Методика инженерного расчета шума в кабине мостового крана (В.А. Бондаренко, С.А. Раздорский, журнал "Охрана и экономика труда", N 2, апрель-июнь 2016 г.)

Методика инженерного расчета шума в кабине мостового крана

В.А. Бондаренко,

Ростовский государственный университет

путей сообщения, г. Ростов-на-Дону, Российская Федерация

С.А. Раздорский,

Ростовский государственный университет путей сообщения,

г. Ростов-на-Дону, Российская Федерация

Журнал "Охрана и экономика труда", N 2, апрель-июнь 2016 г., с. 21-27.

Проблему снижения вибраций и шума технологического оборудования, включая мостовые краны, следует решать на этапе проектирования, что является не только технически, но и экономически выгодным. Поскольку безопасность эксплуатации кранов в значительной степени зависит от утомляемости крановщиков, в основном от воздействия шума в данной работе приведена методика инженерного расчета на стадии проектировании.

Зависимости, полученные в [1], дают возможность рассчитать октавные уровни шума в кабинах мостовых кранов и предложить общий алгоритм инженерного расчета виброакустических характеристик на рабочих местах операторов. Схема алгоритма приведена на рис. 1. Наличие алгоритма инженерного расчета уровней вибрации отдельных элементов ограждающей конструкции, т.е. кабины, и известных акустических характеристик источников воздушного шума и известных свойств звукопоглощающих облицовочных материалов рассчитать ожидаемые спектры шума в кабинах на стадии проектирования. Однако наличие методики инженерного расчета дает более широкие возможности - проектировать кабины в соответствии с критерием выполнения санитарных норм, т.е. разработать систему автоматизированного акустического проектирования. Ниже приведен пример расчета спектров шума в кабине мостового крана. Расчет шумовых характеристик в кабине следует начинать с определения коэффициентов звукоизоляции элементов ограждения, поскольку они используются в формулах вклада воздушной составляющей от внешних источников.

Расчет звукоизоляции элементов ограждения

Расчет звукоизоляции элементов ограждения кабины включает расчет однослойных конструкций, к которым относятся окна кабины, многослойных элементов и приведенной звукоизоляции для передней и боковых стенок, т.к. они состоят из окон и многослойных элементов несущей конструкции. Звукоизоляция однослойных элементов определяется по известной формуле [2]:

(1),

где - граничная частота волнового совпадения, определяемая соотношением

(2),

где - плотность материала кожуха, ; m - распределенная масса, ; - коэффициент Пуассона; - коэффициент потерь колебательной энергии; r0 и с0 - плотность воздуха () и скорость звука (м/с).

Эти формулы можно использовать для расчета звукоизоляции, если длина изгибной волны превышает толщину самой стенки кабины не менее чем в 6 раз. Длина изгибной волны связана с толщиной стенки и частотой следующей зависимостью:

(3).

Принимая для стали и получим [1]:

(4).

На границах частотного интервала 31,5 и 8000 Гц длина изгибной волны равна и соответственно. При толщине стенки кабины h = 2 мм длина изгибной волны равна = 784 мм (при f = 63 Гц) и = 50 мм (при f = 8 кГц), а при h = 4 мм - 787 и 70 мм. Таким образом, условия выполняется. Подставив числовые значения ; = 1,2 ; с = 340 м/с, получим:

(5),

где - величина, зависящая от среднегеометрической частоты (табл. 5).

Выражение (5) намного проще для вычислений и учитывает все необходимые величины - толщину стенки кабины, коэффициент потерь и поверхностную массу.

Таблица 1. Таблица поправок

Частота, Гц	63	125	250	500	1000	2000	4000	8000
, дБ	8	17	26	35	44	53	62	71

Для окон, выполненных из органического стекла (или поликарбонатного) толщиной 5 мм fгр = 493 Гц; м.

На границах частотного интервала 31,5 и 8000 Гц длины изгибных волн составляют (соответственно) 43,4 и 2,72 м. Таким образом, условие также выполняется.

дБ (6).

По формулам (3) можно рассчитать звукоизоляцию сплошной стенки кабины, т.е. не имеющей окон, щелей, отверстий и т.п. Звукоизоляция стенки кабины с окном (или отверстием) определяется по формуле:

(7),

где ЗИ - звукоизоляция глухой стенки кабины; - снижение звукоизоляции за счет наличия щелей или отверстия, определяемое по формуле:

(8).

Здесь и - суммарная площадь основной конструкции () и ее звукоизоляция (дБ); и - площадь элементов с пониженной звукоизоляцией () и величина этой звукоизоляции (дБ); Ki - коэффициент эффективности площади (при ) ;

Приведенные зависимости могут быть использованы для расчета коэффициента звукоизоляции однослойных ограждений. Доведение до требуемой величины звукоизоляции может быть обеспечено использованием жестких ограждений с большой поверхностной массой либо увеличением толщины стенки, что в любом случае приведет к увеличению веса ограждения.

Метод расчета звукоизоляции многослойных конструкций типа "сэндвич" существенно отличается от однослойных. Элементы ограждения следует выполнять многослойными с различным количеством и механическими характеристиками слоев. Согласно данным работы [1] система уравнений для многослойной конструкции имеет вид:

(4.9)

Из системы (5) определяется коэффициент отражения () и проникновения () волны давления

(10)

Звукоизоляция определяется по формуле:

(11).

Рассчитанные величины звукоизоляции следует уменьшить на дБ. Расхождения с расчетом объясняется тем, что стенка ограждения жестко закреплена по контуру, ведет себя как диафрагма, способная изгибаться. Такая диафрагма передает звук также посредством изгибных колебаний помимо волн сжатий и растяжений. Особенно сильно это сказывается на низких частотах. Приведенные зависимости позволяют определить уровни шума в кабине от воздействия источников воздушного шума и выбрать пути доведения до предельно-допустимых значений. Действительно, в условиях предприятий, эксплуатирующих краны, добиться снижения шума в самом источнике не представляется возможным. Поэтому, как видно из полученных выражений, снижение шума на рабочем месте крановщика от воздействия внутренних источников возможно практически только за счет подбора звукопоглощающих материалов и установки их на внутренние поверхности элементов кабины. Снижение же шума от воздействия внешних источников может быть достигнуто за счет обеспечения требуемой величины звуковой изоляции соответствующих стенок кабины.

Расчет уровней шума в кабине при воздействии внешних источников

В качестве внешних источников приняты: рельс, фон помех в звуковое излучение корпуса редуктора. В качестве исходных данных приняты: нагрузка на рельс от колеса - 7,6 т; скорость перемещения - 60 м/мин.; длина рельса - 50 м, для компоновки кабины, приведенной на рис. 2 и данных табл. 2. Коэффициенты звукового поглощения принимались для винилискожи. Результаты расчетов приведены на рис. 1.

Таблица 2. Результаты расчетов звукоизоляции кабины мостового крана

Элемент ограждения	Звукоизоляция (дБ) в октавных интервалах частот						(Гц)
	63	125	250	500	1000	2000	4000	8000
Базовый вариант
Передняя стенка	8	13	15	20	23	26	30	35
Левая стенка	11	19	23	29	33	36	41	43
Правая стенка	10	20	24	31	35	36	38	40
Задняя стенка	13	21	22	32	34	36	38	41
Потолок	15	20	27	32	35	38	40	43
Пол	14	24	33	40	39	44	45	48
Вариант с резиной и шумооблицовочным материалом (ШОМ)
Передняя стенка	12	18	20	24	27	31	35	37
Левая стенка	15	23	30	32	35	37	38	41
Правая стенка	15	22	29	31	33	35	39	40
Задняя стенка	15	24	28	30	32	36	40	42
Потолок	18	27	30	37	40	46	48	50
Пол	20	31	38	40	42	47	50	52

Расчет структурного шума в кабине мостового крана

С точки зрения вычислительного процесса основное место в алгоритме расчета структурного шума в кабине занимает обращение матрицы, представляющей собой решение линейной системы из шести уравнений, где неизвестными являются энергетические потоки в элементах ограждения. Решение данной системы численными методами на ЭВМ ведется с помощью стандартной программы обращения матриц.

Далее с учетом коэффициентов прохождения и поглощения энергии, а также импедансов соответствующих элементов кабины, которые могут быть резонансными или характеристическими, в зависимости от того, меньше или больше границы диффузности находится исследуемая полоса частот, вычисляются амплитуды виброскоростей элементов ограждения на соответствующих частотах. После этого следует переход к уровням звукового давления.

Граница диффузности определяется по известной формуле

(12)

Исходными данными для расчета структурного шума являются уровни виброскорости на раме (в местах крепления кабины) табл. 3.

Таблица 3. Уровни вибрации рамы мостового крана (при его движении)

Частота, Гц	31,5	63	125	250	500	1000	2000	4000	8000
Уровни виброскорости, дБ	108	98	93	88	85	83	78	77	74

Коэффициенты поглощения элементов ограждения кабины ; ; ; ; ; .

Таблица 4. Импедансы элементов ограждения

Элемент ограждения	Импедансы в октавных интервалах частот (Гц)
	63	125	250	500	1000	2000	4000	8000
Пол	7385	14615	29230	58460	116920	233840	467680	935360
Передняя панель	3200	6350	12700	25400	50800	101600	203200	406400
Левая стенка	3200	6350	12700	25400	50800	101600	203200	406400
Правая стенка	4100	8150	16300	32600	65200	130400	260800	521600
Задняя стенка	3230	6380	13077	25385	50770	101540	203080	406160
Потолок	5300	10575	21150	42300	84600	169200	338400	676800

Таблица 5. Импедансы элементов ограждения с виброакустической облицовкой

Элемент ограждения	Импедансы в октавных интервалах частот (Гц)
	63	125	250	500	1000	2000	4000	8000
Пол	8120	16000	32000	64000	128000	256000	512000	1024000
Передняя панель	3520	7000	14000	28000	56000	112000	224000	448000
Левая стенка	3520	7000	14000	28000	56000	112000	224000	448000
Правая стенка	4515	9000	18460	36000	72000	144000	288000	576000
Задняя стенка	3540	7000	14600	28000	56000	112000	224000	448000
Потолок	5600	11600	23000	46000	92000	184000	368000	736000

Таблица 6. Коэффициенты потерь элементов ограждения с виброакустической облицовкой

Частота, Гц	31,5	63	125	250	500	1000	2000	4000	8000
Коэффициент потерь	0,08	0,11	0,07	0,06	0,05	0,05	0,06	0,07	0,09

В этом случае система уравнений энергетического баланса примет вид:

;

;

;

;

(13).

Результаты расчета спектра шума в октавных интервалах частот представлены на рис. 3. Результаты расчетов показали, что разница расчетных и экспериментальных уровней звукового давления не превышает 3 дБ. Результаты расчетов коэффициентов потерь колебательной энергии различных вариантов кабин представлены в табл. 7.

Таблица 7. Коэффициенты потерь кабины

Образец	Коэффициенты потерь в октавных интервалах частот (Гц)
	63	125	250	500	1000	2000	4000	8000
Базовый вариант	0,06	0,03	0,02	0,01	0,01	0,015	0,015	0,015
Вариант с ВМЛ-25	0,1	0,08	0,07	0,06	0,06	0,08	0,11	0,12
Вариант с резиной и ППЭ	0,11	0,12	0,13	0,1	0,11	0,14	0,17	0,2

Результаты замеров показали, что наилучшими диссипативными характеристиками обладают элементы ограждения кабины с резиной и ППЭ. Кроме этого, данный вариант обладает повышенным звукопоглощением, особенно на высоких частотах.

Литература

1. Раздорский С.А. Обеспечение санитарных норм шума в кабинах мостовых кранов: дис. канд. тех. Наук / С.А. Раздорский - Ростов н/Д, 2009. - 122 с.

2. Иванов Н.И. Инженерная акустика. Теория и практика борьбы с шумом: учебник. - М.: Университетская книга, Логос. 2008. - 424 с. (Новая университетская библиотека).