельно абразивной и чугунной фракций пыли показали, что средний медианный диаметр абразивной пыли В50 = 14,67 мкм значительно меньше, чем чугунной (Бзо = 81,97 мкм). Дополнительно были определены важные физические свойства пыли. Насыпные плотности составили: сепарированного чугуна 2,116 г/см3; сепарированного абразива: 1,877 г/см3; образованной пыли чугуна с абразивом: 2,33 г/см3 класса.
мс, 'с1«1 'с1«2 'с1«3 А
МС2 'с2«1 'с2аЗ 'с2кП Л. Л "«2
N03 'сЗ«1 'сЗ«2 'сЗчлЗ 'сЗиП ~ Ж - 1,3
^ст 'стти2 чшЗ ЧШКШ ' иП
Рис 8. Матрица, иллюстрирующая общий принцип анализа
Определение геометрических характеристик абразивно-чугунных микрочастиц пыли. На рис. 9 и рис. 10 представлены фотографии пыли, отобранной на рабочем месте станочника при обработке чугунных заготовок на обдирочно-шлифовальном станке. Для получения изображений с качественным разрешением использовался растровый электронный микроскоп. Целью их получения являлся анализ сферичности и скругленности пылевых частиц, а также связности этих показателей между собой и с размерами [10].
Процедуры измерения этих параметров обычно трудоемки и требуют много времени, часто прибегают к визуальному сравнению с силуэтами или фотографическими диаграммами для получения округлости и сферичности. Сферичность частицы факторизуемая величина, т.е. выражаемая в виде произведения двух коэффициентов, каждый из которых заключен в пределах от 0 до 1. Первый из коэффициентов соответствует степени граненности частицы, второй коэффициент - множитель характеризует сплющенность частицы. Визуальный анализ микрофотографий позволяет оценить значение сферичности ~ 0,72.
Полученные в экспериментальных исследованиях характеристики пыли, а также результаты дисперсного анализа позволят построить математические модели, адекватно описывающие интегральные и дифференциальные кривые распределения абразивных ичугунных частиц пыли по размерам.
Выводы:
1. Экспериментальные исследования шума обдирочно-шлифовальных станков показали, что имеет место превышение уровней звукового давления над нормами на 15 дБ, что соответствует классу условий труда станочника по шуму 3.2.
2. Установлены закономерности формирования вибрационных характеристик обдирочно-шлифовальных станков, позволяющие идентифицировать источники шума, создающие превышения уровней звукового давления над предельно-допустимыми.
3. Результаты дисперсного анализа абразивно-чугунной пыли позволили установить, что образуемая абразивная пыль является более мелкодисперсной (D50 = 14,67 мкм), чем чугунная (D50 = 81,97 мкм). Также, получены распределения частиц по размерам, которые позволят получить аналитические выражения для интегральных и дифференциальных кривых распределения абразивных ичугунных частиц пыли.
4. Определены геометрические характеристики абразивно-чугунных микрочастиц пыли, так визуальный анализ микрофотографий позволил оценить значение сферичности ~ 0,72.
Список литературы
1. Азимова Н.Н. Снижение концентрации пыли и уровней шума в рабочей зоне при абразивной резке / Н.Н. Азимова // Автореферат канд. наук, 2020. 9 с.
2. Купцова И.С. Теоретическое исследование модели движения воздушного потока вблизи фасонного укрытия обдирочно-шлифовального станка_/ И.С. Купцова // Безопасность техногенных и природных систем. 2021. № 1. С. 26-37.
3. Обдирочно-шлифовальный станок типа 3М63. Руководство по эксплуатации. М., 2005.
4. Методика и техническое обеспечение проведения экспериментальных исследований по определению шума на рабочих местах / Баланова М.В., Финоченко Т.А., Яицков И.А. // Научно-технический журнал: «Труды РГУПС». 2019. № 1 (46). С. 5-7.
5. Месхи Б.Ч. Улучшение условий труда операторов металлорежущих и деревообрабатывающих станков за счет снижения шума в рабочей зоне (теория и практика) // ДГТУ. Ростов н/Д, 2003. 131 с.
6. Экспериментальные исследования спектров шума модельных станков / А.Н. Чукарин, Ю.И. Булыгин, В.А. Романов, Л.Н. Алексеенко Л.Н. // Инновационные технологии и экономика в машиностроении. Сборник трудов V Международной научно-практической конференции. Национальный исследовательский Томский политехнический университет. 2014. С. 257-260.
7. Статистический анализ размерных характеристик пыли, образующейся при механической обработке металлов / Азимова Н.Н., Ладоша Е.Н., Холодова С.Н., Цымбалов Д.С., Яценко О.В. // Вестник Донского государственного технического университета 2020. 20(1). С.68-78. DOI: 10.23947/1992-5980-2020-20-1-68-78.
8. Экспериментальныеисследованияшумаизапыленностиврабочейзонерельсорезногостанка / Н.Н. Азимова, Д.В. Ашихмин, Е.Н. Ладоша, И.С. Купцова, С.Н. Холодова, Н.А. Чукарина // Wschodnioeuropejskie Czasopismo Naukowe. 2020. № 5-3 (57). С. 35-51.
9. Kaye W., McDaniel J.B. Low-Angle Laser Light Scattering - Rayleigh Factors and Depolarization Ratios // Applied Optics. 1974. Vol. 13. Iss. 8. P. 1934-1937.
10. Определение морфометрических характеристик микродисперсной системы оксида алюминия методом анализа изображений / А.М. Игнатова, М.А. Землянова, М.С. Степанко, М.Н. Игнатов // Программные системы и вычислительные методы. 2017. № 3. С. 70-85.
Купцова Ирина Сергеевна младший научный сотрудник Центра научных компетенций, [email protected], Россия, Ростов-на-Дону, Донской государственный технический университет,
Булыгин Юрий Игоревич, д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Ростов-на-Дону, Донской государственный технический университет,
Исаков Владимир Семенович, д-р техн. наук, профессор, Россия, Новочеркасск, Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова»
EXPERIMENTAL STUDIES OF NOISE AND DISPERSION ANALYSIS OF ABRASIVE CAST IRON DUST OF REARING
AND GRINDING MACHINES
I.S. Kuptsova, Yu.I. Bulygin, V.S. Isakov
The results of experimental studies of noise and dispersed composition of dust generated during the processing of cast iron workpieces on roughing and grinding machines are presented. Regularities in the formation of vibration characteristics of machine tools have been established, making it possible to identify noise sources that create excess sound pressure levels above the maximum permissible ones. The dust characteristics obtained in experimental studies, as well as the results of dispersion analysis, will make it possible to construct mathematical models that adequately describe the integral and differential size distribution curves of abrasive and cast iron dust particles. The results are ofpractical interest for justifying the design of noise and dust reduction systems at the workplaces of operators of the machine tools under study.
Key words: noise and vibration levels, machines, grinding, noise, dispersed composition, dust, workplace
Kuptsova Irina Sergeevna, junior researcher at the Center for Scientific Competence, [email protected], Russia, Rostov-on-Don, Don State Technical University,
Bulygin Yuriy Igorevich, doctor of technical sciences, professor, bulyur [email protected], Russia, Rostov-on-Don, Don State Technical University,
Isakov Vladimir Semenovich, doctor of technical sciences, professor, Russia, Novocherkassk, South Russian State Polytechnic University (NPI) named after M.I. Platov
УДК 519.2:330
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-106-107
МОДЕЛЬ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ЭВРИСТИЧЕСКИХ НЕЧЕТКИХ ВРЕМЕННЫХ РЯДОВ ВЫСОКОГО ПОРЯДКА, ОСНОВАННАЯ НА ХЕДЖ-АЛГЕБРАИЧЕСКОМ ПОДХОДЕ. ЧАСТЬ 2
Нгуен Тхи Тху Зунг, Л.В. Черненькая
В данной статье представлены материалы дальнейшего исследования на основе развития традиционной модели прогнозирования нечетких временных рядов. В статье представлены теоретические основы и совершенствование хеджа-алгебраического подхода и моделей эвристического прогнозирования высокого порядка. Представлены алгоритмы предложенных методов исследования и разработана структура разработанной модели, представленной в первой части статьи.
Ключевые слова: модель прогнозирования, нечеткие временные ряды, алгебры хеджа, модель высокого порядка, эвристическая модель.
1.Введение хеджа-алгебраического подхода и моделей эвристического прогнозирования высокого порядка. Эвристическая модель прогнозирования нечетких временных рядов разработана и широко применяется в прогностических моделях на практике. Проведенный анализ показал, что эвристическая модель дает лучшие результаты по сравнению с другими моделями и свободна от некоторых недостатков классической модели, таких как: сильная зависимость от нечетких данных высшего порядка и интенсивное использование памяти [1]. Первая эвристическая модель предложена в работе [2]. Однако можно заметить, что в предложенную в работе [2] модель можно применять только к тесно связанным временным рядам, используя разность этого ряда между двумя связанными временными точками для предсказания остальных рядов с соответствующим временем. Модель нельзя применять для прогнозирования нечетких одновариантных временных рядов потому, что для определения разницы необходимо использовать фактическое значение временного прогноза. В работе [1] представлена улучшенная эвристическая модель нечетких временных рядов высокого порядка для прогнозирования временных рядов на основе нечетких временных рядов высокого порядка и эвристики, специфичной для предметной области. В работе [3] предложен новый трендовый эвристический нечеткий временной ряд, изменяющийся во времени. Наряду с этим в работе [4] представлена многомерная эвристическая модель, полученная путем интеграции многомерной эвристической функции и одномерных моделей нечетких временных рядов. В работе [5] выдвигается новый эвристический подход к разбиению на основе частотной плотности для прогнозирования нечетких временных рядов фондового рынка. С другой стороны, в работе [6] предложена эвристическая инвариантная во времени модель прогнозирования, в которой есть предсказатель тренда для указания тренда увеличения или уменьшения времени в сочетании с прогнозированием высокого порядка с набором принципов для получения окончательного результата прогнозируемого значения. Видно, что в модели [6] для такого обучения практикуется набор данных, который позволяет преодолеть ограничение использования временных рядов. Кроме того, в работе [7] применен генетический алгоритм на основе эвристического метода прогнозирования нечетких временных рядов, предложенный в работе [8].
Хедж-алгебраическая структура — это новый подход, разработанный авторами Н. Хо и В. Вехлер [9,10]. Это семантическая количественная алгебраическая структура лингвистических переменных, которая устанавливается, исследуется и развивается. Использование хедж-алгебраического подхода в модели прогнозирования нечетких временных рядов дает хорошие результаты по сравнению с обычными моделями прогнозирования нечетких временных рядов. В работах[11-13] применены семантические метки в соответствии со хедж-алгебраической структурой вместо обычных лингвистических меток и уточнены количественные семантические значения в соответствии с предварительно выбранными параметрами по заранее выбранным параметрам аир. В работе [14] упоминается
