Разработка методики оценки и выбора средств обеспечения нормативных акустических параметров в рабочих зонах участков формования железобетонных конструкций

На правах рукописи

Евтушенко Александр Иванович

Разработка методики оценки и выбора средств обеспечения нормативных акустических параметров в РАБОЧИХ ЗОНАХ УЧАСТКОВ ФОРМОВАНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

05.26.01 Охрана труда (строительство)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук

Волгоград - 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ростовский государственный строительный университет»

Научный руководитель БЕСПАЛОВ ВАДИМ ИГОРЕВИЧ

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор ГАПОНОВ ВЛАДИМИР ЛАВРЕНТЬЕВИЧ

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Донской государственный технический университет», Зав. кафедрой «Производственная безопасность»

кандидат технических наук КУЗНЕЦОВА НАТАЛЬЯ СЕРГЕЕВНА

ООО «Ассоциация Экотехмониторинг»,

генеральный директор

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Южно-Российский

государственный технический

университет (НПИ)

Защита состоится 27 апреля 2012 г. в 12.00 ч. на заседании диссертационного совета ДМ212.026.05 при ФГБОУ ВПО Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1(ауд. Б-203).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»

Автореферат разослан 27 марта 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Юрьев Ю.Ю.

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследований. Рост объемов производства сборного железобетона выводит проблему охраны труда в ряд важнейших за­дач, связанных с защитой здоровья работающих. Анализ результатов аттестации рабочих мест в строительной отрасли за последние 5 лет позволяет заключить, что для более 80% рабочих мест заводов ЖБК наблюдается значительное превышение уровня звукового давления.

Основным технологическим оборудованием заводов по производству железобетонных конструкций являются формовочные виброплощадки, уровни звукового давления в рабочих зонах которых достигают 110-115 дБА, что значительно превышает допустимые санитарно-гигиенические нормативы (85 дБА).

Одним из актуальных направлений улучшения условий труда в формовочных цехах заводов ЖБК является снижение производственного шума, однако, технологическое оборудование формовочного поста в целом и виброустановки, в частности, как источники производственного шума, исследованы недостаточно. Таким образом, для предприятий ЖБК, где особенности технологического процесса пока еще не позволяют исключить вредное воздействие шума на работающих, проблема борьбы с шумом является актуальной научно-технической задачей в области охраны труда.

В настоящее время практически не разработана единая научно обоснованная методика расчета и прогнозирования параметров процесса излучения шума конструктивными элементами виброустановок во взаимодействии с бетонной смесью.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный строительный университет» по теме «Разработка методологических основ создания безопасных и экологически чистых систем защиты населенных мест от антропогенных факторов» в рамках комплексной научно-технической программы Министерства образования и науки РФ.

Целью работы является обеспечение нормативных сани­тарно-ги­­гиенических условий в рабочей зоне формовочных цехов заводов ЖБК за счет прогноза и повы­шения эффек­тивности мероприятий по снижению шума как при эксплуатации, так и при проектировании формовочных цехов заводов ЖБК с учетом акустических характеристик виброформовочного оборудования.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

- проведен анализ акустической обстановки в рабочих зонах и оценена степень воздействия шума на работников формовочных цехов заводов ЖБК;

- исследованы процессы образования и снижения шума для условий эксплуатации виброустановок в формовочных цехах заводов ЖБК;

- проанализированы основные методы расчета параметров шума в рабочей зоне;

- выполнено математическое описание процессов образования и излучения шума, а также акустических параметров системы «металлическая опалубка – бетонная смесь»;

- разработана методика расчета акустической эффективности способов и средств снижения шума в рабочей зоне формовочных цехов заводов ЖБК с учетом физических свойств бетонной смеси;

- выполнены экспериментальные исследования акустической обстановки в рабочей зоне в том числе акустических свойств системы «металлическая опалубка – бетонная смесь»;

- результаты исследований проверены на практике при эксплуатации и проектировании производственных цехов заводов ЖБК;

- предложены инженерные решения для снижения шума в рабочей зоне операторов виброуплотнительных установок формования сборных железобетонных изделий.

Идея работы заключается в научном обосновании и разработке методического подхода к расчету и прогнозированию параметров процесса излучения шума конструктивными элементами виброустановок формовочных цехов заводов ЖБК на основе учета особенностей их взаимодействия с бетонной смесью.

Достоверность научных положений диссертационной работы подтверждается использованием в исследованиях основополагающих законов фундаментальных наук, согласованностью научных выводов с результатами, представленными в предшествующих научных работах, научно-технической и патентной литературе, посвященных снижению шума в рабочих зонах предприятий стройиндустрии, высокой сходимостью результатов экспериментов, проведенных в лабораторных и промышленных условиях, с полученными аналитическими зависимостями (в пределах абсолютной погрешности ±12% при доверительной вероятности 0,95).

Научная новизна результатов работы заключаются в следующем:

- получены аналитические зависимости процесса образования шума при уплотнении бетонной смеси, позволяющие прогнозировать как частотный спектр звукового давления, так и эквивалентный уровень звукового давления в рабочей зоне с учетом технологических характеристик металлической опалубки и физических свойств бетонной смеси;

- уточнено математическое описание процесса излучения шума виброформовочного оборудования при формовании плоских железобетонных изделий на виброплощадках с учетом параметров взаимодействия их рабочих органов с бетонной смесью;

- предложены методические основы расчета акустической эффективности способов и средств снижения шума в рабочей зоне формовочных цехов заводов ЖБК на основе установленных зависимостей акустических характеристик виброформовочного оборудования от параметров их конструктивного исполнения.

Практическое значение работы заключается в том, что на основе уточненного математического описания процессов образования и излучения шума в рабочей зоне формовочных цехов заводов ЖБК:

- усовершенствована инженерная методика расчета акустической эффективности способов и средств снижения шума в рабочей зоне формовочных цехов заводов ЖБК с учетом физических свойств бетонной смеси, реализация которой позволяет обес­печивать требуемый по санитарно-ги­ги­еническим нормам частотные и эквивалентный уровни звукового давления в рабочих зонах;

- разработаны практические рекомендации по конструктивному усовершенствованию виброуплотняющих установок в зависимости от конкретных производственно-технологических условий, для обеспечения нормативной акустической обстановки в рабочей зоне.

Реализация результатов работы:

- обеспечен санитарно-гигиенический эффект связанный с обеспечением акустической безопасности на рабочем месте формовщиков до нормативного значения эквивалентного уровня звукового давления на ЗАО «Ростовский завод ЖБК» г. Ростов-на-Дону;

- обеспечен санитарно-гигиенический эффект связанный с обеспечением акустической безопасности на рабочем месте формовщиков до нормативного значения эквивалентного уровня звукового давления на ООО «ЦЕНТР-СТРОЙ» г. Ростов-на-Дону;

- результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе кафедры «Инженерная защита окружающей среды» ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный строительный университет» при проведении практических занятий со студентами по дисциплине «Безопасность жизнедеятельности».

На защиту выносятся следующие основные положения работы:

- акустические характеристики рабочих зон формовочных участков заводов ЖБК находятся в тесной взаимосвязи с параметрами конструктивного исполнения виброуплотняющего технологического оборудования, акустическими характеристиками металлической опалубки и физико-химическими свойствами бетонной смеси;

- методические основы расчета ожидаемых уровней звукового давления в рабочей зоне виброуплотняющей установки позволяет оптимизировать параметры и осу­ществить прогноз достигаемого санитарно-гигиенического эффекта за­щи­ты рабочих зон формовочных участков заводов ЖБК от шумового воздействия;

- параметрический анализ акустической эффективности процесса подавления шума поз­воляет определить пути дальнейшего совер­шенствования способов и средств борьбы с шумом в рабочих зонах формовочных участков заводов ЖБК с учетом особенностей конкретной произ­водственно-технологической обстановки.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных научно-практических конференциях: «Строительство - 2010», «Техносферная безопасность. Надежность. Качество и энергосбережение - 2010», «Техносферная безопасность. Надежность. Качество и энергосбережение - 2011», «Строительство - 2011».

Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации изложены в 11 работах, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий объем работы 149 страниц, включая 120 страниц основного текста, содержащего 8 таблиц и 39 рисунков, список литературы из 114 наименования на 11 страницах, 7 приложений на 18 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследований, сформулированы цель, задачи и основная идея работы, ее научная новизна и практическая значимость.

В первой главе «Исследование акустического воздействия на работников формовочных цехов заводов ЖБК» проведен анализ работ в области борьбы с шумом на заводах стройиндустрии (Горенштейн И.В., Евдокимов В.А., Елизаров Ю.М., Заборов В.И., Зайченко В.И., Морозов М. К., Иванов И.И., Борисов Л.А., Васильев Ю.М., Залесов В.Н., Ильин И.Н., Гусев Б.В., Деминов А.Д., Крюков Б.И., Рудаков Д.И., Сычев В.В., Кофман Г.А., Олехнович К. А., Пронин А. П., и д.р.), выполнено исследование процессов образования и снижения шума при формовании ЖБК.

Выполнен спектральный анализ уровня звукового давления при работе виброплощадок в формовочных цехах заводов ЖБК. Превышения наблюдаются по всему спектру нормируемого диапазона частот. Наиболее высокие уровни звукового давления (до 120 дБА) излучают виброплощадки вертикально-направленного действия типа СМЖ-199А и формовочные машины для производства многопустотных изделий.

Высокие уровни шума являются следствием механических колебаний элементов и конструкций виброформовочного оборудования (металлические формы, опалубка, т.е. элементы, непосредственно передающие колебания бетонной смеси). Также установлено, что шум, излучаемый нагруженной виброплощадкой с формой намного выше, чем без формы (рис. 1).

1 – СМЖ-199А с формой, наполненной бетоном;

2 – СМЖ-199А без формы;

3 – СМЖ-164 с формой, наполненной бетоном;

4 – СМЖ-164 без формы;

5 – ГОСТ 12.1.003-83.

Рис. 1. Спектры шума виброплощадок с электромагнитным креплением форм:

В результате исследования различных подходов к определению акустических характеристик установлено, что наиболее приемлемой для решения задачи борьбы с шумом на стадии проектирования виброоборудования целесообразно использовать волновые методы расчета уровня звукового давления в заданной точке. Однако существующие методики расчета ожидаемых уровней звукового давления от виброформовочного оборудования требуют предварительного измерения этих уровней, что затрудняет создание акустически совершенного технологического оборудования, а также переоборудование действующих установок.

Проведенный анализ основных источников производственного шума в формовочных цехах заводов ЖБК и методов расчета параметров шума в заданной точке позволяет заключить, что снижение уровня звукового давления, генерируемого формовочным оборудованием, представляет собой комплексную задачу. В результате совершенствования методической базы расчета уровней шума в рабочих зонах, мероприятий по борьбе с шумом, уже разработан ряд нормативных документов, рекомендаций и пособий для формовочных цехов.

Однако, наряду с широко представленными теоретическими и практическими материалами по изучению характера шумообразования формовочного оборудования, а также по улучшению его акустических параметров, некоторые вопросы остаются малоизученными. В частности, не в полной мере изучено влияние бетонных смесей различной жесткости на формирование звукового поля. Аналитическое решение задачи прогноза уровней звукового давления позволит глубже понять процесс образования шума и разработать более эффективные меры по улучшению акустических характеристик технологического оборудования формовочных цехов заводов ЖБК, а следовательно, акустической обстановки в рабочей зоне.

Во второй главе «Исследование процессов образования шума при уплотнении бетонной смеси в металлических формах» описаны теоретические исследования процесса образования и излучения шума с использованием теории волновых процессов в бетонной смеси, а также фундаментальных положений теории колебаний. Получены аналитические зависимости, позволяющие определять акустические параметры формовочного оборудования при изготовлении плоских железобетонных изделий. Так для определения амплитуды колебаний на поверхности бетона целесообразно воспользоваться формулой:

U1 = U2 exp (-0,5 б hб), (1)

где: б – коэффициент затухания; hб – высота столба бетонной смеси.

Для определения усредненных значений колебательной скорости на поверхности металлоконструкций необходимо использовать следующую зависимость,

представляющую собой закон движения рабочего органа, роль которого выполняет обшивка формы, во взаимодействии с бетонной смесью.

Выполненный анализ физических основ и математического описания образования и излучения шума виброформовочным оборудованием при уплотнении бетонной смеси позволил заключить что, звуковая мощность, излучаемая колеблющейся конструкцией, связана со среднеквадратичной скоростью по ее поверхности. Именно этот параметр, в основном, определяет уровень звуковой мощности при работе как виброплощадок, так и другого формовочного оборудования с дебалансными вибровозбудителями.

По своим физико-механическим свойствам бетонная смесь относится к структурированным системам. Существующий подход к рассмотрению механизма виброуплотнения бетонной смеси рассматривает её как сплошную среду. При этом динамические параметры смеси (упругость, диссипация, инерция), а также акустические свойства практически одинаковы как на стадии сближения составляющих смеси, так и на стадии компрессионного уплотнения. Это позволяет рассматривать движение системы и режим излучения звука практически установившимся. Связь между основными параметрами такой системы устанавливается известными уравнениями механических колебаний. Основной характеристикой, необходимой для реализации поставленной задачи, является величина виброскорости на колеблющихся поверхностях.

Проведенные нами замеры уровней звукового давления в рабочих зонах виброплощадок зоводов ЖБК свидетельствуют о том, что основными источниками звуковой энергии являются металлическая форма и бетонная смесь. На основе обобщения полученных результатов нами предложена физическая модель распространения звуковой энергии при уплотнении бетонной смеси на виброплощадках (рис. 2.).

Рис. 2. Физическая модель распространения звуковой энергии при уплотнении бетонной

смеси на виброплощадках.

Основными источниками звуковой энергии в представленной модели являются обшивка металлической опалубки и бетонная смесь. Причем, динамические характеристики металлической опалубки и бетонной смеси при действии возмущающей силы на схеме, представленной на рисунке 2, являются взаимосвязанными.

Анализ колебаний элементов динамической системы «опалубка-бетонная смесь» позволил выбрать расчетную схему, состоящую из 2-х взаимодействующих звеньев: бетонной смеси с распределенными параметрами и рабочего органа с одной степенью свободы, рассматриваемого в виде балки-полотнища с шарнирно опертыми или зещемленными концами и массой, сосредоточенной на границе с бетонной смесью (рис. 3). При этом поддон формы рассмотрен в виде отдельных ячеек, образуемых пересекающимися балками жесткости.

Рис. 3. Расчетная схема балки-полотнища обшивки формы с бетонной смесью

Математическое описание акустических параметров системы «металлическая опалубка – бетонная смесь» выполнено на основе дифференциального уравнения вынужденных колебаний, вызванных периодическим смещением опор балки. Таким образом, уравнение колебаний на границе бетонной смеси и балки можно записать в виде:

где: ст, Е, J – соответственно погонная масса, модуль упругости и момент инерции балки; = / – коэффициент затухания, не зависящий от частоты колебаний ( – декремент затухания); Е/б – комплексный модуль упругости, имеющий погонную массу б, высоту hб и ширину b.

Проведя несложные математические преобразования, получим уравнение для нахождения смещения балки-полотнища:

Влияние бетонной смеси Rб, определяется по формуле:

Коэффициент Rб зависит от модуля упругости, скорости распространения волн и частоты возбуждения, т. е. содержит все основные характеристики бетонной смеси, необходимые для описания взаимодействия в системе «балка - бетонная смесь».