Снижение шума от вибровозбуждённых тонкостенных металлических конструкций применением штучных вибродемпфирующих вставок

Актуальность темы

Настоящая работа посвящена задаче снижения звуковой вибрации металлических ограждающих панелей, защитных кожухов и оболочек специальных транспортных и транспортно-технологических средств.

В промышленности и на транспорте широко распространены тонкостенные металлические конструкции (ТМК), к которым относятся кузова транспортных, специальных транспортно-технологических средств, оболочки самоходных и стационарных сельскохозяйственных машин, элементы судовых конструкций, технологические дверцы, защитные кожухи (приводов станков, режущего и заточного оборудования и др.) и т. п.

Такие ТМК, являющиеся частью конструкции технологического оборудования и транспортных средств, постоянно находятся в возбуждённом состоянии и становятся мощными источниками и проводниками звуковой вибрации. При этом на рабочих местах в производственных помещениях, а также на водительских и пассажирских местах транспортных средств складываются неблагоприятные условия по шумовому фактору с превышением нормативных значений. Проблема борьбы с шумом от возбуждённых ТМК достаточно масштабна и разветвлена, является актуальной на сегодняшний день и на отдалённую перспективу.

Известно, что наиболее радикальным и рациональным путём борьбы с шумом как с позиций акустической, так и экономической эффективности, является снижение звуковой вибрации в источнике её возникновения, т. е. для решаемой задачи — от поверхностей оболочек и ограждающих панелей.

Выбор унифицированных технических средств по снижению шума и звуковой вибрации от оболочек, ограждающих панелей, защитных кожухов и других элементов технологического оборудования и специальных транспортно-технологических средств осложнён тем, что такие ТМК имеют вариантные геометрические формы и размеры, функциональные назначения и различные условия эксплуатации. Кроме этого, для специальных транспортно-технологических средств вводятся жёсткие ограничения по массе конструкции в целом. Примерами таких транспортных средств могут служить амфибийные катера на воздушной подушке и сельскохозяйственные машины нового поколения, предназначенные для внесения удобрений в почву и обработки ядохимикатами сельскохозяйственных культур.

Проведённый анализ существующих средств снижения шума в источнике возникновения, используемых для ТМК, показал, что наиболее приемлемо и эффективно использование средств вибродемпфирования (вибро-демпфирующие устройства (ВУ) и вибродемпфирующие покрытия (ВДП)). Однако существующие В У и ВДП ограниченно, применимы, и, как следствие, недостаточно эффективны для решаемой.задали. Ограниченность применения заключается прежде всего в их сплошном нанесении на демпфируемые поверхности, что приводит к увеличению массы конструкции, а также наличие выраженной зависимости диссипативных свойств материалов ВДП, что не учитывает использование специальных транспортно-технологических средств в разных климатических условиях.

Этих недостатков лишено предлагаемое техническое решение конструкции нового вибродемпфирующего устройства, которое заключается в применении сквозных штучных вибродемпфирующих вставок (ШВВ), выполненных из резины, наносимых на ТМК через перфорацию, специально предусмотренную для этих целей.

Применение ШВВ для демпфирования вибровозбуждённых ограждающих панелей и оболочек ранее не рассматривалось. Поэтому ранее не исследовалось влияние на виброакустическую эффективность от применения ШВВ таких факторов, как частота возбуждения, температура эксплуатации, геометрические размеры и плотность материала вставок, а также площади покрытия ими вибровозбуждённых ограждающих панелей и оболочек. Не существовало теоретических представлений и математической модели физической картины диссипации колебательной энергии в ТМК с ШВВ. Отсутствовали расчётные методики по оценке снижения шума от применения ШВВ на вибровозбуждённых ТМК, а также рекомендации по их эффективному применению.

Целью работы является снижение шума от вибровозбуждённых тонкостенных металлических ограждающих панелей, защитных кожухов промышленного оборудования и оболочек специальных транспортных и транс-портно-технологических средств применением штучных вибродемпфирующих вставок.

Общая методика исследования построена на сочетании экспериментальных и теоретических методов. В работе применялись: физическое и математическое моделированиестандартные, адаптированные и оригинальные лабораторные методы исследования с использованием современных измерительных средств и компьютерной техникинатурное обследование объектов заглушения и натурные испытания ШВВ. Полученные результаты обрабатывались по типовым программам с использованием методов теории вероятностей и математической статистики.

Научная новизна работы состоит:

— в научном обосновании, разработке и результатах исследования по эффективному применению нового вида технического средства снижения звуковой вибрации от тонкостенных металлических конструкций (ТМК) — штучных вибродемпфирующих вставок (ШВВ);

— в разработанной математической модели снижения шума от вибровозбуждённой пластины с ШВВ;

— в установлении физических факторов диссипации колебательной энергии в системе «вибровозбуждённая пластина — ШВВ» и их количественной и качественной оценке;

— в результатах экспериментального исследования виброакустической эффективности ШВВ на физической модели возбуждённой ТМК и натурных объектах;

— в экспериментальном установлении виброакустической эффективности от применения ШВВ, сравнимой с эффективностью сплошных вибродемпфирующих покрытий (ВДП);

— в установлении высокой эффективности от применения ШВВ для снижения продольной вибрации возбуждённых пластин, в отличие от сплошных ВДП.

Практическая ценность работы. В результате работы созданы и. предложены пригодные для практики:

— метод расчёта ожидаемого снижения шума от применения ШВВ на вибровозбуждённых ТМК;

— эмпирические выражения для приближённой оценки коэффициента потерь в системе «вибровозбуждённая пластина — ШВВ»;

— эмпирические выражения для приближённой оценки акустической эффективности от применения ШВВ на возбуждённых ТМК, учитывающие плотность материала и геометрические размеры вибродемпфирующих вставок, а также площадь покрытия ими вибровоз-. буждённой пластины;

— конструкция ШВВ в вариантном исполнении;

— рекомендации по эффективному применению ШВВ.

Опытные образцы ШВВ, являющиеся практическим результатом диссертационных исследований, были внедрены на ЗАО «ТОПАЗ ПЛЮС» (г. Воронеж) для снижения звуковой вибрации кузовов и ограждающих панелей моторного отсека специальных транспортно-технологических средств (ТТС), предназначенных для опрыскивания ядохимикатами сельскохозяйственных культур и внесения удобрений в почву.

Результаты натурных испытаний и практика внедрения ШВВ демонстрируют их высокую эффективность по снижению звуковой вибрации, излучаемой возбуждёнными тонкостенными металлическими конструкциями.

На защиту выносятся:

— математическая модель снижения шума от вибровозбуждённой ила- • стины с ШВВ;

— результаты экспериментального исследования влияния различных параметров (частоты возбуждения, температуры окружающей среды, плотности материала и геометрических размеров ШВВ) на эффективность демпфирования звуковой вибрации от ТМК и эмпирические выражения, устанавливающие эти зависимости;

— результаты экспериментального исследования влияния различных параметров (площади покрытия, плотности материала и геометрических размеров ШВВ) на акустическую эффективность ШВВ и эмпирические выражения, устанавливающие эти зависимости;

— результаты экспериментальной оценки раздельного вклада перфорации и вибродемпфирующих вставок на акустическую эффективность от применения ШВВ;

— результаты экспериментального исследования снижения продольной вибрации в пластине от применения ШВВ;

— рекомендации по эффективному применению ШВВ.

Апробация работы и публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 7 печатных работах и апробирова- • ны на 4 научных конференциях и семинарах (Третья Всероссийская школа-семинар с международным участием «Новое в теоретической и прикладной акустике» 23−24 октября 2003 г., Санкт-ПетербургМеждународная научно-практическая конференция «Высокие технологии в экологии» 19−21 мая 2004 г., ВоронежXI Международный конгресс по шуму и вибрации 5−8 июля 2004 г., Санкт-Петербург- 2-я Международная заочная научно-практическая конференция «Составляющие научно-технического прогресса» 21−22 апреля.

2006 г., ТамбовМеждународная научно-практическая конференция в области экологии и безопасности жизнедеятельности «Дальневосточная весна -2006» 27 апреля 2006 г., Комсомольск-на-Амуреежегодные научно-практические конференции профессорско-преподавательского состава ВГЛТА 2002;2006 г. г.).

Образцы ШВВ экспонировались и награждены дипломами VI — VII Международной специализированной выставки «Безопасность и охрана тру-да-2002; 2003», проводившейся во Всероссийском выставочном центре (ноябрь 2002; 2003 гг., г. Москва), Всероссийской специализированной выставки «Высокие технологии в экологии-2003», проводившейся в Экспоцентре «Агробизнес Черноземья» (23 мая 2003 г., г. Воронеж), Всероссийской специализированной выставки «Воронежский автосалон», проводившейся в Экспоцентре «Агробизнес Черноземья» (19−21 мая 2004 г., г. Воронеж), 6-ой межрегиональной выставки «РОСПРОМЭКСПО», проводившейся в выставочном комплексе «ВЕТА» (2−4 февраля 2005 г., г. Воронеж), 3-й многоотраслевой промышленной выставки «Воронежская область — ваш партнёр», проводившейся в выставочном комплексе «ВЕТА» (21−23 июня 2006 г., г. Воронеж).

Автор выражает свою искреннюю благодарность научному руководителю, заведующему кафедрой «Безопасность жизнедеятельности» ВГЛТА, д.т.н. В. Ф. Асминину и к.т.н. А. Б. Ганбарову за участие и поддержку в работе над кандидатской диссертацией, а также инженерно-техническим работникам, рабочим ряда предприятий за оказанную помощь и содействие при выпуске опытной партии ШВВ и внедрении в производство результатов научных исследований.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ.

1. На основании проведённого анализа специальных тонкостенных металлических конструкций (ТМК) (ограждающие панели, защитные кожухи и другие элементы технологического оборудования и оболочки транспортно-технологических средств) как излучателей шума и существующих технических средств для его снижения было предложено и научно обосновано принципиально новое унифицированное техническое средство — штучные вибродемпфирующие вставки (ШВВ), выполняемые из резины и фиксирующиеся в отверстиях перфорации ТМК. ШВВ являются синтезом вибродемпфирующих устройств И вибродемпфирующих покрытий. Wl-oOo Й.

А- !

2. Разработана математическая модель снижения звукового излучения от вибровозбуждённой ТМК (пластины) с ШВВ на основании выдвинутой гипотезы, согласно которой физическая картина диссипации коле-' бательной энергии при распространении изгибных волн в системе «пластина — ШВВ» определяется вязкоупругим трением в теле ШВВ и сухим трением, возникающим по поверхности контакта вибродемпфи-рующей вставки с краями отверстия перфорации пластины, а сами вставки рассматриваются как совокупность точечных локальных антивибраторов.

3. Экспериментально доказана высокая эффективность демпфирования возбуждённых ТМК с применением ШВВ (по суммарному коэффициенту потерь 77s в системе «пластина — ШВВ»), демпфирующие свойства которых практически не уступают существующим сплошным вибродемпфирующим покрытиям, а по ряду функциональных и эксплуатационных характеристик превосходят их.

4. Установлено существенное влияние частоты колебаний / и показателя вставок Пв на значение суммарного коэффициента потерь tjz в системе «пластина — ШВВ»: с возрастанием Пв увеличивается значение tjz, причём частотная зависимость^ додщ^ржена периодическим колебаниям, что подтверждает гипртезу"об, идентичности поведения ШВВповедению локальных антивибраторов.

5. Установлено доминирующее влияние геометрических размеров ШВВ (высота he) по сравнению с другими параметрами (показатель вставок Пв, плотность р материала) на эффективность демпфирования: с ростом he увеличивается значение 7]z. Получены эмпирические зависимости изменения т]z от влияния этих параметров (he, р, Пв).

6. Установлено, что диссипативные свойства в системе «пластинаШВВ» в значительно меньшей степени подвержены влиянию температурного фактора (в диапазоне от минус 20 °C до плюс 60 °С) по сравнению с пластиной со сплошными вибродемпфирующими покрытия.

Л^vvi 1- Оу.

МИ. 'ЪгЛл-о^^з.

7. Экспериментально подтверждена высокая эффективность снижения шума (акустический эффект AL, дБ, дБА) от возбуждённых ТМК (пластин) применением ШВВ. При этом применение ШВВ позволяет щ снизить суммарную массу демпфируемой конструкции. На акустический эффект влияют Пв, he и р, при оптимальных значениях которых.

Пв=5%, he=10 мм, р=1400 кг/'мг) может быть достигнуто снижение уровня звука, равное 18 дБ А. Получены эмпирические зависимости влияния этих величин на акустическую эффективность от ШВВ.

8. Доказано, что высокая акустическая эффективность от применения ШВВ обусловлена наличием перфорации в пластине и собственно вибродемпфирующих вставок. Причём воздействие перфорации обнаруживается только в низкосреднечастотном диапазоне (125</<1000.

Гц), а от вибродемпфирующих вставок в высокочастотной области (свыше 1000 Гц), и их раздельный вклад в эффект снижения шума оценивается в следующем процентном соотношении как 20 — 30% и 70 , — 80% соответственно., ^ ^ ^oU,^ о.

9. Установлена оптимальная суммарная площадь перфорации Пп, равная l С Г — Y (. «> ,»,.. S С J ' значению 5%, и показано влияние схемы перфорации на звуковое излучение пластин. Наиболее приемлемыми схемами перфорации признаны (как с позиции акустической эффективности, так и простоты технологической реализации) схемы с равномерным распределением отверстий перфорации с прямыми и смещёнными рядами соответственно.

10. Доказано, что акустический эффект, привносимый за счёт ШВВ, в основном зависит от их высоты {he) и плотности (р) материала.

11. Экспериментально доказано преимущество ШВВ по сравнению со ] сплошными вибродемпфирующими покрытиями по эффективности снижения продольной вибрации возбуждённых ТМК (пластин).

12. Экспериментально доказана адекватность разработанной математической модели по снижению шума от возбуждённых ТМК (пластин) с ШВВ.

13. Разработана диаграмма для выбора основных характеристик ШВВ, ко-' торая может быть использована в инженерной практике.

14. По результатам теоретических и экспериментальных исследований изготовлены штучные вибродемпфирующие вставки, которые внедрены на транспортно-технологическом средстве (ТТС) (производитель: ЗАО «ТОПАЗ ПЛЮС», г. Воронеж). ШВВ применены для демпфирования звуковой вибрации от возбуждённых поверхностей ТТС (ограждающие панели моторного отсека, полы кабины и грузового отсека). На полах кабины и грузового отсека ШВВ также несут на себе функцию сливных пробок для дегазирующего раствора, которым обрабатывается ТТС после работы с ядохимикатами и удобрениями. Использование ШВВ позволило снизить уровень звука в кабине ТТС на 5 — 6 дБА и значительно улучшить условия труда водителя по шумовому фактору.

Опытом эксплуатации ШВВ подтверждена их высокая функциональная и эксплуатационная эффективность.

С другой стороны, такое заключение как бы не согласуется с выводом, сделанным в разделе 4.3, что увеличение плотности материала ШВВ незначительно влияет на значение суммарного коэффициента потерь (j]z) в системе «пластина — ШВВ». Однако частотный диапазон измерения цг ограничивался используемой методикой экспериментального исследования и составлял 100 </ <1000 Гц. Во многом необходимость второго этапа экспериментального исследования («Экспериментальное исследование акустической эффективности штучных вибродемпфирующих вставок») была вызвана расширением частотного диапазона до нормируемого значения (8000 Гц) и получением спектральных характеристик звукового излучения. Если сравнить поведение кривых изменения rjz от he и р (рисунок 4.3 и 4.4) с графическими зависимостями, выражающими влияние he и р на изменение акустической эффективности (AL, дБ) (рисунок 5.18 и 5.22), то очевидно, что полученные выводы в разделах 4.3, 5.4 и 5.5 по степени влияния he и р ШВВ на значения т/Е и L, дБ не противоречат, а взаимодополняют друг друга. То есть до частоты 1000 Гц р материала действительно не оказывает существенного влияния на изменение значений Г]г и L, дБ (рисунок 4.4 и 5.17). Однако в частотном диапазоне 1000</<8000 Гц прослеживается более значительный вклад возрастающей р материала по сравнению с увеличивающейся he на снижение уровня звукового давления от вибровозбуждённой пластины с ШВВ.

5.6 Сравнительный анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований акустической эффективности от применения штучных вибродемпфирующих вставок.

В разделе 2.1 проведены теоретические исследования эффективности демпфирования возбуждённых тонкостенных металлических конструкций применением штучных вибродемпфирующих вставок (ШВВ). Была выдвинута гипотеза, согласно которой физическая картина диссипации колебательной энергии в системе «пластина — ШВВ» при распространении изгибных волн определяется вязкоупругим трением в теле ШВВ и сухим трением, возникающим по поверхности контакта вибродемпфирующей вставки с краями отверстия перфорации пластины. Также было принято допущение, что физическая картина диссипации колебательной энергии в пластине с ШВВ во многом идентична физической картине в системе вибровозбуждённой пластины с размещёнными на её поверхности совокупности точечных локальных антивибраторов. На основании этой гипотезы и принятого допущения была разработана математическая модель (2.29) снижения звукового излучения от вибровозбуждённой пластины с ШВВ, при построении которой использовался метод волнового сопротивления тонких пластин.

По этой математической модели были проведены расчёты снижения уровней звукового давления от вибровозбуждённых пластин с ШВВ. Результаты представлены на рисунках 5.24 и 5.25. Основные параметры, использованные для теоретических расчётов, соответствовали параметрам, при которых проводились экспериментальные исследования. Эти параметры следующие:

— для пластины: толщина (h) 0,002 м, диаметр отверстия перфорации {d) 0,01 м, показатель перфорации (Пп) 5 иЮ %;

— для вибродемпфирующих вставок: плотность (р) материала 1400 кг/мъ, высота (he) 10 мм, показатель вставок (Пв) 5 и 10%.

ЛЦ дБ.

24 21 18 15 12 9 6 О.

125 250 500 1000 2000 4000 8000 f, Гц.

— теория —эксперимент.

Рисунок 5.25 — Сравнение акустической эффективности от применения ШВВ по теоретическим и экспериментальным данным (П = 10%) 0.

125 250 500 1000 2000 4000 8000 f, Гц.

— теория —эксперимент.

Рисунок 5.24 — Сравнение акустической эффективности от применения ШВВ по теоретическим и экспериментальным данным (Пв=5%).

AL, дБ.

21 18.

12 9 6 3.

Результаты экспериментальных исследований также приведены на рисунках 5.24 и 5.25. Из представленных графических зависимостей со всей очевидностью следует, что характер изменения теоретических и экспериментальных кривых практически идентичен во всём рассматриваемом диапазоне частот (125</<8000 Гц). Таким образом, подтверждена верность выдвинутой гипотезы и продемонстрирована адекватность разработанной математической модели.