ОМИРБАЙ РОЗА СУЛЕЙМЕНҚЫЗЫ

УДК  628.517.2:669                                                           На правах рукописи

                                            

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ОМИРБАЙ РОЗА СУЛЕЙМЕНҚЫЗЫ

 

 

Создание научно-обоснованных оптимальных условий труда с              использованием материалов с повышенными диссипативными             свойствами

 

 

 

Специальность 05.26.01 – Охрана труда

 

 

 

 

 

 

 

Автореферат

диссертации на соискание

ученой степени

доктора технических наук

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Республика Казахстан

Алматы, 2010

Работа выполнена в Казахском национальном техническом университете имени К.И. Сатпаева Министерства образования и науки Республики Казахстан

 

 

Научный консультант:          доктор технических наук, профессор

                                                     Утепов Е.Б. (05.26.01)

 

Официальные оппоненты:     доктор технических наук, профессор

                                                      Русак О.М. (05.21.01)

 

                                                      доктор технических наук, профессор

                                                      Шакиров А.Т. (05.26.01)

                                                     

                                                       доктор технических наук, профессор

                                                       Акимбеков А.К. (05.26.01)

 

Ведущая организация: Карагандинский государственный технический университет             

 

 

 

 

Защита состоится «26» февраля 2010 года в 1430 на заседании диссертационного совета Д 14.61.25 при Казахском национальном техническом университете им. К.И.Сатпаева  по  адресу: 050013, г. Алматы, ул. Сатпаева 22.

 

 

 

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казахского национального технического университета им. К.И.Сатпаева. 

 

 

 

Автореферат разослан « 25 » января 2010 г.

 

 

 

 

Ученый секретарь

диссертационного совета,        

доктор технических наук, профессор                                     М.Т.Жараспаев

                                             

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Актуальность исследований. Развитие производственных мощностей современного оборудования, а также механизации и автоматизации технических процессов приводит к неуклонному возрастанию вредного для человеческого организма шума и вибрации, что ухудшает условия труда непосредственно работающего на нем персонала. 

Механизм действия шума на организм человека сложен и недостаточно изучен, т.к. в патогенезе профессионального поражения органа слуха нельзя исключить и роль центральной нервной системы с психическими нарушениями, приводящие к неадекватным поведениям.

Многообразие источников шума и вибрации с точки зрения их характера, излучаемой акустической мощности, эффективности преобразования механической энергии вызывает к жизни множество на первый взгляд разнородных технических решений, позволяющих уменьшить шум или вибрации конкретных типов механизмов. Проблеме снижения шума и вибрации посвящены работы, ученых Японии, Германии, Великобритании, Московского института стали и сплавов, Кировского технического университета, а также КазНТУ имени К.И. Сатпаева.

Значительная часть оборудования промышленных предприятий изготовлена из стали и чугуна. Свойства материалов, из которого выполнено оборудование, оказывает влияние на поглощение, звукоизоляцию и излучение вторичных звуковых волн в окружающее пространство.

Научно обоснованный подход к выбору материалов для изготовления производственного оборудования позволит снизить шум на рабочих местах, что улучшит акустический климат в производственных помещениях и уменьшит финансовые расходы на дополнительные пассивные методы защиты. Например, шум ударного происхождения, который можно наиболее эффективно снизить, применив демпфирующие материалы, изготовленные из стали и сплавов на основе железа. К тому же вопросы по исследованию акустических, диссипативных и звукоизоляционных свойств как автоматных, так и листовых сталей остаются открытыми.

Поэтому научные исследования в области охраны труда, направленные на снижение шума ударного происхождения в источнике возникновения, путем выбора материалов, обладающих достаточными диссипативными и звукоизоляционными свойствами, являются актуальными.

Объектом исследования являются отрасли промышленности с повышенным уровнем шума от соударении металлических деталей оборудования. 

 Предметом исследования являются рабочие места с повышенным уровнем звука и с пониженной звукоизоляцией.

Основная идея работы заключается в использовании закономерностей теории диссипации и акустической эмиссии звуковой энергии в зависимости от дислокации звукопоглощения и распределения звукового давления в кристаллических структурах сплавов, приводящих к поглощению энергии звуковой волны и на их основе комплексной разработке новых автоматных и листовых сталей c повышенными свойствами звукопоглощения и звукоизоляции, с достаточными физико-механическими и технологическими характеристиками.

Целью работы является разработка научных основ создания оптимальных условий труда с использованием материалов с повышенными демпфирующими свойствами, с эффективной диссипацией звуковой энергии и последующим понижением акустической эмиссии.

В соответствии с идеей и целью работы в диссертации поставлены и решены следующие задачи:

- оценка диссипативных и акустических  свойств сплавов в связи с дислокационной структурой кристаллической решетки;

- разработка математической модели распределения звукового давления на срезе сплава методом конечных элементов, позволяющая решить задачу звукопоглощения и акустической эмиссии в образце;

- разработка математической модели звукоизолирующих и  диссипативных характеристик образцов на основе исследуемых стандартных сталей;

- выполнение расчета акустических сопротивлений при прохождении звуковой энергии через границу раздела сред исследованных сплавов;

- исследование акустических и диссипативных свойств как стандартных, так и разработанных листовых и автоматных сталей для создания демпфирующих сплавов с повышенными звукоизоляционными свойствами и пониженным излучением звука при соударении;

- исследование физико-механических, металлографических параметров как стандартных, так и разработанных сплавов;

- экспериментальное установление звукоизлучения и звукоизоляции стандартных образцов листовых и автоматных сталей, чугуна, алюминия, пластиковых материалов (текстолит и органическое стекло) и разработанных демпфирующих сплавов;

- установление влияния диссипативных свойств сплавов на изоляцию звука стандартных и разработанных демпфирующих сплавов в области резонансов, закона масс и волнового совпадения;

- осуществление опытно-промышленной проверки результатов исследо-ваний на оборудовании предприятий с повышенным уровнем шума и пониженной звукоизоляцией при соударении.

Научные положения, выносимые на защиту:

1 Исследованная зависимость диссипативных и акустически эмиссионных свойств звуковой энергии от плотности дислокации в кристаллических структурах сплавов, позволит выявить величину звукоизлучения в производственных условиях.

2 Разработанная методом конечных элементов, математическая модель распределения звукового давления на срезе сплава, зависящего от величины дислокации кристаллического материала, позволит рассчитать уровень звукового давления на рабочих местах.

3 Аналитически полученная математическая формула для определения уровня звукового давления у открытого конца металлической трубы, зависящего от сечения трубопровода и эквивалентного звукового давления, возбуждающего движение диффузора и входных импедансов, может быть использована при расчете акустических характеристик в шумном цехе.

4 Теоретически выведенная формула для определения коэффициента прохождения звукового давления через звукоизолирующую преграду (пластину), зависящего от звукового давления у открытого конца трубы без образца и волновых импедансных характеристик упругого слоя, позволяющая рассчитать звукоизоляцию без проведения трудоемких экспериментальных исследований.

5 Синтезированные легированные стали 3 , 4, 6, №14, №16, №18 системы Fe-Cr-Mn с механизмом диссипации звуковой энергии за счет создания гетерогенной структуры неметаллических включений (силициды) размером 100-120 мкм, являющиеся преградой звуковой волне и с выявленным физическим эффектом амплитудно-зависимого демпфирования, заключающимся в диссипации звуковых колебаний с ростом амплитуды вибрации, приводит к снижению уровня производственного шума при соударении, что существенно сказывается на улучшении условий труда работающих.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- установлена зависимость диссипации и акустической эмиссии от плотности дислокации в кристаллических структурах сплавов;

- выявлена зависимость распределения звукового давления на срезе сплава от величины дислокации кристаллического материала;

- аналитически выведена математическая формула зависимости уровня  звукового давления у открытого конца металлической трубы от сечения трубопровода и эквивалентного звукового давления, возбуждающего движение диффузора и входных импедансов;

- теоретически получена формула зависимости коэффициента прохождения звукового давления через звукоизолирующую преграду (пластину) от звукового давления у открытого конца трубы без образца и волновых импедансных характеристик упругого слоя;

- разработаны новые легированные автоматные (№3, №4 и №6) и листовые (№14, №16 и №18) стали с повышенными диссипативными свойствами;

- установлен физический эффект амплитудно-зависимого демпфирования, связанного с диссипацией звуковых колебаний, вызванных ростом амплитуды вибрации.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, изложенных в диссертации, подтверждаются:

- применением законов акустики, металловедения, физики, химии и теории демпфирования, колебаний волн,  диссипации звуковой энергии и акустической эмиссии;

- корректностью постановки теоретических и практических задач, принятыми допущениями, достаточным объемом исходных данных и инструментальных исследований;

- совокупностью и удовлетворительной сходимостью аналитических результатов с лабораторными и промышленными исследованиями характеристик звукоизоляции и звукоизлучения, а также диссипативных и демпфирующих свойств исследуемых сплавов сталей.

Результаты исследований проверены опытно-промышленными испытаниями и внедрены на производстве.

Методы исследования. Проведены теоретические и экспериментальные исследования с использованием комплексных методов, включающих исследование характеристик звукоизлучения разработанных сплавов, характеристик демпфирования и определение звукоизоляционных свойств исследуемых материалов. Проведен патентный поиск и аналитический обзор литературы с обобщением работы как отечественных, так и зарубежных исследователей. В диссертации использованы теоретические методы расчета уровня звукового давления такие, как классические и энергетические, вместе с этим разработаны математические модели звукопоглащения в плоскости однородного твердого тела, а также расчет звукоизолирующих и диссипативных характеристик образцов.

Практическая ценность и реализация работы заключается в:

- оценке акустических и демпфирующих свойств автоматных и листовых сталей;

- разработке новых автоматных №3, №4 и №6 и листовых №14, №16, №18 сталей (легированные Mn и Cr, с оптимальным содержанием S и Р) с повышенными диссипативными и звукоизоляционными свойствами, применение которых улучшит условие труда на производстве;

- использовании математической модели расчета диссипации звуковой энергии и звукоизолирующих характеристик образцов в зависимости от полос частот и эффекта волнового совпадения звукоизлучения, позволяющая существенно снизить трудоемкие экспериментальные и промышленные затраты;

- внедрении разработанных сталей с диссипативными свойствами в механическом цехе ТОО «Калибр» г. Тараз и в литейном цехе ТОО «Таразского литейно-механического завода», со снижением шума на 8-12 дБА, с общей суммой экономического эффекта 2622502 тенге в год.

Личный вклад автора в науку:

1 Разработана модель распределения диссипации звуковой энергии в плоском срезе образца методом конечных элементов.

2 Разработана математическая модель звукоизолирующих  характеристик металлических материалов:

- в зависимости от уровня звукового давления у открытого конца трубы, волновых импедансных характеристик и эквивалентного звукового давления;

- для определения звукового давления у открытого конца металлической трубы, зависящего от сечения трубопровода, эквивалентного звукового давления, возбуждающего движения диффузора и входных импедансов;

- для определения коэффициента прохождения звукового давления через звукоизолирующую преграду (пластинку).

3 Созданы новые демпфирующие автоматные и листовые стали с пониженным звукоизлучением и повышенной звукоизоляцией, являющиеся преградой звуковой волне, приводящие к снижению производственного шума при соударении.

4 Теоретически и экспериментально обосновано содержание легирующих элементов в диссипативных автоматных и листовых сталях.

5 Исследованы акустические, прочностные, технологические и звукоизолирующие свойства разработанных диссипативных листовых и автоматных сталей, рекомендованные для борьбы с производственным шумам.

Связь диссертации с планами НИР. Работа выполнялась в соответствии с планом научно-исследовательских работ Казахского национального технического университета имени К.И. Сатпаева. Результаты работы были использованы при выполнении:

- гранта МО и РК по теме 6.636П.02 (срок 2002-2006 гг., объем финанси-рования 700000 тенге) «Разработка новых конструкционных материалов с повышенными демпфирующими свойствами для использовании в технике борьбы с шумом»;

- гранта НАН РК по теме 6.649Ф.03 (срок 2003-2005 гг., объем финансирования 2630000 тенге) «Исследование процессов дефектообразования и структурно-фазовых превращений в демпфирующих сплавах на основе железа»;

- программы фундаментальных исследований 19.02 по теме: «Исследование структурно-фазовых превращений в демпфирующих спеченных порошковых сплавах» (2006-2008 г.г., объем финансирования 9 000 000 тенге).

Реализация результатов работы. Разработанные легированные демпфирующие сплавы, прошедшие промышленные испытания, внедрены  в механическом цехе ТОО «Калибр» г. Тараз и на литейном цехе ТОО «Таразского литейно-механического завода» с общей суммой экономического эффекта 2622502 тенге в год. В пакете документов по внедрению дан химический состав, термическая обработка и механические свойства сплавов, дающие максимальный эффект гашения шума при шумоизлучении и звукоизоляции.

Методика и результаты исследований диссертации используются в научном и учебном процессах студентов, магистрантов и аспирантов КазНТУ им. К.И.Сатпаева и ТарГУ им. М.Х.Дулати.

Апробация работы. Результаты работы доложены на: V-ой Международной научно-технической конференции «Новое в охране труда, окружающей среды и в защите от чрезвычайных ситуаций», КазНТУ, г.Алматы, 2002 г.;  Международной конференции «Инженерное образование и наука в XXI веке», г.Алматы, 2003 г.; VII-ой и VIIІ-ой Международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы безопасности жизнедеятельности», КазНТУ, г.Алматы, 2005 г. и 2006 г.; VI-ой, IX-ой, X-ой Международных научно-технических конференциях. «Новое в безопасности жизнедеятельности (ОТ, экология, валеология, защита человека в ЧС, токсикология, экономические, правовые и психологические аспекты БЖД, логистика)». КазНТУ, Алматы, 2004г., 2008г. и 2009г; Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы безопасности жизнедеятельности: интеграция науки и практики», Ставрополь, Федеральное Агентство по образованию, Ставропольский Государственный университет 16 мая 2008г.; Постоянно действующем научно-техническом семинаре «Проблемы охраны труда, окружающей среды и защиты в чрезвычайных ситуациях», КазНТУ, г.Алматы, 2002-2008гг.

Публикации по теме диссертации: Результаты диссертационной работы опубликованы в 1 монографии и 35 научных трудах, в том числе индивидуальных 23, из них 3 в зарубежных изданиях, 7 статей в 5 изданиях, рекомендованных Комитетом по контролю в сфере образования и науки МОН РК, 8 статей опубликованы в сборниках трудов КазНТУ имени К.И. Сатпаева и в трудах международных технических конференциях. Получены 3 инновационных патента РК.

Структура и объем работы.  Диссертация состоит из введения, 7 разделов, заключения, списка использованных источников из 227 наименований, содержит 298 страницы компьютерного набора, в том числе 97 рисунка, 40 таблиц, 7 приложений.

 

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

 

Во введении обоснован выбор и актуальность темы диссертации, сформирована цель и задачи исследования, изложены основные научные положения, научная новизна и результаты, выносимые на защиту, достоверность и практическая ценность работы, а также приведены данные о структуре и объеме диссертации.

Первый раздел посвящен широкому обзору и анализу существующих теоретических и практических исследований по современному состоянию методов снижения производственного шума в целом и ударного в частности.

Обширная литература (как отечественная, так и зарубежная) посвящена вопросам снижения шума и вибрации, причем количество публикаций в этой области растет. В последние годы предложены и получили развитие новые перспективные методы и средства изучения и снижения шума и вибрации: акустическая интенсиметрия, методы, основанные на измерении колебательной скорости (векторно-фазовые), новые интерферометрические и термоанемомет-рические методы измерений, предложены новые конструкции звукопоглотителей, многомодовых звукоизолирующих систем. Разработаны новые подходы к изучению проблем генерации и распространения звука в движущейся среде, клапанного звукообразования, диссипации в акустическом пограничном слое, звукопоглощения при высоких уровнях звукового давления.

Результаты литературных данных исследования источников шума по различным отраслям народного хозяйства показывают, что на рабочих местах преобладает средне- и высокочастотный шум 85-100 дБ, который достигает до 110-120 дБ. При этом на многих предприятиях наблюдаются импульсные шумы ударного происхождения, источниками которых являются станки, механические прессы, молоты и другие машины, механизмы и инструменты, имеющие движущие детали. В связи с этим методы исследования звукоизлучения сталей и сплавов в процессе соударения с целью выявления акустических характеристик исследуемых материалов и устройств получили широкое распространение, где основной причиной возникновения ударного шума являются колебания твердого тела.

Из выше изложенного вытекает, что на сегодняшний день исследования в области экологии шума актуальны и особенно в связи с воздействием шума на организм человека.

Снижение производственного ударного шума до санитарных норм повышает не только социальный, но и эколого-экономический эффект условий труда, что позволит повысить производительность труда на производственных местах. Одним из современных и эффективных методов снижения производственного шума ударного происхождения является применение демпфирующих материалов с диссипативными свойствами, изготовленных из легированных сталей на основе железа.ы основные научные п

В последнее время конструктора и технологи получили информацию о диссипативных свойствах большой группы черных и цветных металлов. Это результат работ таких известных специалистов как Постникова В.С., Фавстова Ю.К., Пигузова Ю.В., Головина С.А., Никифорова А.С., Изак Г.Д., Заборова В.И., Клячко Л.Н., Сулеева Д.К., Утепова Е.Б., Хакдодова М.М. и др.

По объяснению механизма высокого демпфирования существуют различные точки зрения среди специалистов. При этом демпфирование рассматривают как самостоятельную физическую характеристику металла и сплава, так как не найдена функциональная связь демпфирования с другими физико-химическими характеристиками. В изучении характеристик демпфирования сплава таких как логарифмический декремент, внутреннее трение, скорость затухания звуковых колебаний и звукоизлучение, а также критерий оценки акустических свойств сплавов и сталей, в особенности низколегированных, отсутствует единство взглядов исследователей.

На сегодня отсутствуют исследования акустических, диссипативных и демпфирующих свойств стандартных автоматных марок сталей. Не известны механизмы влияния легирующих элементов (например: Mn, Cr, S и P) на демпфирующие свойства этих групп сталей.

Звукоизлучение и звукоизоляция металлических образцов подчиняются определенной закономерности, так как с изменением частотной характеристики звукоизлучения образцов при соударении можно выделить характерные области: структурные резонансы, действия закона масс и волнового совпадения.

Современное проектирование звукоизоляции направлено на обеспечение требуемых акустических условий в помещениях за счет регулируемой звукоизоляции ограждений при минимально возможной их массе и точнее оценить степень передачи звуковой энергии непосредственно через ограждение прямым путем. Для решения проблемы можно снизить амплитуды резонансных колебаний и волн совпадения путем поглощения энергии. Если перегородка обладает демпфирующими (диссипативными) свойствами, то при каждой деформации перегородки в процессе резонансных колебаний слой будет деформироваться и поглощать энергию.

В зависимости от вида шума используют различные методики расчетов по поглощению и звукоизоляции шума. В данной диссертационной работе внимание было уделено всем видам шума, так как при работе автоматных сталей в производстве интерес представляли как взаимодействие шумовых волн с автоматными сталями, так и механизм распространения звуковых волн в самих конструкциях и последующее излучение вторичных волн в окружающее пространство. Только комплексное исследование поможет выявить всю картину акустических процессов, приводящих к возникновению промышленного шума, создаваемого стальными конструкциями.

В соответствии с этим в диссертационной работе проводилось комплексное исследование, включающее звукопоглощение, распространение звука (диссипацию звуковой энергии) в материале конструкции, последующее излучение звуковых колебаний (акустическая эмиссия) и звукоизоляцию от воздушного и ударного шума.

В разделе 2 приведены методики исследования акустических свойств сталей и описаны аппаратуры для проведения экспериментов, направленных на создание материалов с диссипативными характеристиками.

Диссипативные характеристики стандартных и разработанных металлических материалов в виде сплава оценивались совокупным комплексом исследования акустических и физико-механических свойств, таких как уровень звука и уровень звукового давления при соударении, скорость затухания звука, логарифмический декремент, внутреннее трение, относительное рассеяние (коэффициент затухания), удельное электросопротивление, модуль сдвига, модуль Юнга и металлографические признаки, такие как размер зерен, фазовый состав, наличие неметаллических включений; их процентное содержание,  форма и химический состав и  структурные составляющие, а также звукоизоляционная способность, которая зависит от толщины и массы материала, резонансных диапазонов частот и упругости материала.

Объектами исследования диссипативных и звукоизоляционных характеристик выбраны стандартные автоматные и листовые стали и новые сплавы с  демпфирующими свойствами легированные кремнием, марганцем, хромом, при оптимальном содержании серы и фосфора. Содержание легирующих элементов определялось на основе анализа диаграмм Fe-C, Fe-Si, Fe-Cr, Fe-Mn, Fe-P и Fe-S и изменялось в следующих пределах: для разработанных автоматных сталей – Mn от 0,4% до 1,7%, Cr от 0,2% до 1,2%, S от 0,16% до 0,4%, P от 0,06% до 0,4% и Si от 0,22% до 0,37%; для разработанных листовых сталей – Mn от 0,68% до 0,85%, Cr от 0,18% до 1,5%, S от 0,04% до 0,45%, P от 0,035% до 0,4% и Si от 0,38% до 0,4%. Выбор легирующих элементов обусловлен содержанием их в исследуемых сталях, рекомендованных ГОСТами соответствующих марок.

Опытные сплавы выплавляли в индукционной высокочастотной печи ЛП3-1-67 в графитовых тиглях. Температура плавления t=1700oC. Мощность печи N=70 КВт. Металлическим шихтовым материалом использовалась сталь Ст.3. Легирование проводили 98% металлическим марганцем, 75% ферросилицием, 60% феррохромом. Синтетический чугун с содержанием углерода 3,9% использовали как углеродосодержащую добавку. Выплавленный сплав отливали в изложницы размером 210х210х115 мм. Полученные слитки подвергались следующим видам термообработки: горячая ковка - нагрев до 1100оС с выдержкой 0,5 часов, затем ковка с промежуточными подогревами до 1100 оС; отжиг - нагрев до Ас3+50 оС, выдержка 1 час, охлаждение с печью; закалка - нагрев до Ас3 + 50 оС, выдержка 0,5 часов, с охлаждением в воде. Нагревание образцов проводилось в муфельной лабораторной печи в кварцевых ампулах в вакууме с разряжением порядка 10-3 атм. Из литых полос вырезали образцы в форме пластины размером 50х50х5 мм для проведения дальнейших исследований. Отклонения не превышали 0,1 мм. После механической обработки образцы пластин подвергались шлифовке по 5 классу чистоты. Акустические свойства стальных пластинчатых образцов для измерения звукоизлучения и звукоизоляции материалов исследовались на установках, разработанных на кафедре «Безопасность жизнедеятельности» КазНТУ имени К.И. Сатпаева.

В исследовании акустических свойств образцов использованы ударники из шароподшипниковой стали ШХ-15 с диаметрами 6; 8 и 11,2 мм и соответственно массой 0,89; 2,0 и 5,58 г. Уровни звукового давления исследовались в октавных полосах частот в диапозоне 125…16000 Гц и по шкале “А”. Температура воздуха и влажность в лаборатории поддерживались постоянными. Установки, для комплексного исследования акустических свойств пластинчатых образцов, размещались в безэховой кабине со звукопоглощающим покрытием стен. С помощью запоминающего осциллографа РСS-500, подсоединенного к персональному компьютеру, регистрировали звуковой импульс от соударения исследуемого образца с ударником. Диссипативные характеристики определяли по сигналу зафиксированному на мониторе, т.е. на сфотографированном звуковом импульсе от соударения определяли логарифмический декремент и скорость затухания звука, а такие характеристики как относительное рассеяние и внутреннее трение определяли расчетным путем.

Для непрерывной регистрации внутреннего трения при изгибных колебаниях использован автоматический прибор с электромагнитным возбуждением в диапазоне высоких  частот ( 950-1000 Гц)  при амплитуде 10-7-10-4 и температуре 20-600 оС. Измерение внутреннего трения проводили дискриминатором и счетчиком импульсов. Исследование характеристик внутреннего трения проводили на образцах размерами 1,5х1,5х100 мм после горячей ковки в диапазоне частот 950-1000 Гц, при комнатной температуре 20 оС и делали по 5 замеров на каждом образце.  На приборах Бринелля и Роквелла измеряли твердость испытуемых образцов. Механические свойства, размеры зерна, фазовый состав, наличие и формы неметаллических включений, а также структурные составляющие и микроструктуру стальных образцов исследовали, используя стандартные методы. Размер зерна в структуре сплавов и неметаллические включения определяли методом Л (с вариантами Л1, Л2), где используется линейный подсчет включения, который проводили согласно стандартной методике. 

Произведен расчет акустических сопротивлений на границе раздела сред, при переходе акустической энергии в области «металл-воздух» и «воздух-металл», который показал, что переход среднего потока звуковой энергии из среды «воздух-металл» для образцов из стали и чугуна находится на одинаковом уровне, тогда как из дюралюминия имеет существенное различие. Это связано с тем, что плотность дюралюминия намного ниже, чем у стали и чугуна.

Проведена обработка экспериментальных данных, которая базируется на математической статистике, с использованием метода наименьших квадратов, при этом объем выборки равен пяти. По статистической оценке определены математическое ожидание, дисперсия, среднеквадратическое отклонение, ассиметрия, эксцесс и доверительные интервалы генеральных параметров распределения как стандартных, так и разработанных образцов стали, а также стандартного серого чугуна и дюралюминия  при соударении с шарами-ударниками разных диаметров (6,0; 8,0 и 11,2 мм). Выборочные параметры экспериментальных данных акустических характеристик определяли для частот от 125 до 8000 Гц. Для оценки полученных результатов определен коэффициент корреляции.

В разделе 3 изложена суть теоретических исследований модели дислокационной картины звукопоглощения, где дан расчет диссипации энергии в образце, дислокационная модель звукопоглощения в связи с акустической эмиссией звуковой энергии, а также математическая модель  звукопоглощения в плоскости однородного твердого тела.

В расчете диссипации энергии в образце выведена формула затухания колебания в образце, убывающая со временем и являющаяся гармоническим, где частота колебаний зависит от коэффициента затухания:

 

                                    φ = arctg = arctg                                        (1)

                                        

Для характеристики затухающих колебаний, используя коэффициент затухания колебаний и логарифмический декремент (), выведены формулы:

- зависимости логарифмического декремента от отношения периода колебания (Т) ко времени затухания () колебаний: ;

- соотношения логарифмического декремента (Δ) системы и полной энергии (Wn) c потерей энергии (Wg) за период колебания:  Wn / Wg= 22/Δ.

В создании дислокационной модели звукопоглощения исследованы дислокационные структуры кристаллов в зависимости от акустических условий. При этом выявлено, что если частота звука () больше частоты образования пары перегибов в линии дислокации (), то возникновение перегиба не приводит к дополнительной деформации и к потерям энергии звука. Если частота звука () намного меньше линии дислокации (), то перегибы находятся в состоянии теплового равновесия и потеря энергии звука также не происходит. Потери возникают, если частота звука () равна линии дислокации ().

Выявлено, что акустическая эмиссия связана с движением дислокации и кинетикой разрушения в образце, т.е. возникновением сложной структуры излучаемого волнового поля, в том числе поверхностных волн и волны в пластинках.

Разработана математическая модель звукопоглощения, используемая для расчета распределения звукового давления вдоль плоскости однородного металла, с применением вариационного метода конечных элементов.  Для описания периодических волновых явлений свободных колебаний было использовано уравнение Гельмгольца. Частично граница была задана условием Дирихле, а на остальной части границы – однородное условие Неймана, на основе которого получена матрица периодического волнового явления свободных колебаний:

 

                                          кеФе - 2heФе                                                  (2)

 

Первая часть матричного уравнения (2) рассмотрена О.Н. Зенковичем при решении уравнения Лапласа. Вторая часть данного уравнения найдена в данной работе при решении 2-мерной акустической задачи. Для этого записываем уравнения Гельмгольца в виде:

 

                                          ,                                                  (3)

 

где к2 – волновое число, к2 = 2 /c2  с граничными условиями, указанными выше.

Функционал для уравнения (2) имеет вид:

 

                                  ,                                        (4)

 

где   функция из допустимого множества пробных функций, заданных в D.

После преобразования получим:

 

   di (x,y) =  (1/2){(ai + bi + ciy)i+ (aj + bjx  + cjy )J + (am+bmx+cmy)m},    (5)

 

или                              di = Nii + Njj + Nmm = Ndd.                                        (6)

 

При этом Nd = [Ni , Nj , Nm] является матрицей базисных функций, а

 

                                              Pd =                                                                    (7)

представляет собой вектор узловых значений.

После преобразований получим:

 

χdi = ∫∫di [(bii + bjj + bmm)2 + (cii  + cj j + cm m)2dxdy - ∫∫di [(∫∫di [(ai +

        +bix + ciy) i + (aj + bjx + cjy) j + (am + bmx + cmy) m]2 dxdy.              (7а)

 

Введя обозначения:

 

       Adi = ∫∫di [(bii + bjj + bmm)2 + (cii  + cj j + cm m)2dxdy;            (8)

 

Bdi = ∫∫di [(ai ++bix + ciy) i + (aj + bjx + cjy) j + (am + bmx + cmy) m]2 dxdy

 

получим                         χdi = Adi – k2 Bdi.                                                            (9)

 

Для получения матричного уравнения системы, выражающего условие минимума функционала, необходимо объединить матрицы отдельных элементов. Эту матрицу построим с помощью объединений по узлам, что соответствует объединению строк элементных матриц. Произведя объединение по узлам, получим условие минимума функционалов для 2-й части уравнения (9).

Полученную матрицу обозначим через L.

Условие минимума для всего функционала (9) получим путем матричного сложения матриц (1/)K  и  λ2L

 

                                       ∑[(1/)Kdiλ2Ldi ] Pdi.                                                (10)

 

Решение (10) производится численным методом, которое дает значение акустического давления в 36 узловых точках в плоскости разреза образца с заданными граничными условиями, где должен быть учтен фактор дислокации кристаллической структуры.

В работе была теоретически исследована зависимость между дислокационными, диссипационными и эмиссионными свойствами сплавов. Исследованная зависимость между коэффициентом звукопоглощения и типом дислокации в кристалле позволяет установить первопричину последующих акустических свойств образцов. Установлена теоретическая возможность влиять на получение заданных акустических качеств материалов, внедряя химические добавки с учетом изменения дислокационной картины.

В разделе 4 изложены результаты исследования по созданию диссипативных сталей с пониженным звукоизлучением (для автоматных сталей) и повышенной звукоизоляцией (для листовых сталей). Всего разработаны 12 образцов на основе стандартных автоматных сталей из них выбраны шесть (от №1 до №6) и на основе стандартных листовых сталей разработаны – 6, из них выбраны три (№14, №16, №18), как сплавы с повышенными диссипативными свойствами.

Разработанные сплавы по характеристике механических свойств не уступают стандартным: для автоматных сплавов – НВ от 164 до 222,  ψc от 19 до 31%, δ5 от 15 до 22%, δв от  430 до 640 МПа, δт от 310 до 420 МПа; для листовых сплавов – НВ от 148 до 185,  ψc от 9 до 62%, δ5 от 10 до 30%, δв от  335 до 850 МПа, δт от 208 до 665 МПа.

Химический состав разработанных сталей по процентному содержанию  С, Cr, Mn, Si  брали в соответствии со  стандартным, с увеличением содержания S и P на 0,02-0,05%, остальное железо (автоматные стали) и с увеличением S и P на 0,002-0,005%, остальное железо (листовые стали).

Исследуя влияние химического состава (таблица 1) на акустические характеристики (таблица 2) стандартных и разработанных сплавов, выявили следующее: УЗД в октавных частотах имеет высокие цифровые  значения для  марок А11, АС40, АС14, АС35Г2 и АС45Г2, заметно увеличивающиеся на частотах 1-16 кГц от 48 до 87 дБ при УЗ=85¸86 дБА, по сравнению с другими стандартными сплавами А12, А20, А30, А35, А40Г, А35Е, А45Е, А40ХЕ, где У3Д от 46 до 88 дБ, при УЗ=80¸86 дБА. Разница УЗ у сравниваемых марок 4-6 дБА, а разница У3Д – от 2 до 12 дБ. Такая значительная  разница колебаний УЗД и УЗ  по-видимому, связана с присутствием свинца (Рb) (А11, АС40, АС14, АС35Г2 и АС45Г2) в химическом составе этих сплавов, который в свою очередь повлиял на структуробразование, повысив  цементацию сплава, что привело к увеличению звукоизлучения (УЗД, УЗ) в целом в этих сплавах. Тогда как в других сплавах присутствие свинца смягчается добавлением по 0,25% Ni и Cr, которые известны как легирующие элементы, улучшающие диссипативные свойства железоуглеродистых сплавов.

У вновь  разработанных сплавов УЗД ниже по сравнению со стандартными: 1 (УЗД1кГц=49 дБ), 3 и 5 (УЗД2кГц=58 дБ); 4 и 6 (УЗД4кГц=65 дБ); 1, 3 и 5 (УЗД4кГц=66 дБ). Тогда как у АС40, А11 и АС14  при  УЗД1кГц=54¸59 дБ (на 5-10 дБ больше), при УЗД2кГц=62-69 дБ (на 5-11 дБ больше) и при УЗД4кГц=72 и 75 дБ, также на 7-10 дБ больше, чем у разработанных сплавов.

При частоте 8 кГц и 16 кГц у разработанных сплавов значения УЗД в среднем уменьшены на 8-12 дБ по сравнению со стандартными: №1 УЗД8 и 16кГц=86 и 87 дБ; №2 УЗД8 и 16кГц=71 и 75 дБ; №3 УЗД8 и 16кГц=72 и 75 дБ; №4 УЗД8 и 16кГц=75 и 79 дБ; №5 УЗД8 и 16 кГц=77 и 85 дБ; №68 и 16кГц=83 и 86 дБ.  Тогда как у марок А30 и АС14 УЗД8кГц=87 и 82, а УЗД16кГц=88 дБ; у А40Г, АС35Г2, А45Е и А35Е УЗД8кГц=80¸ 82 дБ, а УЗД16кГц=85¸86 дБ; у А35, А20, А40ХЕ и АС45Е УЗД8кГц=76¸82 дБ, а УЗД16 кГц=82¸88 дБ, у А11 УЗД8 и 16кГц=78¸87 дБ.

По результатам исследования влияния химического состава на акустические характеристики разработанных листовых сталей (№14, №16 и №18) выявлено следующее: УЗД по всем октавным частотам изменяется от 40 до 80 дБ при УЗ от 75 до 78 дБА, тогда как УЗД стандартных сталей (Ст10, Ст20 и Ст20Х) – от 42 до 84 дБ при УЗ от 86 до 88 дБА. Это свидетельствует о повышении диссипативных свойств у разработанных сталей ( №14, №16 и №18) при понижении УЗД в среднем на 2-4 дБ по всем октавным частотам и УЗ на 10-11 дБА в сравнении со стандартными.

 

Таблица 1 – Химический состав исследованных сплавов

 

Марка сплава

Содержание элементов, %

C

Si

Mn

Pb

Ni

Cr

Se

Cu

S

P

Fe

Стандартные стали

А12

0,16

0,35

1,00

 

 

 

 

 

0,20

0,15

остальное

А20

0,24

0,35

1,00

 

 

 

 

 

0,15

0,06

-//-

А30

0,35

0,35

1,00

 

 

 

 

 

0,15

0,06

-//-

А35

0,40

0,35

1,00

 

 

 

 

 

0,15

0,06

-//-

А40Г

0,45

0,35

1,55

 

 

 

 

 

0,30

0,05

-//-

А11

0,15

0,10

1,20

0,30

 

 

 

 

0,25

0,10

-//-

АС40

0,17

0,12

1,30

0,30

 

 

 

 

0,20

0,10

-//-

АС14

0,48

0,10

1,65

0,35

 

 

 

 

0,35

0,04

-//-

АС35Г2

0,45

0,37

0,80

0,30

0,25

0,25

 

 

0,04

0,04

-//-

АС45Г2

0,39

0,37

1,65

0,30

0,25

0,25

 

 

0,13

0,04

-//-

А35Е

0,40

 

0,8

 

0,12

0,25

0,1

0,30

0,12

0,04

-//-

А45Е

0,40

 

0,8

 

0,12

0,25

0,1

0,30

0,12

0,04

-//-

А40ХЕ

0,44

 

0,8

 

0,30

1,10

0,1

0,30

0,12

0,35

-//-

Ст10

0,14

0,37

0,65

 

0,25

0,15

 

0,25

0,04

0,035

-//-

Ст20

0,24

0,37

0,65

 

0,25

0,25

 

0,25

0,04

0,035

-//-

Ст20Х

0,23

0,37

0,8

 

 

1,0

 

 

0,04

0,035

-//-

Разработанные стали

№1

0,25

0,30

0,8

 

 

1,0

 

 

0,18

0,14

-//-

№2

0,30

0,30

1,0

 

 

0,6

 

 

0,4

0,20

-//-

№3

0,45

0,35

1,4

 

 

1,0

 

 

0,35

0,35

-//-

№4

0,50

0,37

1,7

 

 

1,2

 

 

0,4

0,4

-//-

№5

0,30

0,30

0,7

 

 

0,7

 

 

0,25

0,25

-//-

№6

0,45

0,35

1,4

 

 

0,9

 

 

0,30

0,40

-//-

№14

0,20

0,40

0,70

 

 

1,05

 

 

0,045

0,040

-//-

№16

0,24

0,40

0,70

 

 

0,3

 

 

0,045

0,04

-//-

№18

0,25

0,40

0,85

 

 

1,5

 

 

0,045

0,04

-//-

 

Акустические характеристики у вновь разработанных сплавов 2, №3 и №5 наиболее лучше в октавных частотах, а 4, №6, №14, №16 и №18 можно использовать как вибродемпфирующие. У образцов 4 и 6 УЗ =74 и 75 дБА, а у №3 - 77 дБА, что ниже в среднем на 6-12 дБА по сравнению с известными промышленными автоматными сталями.

По полученным осциллограммам затухания звукового импульса от соударения ударника и образцов стандартных (А35 и Ст20Х) и разработанных (№3, №4 и №18) сплавов выявлено, что разработанные сплавы №4 и №18 имеют повышенные значения скорости затухания звука и диссипативные характеристики: №4 (dх10-3 =4,3; yх10-3 =8,6; Q-1 х10-3 = 2,1) и разработанной сталью №3 (dх10-3 =3,6; yх10-3 =7,2; Q-1 х10-3 = 1,15) по сравнению с сталью А35 (dх10-3 =2,7; yх10-3 =4,4; Q-1х10-3= 0,71), а №18 (dх10-3 =4,2; yх10-3 =8,4; Q-1 х10-3 = 2,0) по сравнению со сталью Ст20Х (dх10-3 =1,8; yх10-3 =2,1; Q-1 х10-3 = 0,50).

 

Таблица 2 – Акустические характеристики исследованных сплавов

 

Марка сплава

УЗД, дБ, в октавных полосах со среднегеометрическими частотами, Гц

Уровень звука (LA),

дБА

125

250

500

1000

2000

4000

8000

16000

Стандартные стали

 

А12

40

44

48

52

62

68

84

86

86

А20

41

49

46

47

57

67

78

84

80

А30

40

44

47

50

60

71

87

88

86

А35

40

42

46

47

58

66

76

86

80

А40Г

41

44

48

52

61

69

80

87

86

А11

45

46

48

56

65

72

78

87

86

АС40

43

47

46

54

62

72

80

87

86

АС14

41

45

48

59

69

75

82

88

86

АС35Г2

40

45

43

48

57

65

80

86

85

АС45Г2

41

45

44

49

61

67

82

86

85

А35Е

41

47

48

56

63

68

81

85

84

А45Е

41

47

48

56

63

68

80

86

84

А40ХЕ

40

45

46

54

61

67

78

82

83

Ст10

42

44

48

55

58

62

74

80

88

Ст20

44

46

48

53

61

67

79

84

90

Ст20Х

43

40

45

48

56

63

72

82

86

Разработанные стали

 

№1

43

44

48

49

61

66

86

87

84

№2

42

41

47

51

59

67

71

75

78

№3

41

44

45

50

58

66

72

75

77

№4

40

45

44

51

59

65

75

79

74

№5

42

38

47

53

58

66

77

85

78

№6

41

45

46

55

59

65

83

86

75

14

42

43

44

50

55

60

70

78

77

16

44

44

45

50

58

65

74

80

78

18

40

40

42

48

55

60

68

74

75

 

В результате проведенных исследований звукоизлучения и диссипативных свойств стальных пластин при соударении ударниками d=6; 8 и 11,2 мм выявлено, что УЗД по всем частотам (125-16000 Гц) изменяются следующим образом: для марок А11, АС14 и  АС40 и для марок А35, А40Г и А20 от 41 до 90 дБ; для сплавов №3, №4, №6 от 40 до 86 дБ. При этом УЗДmax =90 дБ у А11, АС14, А35, А40Г и А20 (d=8 мм), а у АС40 и А20 (d=11,2 мм) и УЗДmax=86 дБ у №6 при d=6 и 8 мм характерен для частоты 16 кГц, тогда как УЗmax=88 и 77 дБА соответственно.

Эффект DАЗДЗ (амплитудно зависимое демпфирование звукоизлучения) у стандартных марок в основном не наблюдается. Для разработанных сплавов (№3, 4, 6) эффект DАЗДЗ=2¸4 дБ на частоте 125-250 Гц, при соударении с ударниками d=8 и 11,2 мм и на частоте 2-4 кГц DАЗДЗ=3¸6 дБ при соударении с ударником d= 11,2 мм.  Точки совпадения УЗД наблюдаются на частоте 1 кГц при соударении ударниками d=8 и 11,2 мм.

Характеристика звукоизлучения разработанного сплава №4  при соударении с ударниками d=6; 8 и 11,2 мм показана на рисунке 4.

 

 

Рисунок 4 – Характеристика звукоизлучения стали №4 при соударении ударниками разного диаметра (d=6,0; 8,0 и 11,2 мм)

 

Для исследования демпфирующих свойств стандартных и разработанных сплавов по влиянию величины и вида термобработки выбраны следующие процессы: горячая ковка, отжиг и закалка. Изменение акустической характеристики после проведения горячей ковки произошло в связи с рекристаллизацией структуры сплавов. Если до ковки разработанные сплавы обладали диссипативными свойствами (4, 6 с УЗ=74 и 75 дБА), которому способствовали укрупненные зерна феррита и графита, то эта структура измельчилась при обработке горячей ковкой, что и привело к слабому рассеиванию звука.

Сплавы 4, 6, 3 и №14, №16, №18, характеризующиеся структурой феррита или феррита-перлита, обеспечивают более высокое гашение звуковой энергии. Тогда как стандартные образцы, имея в основном перлитную структуру, обладают пониженным вибропоглощением или имеют низкую степень гашения звуковой энергии. Способность гашения звуковой энергии связано с различной степенью анизотропии зерен перлита и феррита. Так как перлит является тонкодисперсной смесью феррита и цементита, то в связи с этим значительно слабее рассеивает звук, чем зерна феррита.

Сплав 4 (рисунок 5) обладает повышенной демпфирующей способностью среди  исследуемых сплавов. Соотношение легирующих элементов позволило обеспечить снижение шума более 10 дБА. Максимальное легирование углеродом и кремнием (0,5% и 0,37%) привело к возникновению структуры графита, что по всей вероятности и обеспечило повышение демпфирующих свойств.

 

   

                                      а                                             б

 

    

                                        в                                               г

 

а) литье; б) горячая ковка; в) отжиг; г) закалка

                                                                           

Рисунок 5 – Микроструктура сплава №4

 

В таблице 3 и на рисунке 6, приведены сравнительные акустические характеристики «тихого» сплава 4 после трех видов термообработки.

Закалка способствовала снижению уровня звука на 4 дБА (70 дБА) по сравнению с литым  (74 дБА) состоянием. Образование мартенситной структуры обеспечило повышение диссипации звуковой энергии, что и определило этот сплав как «тихий». У сплавов 3 и №14, №16, №18 повышенное демпфирование также обеспечивает закалка (УЗ уменьшился на 5 и 3 дБА соответственно). Для сплава 6 минимальное значение УЗД характерно для отжига и закалки (70¸72 дБ при частоте 8 и 16 кГц), где соответственно УЗ=72 и 70 дБА. Причиной такого демпфирования, скорее всего ускоренное укрупнение зерен и утолщение границ зерен.

Кроме того закалка привела к смещению области структурных резонансов у сплава 6. Полученные результаты эксперимента позволяют рекомендоватьиспользование этого сплава в закаленном состоянии для снижения максимума звукоизлучения на высоких частотах. Для снижения шума на средних частотах (125-500 Гц) эффективнее использовать его в отожженном и литом состоянии.

 

 

 

Таблица 3 – Сравнительная акустическая характеристика «тихого» сплава 4 в исходном состоянии (литье), после термообработки (горячая ковка, отжиг и закалка)

 

Марка сплава

Вид термо-

обработки

УЗД (дБ) в октавных полосах со среднегеометрическими частотами, Гц

Уровень звука, LА, дБА

125

250

500

1000

2000

4000

8000

16000

№4

литье

40

45

44

51

59

65

75

79

74

№4

горячая ковка

40

43

45

49

54

68

70

74

72

№4

отжиг

38

39

41

46

51

65

64

68

70

№4

закалка

36

38

39

43

49

62

61

65

70

 

 

Рисунок 6  Сравнительная акустическая характеристика «тихого» сплава 4 в исходном состоянии (литье) и после термообработки (горячая ковка, отжиг и закалка)

 

Исследования зависимости уровня звука от скорости затухания звука (СЗЗ) и удельного электросопротивления (r) при термообработке выявило, что процесс ковки привел к незначительным изменениям, то есть слегка повысил СЗЗ и понизил r, что не привело к изменению, а порой и повысило величину УЗ в сравнении с исходным состоянием. Отжиг повысил СЗЗ на две единицы и понизил r на 0,2 единицы, в свою очередь, понизив значения УЗ, что привело к не большому уменьшению звукоизлучения.

Все сплавы после закалки повысили СЗЗ на десятки единиц, а r на 0,5¸1,0, что позволило понизить УЗ в среднем на 4-8 дБА.

Для исследуемых образцов выявлена общая закономерность зависимости интенсивности шума (J) от интервала частот (f). При этом интенсивность шума на интервале частот от 150 до 500 Гц не зависит от значения частот, явяляясь случайной величиной. Выше 1 кГц и далее до 16 кГц (в нашем случае) интенсивность шума является экспоненциальной функцией: J0 (f)=, где  и определяются экспериментально.

В разделе 5 приведена математическая модель для исследования звукоизолирующих и диссипативных характеристик образцов, выполненных в виде пластинок размером 50×50×5 мм. Образцы подвергались воздействию плоской звуковой волны в волновод-трубке (d=32 мм, L=85 мм). Звуковые волны возбуждались динамическим громкоговорителем через переходник, установленный на одном конце трубы-волновода. С другой стороны, к торцу трубы на упругом клее крепился испытуемый образец. В эксперименте звукоизолирующая способность образца определялась по изменению уровня звукового давления, измеряемого вблизи торца трубы в отсутствие образца и при его наличии. Для аналитического описания частотных зависимостей звукоизолирующей эффективности образцов использовался метод звукопереходных матриц элементов рассматриваемой механоакустической структуры. Для упругого слоя матрица имеет вид:

 

                          

                                   (11)


где Pо
и Vо полное звуковое давление (равное сумме давлений в падающей и отраженной от слоя волнах) и колебательная скорость на входной границе слоя; P2 и V2 те же параметры в волне, прошедшей через слой;   набег фазы звуковой волны на толщине  слоя; С – скорость продольной волны в материале слоя;   волновое сопротивление для плоской волны.

В случае состыкованных отрезков трубопровода матрица принимает вид:

 

                  

                                (12)                   

 

 

Здесь  и   объемные скорости (потоки колеблющегося вещества); S – сечение трубопровода.

Механический импеданс динамика:

 

,

 

где Mg – полная масса  (подвижной части динамика), кг; wp – резонансная частота динамика в свободном пространстве, ηg – величина коэффициента потерь.

Переходная матрица динамика, таким образом, имеет вид: ,        (13)

где                                ;          ;

 

, где ,  – коэффициент статистической жесткости подвеса диффузора.

Переходная матрица трубы-волновода:,                              (14)

где ; L2 – длина трубки волновода вместе с переходником под динамик; C0 – скорость звука в воздухе;  ,

где     волновое сопротивление воздуха.

Переходная матрица пластины имеет вид: ,                                    (15)

где параметр  переходной матрицы пластины составляет

и равен ,

 

где   Sпл=  площадь пластины.

 

Обобщенная матрица последовательно соединенных элементов рассматриваемой структуры:

 

                                                                             (16)

 

Отношение давлений на выходе и входе структуры дается соотношением:

 

                                      ,                                            (17)

где   импеданс нагрузки (излучения) на выходе структуры (в нашем случае,  либо ).

Входной импеданс n - слойной (элементной) структуры составляет:

                                 .                                      

 

Коэффициент отражения давления Rp на границе элементов, расположенных внутри структуры, составляет:

 

                                             ,                                                    

 

где   входные импедансы совокупности элементов.

Отношение давления у открытого конца трубы (в отсутствии испытуемого образца, Р3 ) и эквивалентного давления (Pg), возбуждающее движение диффузора,  для трубы-волновода с открытым концом (рисунок 7):

                 

                              ,                                                 (18)

                                  

где    ;   

 

 

 

 

 

 

 


Рисунок 7 − Волновод с открытым концом

                

Для трубы-волновода с прикрепленным на конце испытуемым образцом (рисунок 8):

 

                            ,                                                  (19)

 

где P4 – давление снаружи испытуемого образца

 

 

 

 

 

 

 

 


Рисунок 8 − Волновод, нагруженный на испытуемую пластину

На основе выражений (18) и (19) получается искомое отношение давлении:

 

                        .                                 (20)

 

Далее определим связь полученной величины ЭЗИ= со стандартной величиной звукоизоляции ЗИ=, где  - давление в падающей на испытуемый образец звуковой волне, когда он присоединен к трубе-волноводу. Используя полученное ранее выражение (19) для  и выражение , можно заменить отношение звуковых давлений с нагрузки испытуемого образца и падающего на него внутри волновода:

 

                  .                            (21)

 

Сравнивая выражения (20) и (21), можно заключить, что

 

                                              ,                                                         (22)

 

где      ; ЗИ=ЭЗИ.

 

По формулам (20) и (21) рассчитываем звукоизолирующую способность образца по изменению величины звукового давления на выходе трубы-волновода в зависимости от крепления испытуемого образца и величину его стандартной звукоизоляции, определяемой по коэффициенту прохождения звукового давления через образец. Аналитически полученные формулы могут быть использованы при расчете акустических характеристик в производственных цехах, с целью уменьшения шума на рабочих местах.

В разделе 6  приведены результаты исследований по созданию сталей с повышенной звукоизоляцией. Сравнивали акустические свойства стандартных материалов: серый чугун (СЧ20), дюралюминий (Д16), текстолит (ПТ, ПТК), оцинкованное железо (ОЦ), органическое стекло (СОЛ: ст-1,2-55) и разработанные сплавы №14, №16,  №18 и Ст20Х (таблица 4, рисунок 9).

Данные акустических характеристик материалов показали, что повышенными демпфирующими свойствами обладают текстолит, органическое стекло и оцинкованное железо по сравнению со стандартным серым чугуном и дюралюминием.

Но так, как текстолит и органическое стекло относятся к не прочным, т.е. недолговечным материалам, а оцинкованное железо по сравнению с серым чугуном и дюралюминием по своим прочностным и технологическим характеристикам уступают последним, то исследования сравнительных характеристик звукоизлучения, демпфирования и звукоизоляции было целесообразно проводить над стандартным серым чугуном и дюралюминием в сравнении со стандартным и разработанными листовыми сталями.

 

Таблица 4 Акустические характеристики исследуемых образцов при соударении ударниками разных диаметров

 

Диаметр ударника, мм

Марка

образца

УЗД, дБ, в октавных полосах со среднегеометрическими частотами, Гц

Уровень звука (LA),

дБА

125

250

500

1000

2000

4000

8000

16000

6,0

СЧ20

46

47

47

48

58

64

78

82

80

Д16

45

49

52

60

66

70

80

86

84

Ст20Х

43

44

45

48

56

63

72

82

86

14

42

40

44

50

55

52

64

76

77

16

44

42

45

50

58

55

68

80

78

18

40

34

42

48

55

48

60

72

75

8,0

СЧ20

48

46

46

50

60

70

78

80

86

Д16

47

52

52

55

70

74

82

84

88

Ст20Х

45

46

48

55

60

70

76

82

90

14

43

49

47

53

65

66

78

80

80

16

45

47

48

55

60

68

77

84

82

18

42

47

47

50

62

65

70

72

78

11,2

СЧ20

48

49

48

54

66

74

80

83

85

Д16

47

49

55

62

72

76

82

86

86

Ст20Х

46

48

48

55

66

68

80

84

90

14

43

41

45

51

62

59

68

80

80

16

44

42

46

52

63

60

70

82

80

18

40

43

43

50

60

53

62

74

78

 

Результаты сравнения характеристики звукоизлучения при соударении с ударниками (d=6; 8 и 11,2 мм) показали, что УЗ у образцов №14, №16 и №18 понижается в среднем на 8-12 дБА, чем у Ст20Х, на 2-8 дБА чем у СЧ20 и на 6-10 дБА чем у Д16. Значение УЗД у разработанных сплавов со сравниваемыми материалами понижены в среднем на 2-10 дБ при соударении с ударником d=11,2 мм по всем частотам, тогда как при соударении с  ударниками 6,0 и 8,0 мм УЗД понижается на 4-8дБ на частотах 2-16 кГц. На других частотах (125-1000 Гц) УЗД понижено – на 2-6 дБ. Таким образом, разработанные сплавы №14, №16, №18 по сравнению с Ст20Х,  СЧ20 и Д16 обладают повышенными демпфирующими свойствами, которые ярко выражаются при увеличении массы ударника на частотах выше 4 кГц.

Характер кривых звукоизоляции образцов Ст20Х , №16 и №18 имеет следующий вид: в диапазоне частот 125-16000 Гц звукоизоляция стандартной и разработанных сталей изменяется в пределах  20-40 дБ, 16-38 дБ и 10-33 дБ соответственно; максимальная звукоизоляция для  Ст20Х  40 дБ характерна при частоте 8-16 кГц, тогда как для разработанных сталей 33-38 дБ наблюдается при частоте 1-16 кГц (рисунок 9).

Область резонансов для стандартных и разработанных образцов  наблюдается на частотах: 1-4 кГц (DАЗДЗ=4 дБ для СЧ20 и Ст20Х; DАЗДЗ=7 дБ для №16), 1-8 кГц (DАЗДЗ=2÷6 дБ для №16; DАЗДЗ=4÷7 дБ для №18) и 4-16 кГц (DАЗДЗ=2 дБ для Ст-1,2-55). Кривые звукоизоляции изменяются согласно определенной закономерности на низких частотах до 500 Гц, при которых значения звукоизоляции низкие, и для стандартных марок колеблются от 18 до 44 дБ, а для разработанных – от 10 до 28 дБ. На частотах  1 и 16 кГц замечаем пики звукоизоляции (для стандартных образцов 50-58 дБ, для разработанных образцов 33-38 дБ), тогда как при частоте 2-4 кГц характерно снижение показателей звукоизоляции для образцов СЧ20, Ст20Х, №14, №16, №18 и ПТ, ПТК.

 

 

Рисунок 9 − Характеристика звукоизоляции исследуемых твердых образцов (Д16, СЧ20, ПТ и ПТК, ст-1,2-55, ОЦ, стандартная (Ст20Х) и разработанные (№14, №16, №18) листовые стали).

 

Исследования по сравнению характеристик звукоизлучения и звукоизоляции проводили над образцами Ст20Х, №14, №16 и №18, так как они излучают наименьшие уровни звука при соударении и обладают лучшими показателями звукоизоляции в сравнении со способностью звукоизлучения и звукоизоляции таких материалов, как чугун, дюралюминий, органическое стекло, текстолит и оцинкованное железо (таблица 5).

В целом увеличение звукоизлучения на низких, средних и высоких частотах (125-16000 Гц) дает снижение звукоизоляции в 2 раза у всех исследуемых материалов; эффект резонанса наблюдается у чугуна при частоте 1-4 кГц, где уменьшение звукоизлучения на 4 дБ повышает звукоизоляцию на 12 дБ; у дюралюминия на частоте 250-500 Гц уменьшение звукоизоляции на 2 дБ дает повышение звукоизлучения на 2 дБ; у Ст20Х и №14, №16 и №18 сталей эффект резонанса наблюдается на частотах 1-2 кГц, т.е. уменьшение звукоизоляции на 4-7 дБ вызывается с повышением звукоизлучения на 10-12 дБ.

 

Таблица 5 – Сравнение  акустических  характеристик материалов,  стандартного и разработанных сталей

 

Марка образца

Акустическая характеристика

УЗД, дБ, в октавных полосах со среднегеометрическими частота, Гц

Уровень звука (LA),

дБА

125

250

500

1000

2000

4000

8000

16000

Д16

звукоизоляция

26

24

36

38

44

50

56

58

63

*звукоизлучение

47

49

55

62

72

76

82

86

86

СЧ20

звукоизоляция

18

22

30

36

32

36

40

42

48

*звукоизлучение

48

49

48

54

66

74

80

83

85

ПТ, ПТК

звукоизоляция

18

22

28

30

36

36

35

38

44

*звукоизлучение

45

47

52

56

53

64

76

87

82

 СТ-1,2-55

звукоизоляция

24

28

36

48

50

52

50

52

61

*звукоизлучение

50

52

53

58

56

64

75

78

86

ОЦ

звукоизоляция

26

32

44

50

52

54

56

58

66

*звукоизлучение

47

55

51

63

67

77

83

91

92

Ст20Х

звукоизоляция

20

24

34

38

34

38

40

40

52

*звукоизлучение

46

48

48

55

66

68

80

84

90

14

звукоизоляция

14

18

26

35

28

33

35

36

43

*звукоизлучение

43

41

45

51

62

59

68

80

80

16

звукоизоляция

16

20

28

36

30

32

36

38

46

*звукоизлучение

44

42

46

52

63

60

70

82

80

18

звукоизоляция

10

16

26

33

26

30

33

33

42

*звукоизлучение

40

43

43

50

60

53

62

74

78

 

* - все данные по звукоизлучению взяты при соударении исследуемых материталов ударником d=11,2 мм.

 

При соударении разработанных образцов с ударниками d=6 и 11,2 мм на низких частотах Δ АЗДЗ=2-8 дБ, а на высоких частотах Δ АЗДЗ=3-7 дБ. Для стандартных материалов этого эффекта не обнаружено.

Эффект волнового совпадения звукоизлучения наблюдается на частотах 250-500 Гц у образца №18 при УЗД =43 дБ и у Ст20Х при УЗД=48 Дб, а также у СЧ20 на частотах 120 и 500 Гц при УЗД =48 дБ. Кроме того, выявлен эффект волнового совпадения по звукоизоляции у образца №18 на частотах 1;8 и 16 кГц при УЗД=33 дБ и у образцов  №14 и №16 на частотах 1и 8 кГц при УЗД =35 и 36 дБ, а также у Ст20Х на частотах 500 и 2000 Гц при УЗД=34 дБ и высоких частотах 1 и 4 кГц (УЗД=38 дБ), 8 и 16 кГц  (УЗД=40 дБ); у образца СЧ20 на частотах 1 и 4 кГц при УЗД=36 дБ.

У разработанных сплавов рост звукоизоляции соответствует снижению звукоизлучения, а звукоизоляционные свойства выше, чем у Ст20Х от 6 до 12 дБ. Среди разработанных образцов звукоизоляционные свойства наиболее ярко выражены у сплава №18. Обратная зависимость звукоизлучения и звукоизоляции для разработанных образцов характерна на средних частотах, которые хорошо воспринимаются слуховым органом человека.

В разделе 7 приведено технико-экономическое обоснование результатов исследований. Результаты выполненных технико-экономических расчетов свидетельствуют о перспективности разработки автоматных сплавов с диссипативными, демпфирующими свойствами и целесообразности применения их с целью уменьшения шума на рабочих местах производства. Ожидаемый экономический эффект по результатам внедрения составляет в общей сумме 2622502 тенге в год.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

В диссертации на основании выполненных работ изложены научно обоснованные технические решения по исследованию демпфирующих свойств стандартных автоматных сталей и разработаны новые сплавы этого класса, обладающие высоко демпфирующими свойствами с пониженной акустической эмиссией и повышенной звукоизоляцией, позволяющие при использовании их значительно  снизить уровень производственного шума.

Основные научные результаты, выводы и практические рекомендации по результатам проведенных исследований заключаются в следующем:

1 Исследована  связь дислокационных явлений в кристаллической структуре  с диссипацией и акустической эмиссией звуковой энергии металлов и сплавов.

2 Разработана математическая модель, описывающая диссипацию звуковой энергии на плоскости однородного твердого тела (образца).

3 Разработана математическая  модель, описывающая звукоизолирующие и диссипативные характеристики металлических материалов в зависимости от уровня звукового давления у открытого конца трубы, волновой импедансной характеристики и эквивалентного звукового давления, позволяющие сравнить экспериментальную и теоретическую звукоизоляцию, способствующая проведению экспериментальных исследований, направленных на уменьшение шума на рабочих местах.

4 Предложены зависимости по определению звукового давления у открытого конца металлической трубы от сечения трубопровода и эквивалентного звукового давления, возбуждающего движение диффузора и входных импедансов для использования при расчете акустических характеристик в шумном цехе.

5 На основе экспериментов получена расчетная формула, позволяющая определить коэффициенты прохождения звукового давления через звукоизолирующую преграду (пластину) в зависимости от звукового давления как при открытом, так и при закрытом состоянии конца трубы, а также с учетом волновых импедансных характеристик эквивалентного звукового давления упругого слоя, при которых повышаются диссипативные свойства исследуемого образца.

6  По проведенным расчетам акустических сопротивлений на границе раздела среды «металл-воздух», «воздух-металл» и «металл-металл» установлено, что для исследуемых образцов сталей диапазоны потока энергии проходящей волны позволили выявить звукоизоляционные свойства разрабатываемых сплавов, при использовании которых достигается снижение шума на производстве до допустимой нормы.

7  Научно обоснованно, что затухание энергии звуковых волн связанно с амплитудной зависимостью внутреннего трения и легированием сплавов системы «железо – хром – марганец» при повышенном содержании серы и фосфора, что показало понижение уровня звукового давления в среднем до 8 дБ и уровня звука в среднем до 12 дБА в сравнении с известными марками как автоматных, так и листовых сталей.

8 На основании исследования и анализа механических характеристик сталей и осциллограммы звуковых колебаний образцов выявлено, что у разработанных сплавов прочностные характеристики не отличаются от используемых на производстве сталей, а также демпфирующие свойства разработанных сплавов намного выше по сравнению со стандартными сталями, так как внутреннее трение сплавов 3, 4, 6 и №18 в среднем на 3 и 5 единиц выше значений внутреннего трения стандартных сталей и на 2 единицы выше от разработанных сталей (1, 2, 5 и №14, №16).

9 По результатам исследований установлены оптимальные содержания легирующих элементов (Mn, Cr и Si) в разработанных демпфирующих сплавах. Применительно к исследуемым сплавам №14, №16 и №18 установлено, что в этих образцах снижение звукоизлучения повышает звукоизоляцию. При этом эффект амплитудно зависимого демпфирования звукоизлучению (А3Д3) на низких частотах соответствует 2-6 дБ, а на высоких частотах – 3-7 дБ. Экспериментально установлено, что наиболее оптимальными акустическими показателями обладает сплав №18 с эффектом ΔА3Д3=7 дБ, при использовании которого в качестве  звукоизоляционного материала возможно существенно снизить шум.

10 Разработаный состав автоматной стали №4, обладая демпфирующими свойствами, снижает структурный шум в источнике возникновения на 8-12 дБ, а №18 уменьшает воздушный шум (изоляция за счет большой плотности) на 6-8 дБ на средних и высоких частотах, что позволяет создать комфортные условия труда на производстве.

11 Установлена обратно пропорциональная связь между звукоизлучением при соударении и звукоизоляцией твердого материала, заключающаяся в характере изменения уровня звукового давления соударяющихся образцов, что обусловлено резонансными частотами и эффектом волнового совпадения, отличающиеся при условиях звукоизоляции. Показатели звукоизлучения и звукоизоляции образцов изменяются в зависимости от частоты.

12 Разработанные сплавы с повышенными демпфирующими свойствами №3, №4, №6 и №14, №16, №18 рекомендованы для изготовления деталей и частей механизмов на промышленных предприятиях после отжига и закалки, которые, снижая звукоизлучение на 8-12 дБА и повышая звукоизоляцию на 6-8 дБ, улучшают условия труда рабочих.

Оценка полноты решения поставленных задач. Задачи, поставленные в диссертации решены полностью. Результаты исследований внедрены в производство и защищены авторскими свидетельствами № 2007/0683.1, №2007/0685.1 и № 2007/0409.1,  решениями о выдаче инновационного патента РК на изобретение.

Разработка рекомендаций и исходных данных по конкретному использованию результатов. Полученные результаты работы могут быть рекомендованы промышленным предприятиям, характеризующимся повышенным уровнем шума.

Оценка технико-экономической эффективности внедрения. Опытно промышленные испытания исследований проведены на предприятиях г. Тараз ТОО «Калибр» и ТОО «Таразский литейно-механический завод» с последующим внедрением. Экономический эффект составляет 2622502 тенге в год.

Оценка научного уровня выполненной работы в сравнении с лучшими достижениями в данной области. Предлагаемая дислокационная  и акустическая модель звукопоглощения в плоскости однородного твердого тела и математическая модель звукоизолирующих и диссипативных характеристик сталей позволяют рассчитать акустические характеристики и звукоизоляцию без проведения трудоемких экспериментальных исследований. Синтезированные новые стали системы Fe-Cr-Mn с механизмом диссипации звуковой энергии и пониженной акустической эмиссией обеспечивают повышенное демпфирование с достаточными физико-механическими характеристиками, способствуя снижению шума на производстве.

 

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

 

1 Омирбай Р.С. Исследование характеристик вибрации металлических материалов  //Вестник КазНТУ имени К.И.Сатпаева. – 2005. - №3(47). - С.62-66.

2 Омирбай Р.С. Влияние термической обработки на демпфирующие свойства автоматных сталей  //Наука и образование Южного Казахстана. 2006. - №7(56). - С.94-98.

3 Омирбай Р.С. Исследование демпфирующих свойств автоматных марок сталей  //Вестник КазНТУ имени К.И.Сатпаева. – 2007. - №1/1(58) , с.183-187.

4 Омирбай Р.С. Метод расчета уровня звука при соударении с использованием разложений мод в пространстве Фурье-спектр //Вестник КазНТУ имени К.И.Сатпаева. – 2007. - №1/1(58). - С.187-191.

5 Омирбай Р.С. Исследование математической связи между экспериментальной и стандартной звукоизоляцией //Вестник Казахской Академии Транспорта и Коммуникации им. М.Тынышбаева. – 2008. - №1.-         С. 232-235.

6 Омирбай Р.С. Моделирование звукоизолирующей характеристики автоматных сталей //Поиск. Научный журнал Министерство образования и науки. – 2008. - №2. - С. 181-182.

7 Омирбай Р.С. Новые сплавы с диссипативными свойствами на основе железа  //КАХАК. ИЗВЕСТИЯ научно-технического общества. – 2009, №3 (25). - С.49-56.

8 Омирбай Р.С. Исследование влияния химического состава сталей на их демпфирующие свойства и акустические характеристики //Известия ВУЗов. Журнал Министерства образования и науки Кыргызской Республики. – 2007. - №3-4. - С.44-46.

9 Омирбай Р.С. Расчет звукоизолирующей способности стальной пластины с использованием математического моделирования //Наука и новые технологии. Журнал Министерства образования и науки Кыргызской Республики. – 2007. - №3-4. - С.10-12.

10 Омирбай Р.С. Сравнение акустических характеристик звукоизоляционных материалов. //Материалы Международной научно-практической конференции. «Актуальные проблемы безопасности жизнедеятельности: интеграция науки и практики» Федеральное Агентство по образованию. Ставропольский Государственной университет: -  Ставрополь: Сервисшкола, 2008. - С.161-163.

11 Омирбай Р.С. Связь демпфирующих свойств с шумами Баркгаузена.                   //Труды VI Международной научно-технической конференции «Новое в безопасности жизнедеятельности» (охрана труда, экология, валеология, защита человека в ЧС, токсикология ). - Алматы: КазНТУ им. Сатпаева, 2006. - Ч.1. - С.157-160.

 12 Омирбай Р.С. Методы снижения шума ударного происхождения.                      //Труды VI Международной научно-технической конференции «Новое в безопасности жизнедеятельности» (охрана труда, экология, валеология, защита человека в ЧС, токсикология ). - Алматы: КазНТУ им. Сатпаева, 2006. - Ч.1. - С.161-165.

13 Омирбай Р.С. Исследование характеристик вибрации при соударении ударниками разной массы.  //Безопасность жизнедеятельности (охрана труда, защита в чрезвычайных ситуациях, экология, валеология, токсикология, экономика и организация производства). - Алматы: КазНТУ, 2005. – Вып. 2 - С.101-105.

14 Омирбай Р.С. Исследование характеристик вибрации металлических материалов.  //Безопасность жизнедеятельности (охрана труда, защита в чрезвычайных ситуациях, экология, валеология, токсикология, экономика и организация производства): сборник научных трудов. -  Алматы: КазНТУ,  2005. - Вып. 2. - С.106-111.

15 Омирбай Р.С. Влияние физико-механических свойств сталей на ее демпфирующие свойства. //Труды VII Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы безопасности жизнедеятельности» (охрана труда, экология, валеология, защита человека в ЧС, токсикология, экономические и правовые аспекты БЖД). - Алматы: КазНТУ, 2005. - С.92-95.

16 Омирбай Р.С. Влияние химического состава сплавов на его демпфирующие свойства. //Труды VIII Международной научно-технической конференции «Новое в безопасности жизнедеятельности (охрана труда, экология, валеология, защита еловека в ЧС, токсикология, экономические, правовые и психологические аспекты БЖД, логистика)». - Алматы: КазНТУ, 2006. – С.21-25.

17 Омирбай Р.С. Изучение процессов соударения при разработке демпфирующих сплавов //Механика и моделирование процессов технологии. – 2004. - №2.- С.288-291.

18 Омирбай Р.С. Исследование амплитудной зависимости внутреннего трения легированных сплавов //Механика и моделирование процессов технологии. – 2004. - №2. - С.302-305.

19 Омирбай Р.С. Исследование звукоизлучения. //Безопасность жизнедеятельности (Охрана труда, защита человека в ЧС, экономические, правовые и психологические аспекты БЖД, экология): сборник научных трудов КазНТУ. - Алматы,  2007- Вып. 3. - С.5-12.

20 Омирбай Р.С. Исследование демпфирующих свойств стандартных и разработанных автоматных сталей. //Безопасность жизнедеятельности (Охрана труда, защита человека в ЧС, экономические, правовые и психологические аспекты БЖД, экология): сборник научных трудов КазНТУ. - Алматы,  2007. - Вып. 3. - С.13-19.

21 Омирбай Р.С. Исследование характеристики звукоизлучения при соударении стальных пластин с шарами ударниками разных диаметров                  //Труды IX Международной научно-технической конференции. «Новое в безопасности жизнедеятельности (ОТ, экология, валеология, защита человека в ЧС, токсикология, экономические, правовые и психологические аспекты БЖД, логистика)» – Алматы: КазНТУ, 2007. - Т. 1. .15-18.

22 Омирбай Р.С. Звукоизлучение и демпфирующие свойства при соударении стальных пластин //Труды IX Международной научно-технической конференции. «Новое в безопасности жизнедеятельности (ОТ, экология, валеология, защита человека в ЧС, токсикология, экономические, правовые и психологические аспекты БЖД, логистика)»: сборник научных трудов.Алматы: КазНТУ, 2007. - Т. 1. - С.19-24.

23 Омирбай Р.С. Исследование звукоизлучений и звукоизоляции образцов стали и твердых материалов в обеспечении понижения шума на рабочих местах производства //Труды X Международной научно-технической конференции. «Новое в безопасности жизнедеятельности, (ОТ, экология, защита человека в ЧС,  экономические, правовые аспекты БЖД, логистика)» -  Алматы: КазНТУ, 2009. - С. 398-401.

24 Омирбай Р.С., Утепов Т.Е., Сейтбекова М.С., Абдиев К.И. Исследование внутреннего трения демпфирующих легированных железоуглеродистых сплавов  //Вестник Казахского национального технического университета имени К.И.Сатпаева. - Алматы, КазНТУ. –  2004. - № 2 (40). - С.47-52.

25 Утепов Е.Б., Омирбай Р.С., Кожахан А.К. Использование демпфирующего материала в технике борьбы с шумом. //Материалы V Международной научно-технической конференции «Новое в охране труда, окружающей среды и в защите от чрезвычайных ситуаций». - Алматы: КазНТУ, 2002. - Ч. 1.- С.247-251.

26 Сулеев Д.К., Утепов Е.Б., Омирбай Р.С., Кожахан А.К. Изучение характеристик источника шума. //Материалы V Международная научно-техническая конференция «Новое в охране труда, окружающей среды и в защите от чрезвычайных ситуаций». – Алматы: КазНТУ, 2002. .242-246.

27 Утепов Е.Б.,  Умирбаева Р.С.,  Кожахан  А.К.  «Снижение шума в источнике возникновения //Материалы V Международной научно-технической конференции «Новое в охране труда, окружающей среды и защите человека в чрезвычайных ситуациях», ч.1. – Алматы: КазНТУ, 2002. – С.267-271.

28 Сулеев Д.К., Омирбай Р.С., Тусупкалиева Э.А., Войцеховский И.Н. Снижение шума ударного происхождения в направляющих трубах токарных автоматов.  //Международная конференция «Инженерное образование и наука в ХХI веке». - Алматы, 2004.- С.64-67.

29 Сулеев Д.К., Омирбай Р.С., Шевцова В.С. Исследование шума соударения трубчатых образцов. //Труды республиканской научной конференции «Молодые ученныебудущее науки». - Алматы: КазНТУ им. Сатпаева, 2002. - С.56-59.

30 Утепов Е.Б., Омирбай Р.С., Акубаева Д.М., Исаханова А.Б. Демпфирующие стали с высокими механическими свойствами. //Труды республиканской научной конференции «Молодые ученныебудущее науки». -  Алматы: КазНТУ им. Сатпаева, 2002. - Ч.1.- С.72-76.

31 Омирбай Р.С., Актаева Б.Г, Батесова Ф.К, Акустические свойства чугунного образца //Труды VII Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы безопасности жизнедеятельности (охрана труда, экологи, валеология, защита человека в ЧС, токсикология, экономические аспекты БЖД)» том 1. - Алматы: КазНТУ, 2005. - С.89-92.

32 Омирбай Р.С., Батесова Ф.К. Исследование вибрационных свойств образцов из стали //Наука и образование Южного Казахстана. – 2006. - №7(56). - С.73-76.

33 Пат.  № 21121 Железоуглеродистый сплав «КазНТУ II». /Сулеев Д.К., Утепов Е.Б., Омирбай Р.С., Карменов К.К, Утепова Г.Е., Жумадилова Ж.О., Куттыбаев С.К.; опубл. 15.04.2009, Бюл.№4.

34  Пат. № 21005 Сплав «КазНТУ IV» на основе железа /Сулеев Д.К., Утепов Е.Б., Омирбай Р.С. Утепов Т.Е., Батесова Ф.К., Акубаева Д.М, Утепова Г.Е.; опубл.: 16.03.2009, Бюл.№3.

35  Пат. №21006 Сплав на основе железа  /Сулеев Д.К., Утепов Е.Б., Омирбай Р.С. Утепов Т.Е., Батесова Ф.К., Жумадилова Ж.О.; опубл. 16.03.2009, Бюл.№3.

 

 

 

 

 

 

 

 

Түйін

 

ӨМІРБАЙ РОЗА СҮЛЕЙМЕНҚЫЗЫ

 

Жоғары  диссипативті   қасиеттері  бар материалдарды пайдалана  отырып ғылыми негізделген тиімді еңбек  шарттарын  құру

 

 05.26.01 – Еңбек  қорғау  мамандығы

 

Зерттеу объектісі металды машина бөлшектері соққысынан жоғары деңгейдегі шу бөлетін өнеркәсіп салалары.

Жұмыстың мақсаты жоғары демпферлік қаситтерге ие, сонымен қатар жоғары жұтылу энергиясымен, төменгі акустикалық эмиссиямен сипатталатын материалдарды қолдана отырып, қалып еңбек шартын құрудың ғылыми негіздерін жасау.

Зерттеу әдістері. Кешенді әдістерді қолдана отырып, атап айтқанда, жасалған қорытпалардың дыбыстық сәулелену сипатын зерттеу, зерттелген материалдардың демпферлік және дыбыс оқшаулау қасиеттерін зерттеуде теориялық және тәжірибелік зерттеулер жүргізілді. Патенттік іздену және отандық және шетелдік зерттеушілердің жұмысымен аналитикалық әдеби талдаулар жүргізілген. Диссертацияда дыбыс қысым деңгейін есептеудің теориялық әдістері, сонымен қатар классикалық және энергетикалық, сонымен бірге біртекті қатты дене жазықтығында дыбыс жұтылудың математикалық моделі жасалып, үлгілердің дыбыс оқшаулау және диссипативтік мінездемелеріне есептер жүргізілді.

Қорғауға шығарылатын негізгі ғылыми қағидалар мен нәтижелер:

1 Зерттелген қорытпалардың кристалды құрамындағы дислокация жазықтығынан дыбыс энергиясының диссипативті және акустикалық эмиссиялық қасиетінің тәуелділігі, өндірістік жағдайда дыбыстық сәулелену шамасын анықтауға мүмкіндік береді. Қорытпалардың  диссипациялық  және  акустикалық қасиеттерімен  тығыз байланыста   кристалл құрылымның зерттелген  дислокациялық  моделі.

2 Соңғы  элементтер әдісімен  дайындалған  қорытпа  кесіндісіндегі  дыбыс  қысымы  таралуының  математикалық моделі (жазық  міндет),  болашақта жұмыс орнындағы дыбыстық қысым деңгейін есептеуге мүмкіндік береді.

3 Шулы  цехта  акустикалық  сипаттамаларды  есептеуде  пайдалануға  болатын металл  құбырдың соңғы ашық бөлігінде дыбыс қысымын анықтауға  арналған аналитикалық математикалық  формула, ол  құбырдың кесіндісінде, диффузор қозғалысын қоздыратын   эквивалентті  дыбыс  қысымына, кіру  импеданстарына  тәуелді. 

4 Дыбыс оқшаулау   кедергісі  (пластина) арқылы өтетін  дыбыс  қысымы   коэффициентін  анықтауға арналған  теориялық  шығарылған  формула,  ол  үлгісіз  құбырдың  ашық  соңғы   бөлігіндегі  дыбыс  қысымына,  толқындық  импеданс  қасиеттеріне,  серпімсіз қабаттың   эквивалентті  дыбыс  қысымына тәуелді,  шулы цехтарда акустикалық қаситеттерді есептеуде қолдануға болады.

5 Синтезделген легірлі болаттар №3 , №4, №6, №14, №16, №18 Fe-Cr-Mn жүйесіндегі дыбыстық энергиялы диссипация механизмімен жасалған гетерогенді құрылымды металды емес қосылыстар (силицидтер) өлшемі 100-120 мкм, яғни дыбыстық толқын қорғаны болады және демпферлеудің амплитудалық-тәуелді физикалық тиімділігі белгіленген, дыбыстық тербеліс диссипациясында діріл амплитудасының өсуінде өндіріс орнында соққы кезінде өндірістік шу деңгейін төмендетуге әкеледі, сондай-ақ жұмысшының еңбек шартын жақсартады.

Ғылыми жаңалықтар:

-  қорытпалардың   диссипациялық  және  акустикалық қасиеттермен  тығыз  байланыста   кристалл құрылымның  дислокациялық  моделі ұсынылған;

 - дыбыстық қысымның қорытпа кесіндісінде таралуы кристалды материал дислокациясының өлшеміне тәуелді екендігі белгіленген;

- дыбыс қысымы деңгейінің ашық құбырдың соңғы ашық бөлігіндегі құбыр қимасынан және эквивалентті дыбыстық қысымға тәуелділігінің,  аналитикалық формуласы диффузор қозғалысын қоздыратын   эквивалентті  дыбыс  қысымына, кіру  импеданстарына  тәуелді. 

- дыбыс оқшаулау   кедергісі  (пластина) арқылы   өтетін  дыбыс  қысымы   коэффициентін  анықтауға  арналған  теориялық  формула алынған,  ол  үлгісіз  құбырдың  ашық  соңғы   бөлігіндегі  дыбыс  қысымына,  толқындық  импеданс  қасиеттеріне,  серпімсіз қабаттың   эквивалентті  дыбыс  қысымына тәуелді;

- жоғары диссипативті қаситеттерге ие жаңа легірлі автоматты (№3, №4 және №6) және беттік (№14, №16 және №18) болаттар жасалған;

- дыбыстық тербеліс диссипациясымен байланысты, діріл амплитудасының өсуіне әкелетін демпферлеудің амплитудалық-тәуелді физикалық эффектісі ұсынылған.

Негізгі конструктивті, технологиялық және технико-эксплуатациялық мінездемелері: Қорытпалардың химиялық құрамы: №3 (0,45% С; 0,35% Si; 1,40% Mn; 1,0% Cr; 0,35% S және P, қалғаны - темір), №4 (0,50% С; 0,37% Si; 1,7% Mn; 1,2% Cr; 0,4% S және  0,5% Р, қалғаны - темір) және №6 (0,45% С; 0,35% Si; 1,4% Mn; 0,9% Cr; 0,30% S; 0,40% P; қалғаны - темір); №14 (0,20% С; 0,40% Si; 0,70% Mn; 1,05% Cr; 0,045% S;  0,040% P; қалғаны – темір), №16 (0,24% С; 0,40% Si; 0,70% Mn; 0,3% Cr; 0,045% S; 0,04% P; қалғаны – темір), №18 (0,25% C; 0,40% Si; 0,85% Mn; 1,5% Cr; 0,045% S; 0,04% P; қалғаны – темір); механикалық  қасиеттері №3 (σв=510МПа, σт=340МПа, δ5=20%, ψc=30%, НВ=164), №4 (σв=550МПа, σт=320МПа, δ5=19%, ψc=29%, НВ=181), №6 (σв=640МПа, σт=380МПа, δ5=16%, ψc=27%, НВ=220); №14 (σв=430МПа, σт=255МПа, δ5=27%, ψc=60%, НВ=170); №16 (σв=415МПа, σт=245МПа, δ5=23%, ψc=62%, НВ=160); №18 (σв=820МПа, σт=665МПа, δ5=15%, ψc=9%, НВ=175). Дайындалған  қорытпалар  дыбыс  бөлуді   8-12 дБА  төмендетеді және дыбыс  оқшаулауды 6-8 дБ арттырып, жұмыскерлердің  еңбек  шарттарын  жақсартады. 

Ғылыми-зерттеу жұмысын енгізу дәрежесі:

- автоматты  және беттік болаттардың  акустикалық,  диссипациялық, бәсеңдету және  дыбыс оқшаулау   қасиеттерін  бағалау;

- өндірісте еңбек  шарттарын  жақсартатын  жоғары  бәсеңдету  және  дыбыс  оқшаулау  қасиеттеріне  ие  жаңа  автоматты  №3, №4 және №6 және беттік  №14, №16, №18 (Cr, Mn легірленген,  оптималды құраммен S және  Р бар) болаттарды  жасау;

- автоматты  болаттардың  жиілік  жолақтарына  тәуелді және дыбыс  сәулеленуінің толқындық әсері негізінде қаттыденелі үлгілердің  диссипативті және дыбыс оқшаулау сипаттамаларын есептеудің  математикалық моделін пайдалану, тәжірибелік және өнеркәсіптік   шығындарды  едәуір  төмендетеді.

- Тараз қаласының «Калибр» ЖШС механикалық  цехында және «Тараз  құю-механикалық зауытында» енгізу  шуды 8-12 дБА төмендетеді,  экономикалық  әсердің  жалпы суммасы 2622502 теңге/жыл.

 Пайдалану аймағы (қолданылу  саласы): нәтижелер жоғарғы  деңгеймен  сипатталатын  өндіріс салаларына ұсыныла алады .

Жұмыстың экономикалық тиімділігі: зерттеулер нәтижесін тәжірибелік-өндірістік  тексеру  ЖШС «Калибр» мекемесінде  және ЖШС «Тараз  құю-механикалық зауытында»  жүргізілді, әлеуметтік-экономикалық  әсер 2622502  тг/жыл.

Бұл  аймақта  жоғарғы  жетістіктермен  салыстыра  отырып орындалған  жұмыстың   ғылыми  деңгейін  бағалау: ұсынылған  біртекті  қатты  дене жазықтығында  дыбыс  жұтудың дислокациялық  және акустикалық моделі мен  автоматты   және беттік болаттардың  дыбыс  оқшаулауы,   диссипативті   сипаттамаларының математикалық  моделі  акустикалық   сипаттамалар  мен   дыбыс  оқшаулауды   ауыр   тәжірибелік  зерттеулерсіз  есептеуге  мүмкіндік  береді. Fe-Cr-Mn жүйелі, синтезделген  автоматты  және беттік болаттар төменгі  акустикалық  эмиссиясы  бар,  жеткілікті  физико-механикалық қасиеттермен  жоғары  бәсеңдетуді   қамтамасыз  етеді, ол шудың   төмендеуіне  мүмкіндік  жасайды.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Resume

 

OMIRBAI ROZA SULEIMENKYZY

 

Creation of the scientific-proved optimum labour conditions with use of materials with raised dissipation properties

 

Specialty 05.26.01 – Labour Protection

 

Object of research: industries with the raised noise level from impact of metal details of the equipment.

The work purpose is development of scientific bases of creation of optimum working conditions with use of materials with raised damping properties, with effective dissipation sound energy and the subsequent fall of acoustic issue.

     Methods of researches. Are spent theoretical and experimental researches with use of the complex methods including research of characteristics of sound generation of developed alloys, characteristics damper and definition of sound-proof properties of investigated materials. Patent search and the state of the art review of the literature with generalisation of work both domestic, and foreign researchers is spent. In the dissertation theoretical methods of calculation of level of sound pressure such as classical and power, together with it mathematical models soundproofing in planes of a homogeneous firm body, and also calculation soundproofing and dissipation characteristics of samples are developed are used.

The scientific positions:

1 Investigated dependence dissipation and acoustic issue properties of sound energy from disposition density in crystal structures of alloys, will allow to reveal sound generation size under production conditions.

2 Developed by a method of final elements, the mathematical model of distribution of sound pressure on a cut of the alloy depending on size of a disposition of a crystal material, will allow to calculate level of sound pressure on workplaces.

3 Analytically received mathematical formula for definition of level of sound pressure at the open end of a metal pipe depending on section of the pipeline and equivalent sound pressure, raising movement diffuzation and entrance impedances, can be used at calculation of acoustic characteristics in noisy shop.

4 Theoretically deduced formula for definition of factor of passage of sound pressure through the soundproofing barrier (plate), depending on sound pressure at the open end of a pipe without the sample and wave impedance characteristics of the elastic layer, allowing to calculate sound insulation without carrying out of labour-consuming experimental researches.

5. The synthesized alloyed steels №3, №4, №6, №14, №16, №18 systems Fe-Cr-Mn with the mechanism dissipation sound energy at the expense of creation of heterogeneous structure of nonmetallic inclusions (silicides) in the size 100-120 mcm which are a barrier to a sound wave and with revealed physical effect peak-dependent damper, consisting in dissipation sound fluctuations with growth of amplitude of the vibration, leading to decrease in level of industrial noise at impact that essentially affect improvement of working conditions working.

Scientific novelty:

- Dependence dissipation and acoustic issue from a disposition in crystal structures of alloys is established;

- Dependence of distribution of sound pressure on a cut alloys from size of a disposition of a crystal material is revealed;

- The mathematical formula of dependence of level of sound pressure at the open end of a metal pipe from section of the pipeline and equivalent sound pressure, exciting movement diffuse and entrance impedances is analytically deduced;

- The formula of dependence of factor of passage of sound pressure through soundproofing barrier (plate) from sound pressure at the open end of a pipe without the sample and wave impedance characteristics of an elastic layer is theoretically received;

- Are developed new alloyed automatic (№3, №4 and №6) and sheet (№14, №16 and №18) steels with raised dissipation properties;

- The physical effect peak-dependent damping, connected with dissipation the sound fluctuations caused by growth of amplitude of vibration is established.

The basic constructive, technological and technical-operational characteristics: chemical compounds of developed alloys of  the №3 (0,45% С; 0,35% Si; 1,40% Mn; 1,0% Cr; 0,35% S and P, the others - iron), №4 (0,50% С; 0,37% Si; 1,7% Mn; 1,2% Cr; 0,4% S and 0,5% Р, the others - iron) and №6 (0,45% С; 0,35% Si; 1,4% Mn; 0,9% Cr; 0,30% S; 0,40% P; the others - iron); №14 (0,20% С; 0,40% Si; 0,70% Mn; 1,05% Cr; 0,045% S;  0,040% P; the others - iron), №16 (0,24% С; 0,40% Si; 0,70% Mn; 0,3% Cr; 0,045% S; 0,04% P; the others - iron), №18 (0,25% C; 0,40% Si; 0,85% Mn; 1,5% Cr; 0,045% S; 0,04% P; the others - iron); mechanical properties: №3 (σв=510MPа, σт=340МPа, δ5=20%, ψc=30%, НВ=164), №4 (σв=550МPа, σт=320МPа, δ5=19%, ψc=29%, НВ=181), №6 (σв=640МPа, σт=380МPа, δ5=16%, ψc=27%, НВ=220); №14 (σв=430МPа, σт=255МPа, δ5=27%, ψc=60%, НВ=170); №16 (σв=415МPа, σт=245МPа, δ5=23%, ψc=62%, НВ=160); №18 (σв=820МPа, σт=665МPа, δ5=15%, ψc=9%, НВ=175). The developed alloys are  decreased of sound-radiation levels 8-12 dBA and higher  of sound-proof 6-8 dB, than  providing decrease levels of industrial noise at impact.

Realization of the results of work:

- an estimation acoustic, dissipation, dampening and sound-proof properties of automatic and sheet steels;

- development of new automatic and sheet steels №3, №4, №6 and №14, №16, №18 (alloyed Mn, Cr, with maintenance S and P) with raised damping and the sound-proof properties which application will improve a working condition on manufacture;

- use of mathematical model of calculation dissipating and soundproofing characteristics of solid-state samples on the basis of automatic steels depending on strips of frequencies and effect of wave coincidence of sound generation, will essentially lower expenses for labour-consuming experimental and industrial expenses;

 - introduction in mechanical shop of LLP "Calibre" in city Taraz and on foundry shop of LLP « Taraz foundry-mechanical factory», with noise decrease on 8-12 dBA, with a total sum of economic benefit 2622502 tenges a year.

The shpere of application: The received results of work can be recommended the industrial enterprises characterised in the raised noise level.

Economic efficiency: Trial check of results of researches has been spent at LLP "Calibre" in city Taraz and on foundry shop of LLP «Taraz foundry-mechanical factory», with social-economic benefit of 2622502 tenge/year.

Estimation of scientific level of the performed work in comparison with the best achievements in the field: offered dislocation and acoustic model of a sound absorption in a plane of a homogeneous firm body and mathematical model soundproofing and dissipation characteristics of automatic and sheet steels allow to calculate acoustic characteristics and sound insulation without carrying out of labour-consuming experimental researches. The synthesized new automatic and sheet steels of system Fe-Cr-Mn with the mechanism dissipation sound energy and the lowered acoustic issue provides raised dampening with sufficient physicomechanical characteristics, promoting noise decrease on manufacture.

 

 

 

 

 

 

Вы 21903347-й посетитель.
Powered by Drupal
Copyright © KazNRTU, 2007-2016