Разработка комплекса мероприятий по улучшению условий труда по шумовому фактору на малых деревообрабатывающих предприятиях

На правах рукописи

Гагарин Дмитрий Робертович

Разработка комплекса мероприятий по улучшению условий труда по шумовому фактору на малых деревообрабатывающих

предприятиях

Специальность 05.21.05 Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Екатеринбург - 2012

Работа выполнена на кафедре охраны труда ФГБОУ ВПО “Уральский государственный лесотехнический университет”

Научный руководитель: Старжинский Валентин Николаевич, доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Санников Александр Александрович

доктор технических наук, профессор,

заведующий кафедрой машин и оборудования

целлюлозно-бумажного производства, ФГБОУ ВПО

Уральский государственный лесотехнический университет

Межов Виктор Григорьевич

кандидат технических наук, доцент,

заведующий кафедрой прикладной механики, ФГБОУ ВПО Сибирский государственный технологический университет

Ведущая организация: ОАО “Уральский научно-исследовательский институт переработки древесины” (г. Екатеринбург).

Защита диссертации состоится «26» апреля 2012 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.281.02 при ФГБОУ ВПО “Уральский государственный лесотехнический университет”, 620100 г. Екатеринбург, Сибирский тракт 37, ауд. 401

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО “Уральский государственный лесотехнический университет”.

Автореферат разослан «19» марта 2012 года

Ученый секретарь

диссертационного совета

Кандидат технических наук, доцент Н.В. Куцубина

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Деревообработка по объему производства, занятости в ней работающих – одна из самых востребованных отраслей промышленности, однако по шумовому “загрязнению” она входит в первую десятку среди всех отраслей промышленности.

В стране насчитывается более полумиллиона больших и малых деревообрабатывающих предприятий и цехов в других отраслях промышленности с общим количеством работающих более 3 млн. человек. Однако в отрасли до сих пор мероприятия по снижению шума на рабочих местах не являются приоритетными, и в результате несколько миллионов деревообработчиков до настоящего времени трудятся в условиях, не отвечающих гигиеническим критериям по шумовому фактору.

Улучшение условий труда на малых деревообрабатывающих предприятиях по шумовому фактору – основному вредному производственному фактору является актуальной задачей.

Работа выполнялась в рамках госбюджетной темы по единому наряд-заказу Министерства науки и образования РФ ГРНТИ 55.31.7787.55. 31:55.0177.

Целью диссертационной работы – решение комплекса вопросов по снижению уровней шума на рабочих местах малых деревообрабатывающих предприятий. Для достижения указанной цели поставлены и решаются следующие задачи:

- провести гигиеническую оценку опасности шумового фактора по классам условий труда, дать анализ основных источников шума и путей снижения шума на рабочих местах;

- построить и исследовать теоретические модели генерации, передачи и излучения звуковой энергии наиболее распространенных источников шума деревообрабатывающего оборудования и провести их экспериментальную проверку;

- предложить комплекс средств защиты от шума деревообрабатывающего оборудования на малых деревообрабатывающих предприятиях;

- дать социальную и экономическую оценку результатов исследований.

Методы исследований. Для решения поставленных задач, в ходе исследования, был использован системный подход, охватывающий физическое и математическое моделирование, стандартные и оригинальные методики лабораторных и производственных экспериментов с использованием современных измерительных средств и вычислительной техники.

Основные научные положения и результаты работы, выносимые на защиту. Классификация условий труда по шумовому фактору на рабочих местах операторов деревообрабатывающих станков.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния технологического шума при работе круглопильных и продольно-фрезерных станков на их общую звуковую мощность.

Теоретические положения излучения шума обрабатываемой заготовкой при пилении древесины круглыми пилами.

Результаты экспериментальных исследований акустической эффективности встроенных звукоизолирующих кожухов продольно-фрезерных станков.

Рекомендации по снижению шума на малых деревообрабатывающих предприятиях, часть из которых защищена патентами на полезные модели.

Научная новизна работы. Проведена классификация условий труда по шумовому фактору на рабочих местах операторов деревообрабатывающих станков.

Установлены закономерности излучения шума плоскими элементами конструкций деревообрабатывающего оборудования, подвергающихся ударным нагрузкам.

Разработана математическая модель генерации шума обрабатываемой заготовкой при пилении круглыми пилами.

Получены данные по акустической эффективности встроенных звукоизолирующих кожухов продольно-фрезерных деревообрабатывающих станков.

Исследованы в малых акустических камерах акустические характеристики сотового поликарбоната - нового конструкционного материала, который может быть широко использован на производстве в качестве элементов звукоизолирующих конструкций.

Указанные положения являются оригинальными и впервые получены автором.

Практическая значимость работы. Предложенные на основе теоретико-экспериментальных работ рекомендации по снижению шума переданы и используются при разработке нового и модернизируемого оборудования на Тюменском станкозаводе и ООО НПО “Содис”.

Разработанные мероприятия были проверены в производственных условиях ООО «Егоршинский лес» (г. Артемовск) и показали их достаточно высокую акустическую эффективность.

Результаты работы используются в учебном процессе на кафедре охраны труда при выполнении лабораторных и практических работ, а так же в дипломном проектировании.

Достоверность и обоснованность результатов исследований базируется на стандартных методиках измерения акустических параметров процессов возникновения и изучения шума, хорошей сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Результаты исследований обработаны методами математической статистики с использованием современных вычислительных средств по типовым программам.

Личный вклад автора. Все работы по теме диссертации (разработка теоретических моделей, анализ литературы, обработка и анализ экспериментальных материалов) осуществлены автором лично или при его непосредственном участии.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований обсуждены и получили положительную оценку.

На научно-методических семинарах кафедры охраны труда УГЛТУ в 2009, 2010 и 2011 гг.; на Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов УГЛТУ в 2009, 2010 и 2011 гг.; на Международной научно-практической конференции «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и на транспорте 2008» в 2008 г. (г. Одесса); на Международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании 2009» в 2009 г. (г. Одесса); на VI международном евразийском симпозиуме “Деревообработка: технологии, оборудование, менеджмент XXI века” в 2011.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 12 печатных работ, в том числе в 2-х зарубежных изданиях, в 2 изданиях, рекомендованных ВАК РФ и двух патентах на полезную модель (№ 110675,034463).

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, восьми разделов, основных выводов и рекомендаций, списка использованных литературных источников, включающего 127 наименования, в т.ч. 19 наименований зарубежных авторов. Имеет общий объем 194 машинописных страниц, содержит 41 рисунок, 17 таблиц, 3 приложения.

Краткое содержание работы.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, показана научная и практическая значимость результатов исследований, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

1.Состояние вопроса и постановка задач исследования

В разделе дана краткая историческая справка развития технической акустики, произведен обзорный анализ работ по исследованию шумового режима на деревообрабатывающих предприятиях, выявлению основных источников и причин возникновения шума деревообрабатывающего оборудования. Рассмотрены работы по методам снижения шума оборудования на деревообрабатывающих предприятиях.

Первые комплексные исследования шума деревообрабатывающего оборудования в нашей стране были проведены в Уральском лесотехническом институте под руководством А.А. Санникова в 1965 году на крупнейшем в Европе (в тот период времени) Тавдинском лесопильно - деревообрабатывающем комбинате.

Особенно много работ, посвященных этой проблеме появилось в конце 80-90-х годов прошлого века. Большое число работ проблеме шума в деревообрабатывающей промышленности посвятил Н.Н. Черемных. Из других исследователей следует отметить работы В.П. Гринькова, А.Ф. Козьякова, О.Н. Русака, М.П. Чижевского, Б.У. Месхи и др.

Из анализа литературных источников вытекают следующие выводы.

Вопросы борьбы с шумом деревообрабатывающего оборудования освещены достаточно широко.

Из всех видов технологического процесса резания наиболее шумными являются пиление, строгание и фрезерование древесины.

Основной причиной шумообразования деревообрабатывающих станков на холостом ходу являются аэродинамические процессы, сопровождающие вращение их рабочих органов.

На рабочем режиме причиной шума является процесс взаимодействия режущего инструмента с древесиной.

Результаты исследования источников шума деревообрабатывающих станков и конкретных путей его снижения, полученные разными авторами противоречивы и не всегда объясняются с позиции физики протекающих процессов.

К результатам исследований, проведенных ранее следует относиться критически, так как они получены с использованием устаревшей акустической аппаратуры со стрелочной индикацией показаний.

С 1 декабря 2009 года вступил в действие ГОСТ Р53188.1-2008 (МЭК 61672-1:2002), устанавливающий общие требования к шумомерам. С его вступлением в силу все стрелочные приборы перестают считаться стандартизированными шумомерами, а измерениям, полученным с их помощью, нельзя сопоставить какую-либо категорию точности.

2.Специфика проблемы шума на малых деревообрабатывающих предприятиях

В разделе приводится гигиеническая оценка условий труда по шумовому фактору на рабочих местах деревообрабатывающих станков.

Сегодня деревообработка в большей степени распространена на малых и средних предприятиях с небольшим объемом работ. Например, в деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности Свердловской области осуществляет деятельность свыше 650 компаний, из которых - 47 относятся к крупным и средним. Остальные - к малым предприятиям.

Наиболее распространенными типами малых предприятий являются лесопильный и деревообрабатывающий цех по производству погонажных изделий. При любой технологической схеме основным оборудованием при производстве погонажа является четырехсторонний продольно-фрезерный станок. Все остальное оборудование подбирается, ориентируясь на производительность этого станка. При разработке мероприятий по снижению шума необходимо учесть специфику акустических проблем на малом предприятии:

использование устаревшего оборудования; размещение в неприспособленных ветхих помещениях (часто малого объема); ограниченное количество источников шума (что обеспечит возможность снижения шума с меньшими издержками).

3. Теоретические и прикладные аспекты процессов шумообразования круглопильных станков

В разделе рассмотрен механизм генерации звуковых волн объемными деформациями материала древесины в зоне резания.

В предлагаемой акустической модели было принято, что излучение шума производится элементарными сферическими излучателями (монополями). Звуковая мощность монополя зависит от производительности источника, равной произведению колебательной скорости поверхности источника на его площадь:

, (1)

где Q=VS – полное объемное смещение (производительность) источника, м3/с; - плотность воздуха, 1,21 кг/м3; с – скорость звука, 340 м/с;

- волновое число; f – частота звука, Гц; w – угловая частота, 1/с; – длина звуковой волны, м; V – колебательная скорость поверхности источника, м/с; S=4r2 – площадь поверхности излучателя, м2; r – радиус сферы, м.

Рис.1 К расчету толщины срезаемого слоя

Рассматривая геометрию срезаемого слоя древесины при пилении (рис.1), можно получить производительность источника:

Q=2Sztnz, (2)

где – глубина деформирования стенок пропила, м; n – число оборотов пилы, 1/с; z – число зубьев пилы; t – высота пропила, м; Sz=Vs/nz – величина подачи заготовки на один зуб, м; VS – скорость подачи, м/с.

Звуковая мощность, излучаемая перерезанными волокнами древесины:

, (3)

переходя к шкале звуковых уровней, подставляя значения величин , , с, раскрывая значение Q, получаем:

Lp=20lgSz+20lgt+20lg +20lgzn+20lgf+140, (4)

где Lp – уровень звуковой мощности, дБ.

Как видно из формулы (4), при постоянной производительности источника излучаемая мощность сильно возрастает с частотой (6 дБ на октаву).

Увеличение в 2 раза скорости подачи, высоты пропила, числа зубьев и числа оборотов пилы дает увеличение излучаемой мощности на 6 дБ.

На рис. 2 по результатам измерений приведен график спектра звуковой мощности при работе универсального круглопильного станка Ц-6. Здесь же нанесен график спектра звуковой мощности, излучаемой перерезанными волокнами древесины, рассчитанной по формуле (4).

Рис. 2 График спектра звуковой мощности круглопильного станка Ц-6

1 – спектр общей звуковой мощности при пилении;

2 – спектр звуковой мощности от перерезания волокон древесины.

Предложенный инженерный расчет позволяет прогнозировать соотношения между звуковыми мощностями различных источников шума при пилении древесины круглыми пилами и более обоснованно намечать мероприятия по снижению их шума.

В разделе рассмотрен так же механизм излучения звука диском пилы при пилении древесины.

Сила F(t) вызывает в некоторой точке 1 плоскости пилы колебательную скорость 1(t). Механический импеданс в этой точке Zм=F(t)/ 1(t). От действия силы на поверхности пилы в точке 2 возникают колебания со скоростью 2(t), в результате чего излучается звуковая мощность Р. Колебания в точках 1 и 2 связаны посредством коэффициента передачи k: 2(t)=k 1(t). Тогда звуковая мощность Р, излучаемая поверхностью диска пилы вблизи точки 2, запишется в виде:

Р=c22(t)S, (5)

где c – волновое сопротивление среды равное 420 Нс/м2; S – площадь равномерного излучения вблизи точки 2; – коэффициент излучения, равный отношению интенсивности звука, излучаемого участком площадью S на поверхности пилы, к интенсивности звука, излучаемого колеблющимся поршнем с той же площадью S и с той же скоростью 2(t).

Переходя к уровням звуковой мощности, учитывая указанные выше соотношения, имеем

Lp=20lgF(t)+20lgk+10lgS+10lg+26-20lgZм. (6)

Как видно из формулы (6) наибольшее влияние на звукоизлучение пилы оказывают возмущающие силы. Снижение возмущающих сил в 2 раза дает снижение уровня шума на 6 дБ. Реально снизить их из-за технологических требований не представляется возможным.

Следующий способ снижения шума, излучаемого пильным диском, состоит в уменьшении площади излучающей поверхности S, м:

S=(D2-d2), м2, (7)

где D – диаметр пилы, м2; d – диаметр зажимных шайб, м.

Снижение S в 2 раза дает уменьшение шума на 3 дБ.

Переход колебаний диска пилы в акустическую энергию определяется коэффициентом излучения .

Для дисковых пил излучение в большей степени определяется отношением и/о (и – длина изгибной волны, о – длина звуковой волны в окружающей среде), которые определяют критическую частоту (при и=о).

Критические частоты дисковых пил лежат в диапазоне от 2500 Гц (для пил толщиной диска 5 мм) до 6500 Гц (для толщины 2 мм) таким образом, для наиболее распространенных толщин дисков пил звукоизлучение происходит на частотах ниже критических.

Излучение звука изгибными колебаниями на частотах ниже критической f

Предлагаемые для снижения шума пил компенсационные прорези и другие неоднородности в виде различных орнаментов, выполненные лазером приводят к усилению звукоизлучения ниже критической частоты.

Даже при большом демпфировании всегда остается излучение зоной возбуждения. Поэтому даже существенное дополнительное демпфирование, обеспечивающее большое снижение уровней звуковой вибрации пильного диска не позволяет уменьшить уровни воздушного шума.

Нужно критически относиться к опубликованным данным по снижению шума дисковых пил с помощью различных видов демпфирования их колебаний. На частотах f>fкр коэффициент излучения постоянен и равен 1. Для тонких пил (2 мм) этот диапазон частот уже выходит за пределы нормируемого.

Способ снижения шума пилы, состоящий в увеличении внутреннего механического импеданса Zм, противоречит технологическим требованиям обеспечения минимальной ширины пропила.

Как видно из вышесказанного, снизить шум, излучаемый пильным диском на значительную величину, не представляется возможным. Единственным способом его снижения является звукоизоляция, позволяющая значительно уменьшить коэффициент излучения путем установки на пильный узел звукоизолирующей оболочки, или экранирование шума от рабочего места.

4. Методологические основы проведения экспериментальных исследований

В разделе приведены следующие методики исследований различных акустических параметров, использованные в диссертационной работе.

Методики измерений шума и вибрации в производственных условиях, коэффициента потерь колебательной энергии при внешнем демпфировании колебаний конструктивных элементов оборудования, эффективности звукоизоляции ограждающими конструкциями и материалами, коэффициентов звукопоглощения материалов и конструкций в малых реверберационных камерах, а также оценки погрешности измерений уровней шума и вибрации

В разделе дана оценка технических характеристик прецизионных приборов Октава – 110А, используемых при измерении параметров шума, вибрации, инфразвука.