Улучшение условий труда при обработке шарико-стержневым упрочнителем узлов колесных пар за счет снижения шума тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.26.01, кандидат наук Стуженко Наталья Игоревна

• Стуженко Наталья Игоревна
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Стуженко Наталья Игоревна

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение……………………………………………………………

Глава 1 Состояние вопроса и постановка задачи исследований…………

1.1 Повышение эксплуатационных свойств деталей в

современном машиностроении методами поверхностного

пластического деформирования …………………………………

1.2 Оборудование и технология шарико-стержневого

упрочнения…………………………………………………………

1.3 Краткий обзор работ в области исследований

технологических особенностей обработки шарико-стержневым

упрочнителем………………………………………………………

1.4 Анализ процесса снижения шума и вибрации при обработке

шарико-стержневым упрочнителем………………………………

1.5 Выводы по главе………………………………………………

Глава 2 Теоретическое исследование уровней звукового давления при

шарико-стержневом упрочнении деталей узлов колёсных пар…

2.1 Вывод зависимостей для расчёта спектров шума колёс при

шарико-стержневом упрочнении…………………………………

2.2 Вывод зависимостей скоростей колебаний оси колёсных

пар при шарико-стержневом упрочнении колёс…………………

2.3 Вывод зависимостей скоростей колебаний при шарико-

стержневом упрочнении оси колёсной пары……………………

2.4 Вывод зависимостей виброакустических характеристик

упрочнителя………………………………………………………

2.5 Выводы по главе………………………………………………

Глава 3 Оценка условий труда в рабочей зоне оператора при обработке

ШСУ. Экспериментальные исследования уровней шума и

вибрации……………………………………………………………

3.1 Анализ опасных и вредных факторов в рабочей зоне

оператора……………………………………………………….…

3

3.2 Обработка результатов измерений……………………………

3.3 Анализ спектров виброакустических характеристик

процесса шарико-стержневого упрочнения узлов колёсных пар

3.4 Распределение вибраций по несущей системе станков при

шарико-стержневом упрочнении узлов колёсных пар…………

3.5 Регрессионные зависимости диссипативной функции узлов

колёсных пар………………………………………………………

3.6. Выводы по главе………………………………………………

Глава 4 Обоснование конструкций системы снижения шума, их

эффективность в условиях производственных помещений……

4.1 Конструкция системы шумозащиты…………………………

4.2 Способы модернизации колёсотокарных станков…………

4.3 Выводы по главе………………………………………………

Заключение …………………….…………………………………

Список литературы………………………………………………

Приложение 1 ….…………………………………………..………

4

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Улучшение условий труда при обработке шарико-стержневым упрочнителем узлов колесных пар за счет снижения шума»

ВВЕДЕНИЕ

Одной из важнейших отраслей народного хозяйства является

машиностроение. В настоящее время растёт производство технологических

машин различного функционального назначения, в том числе и тех, в

конструкциях которых имеются узлы колёсных пар (мостовые и козловые краны,

электровозы, тепловозы, путевые дрезины и т. д.).

Следует отметить, что современные требования к колёсным парам, в

особенности, локомотивов постоянно ужесточаются, что связано с повышением

скорости их передвижения и грузоподъёмности.

Как следует из известных источников, срок эксплуатации колёсных пар

зачастую не достигает запланированных пределов, что вызывает необходимость

увеличения масштабов их производства, а также более частого проведения

трудоёмких ремонтных работ.

К поверхности катания узлов колёсных пар предъявляется комплекс

технологических требований по параметрам геометрической точности,

шероховатости и износостойкости. В настоящее время поверхности катания

обрабатываются лезвийным инструментом на колесотокарных и колесо-

фрезерных станках. Эти методы не обеспечивают упрочнения обработки

поверхности и, следовательно, требований по износостойкости.

В отрасли предпринимаются попытки по внедрению в технологический

процесс изготовления колёсных пар методов упрочнения, способствующих

значительному повышению сроков их службы. Одним из известных методов

поверхностного упрочнения деталей машин, имеющих сложную форму, является

шарико-стержневое упрочнение.

В данной работе рассматривается процесс шарико-стержневого упрочения

поверхностей катания колёсных пар. Серьёзным недостатком процесса шарико-

стержневого упрочения является то, что уровни шума в рабочей зоне операторов

намного превышают санитарные нормы.

 5

К поверхности катания узлов колёсных пар предъявляется комплекс

технологических требований по параметрам геометрической точности,

шероховатости и износостойкости. В настоящее время поверхности катания

обрабатываются лезвийным инструментом на колесо-токарных и колесо-

фрезерных станках. Эти методы не обеспечивают упрочнения обработки

поверхности и, следовательно, требований по износостойкости. Поэтому в работе

рассматривается процесс шарико-стержневого упрочения поверхностей катания.

Серьёзным недостатком процесса шарико-стержневого упрочения является то,

что уровни шума в рабочей зоне операторов намного превышают санитарные

нормы.

Цель работы заключается в улучшении условий труда операторов при

шарико-стержневом упрочении деталей узлов колёсных пар за счёт снижения

уровней звукового давления до санитарных норм.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Теоретически исследовать закономерности формирования спектров шума

при шарико-стержневом упрочнении деталей узлов колёсных пар.

2. Провести экспериментальные исследования спектров шума при

упрочнении поверхностей катания узлов колёсных пар.

3. Провести экспериментальные исследования спектров вибраций элементов

несущей системы специальных станков и упрочнителя.

4. Идентифицировать источники виброакустической эмиссии, создающие

превышения уровней звукового давления над предельно-допустимыми

значениями.

5. Разработать конструкции систем снижения уровней шума в соответствии

с выполнением санитарных норм в рабочей зоне операторов оборудования, на

котором реализуется технологический процесс шарико-стержневого упрочнения

деталей узлов колёсных пар.

Объектом исследования являются виброакустические характеристики при

выполнении процесса шарико-стержневого упрочнения элементов узла колёсных

пар и их влияние на уровни шума в рабочей зоне операторов.

 6

Предметом исследования являются закономерности формирования

спектров вибрации и шума технологического процесса шарико-стержневого

упрочнения деталей узлов колёсных пар.

Область исследования. Содержание диссертации соответствует п. 7

предметной области специальности 05.26.01 - научное обоснование,

конструирование, установление области рационального применения и

оптимизации параметров, способов, систем и средств коллективной и

индивидуальной защиты работников от воздействия вредных и опасных

факторов.

Научная новизна работы:

1. Разработаны модели виброакустической динамики акустической системы

процесса шарико-стержневого упрочнения деталей узлов колёсных пар,

позволяющие идентифицировать источники шума, создающие превышения

уровней звукового давления в рабочей зоне операторов над санитарными

нормами.

2. Установлена взаимосвязь между спектральным составом вибраций и

шума с параметрами технологического процесса, способом установки узлов

колесных пар, их геометрическими и физико-механическими характеристиками.

3. Получены аналитические зависимости уровней звукового давления,

создаваемые элементами узлов колёсных пар и упрочнителем, что позволяет на

этапе проектирования технологического процесса шарико-стержневого

упрочнения теоретически обосновать конструкцию системы шумозащиты в

соответствии с предельными спектрами в рабочей зоне операторов.

Практическая значимость работы. Предложены и теоретически

обоснованы конструкции системы снижения шума при шарико-стержневом

упрочнении деталей узлов колёсных пар. Конструкции систем снижения шума

разработаны для двух вариантов компоновки специальных станков.

Эффективность в снижении шума обеспечивается как звукоизоляцией зоны

обработки, так и увеличением диссипативных характеристик самих источников.

 7

Научные результаты, выносимые на защиту:

1. Модели виброакустической динамики при процессе шарико-стержневого

упрочнения деталей узлов колёсных пар

2. Аналитические зависимости уровней звукового давления, создаваемых

при ШСУ общей акустической системой узла и его отдельными элементами, а

также упрочнителем.

3. Результаты экспериментальных исследований спектров шума.

4. Результаты экспериментальных исследований распределения вибраций

несущей системы специальных станков, на которых реализуется технологический

процесс.

5. Конструкции систем снижения шума, их акустическая эффективность.

Методика исследования. В работе использованы основные положения

технической виброакустики, теории колебаний механических систем с

распределяемыми параметрами, методики специальной оценки условий труда на

рабочих местах и экспериментальных исследований шумовых и вибрационных

характеристик, а также статистические методы оценки достоверности полученных

экспериментальных данных.

Достоверность результатов. Достоверность приведённых в работе

теоретических исследований подтверждается строгостью использования

математического аппарата и, в особенности, экспериментальными

исследованиями в реальных условиях эксплуатации объектов исследования,

выполненными с помощью современных приборов первого класса точности, а

также результатами промышленной апробации устройств для снижения шума до

нормативных значений. Экспериментальные исследования проводились при

специальной оценке рабочих мест по условиям труда организацией Научно-

производственный центр «Охрана труда», имеющей аттестат аккредитации на

право проведения работ, по специальной оценке условий труда, подтверждённого

областью аккредитации.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на

Международной научной конференции «Механика и трибология транспортных

 8

систем», г. Ростов-на-Дону, 2016 г. и XIV Международной научно-практической

конференции «Современные технологии: актуальные вопросы, достижения и

инновации», г. Пенза, 2018 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ,

в том числе 3 в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, входящих

в перечень ВАК РФ. Общий объем работ составляет 39 страниц, в том числе доля

соискателя 27 страниц.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка

использованной литературы из 104 наименований, имеет 37 рисунков, 19 таблиц и

изложена на 111 страницах машинописного текста. В приложение вынесен акт

испытаний в Вагонном ремонтном депо Батайск АО «ВРК-1».

Диссертация выполнена на кафедре «Технология машиностроения» ФГБОУ

ВО Донского государственного технического университета.

 9

ГЛАВА 1 Состояние вопроса и постановка задачи исследований

1.1 Повышение эксплуатационных свойств деталей в современном

машиностроении методами поверхностного пластического

деформирования (ППД)

В современном машиностроении одной из основных задач является

улучшение эксплуатационных свойств ответственных деталей машин

(усталостной прочности и долговечности, износостойкости, контактной

жёсткости и т. п.) с целью повышения их конкурентоспособности и экономии

материальных ресурсов. Применение методов ППД позволяет также в

большинстве случаев уменьшать размеры деталей, а, следовательно, и массу

машин, что особенно важно для транспортных средств.

Актуальной задачей является также уменьшение размеров и массы деталей

и машин в целом, за счёт применения конструктивно-технологических методов

улучшения эксплуатационных свойств деталей 1–13.

Известно, что при циклических видах нагружения разрушение деталей

может начаться в местах, где имеются концентраторы в виде отверстий, галтелей,

переходных поверхностей, карманов, пазов и т. п.

Уменьшение долговечности деталей можно оценить при помощи

коэффициента концентрации напряжений, который определяется отношением

фактического ресурса гладкого участка детали к ресурсу зоны действия

концентратора напряжений. Следовательно, применение технологических

методов уменьшения коэффициента концентрации напряжения, позволит

значительно улучшить сопротивление деталей усталостным нагрузкам.

Для этих целей рекомендуется использовать упрочнение поверхностным

пластическим деформированием (ППД) 14–29.

Наиболее распространённые процессы обработки ППД (вибрационный,

ударно-барабанный, дробеструйный и др.) позволяют, как правило, осуществлять

обработку всей поверхности детали. Учитывая, что усталостная долговечность

 10

детали лимитируется свойствами участков с концентраторами напряжения, с

экономической точки зрения значительно выгоднее применять методы местного

упрочнения.

При этом деталь сложной формы после обработки либо по всей

поверхности, либо по участкам с концентраторами напряжений будет иметь

примерно одинаковый ресурс.

Обработку отдельных участков поверхности можно выполнять

компактными устройствами. Такими устройствами можно обрабатывать сварные

швы, галтели, отверстия, переходные зоны различной формы круглых и плоских

деталей и т. п. Они могут успешно применяться для повышения

эксплуатационных свойств деталей во всех отраслях машиностроения.

Устройства для местного упрочнения могут также использоваться в условия

ремонтного производства без промежуточной разборки и демонтажа деталей.

Различные устройства местного упрочнения при высокой энергии

воздействия на обрабатываемые поверхности могут осуществлять более

интенсивную обработку, чем традиционные виды упрочняющей обработки

полной поверхности детали, а также эффективно использоваться при доработке

мест крепления деталей при ППД.

Методы обработки ППД позволяют значительно изменить исходную

шероховатость поверхности детали, как в сторону уменьшения, так и в сторону

увеличения. При этом важную роль играет явление технологической

наследственности.

Исходная шероховатость детали зависит от предыдущих операций

технологического процесса, конечная определяется технологическими

параметрами упрочняющей обработки. При этом величина исходной и конечность

шероховатости могут лимитировать использование различных методов ППД для

повышения эксплуатационных свойств деталей 30-32.

Важным преимуществом способов местного упрочнения ППД является

отсутствие ослабления в местах перехода наклёпанного участка поверхности

 11

детали в не наклёпанный, что выгодно отличает их от таких методов упрочнения

как, термические, при которых зона этого перехода обладает пониженной

прочностью 5,33,34.

Методы упрочняющей обработки ППД выбираются технологом, а зачастую

и конструктором, исходя из служебного назначения детали, требований,

предъявляемых к качеству поверхностного слоя, и могут различаться по

энергетическим характеристикам, производительности и качеству обработки.

При проведении классификации часто используют такие признаки, как

энергию взаимодействия, схему контактирования инденторов с поверхности

детали, скорость деформирования, кинематическую и динамическую связь

инденторов с поверхности детали и т. п.

В поверхностном слое обработанной детали повышаются твёрдость и

микротвёрдость, значительно изменяется шероховатость обработанной

поверхности, формируются остаточные напряжения сжатия, значительно

повышается плотность дислокаций, в мартенситных структурах происходит

распад остаточного аустенита. Это в свою очередь позволяет повысить

эксплуатационные свойства деталей.

Для повышения усталостной прочности и долговечности деталей, а,

следовательно, значительного улучшения их эксплуатационных свойств, также

широко применяются методы обработки ППД. Основными задачами при этом

являются создание в поверхностном слое деталей остаточных напряжений сжатия

и улучшение шероховатости поверхности (особенно создание больших значений

величины радиуса впадин микронеровностей, с целью устранения возможных

концентраторов напряжений).

Одна из распространённых классификаций методов местного упрочнения

ППД приведена на рисунке 1.1

 12

Рисунок 1.1 – Классификация способов местного упрочнения ППД

Повышение эксплуатационных свойств обработанных деталей во многом

зависит от интенсивности деформации материала их поверхностного слоя

4,25,35-48.

 13

Обработка методами ППД происходит без разрушения поверхностного слоя

деталей и поэтому имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с

обработкой лезвийным и абразивным инструментом, а также методами

термической обработки:

 волокна металла не перерезаются, происходит дробление зёрен и блоков

зёрен;

 в поверхности детали отсутствуют внедрённые частички стружки, либо

абразивных зёрен;

 не образуются прижоги на обработанной поверхности;

 изменения параметров поверхностного слоя равномерно распространены

по всех поверхности детали;

 в широких пределах обеспечивается снижение шероховатости

поверхностного слоя, формируется благоприятный профиль микровыступов

шероховатости;

 возможно получение регулярных и частично регулярных микрорельефов

с масло ёмкими карманами

 создаются благоприятная картина распределения сжимающих остаточных

напряжений в поверхностном слое;

 происходит упрочнение (повышение микротвёрдости) обработанной

поверхности.

Известно, что во всех машинах, независимо от их служебного назначения и

величины действующих нагрузок, имеются ответственные узлы и детали,

работающие в условиях переменных нагрузок. Для этих нагрузок характерна

цикличность, в связи с чем, детали испытывают колебания, являющиеся

суперпозицией колебаний собственных и вынужденных [49 -51].

Многолетними исследованиями установлено, что при циклических

нагрузках возможно разрушение деталей при существенно меньших напряжениях,

чем при которых могут развиваться пластические деформации. Совокупность

 14

физических явлений, приводящих к разрушению детали при циклических

нагрузках, меньших пределов упругости, называются усталостью [52-56].

Как показано на рисунке 1.1 методы ППД могут быть разделены на

статические и динамические

К статическим методам относятся обкатывание и раскатывание роликовыми

или шариковыми инструментами, выглаживание, дорнование, виброобкатывание,

вибровыглаживание и т. п. Статические методы применяются, как правило, для

простых по форме поверхностей деталей: цилиндрических, конических и плоских,

т.к. требуют жёсткой кинематической связи поверхности детали и инструмента.

Для деталей сложной формы используются динамические методы ППД. К

ним относятся вибрационная отделочная упрочняющая обработка, центробежно-

ротационная отделочно-упрочняющая обработка, чеканка, обработка дробью

(дробеструйная и гидродробеструйная), ультразвуковая обработка и ударная

обработка специальным инструментом – шарико-стержневым упрочнителем.

Динамическое ударное нагружение позволяет резко повысить плотность

дислокаций, что приводит к увеличению сил трения решётки. Увеличение сил

трения препятствует взаимному скольжению дислокаций и тем самым вызывает

прирост критического напряжения сдвига и дополнительное упрочнения металла

[57-59].

1.2 Оборудование и технология шарико-стержневого упрочнения

В настоящее время в различных отраслях промышленности получает

распространение новый метод динамической обработки ППД - шарико-

стержневое упрочнение. Для его реализации используется приспособление,

получившее название шарико-стержневой упрочнитель (ШСУ). Он позволяет

осуществлять обработку фасонных поверхностей, имеющих небольшой перепад

высот, а также различных криволинейных поверхностей. Это устройство было

изобретено на кафедре «Технология машиностроения» ДГТУ под руководством

профессора А.П. Бабичева [60].

 15

ШСУ может использоваться при обработке как больших поверхностей

деталей, так и для местного упрочнения, при этом в зависимости от

технологических задач обработка может осуществляться как вручную, так и на

различных металлообрабатывающих станках (токарных, фрезерных и др.). Схема

ШСУ приведена на рисунке 1.2.

5 2 6 4 3 1 7

сжатый

воздух

Рисунок 1.2 – Схема устройства для шарико-стержневого упрочнения:

1 – ударник пневмомолотка, 2 – упаковка стержней-инденторов со сферической

заточкой, 3 – корпус упрочнителя, 4 – стальные шары,

5 – обрабатываемая деталь, 6 – цанговый зажим, 7 – упругий элемент

Конструкция устройства позволяет передавать энергию удара бойка через

несколько слоёв стальных шаров на стержни (инденторы) без значительных

потерь. Для формирования пластического отпечатка инденторы имеют

сферическую заточку.

 16

Важным преимуществом устройства является возможность сочетания

гибкости обработки, присущей гранулированным рабочим средам и значительной

энергии соударений, присущей таким методам как чеканка, обработка дробью и

т. п. 61,62.

Мощность и размеры устройства зависят от марки применяемого в качестве

привода пневмомолотков (широко используемых на операциях клёпки в

различных отраслях промышленности), характеристики которых представлены в

таблице 1.1.

Таблица 1.1 – Технические характеристики пневмомолотков

Един. Тип пневмомолотка

Наименование параметра

Измере КПМ КПМ КПМ КПМ

инструмента

ния -14М -24М -34М -42М

Энергия единичного удара Дж 2,5 5 10 12,7

Частота ударов Гц 42 37 23 19

Расход сжатого воздуха м3/мин 0,3 0,45 0,65 0,75

Давление сжатого воздуха атм. 5

Масса молотка (без насадки) Кг 1,3 1,6 2,3 3,3

длина 166 196 270 355

Габариты ширина Мм 41 46 52 68

высота 140 146 145 140

Такие вышеуказанные свойства ШСУ, как гибкость и значительная энергия

соударений инденторов с поверхностью детали, позволяют успешно использовать

его на упрочняюще-отделочных операция обработки стандартных и фасонных

поверхностей с небольшим перепадом высот, создавать сжимающие остаточные

напряжения в поверхностном слое, залечивать поверхностные дефекты при

ремонте ответственных деталей (например, гребных винтов), повышать твёрдость

 17

и микротвёрдость поверхностного слоя, создавать новые регулярные и частично

регулярные маслоёмкие микрорельефы.

Значительным преимуществом ШСУ является возможность осуществления

местного упрочнения участков поверхности детали, содержащих концентраторы

напряжений, а также доработки мест крепления крупногабаритных деталей при

других видах обработки ППД. Как уже отмечалось, ШСУ обеспечивает

возможность создания регулярных и частично-регулярных маслоёмких

микрорельефов при использовании на токарных и фрезерных станках,

позволяющих обеспечить необходимую величину подачи устройства.

Однако широкое использование устройства ШСУ ограничивается высоким

значением шума и вибраций в рабочей зоне, вызванных ударно-волновым

воздействием инденторов на поверхность обрабатываемой детали. При этом

деталь, не обладающая значительной жёсткостью, также является источником

повышенного излучения шума. Вышеуказанные обстоятельства требуют

проведения комплекса мероприятий, способствующих снижению шума и

вибрации в зоне оператора до нормативных значений.

Как было установлено в работах по станочной акустике 63-65,

интенсивность звукового излучения зависит от схемы закрепления деталей,

траектории передвижения инструмента вдоль обрабатываемой детали, её формы и

размеров, а также технологических режимов обработки.

1.3 Краткий обзор работ в области исследований технологических

особенностей обработки шарико-стержневым упрочнителем

Вышеуказанные преимущества обработки ШСУ взывают необходимость

проведения комплексных исследований влияния технологических параметров на

качество поверхностного слоя обработанных деталей и обеспечение акустической

безопасности зоны оператора.

 18

Основные исследования технологических возможностей шарико-

стержневого упрочнения проведены в рамках научной школы профессора

Бабичева А.П.

В работе Прокопец Г.А. 66 рассмотрены различные схемы ШСУ.

Проведены исследования технологических возможностей обработки, влияния

режимов и количества стержней в пакете на качество поверхностного слоя и

возможность получения частично регулярных микрорельефов с заданными

свойствами.

Проведены исследования потерь энергии при передаче ударных импульсов,

установлены значения коэффициента полезного действия устройства.

В работе Аксенова В.Н. 67 разработана методика расчёта основных

параметров шарико-стержневого упрочнителя, на основе изучения подробного

изучения динамики передачи ударных импульсов.

При выводе зависимостей сделаны допущения, что все элементы ШСУ

кроме совокупности стальных шариков являются бесконечно жёсткими, а при

передаче ударно-волновых импульсов не учитываются нелинейные эффекты,

вызываемые периодическими колебаниями нагрузки.

В работе Холоденко Н. Г. 68 приведены результаты исследований

влияния формы обрабатываемых поверхностей на качество поверхностного слоя

при обработке ШСУ с шестигранным пакетом стержней. Установлены

ограничения по форме и радиусу кривизны обрабатываемой поверхности в

зависимости от количества и диаметров стержней в пакете.

Автором выведены зависимости некоторых параметров качества

поверхностного слоя обработанных деталей от радиуса заточки и диаметра

стержней, а также жёсткости конструкции обрабатываемой детали.

Продолженные исследования по уменьшению энергии передаваемых ударных

импульсов при обработке. Представлены эмпирические зависимости для

определения высотных параметров шероховатости обработанных деталей.

Подробно описано внедрение технологического процесса шарико-стержневого

упрочнения гребных винтов судовых двигателей при их изготовлении и ремонте.

 19

В работе Щерба Л.М. [69] представлены результаты исследований процесса

обработки ШСУ цилиндрических деталей на токарных станках. Разработан

комплекс моделей формирования качества поверхностного слоя обработанных

деталей (шероховатости, микротвёрдости, остаточных напряжений) с учётом

влияния режимов обработки, конструктивных характеристик ШСУ и

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Стуженко Наталья Игоревна, 2018 год

самих источников.

Узлы колёсных пар технологических машин различного функционального

назначения имеют идентичную конструкцию и включают три источника: два

колеса и ось колёсной пары. Согласно их герметическим параметрам для

теоретического исследования закономерностей шумообразования выбраны

следующие модели: поршневой излучатель для самих колёс и цилиндр

ограниченной длины для оси колёсных пар.

2.1 Вывод зависимостей для расчёта спектров шума колёс при шарико-

стержневом упрочнении

Колеса технологических машин на рельсовом ходу изготавливаются из

стали. Поэтому для собственных частот колебаний с учётом геометрических и

физико-механических характеристик получено следующее выражение:

𝑅

𝑓𝑘 = 103 𝑘. (2.3)

√ℎ

Эта зависимость учитывает радиус колеса ( 𝑅 ), толщину обода ( √ℎ ) и

коэффициент собственных частот ( 𝑘 ). Постоянная 103 определена при

подстановке численных значений модуля Юнга, плотности стали. Все величины

исчисляются в системе СИ.

Акустические характеристики поршневого излучателя на основе данных

работ [86, 87] приведены к виду:

Звуковое давление:

8∙103 𝑅 2(𝑅+ℎ)𝑘𝑣𝑘

𝑃= . (2.4)

𝑟√ℎ

Звуковая мощность:

𝑅 4 (𝑅+ℎ)2 𝑘 2 𝑣𝑘 2

𝑊= . (2.5)

ℎ

 35

Эти зависимости учитывают кроме вышеуказанных геометрических

параметров скорости колебаний источника на собственных модах колебаний и

расстояние от источника шума до расстояния точки (𝑟).

Вывод зависимостей скоростей колебаний основан на компоновке колёсной

пары и параметрах силового воздействия при реализации процесса шарико-

стержневого упрочнения согласно расчётной схемы (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 – Расчётная схема колёсной пары

Силовое воздействие шарико-стержневого упрочнителя согласно его

компоновке определено следующим выражением [88]:

𝑃(𝑡) = 1,3(𝑃𝑔 𝐾𝑔 𝐻𝐾𝑐 𝑚𝑐 )0,5 𝑑в 𝑓в sin 𝐾𝑐 𝑓в 𝑡 + 𝜑), (2.6)

эта зависимость учитывает 𝑃(𝑡) – силовое воздействие от шарико-стержневого

упрочнителя, 𝑃𝑔 – давление в пневмосистеме упрочнителя, Па; 𝐻 – натяг, м;

𝐾𝑐 – количество стержней в зоне упрочнения; 𝑚𝑐 – масса стержня, кг; 𝑑в –

диаметр поршня, м; 𝑓в – частота воздействия на упрочняемую деталь, Гц;

9,6𝑓в

𝜑= , (2.7)

𝑛

где 𝑛 – частота вращения изделия, об/мин; 𝐾𝑔 – коэффициент, учитывающий

радиусы кривизны стержня и поверхности катания:

𝑅2

𝐾𝑔 = , (2.8)

𝑅1 +𝑅2

где 𝑅2 – радиус стержня, м.

 36

При выводе зависимостей скоростей колебаний, упрочняемых колёс учтено,

что упрочняемые колеса не только идентичны, но и расположены на одинаковом

расстоянии от концов оси. Кроме этого сделано допущение, что амплитуды

силовых воздействий от каждого стержня упрочнителя также равны.

Поскольку силовое воздействие при шарико-стержневом упрочнении носит

гармонический характер, то при упрочнении колеса амплитуду смещения

представим в виде [88]:

𝑦 = ∑∞

𝑘=1 𝑦𝑘 (𝑥)𝜀𝑘 (𝑡), (2.9)

где 𝑦𝑘 (𝑥) – прогиб при нормальном колебании; 𝜀𝑘 (𝑡) – функция времени,

определяемая из уравнения:

𝜀𝑘 (𝑡) + 𝑓𝑘2 𝜀𝑘 (𝑡) = 𝜓𝑘 (𝑡), (2.10)

где 𝜓𝑘 (𝑡) – выражается в зависимости от возмущающей сил формулой:

∑∞

𝑘=1 𝑃(𝑡)𝑦𝑘 (𝑥)

𝜓𝑘 (𝑡) = 𝑙 , (2.11)

∫0 𝑦𝑘2 (𝑥)𝑑𝑥∙𝑚0

где в числителе стоит сумма произведений возмущающих сил на перемещение

точек их приложений при нормальном колебании.

Согласно условиям закрепления колёс и сделанных допущений, функцию

прогиба зададим в следующем виде:

𝜋𝜅𝑙1

𝑦𝑘 = sin (2.12)

𝑙

Тогда

𝜋𝑘𝑙1

2,6 𝑠𝑖𝑛

𝜓𝑘 (𝑡) = 𝑙

(𝑃𝑔 𝐻𝐾𝑔 𝐾𝑐 𝑚𝑐 )0,5 𝑑в 𝑓в (𝐾𝑐 𝑓в 𝑡 + 𝜑) (2.13)

𝑚0 𝑙

𝑃 = (𝑃𝑔 𝐻𝐾𝑔 𝐾𝑐 𝑚𝑐 )0,5 𝑑в 𝑓в (2.14)

2

𝑅 3∙10−4 (𝑃𝑔 𝐻𝐾𝑔 𝐾𝑐 𝑚𝑐 )0,5 𝑑в 𝑓в ∗ 𝜋𝜅𝑙1

𝜀𝑘" (𝑡) + 106 𝑘 2 𝜀𝑘 (𝑡) = ∙ ∑𝑘𝑘=1 sin sin(𝐾𝑐 𝑓в 𝑡 + 𝜑). (2.15)

ℎ ℎ𝑙 𝑙

Решение полученного уравнения относительно скорости колебаний

получено в следующем виде:

𝜋𝜅𝑙

3∙10−4 (𝑃𝑔 𝐻𝐾𝑔 𝐾𝑐 𝑚𝑐 )0,5 𝑑в 𝑓в ∙𝐾𝑐 𝑓в ∗ sin cos(𝐾𝑐 𝑓в 𝑡+𝜑)

𝑣𝑘 = 𝜀𝑘 = ∙ ∑𝑘1 𝑙

𝑅2

(2.16)

ℎ𝑙 106 𝑘 2 −(𝐾𝑐 𝑓в )2

ℎ

 37

Для оценки возможности снижения амплитуды скоростей колебаний колёс

воспользуемся известным приёмом представления модуля упругости в

комплексной форме [75]. Поскольку в данной работе ставится задача расчёта

усреднённых по октавам уровней звукового давления, то для дальнейших

расчётов учтена только действительная часть скоростей колебаний и её

максимальное значение

𝑅2 𝜋𝜅𝑙

3∙10−4 (𝑃𝑔 𝐻𝐾𝑔 𝐾𝑐 𝑚𝑐 )0,5 𝑑в 𝑓в 𝐾𝑐 𝑓в [106 𝑘 2 −(𝐾𝑐 𝑓в )2 ] sin 1

𝑘∗ ℎ 𝑙

𝑅𝑙 {𝑣𝑘 } = ∑1 2 2 (2.17)

ℎ𝑙 𝑅 𝑅4

[106 𝑘 2 −(𝐾𝑐 𝑓в )2 ] +1012 ℎ4 2 𝜂𝑘2

ℎ ℎ

Звуковое давление колеса определяется по формуле:

𝑅2 𝜋𝜅𝑙

1,2∙(𝐾𝑔 𝑃𝑔 𝑚𝑐 )

0,5

∙𝐾 1,5 ∙𝑑в ∙𝑓в2 ∙𝑅2 (𝑅+ℎ) [106 𝑘 2 −(𝐾𝑐 𝑓в )2 ] sin 1

𝑘∗ ℎ 𝑙

𝑃= ∙ ∑1 2 2 (2.18)

𝑟√ℎ𝑙 𝑅 𝑅4

[106 𝑘 2 −(𝐾𝑐 𝑓в )2 ] +1012 ℎ4 2 𝜂𝑘2

ℎ ℎ

Подставляя полученное выражение скорости колебаний и производя

логарифмирование получим:

𝑘𝑓в2 𝐾𝑐 𝑑в

𝐿𝑝𝑘 = 60 lg 𝑅 + 10 lg 𝑃𝑔 𝐾𝑔 𝐻𝐾𝑐 𝑚𝑐 + 20 lg(𝑅 + ℎ) + + 20 lg − 20 lg 𝑟 +

ℎ1,5 𝑙

𝑅2 𝜋𝜅𝑙

[106 𝑘 2 −(𝐾𝑐 𝑓в )2 ] sin 1

𝑘∗ ℎ 𝑙

+20 lg ∑1 2 2 + 100. (2.19)

𝑅 𝑅4

[106 𝑘 2 −(𝐾𝑐 𝑓в )2 ] +1012 ℎ4 2 𝜂𝑘2

ℎ ℎ

Полученное выражение позволяет теоретически определить уровни

звукового давления на собственных формах колебаний, т.е. фактически

рассчитать октавный спектр шума.

Следует отметить, что в данном выражении учтены не только

геометрические и физико-механические параметры упрочняемых колёс, но и

диссипативная функция, задаваемая эффективным коэффициентом потерь

колебательной энергии (𝜂) . Фактически только варьирование величиной

коэффициента потерь колебательной энергии позволит уменьшить величину

скорости колебаний упрочняемого колеса.

 38

2.2 Вывод зависимостей скоростей колебаний оси колёсных пар при

шарико-стержневом упрочнении колёс

Ось колёсный пары имеет большую длину и поэтому характеризуется

достаточно плотным спектром собственных форм колебаний. Поэтому для

расчёта уровней звукового давления используются следующие зависимости [88]:

при 0,018𝑓𝑘 < 1

5,5∙10−2 𝑣𝑘 𝑙𝑅02 𝑓в2 𝑘

𝑃= , (2.20)

𝑟

при 0,018𝑓𝑘 ≥ 1

𝑣𝑘 𝑙√𝑅0 𝑓𝑘1

𝑃 = 23 . (2.21)

𝑟

В данных выражениях 𝑅0 представляет собой радиус оси колесной пары, м.

В данной работе рассмотрены два варианта способов закрепления оси

колёсных пар.

Для конструкций, обладающих большими массами целесообразно

использовать модель шарнирно-опёртой заготовки. Для осей колёсных пар,

жёсткость которых сравнима с жёсткостью опор, следует использовать модель

жёсткого закрепления. Тогда для стальных конструкций собственные частоты

колебаний определяются по формулам:

Шарнирно-опёртая ось:

𝑘 2 𝐷0

𝑓𝑘 = 2 ∙ 103 , (2.22)

𝑙2

Жесткозакреплённая ось:

2

2 2𝑘+3

𝑓𝑘 = 5 ∙ 10 ( ) 𝐷0 . (2.23)

𝑙

С учётом этих выражений зависимости звукового давления приведены к

следующему виду:

Шарнирно-опёртая ось:

при 0,018𝑓𝑘 < 1

7∙106 𝑅 4𝑘 4

𝑃= 𝑣𝑘 , (2.24)

𝑟𝑙 3

при 0,018𝑓𝑘 ≥ 1

 39

𝑅𝑘𝑣𝑘

𝑃 = 2,6 ∙ 103 . (2.25)

𝑟

Для условий жёсткого закрепления:

при 0,018𝑓𝑘 < 1

1,4∙106 𝑣𝑘 𝑅 4 (2𝑘+3)4

𝑃= , (2.26)

𝑟𝑙 3

при 0,018𝑓𝑘 ≥ 1

𝑅0 𝑣𝑘 (2𝑘+3)

𝑃 = 36 . (2.27)

𝑟

При выводе скоростей колебаний оси, согласно расчётной схемы

(рисунок 2.1) учтено силовое воздействие со стороны колёс.

Дифференциальное уравнение изгибных колебаний для условий

шарнирного закрепления получено в следующем виде:

0,5

𝑑2𝑦 𝑑 𝑦 4 1,3(𝑃𝑔 𝐻𝐾𝑐 𝑚𝑐 ) 𝑑в 𝑓в

+ a2 4 = P(x − x0 ) . (2.28)

𝑑𝑡 2 𝑑𝑥 m0

Производя аналогичные преобразования, получим:

0,5

𝑑 2 𝑦 𝐸𝐽 𝜋𝑘 4 2 ∙ 1,3(𝑃𝑔 𝐻𝐾𝑐 𝑚𝑐 ) 𝑑в 𝑓в

+ ( ) 𝑦 = ×

𝑑𝑡 2 𝑚0 𝑙 𝑚0 𝑙

𝜋𝑘𝑙1 𝜋𝑘(𝑙1 +𝑙2 )

× [sin + 𝑠𝑖𝑛 ] × cos(𝐾𝑐 𝑓в 𝑡 + 𝜑). (2.29)

𝑙 𝑙

Для стальной колёсной оси уравнения приведено к следующему виду:

0,5

𝑑2𝑦 8

𝑘 4 2 3,3 ∙ 10−4 ∙ 1,3(𝑃𝑔 𝐻𝐾𝑐 𝑚𝑐 ) 𝑑в 𝑓в

+ 1,7 ∙ 10 ( ) 𝐷0 𝑦 = ×

𝑑𝑡 2 𝑙 𝐷02 𝑙

𝜋𝑘𝑙 𝜋𝑘(𝑙1 +𝑙2 )

× ∑∞

𝑘=1 [sin + 𝑠𝑖𝑛 ] × cos(𝐾𝑐 𝑓в 𝑡 + 𝜑). (2.30)

𝑙 𝑙

Решение этого уравнения относительно максимального значения скорости

колебаний определяется как:

0,5 𝑘∗

8 ∙ 10−6 ∙ (𝐾𝑔 𝑃𝑔 𝑚𝑐 ) 𝐾𝑐1,5 𝑑в 𝑓в2 𝜋𝑘𝑙1 𝜋𝑘(𝑙1 + 𝑙2 )

𝑉𝑘𝑦 𝑚𝑎𝑥 = ∑ [sin + 𝑠𝑖𝑛 ]×

𝑅02 𝑙 𝑙 𝑙

𝑘=1

𝑘 4 2

× [1,7 ∙ 10 ( ) 𝐷0 − (𝐾𝑐 𝑓в )2 ] ×

8

𝑙

2

8

𝑘 4 2 2 16

𝑘 8 2 4 −1

× {[1,7 ∙ 10 ( ) 𝐷0 − (𝐾𝑐 𝑓в ) ] + 3 ∙ 10 ( ) 𝜂 𝐷0 } . ( 2.31)

𝑙 𝑙

 40

Подставив полученное выражение скорости колебаний получим

зависимости звукового давления оси колёсный пары для условий шарнирного

закрепления:

при 0,018𝑓𝑘 < 1

0,5

56(𝐾𝑔 𝑃𝑔 𝑚𝑐 ) 𝐾𝑐1,5 𝑑в 𝑓в2 𝑅02

𝑃= ×

𝑟𝑙

∗ 𝜋𝑘𝑙1 𝜋𝑘(𝑙1 +𝑙2 ) 𝑘 4

× ∑𝑘𝑘=1 [sin + 𝑠𝑖𝑛 ] × [1,7 ∙ 108 ( ) 𝐷02 − (𝐾𝑐 𝑓в )2 ] ×

𝑙 𝑙 𝑙

2 −1

4 8

8 𝑘 16 𝑘

× {[1,7 ∙ 10 ( ) 𝐷02 2

− (𝐾𝑐 𝑓в ) ] + 3 ∙ 2 4

10 ( ) 𝜂 𝐷0 } . (2.32)

𝑙 𝑙

при 0,018𝑓𝑘 ≥ 1

0,5

2 ∙ 10−2 (𝐾𝑔 𝑃𝑔 𝑚𝑐 ) 𝐾𝑐1,5 𝑑в 𝑓в2 𝑅02

𝑃= ×

𝑅0 𝑙𝑟

𝑘∗

𝜋𝑘𝑙1 𝜋𝑘(𝑙1 + 𝑙2 ) 𝑘 4 2

× ∑ [sin + +𝑠𝑖𝑛 ] × [1,7 ∙ 10 ( ) 𝐷0 − (𝐾𝑐 𝑓в )2 ] ×

8

𝑙 𝑙 𝑙

𝑘=1

2 −1

𝑘 4 16 𝑘

8

× {[1,7 ∙ 108 ( ) 𝐷02 2

− (𝐾𝑐 𝑓в ) ] + +3 ∙ 2 4

10 ( ) 𝜂 𝐷0 } . (2.33)

𝑙 𝑙

Для уровней звукового давления получены следующие выражения:

при 0,018𝑓𝑘 < 1

0,5 1,5

28∙(𝐾𝑔 𝑃𝑔 𝑚𝑐 ) 𝐾𝑐 𝑑в 𝑓в2 𝑅02 ∗ 𝑘 4

𝐿 = 20 lg ∑𝑘𝑘=1× [1,7 ∙ 108 ( ) 𝐷02 − (𝐾𝑐 𝑓в )2 ] ×

𝑟𝑙 𝑙

2 −1

𝑘 4 𝑘 8

{[1,7 ∙ 108 ( ) 𝐷02 − (𝐾𝑐 𝑓в )2 ] + 3 ∙ 1016 ( ) 𝜂2 𝐷04 } , (2.34)

𝑙 𝑙

при 0,018𝑓𝑘 ≥ 1

0,5

(𝐾𝑔 𝑃𝑔 𝑚𝑐 ) 𝐾𝑐1,5 𝑑в 𝑓в2

𝐿 = 20 lg ×

𝑅0 𝑙𝑟

𝑘∗ 4

𝜋𝑘𝑙1 𝜋𝑘(𝑙1 + 𝑙2 ) 𝑘

× ∑ [sin + 𝑠𝑖𝑛 ] × [1,7 ∙ 10 ( ) 𝐷20 − (𝐾𝑐 𝑓в )2 ] ×

8

𝑙 𝑙 𝑙

𝑘=1

2 −1

𝑘 4 𝑘 8

× {[1,7 ∙ 108 ( ) 𝐷02 − (𝐾𝑐 𝑓в )2 ] + 3 ∙ 1016 ( ) 𝜂2 𝐷04 } . (2.35)

𝑙 𝑙

 41

Для условий жёсткого закрепления в соответствии с краевыми условиями

закрепления получены следующие дифференциальные уравнения:

0,5

𝑑 2 𝑦1 7

2𝑘 − 1 4 2 6 ∙ 10−6 ∙ 1,3(𝑃𝑔 𝐾𝑔 𝐻𝐾𝑐 𝑚𝑐 ) 𝑑в 𝑓в

+ 10 ( ) 𝐷0 𝑦1 = ×

𝑑𝑡 2 𝑙 𝑅02 𝑙

∗ 2𝑘−1 2𝑘−1

× ∑𝑘𝑘=1 [cos 3 𝜋𝑙1 + cos 3 𝜋(𝑙1 + 𝑙2 )] cos(𝐾𝑐 𝑓в 𝑡 + 𝜑). (2.36)

2𝑙 2𝑙

0,5

𝑑 2 𝑦2 7

2𝑘 − 1 4 2 2 ∙ 10−6 ∙ 1,3(𝑃𝑔 𝐾𝑔 𝐻𝐾𝑐 𝑚𝑐 ) 𝑑в 𝑓в

+ 8,6 ∙ 10 ( ) 𝐷0 𝑦2 = ×

𝑑𝑡 2 𝑙 𝑅02 𝑙

∗ 2𝑘−1 2𝑘−1

× ∑𝑘𝑘=1 [cos 3 𝜋𝑙1 + cos 3 𝜋(𝑙1 + 𝑙2 )] cos(𝐾𝑐 𝑓в 𝑡 + 𝜑). (2.37)

2𝑙 2𝑙

Решение уравнений получено в следующем виде:

0,5

6 ∙ 10−6 (𝐾𝑔 𝑃𝑔 𝑚𝑐 ) 𝐾𝑐1,5 𝑑в 𝑓в2

𝑦1 = ×

𝑅02 𝑙

2𝑘−1 2𝑘−1

∗ [cos3 𝜋𝑙1 +cos3 𝜋(𝑙1 +𝑙2 )] cos(𝐾𝑐 𝑓в 𝑡+𝜑)

× ∑𝑘𝑘=1 2𝑙

2𝑘−1

2𝑙

4 . (2.38)

107 ( ) 𝐷02 −(𝐾𝑐 𝑓в )2

𝑙

0,5

6 ∙ 10−6 (𝐾𝑔 𝑃𝑔 𝑚𝑐 ) 𝐾𝑐1,5 𝑑в 𝑓в2

̇ = |𝑦1 | =

𝑣𝑘1 ×

𝑅02 𝑙

2𝑘−1 2𝑘−1

∗ [cos3 𝜋𝑙1 +cos3 𝜋(𝑙1 +𝑙2 )] sin(𝐾𝑐 𝑓в 𝑡+𝜑)

× ∑𝑘𝑘=1 2𝑙 2𝑙

2 2 . (2.39)

2𝑘−1 4 2 2𝑘−1 4 2

[107 ( ) 𝐷0 −(𝐾𝑐 𝑓в )2 ] +[107 ( ) 𝐷0 𝜂0 ]

𝑙 𝑙

0,5

2 ∙ 10−6 (𝐾𝑔 𝑃𝑔 𝑚𝑐 ) 𝐾𝑐1,5 𝑑в 𝑓в2

𝑦2 = ×