Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,931

ВЛИЯНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ИЗЛУЧЕНИЯ КРУГЛЫХ ПИЛ НА ИХ ЗВУКОВУЮ МОЩНОСТЬ ПРИ РЕЗАНИИ ДРЕВЕСИНЫ

Старжинский В.Н. 1 Совина С.В. 1 Тракало С.Ю. 2
1 ФГОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет»
2 Частное учреждение Федерации Независимых Профсоюзов России «Научно-исследовательский институт охраны труда в г.Екатеринбурге»
Круглопильные станки относятся к разряду наиболее шумного деревообрабатывающего оборудования, уровни звука которых на рабочих местах достигают 110-115дБА. Рабочий орган – круглая дисковая пила, которая является основным источником шума станка. Теоретический анализ возникновения шума при резании древесины дисковой пилой показывает, что уровень излучаемой звуковой мощности зависит от уровня колебательной скорости пилы и коэффициента излучения. Явление излучения звука при изгибных колебаниях пластин имеет сложный характер. Во многих случаях эти сложные процессы можно свести к упрощенным моделям, что облегчает анализ зависимостей между параметрами процесса излучения и характеристиками источника колебаний и позволяет наметить рациональные пути ослабления звукоизлучения, чему и посвящена предлагаемая работа.
пильный диск
уровень звуковой мощности
уровень колебательной скорости
коэффициент излучения
критическая частота
1. Бородицкий А.С., Спиридонов В.М. Снижение структурного шума в судовых помещениях. – Л.: Судостроение, 1974. – 221 с.
2. Клюкин И.И. Борьба с шумом и звуковой вибрацией на судах. – Л.: Судостроение, 1971. – 415 с.
3. Старжинский В.Н., Гагарин Д.Р. К вопросу снижения шума круглых пил // Деревообработка: технологии, оборудование, менеджмент ХХI века. Труды VI международного Евразийского симпозиума. – Урал. гос. лесотехн. ун-т. – Екатеринбург, 2011. – С.335-338.
4. Старжинский В.Н., Гагарин Д.Р. Влияние демпфирования на снижение шума круглых пил деревообрабатывающих станков // Сборник научных трудов по материалам международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании 2009». – Одесса, 2009. – С.76-79.
5. Старжинский В.Н., Завьялов А.Ю., Совина С.В. Теоретические положения излучения шума пильным диском при резании древесины // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 3; URL: http://www.science-education.ru/109-9339 (дата обращения: 11.06.2013).

При разработке мероприятий по снижению шума крупных пил важно знать, от каких параметров конструкции пилы зависит излучаемая пилой звуковая мощность.

Цель настоящей работы – дать обоснование влияния коэффициента излучения шума пилы на звуковую мощность станка.

Диск пилы представляет собой однородную изотропную круглую пластину, ограниченную двумя концентрическими окружностями.

Явления излучения звука при колебаниях пилы имеют сложный характер. Во многих случаях эти сложные реальные процессы и источники можно свести к упрощенным моделям. Последнее облегчает анализ зависимостей между параметрами процесса излучения и характеристиками источника колебаний и позволяет наметить рациональные пути ослабления звукоизлучения.

Излучение источника с заданным распределением скорости колебаний принято выражать коэффициентом излучения [4;5]:

, (1)

где P – звуковая мощность, Вт;

– площадь поверхности излучения (диска пилы), м2;

– среднее значение колебательной скорости диска пилы, м/с;

– плотность среды (воздуха), кг/м3;

– скорость звука, м/с.

Переходя к шкале звуковых уровней, из уравнения (1) получим:

дБ, (2)

где – уровень звуковой мощности (относительно 10-12 Вт), дБ;

– средний уровень колебательной скорости по площади диска пилы (относительно 5*10-8м/с).

Для нахождения уровней звуковой мощности, излучаемой пилой, нужно определить уровни колебательной скорости и коэффициент излучения.

Влияние площади поверхности пилы на излучаемую звуковую мощность подтверждает полученную ранее зависимость в работе [5]: изменение площади в 2 раза дает изменение уровня звука на 3 дБ.

Слагаемое определяет механизм перехода вибраций диска пилы в акустическую энергию шума.

Влияние этого слагаемого требует дополнительного самостоятельного исследования.

Для рассмотрения влияния члена на излучаемую пилой звуковую мощность необходимо обратиться к теории излучения звука при изгибных колебаниях пластин.

Впервые излучение звука при изгибных колебаниях пластин было рассмотрено Кремером Л., который ввел понятие коэффициента излучения , характеризующего интенсивность излучения при изгибных колебаниях пластин через отношение ее к интенсивности излучения при поршневых колебаниях пластины с такой же эффективной амплитудой [1].

Им же получена формула зависимости коэффициента излучения бесконечной пластины от соотношения изгибной волны в пластине λИ и длины звуковой волны в воздухе λ в виде:

. (3)

Выражение (3) устанавливает основную закономерность, характеризующую зависимость интенсивности излучения от частоты при изгибных колебаниях пластин (рис. 1)

Рис.1. Кривая зависимости коэффициента излучения при изгибных колебаниях бесконечных пластин (φ=f / fкр2и / λ2)

При λИ<λ коэффициент излучения σ = 0, т.е. отдача энергии в среду отсутствует. Взаимодействие пластины со средой сводится в этом случае к образованию ближнего поля, обусловленному наличием некоторой соколеблющейся массы среды, так как возмущение от смежных участков пластины, колеблющихся в противофазе, взаимно компенсируются. Для характеристики этого явления иногда используют термин «акустическое короткое замыкание». Излучение имеет место при λИ>λ. При λИ>λ, σ→1, а при λИ→λ сопротивление излучения бесконечно возрастает. Условие λИ=λ является граничным условием между двумя областями частот, принципиально отличающихся по характеру излучения. Это условие формально всегда имеет место, так как по элементарной теории изгиба пластин λИ изменяется пропорционально f -1/2, а λ пропорционально f -1(f – частота звука).

Для каждой пластины условие λИ=λ соответствует вполне определенному значению частоты. Эту частоту, называемую критической, можно вычислить в общем случае по формуле:

, (4)

Где p, δ, E, μ – плотность, толщина пластины, модуль Юнга и коэффициент Пуассона пластины (пилы) соответственно.

Выражение (3) характеризует лишь принципиальную зависимость излучения от частоты при изгибных колебаниях пластин. Для практических расчетов дисковых пил оно не может быть использовано вследствие чрезмерной идеализации реальных условий. В первую очередь это относится к размерам излучающих дисковых пил, которые на практике всегда ограничены.

У пилы из-за ограниченности размеров наблюдается заметное излучение и в области частот ниже критической частоты, что объясняется неполной компенсацией вытесняемого и перемещаемого обратно при колебаниях диска пилы объемов соседних участков среды.

Излучение хотя и ослабленное, происходит и в области f<fкр, а максимум при f≈fкр имеет конечную величину. На частотах f>fкр интенсивность излучения практически не зависит от размеров пластины и граничных условий на ее контуре.

Другим фактором, сближающим уровни излучаемого звука на высоких и низких частотах, является демпфирование колебаний изгиба в пластине вследствие внешнего или внутреннего трения [3]. Ввиду затухания колебаний в диске пилы, заметное излучение происходит лишь с ограниченного участка пилы, а это сопровождается появлением излучения в докритической области частот.

На частотах f, лежащих в пределах:

f0< f < fкр, (5)

где f0 – некая величина, имеющая размерность частоты и равна (с – скорость звука, b – размер диска пилы в направлении распространения волны изгиба, равный диаметру пилы D. Коэффициент излучения может быть представлен в виде [2;1]:

. (6)

Для стальной пластины в воздухе:

, (7)

где размеры δ и b даны в см, а скорость звука в см/сек.

Отсюда видно, что в определенных пределах частот звуковая энергия, излучаемая колеблющейся пилой в воздух, пропорциональна толщине диска пилы. Это следует учитывать при сравнительной оценке вклада, вносимого в звукоизлучение дисками круглых пил при одинаковой амплитуде.

В табл. 1 приведены результаты расчетов по формуле (7) коэффициентов излучения дисковых пил различных диаметров (D) и толщин δ.

Таблица 1

Коэффициенты излучения дисковых пил

D, мм

150

200

250

300

δ, мм

1,8

2,2

1,8

2,2

2,2

2,4

2,2

2,6

fкр, Гц

7000

5500

7000

5500

5500

5000

5500

4800

, Гц

2267

1700

1360

1133

σ, дБ

-9,8

-9,0

-11,1

-10,2

-11,2

-10,8

-12,0

-11,2

D, мм

400

450

500

1000

δ, мм

2,6

3,0

3,0

3,2

3,8

4,2

4,4

5,0

fкр, Гц

4800

4450

4450

3200

3200

2800

2600

2500

, Гц

850

756

680

340

σ, дБ

-12,5

-11,9

-12,4

-12,1

-11,8

-11,4

-14,2

-13,6

Для реальных условий закрепления краев пилы влияние их на интенсивность излучения невелико. В предельном случае (жестко защемленные кромки) различие по сравнению со свободной опорой составляет 3 дБ.

Приведенные выше соотношения характерны для излучения звука пластинами в тех случаях, когда задана колебательная скорость или амплитуда колебаний пластин. Если задана локальная возмущающая сила или возмущающий момент, то характер излучения будет иным, поскольку колебательная скорость по поверхности пластины не будет постоянной.

Звуковое излучение диска пилы определяется тремя составляющими:

- первая составляющая совпадает с полем излучения бесконечной пластины;

- вторая составляющая возбуждается краями диска пилы. Если пренебречь искажениями поля на краях пилы, считая амплитудное распределение строго синусоидальным, то краевым эффектом можно пренебрегать на свободных краях диска пилы;

- третья составляющая – это звук, связанный с искажениями поля колебаний в окрестности точки возбуждения (точки приложения силы).

Искажение поля колебаний возбуждающей силой вызывают дополнительное объемное смещение. В двумерном случае применим модифицированный принцип Гюйгенса. Точечная сила возбуждает расходящиеся изгибные волны; следующие одна за другой круговые зоны шириной в половину длины изгибной волны имеют противоположную фазу. Вклады любых двух соседних половин таких зон в звуковое излучение взаимно уничтожаются. Тогда звуковая мощность оказывается обусловленной объемным потоком, который возбуждается первой половиной круговой зоны, остающейся в результате такой взаимной компенсации.

В том случае, когда внешняя сила представляет собой точеную или линейную силу, возбуждаются колебания практически всех форм собственных колебаний системы. Возбуждаются и низкие формы собственных колебаний, резонансные частоты которых значительно ниже частоты силы. Для этих форм собственных колебаний расстояние между узловыми линиями значительно больше половины длины звуковой волны. Они акустически не короткозамкнуты, и их сопротивление излучения близко к pc.

С практической точки зрения на высоких частотах нет большой разницы, возбуждается ли диск пилы точно в центре или на каком-то расстоянии от него. Звуковая мощность будет почти такой же.

Резюмируя вышесказанное в отношении излучения звука дисковой пилой, можно сделать следующие выводы.

На холостом ходу, когда источником вибрации пильного диска являются аэродинамические возмущения и силы неуравновешенности, коэффициент излучения подчиняется рассмотренным выше закономерностям, которые характерны для бесконечной пластины и пластины со свободными от закрепления краями. Излучение на частотах ниже критической частоты (fкр) будет ослабленным из-за акустического короткого замыкания на наружном радиусе диска пилы.

В процессе пиления характер излучения шума диском пилы меняется из-за точечного возбуждения силами резания. Звуковая мощность в диапазоне частот f<fкр излучается как зоной возбуждения, так и внешней кромкой пилы. Излучаемая кромкой звуковая мощность пропорциональна среднеквадратичной скорости диска пилы, т.е. она уменьшается по мере повышения его демпфирования. Излучаемая зоной возбуждения звуковая мощность пропорциональна квадрату силы возбуждения и почти не зависит от демпфирования. При увеличении демпфирования всегда остается излучение зоной возбуждения.

На частотах f>fкр коэффициент излучения пилы постоянен. Сплошные отверстия в диске пилы (например, для установки подрезных ножей) создают условия для акустического короткого замыкания между передней и задней поверхностями диска пилы, что приводит к снижению излучения звуковой мощности.

Создание на поверхности диска пилы различного рода неоднородностей при неизменной колебательной скорости приводит к усилению звукоизлучения ниже критической частоты.

Рецензенты:

Санников А.А., д.т.н., профессор кафедры технической механики и оборудования целлюлозно-бумажных производств ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет», г. Екатеринбург;

Уласовец В.Г., д.т.н., профессор кафедры механической обработки древесины ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет», г. Екатеринбург.


Библиографическая ссылка

Старжинский В.Н., Совина С.В., Тракало С.Ю. ВЛИЯНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ИЗЛУЧЕНИЯ КРУГЛЫХ ПИЛ НА ИХ ЗВУКОВУЮ МОЩНОСТЬ ПРИ РЕЗАНИИ ДРЕВЕСИНЫ // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 2-2.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=21467 (дата обращения: 27.09.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074