Seria! ENERGETYKA z. 65 Nr kol. 561
Szymon KULCZYCKI
Instytut Podstaw Konstrukcji Maszyn
DOŚWIADCZALNE 3ADANIA KONSTRUKCYJNE PIŁ TARCZOWYCH DO CIĘCIA M E TA LU Z UWZGLĘDNIENIEM KRYTERIUM HAŁASU
St r e s z c z e n l e . Badania w y k a z a ł y , że głównę przyczynę emitowanego hałasu przez piłę tarczową sę drgania tarczy.
Przedstawiono metodę pomiaru stacjonarnych drgań własnych tar
czy. Podano zależn oś ci pozwalające transponować wyniki do układu w i rującego oraz opis stanowiska do badań piły tarczowej. Uzyskane pod
czas pomiarów wy ni ki sę podstawę do wp ro wa dz en ia zmian cech kon
strukcyjnych tarczy i pa ra me tr ów działania piły.
1. Wstęp
Stosowane aktualnie przez konstruktorów metody doboru niektórych cech konstrukcyjnych wybr an yc h podzespołów i parametrów działania pił tarczo
wych do cięcia metalu odbiegaJę od optymalnych. Prowadzi to do powstawa
nia szeregu zjawisk o charakterze destrukcyjnym podczas działania maszy
ny. Dednym z nich jest zn aczny wzrost emitowanego hałasu, istotnie prze
kraczający wartości dopuszczone przez normy (90 d B A ) , co stanowi jedno z poważniejszych zagrożeń środowiska pracy w hutnictwie.
Prowadzone w szerokim zakresie badania pił wskazuję, że głównę przy
czynę emitowanego hałasu sę drgania tarczy. Szczególnie niebezpieczne sę wa rtości częstotliwości bliskie drganiom rezonansowym. Na leży oczekiwać, że czynna redukcja drgań wi br oa ku st yc zn yc h przyczyni się także do wzrostu trwałości tarcz. Teoretyczne próby rozwięzania złożonego problemu wibro- akustycznego nie zezwalaję na sformułowanie praktycznych ws kazań dla kon
struktorów.
Zd ec yd ow an o się na wybór doświadczalnej metody badań konstrukcyjnych pił tarczowych prowadzonej na obiektach rzeczywistych. Dotyczy to w głó
wnej mierze rozpoznania i struktury drgań wi broakustycznych tarcz w ukła
dzie stacjonarnym i dynamicznym.
2. Metoda pomiaru drgań rezonansowych stacjonarnych
W celu uzyskania możliwie dokładnych wa rtości częstotliwości rezonan
sowych tarczy oraz postaci drgań zdecydowano się na doświadczalną metodę
74 S. Kulczycki
ich identyfikacji. Badania prowadzono na stanowisku, którego istotę dz ia
łania przedstawia rys. 1. Oryginalna tarcza piły 0 1000 x 6 była mocowana do głowicy wstrząsarki za pomocą specjalnego uchwytu o konstrukcji zb li
żonej do konstrukcji uchwytu tarczy w pile. Tarcza została pokryta na ca
łej powierzchni bardzo drobnymi opiłkami papieru. W momencie wzbudzenia drgań rezonansowych przez generator sterujący wstrząsarką opiłki układały się na tarczy wzdłuż linii węzłowych. Kolejne postacie linii węzłowych były fotografowane, a efekt akustyczny nagrywany na magnetofon. Dla każ
dego z rezonansów rejestrowano jego częstotliwość oraz wartość przyspie
szenia wzbudzającego.
[ i m p |- m — ® 13 12 11
/ ~ CPfil
Q ~ 9
UYV
/5 \
o w
- B i
W M
POMIAR DRGAŃ WIĆASNYCH TARCZY ORAZ EFEKTU AKUSTYCZNEGO
1 OBUDOWA WZBUDNIKA 2 GtOWICA WSTRZASARKI 3,4 CZUJNIK PRZYSPIESZEŃ 5,6 WZMACNIACZ NORMALIZUJĄCY
7 GENERATOR KONTROLNY 8 WZMACNIACZ MOCY 9 REJESTRATOR POZIOMÓW
10 APARAT FOTOGRAFICZNY 11 MIKROFON POJEMNOŚCIOWY 12 PRZEDWZMACNIACZ
13 PRECYZYJNY IMPULS, MIERNIK POZIOMU NATĘŻENIA DŹWIĘKU
14 MAGNETOFON POMIAROWY
R'/s. 1
Operacje te powtarzano również dla częstotliwości o 10 fHz]j większej i mniejszej od częstotliwości rezonansowej.
Niezależnie od tego przeprowadzona została również za pomocą oddziel
nego toru pomiarowego rejestracja poziomów przyspieszeń punktów tarczy usytuowanych na dwóch różnych jej promieniach. Analizę nagranego sygnału akustycznego przeprowadzono przy pomocy cyfrowego rejestratora sygnałów przypadkowych oraz analizatora wąskopasmowego.
Analiza wyników prowadzi do następujących wniosków:
- wartości częstotliwości rezonansowych badanej tarczy przy maksymalnym wykorzystaniu aparatury znajdują się w przedziale 50-.1500 [Hz] ,
{••»£.
9
.8
Hł f. *¿»2
,0
,0
H*Rya. 2
76 S. Kulczycki
- linie węzłowe usytuowane są na kierunkach średnicowym, obwodowym, śred- ni cowo-obwodowym (rys. 2),
- oprócz postaci drgań bardzo regularnych ujawniono również postacie zło
żone nieregularne,
- udział części powierzchni tarczy pozostającej w spoczynku do całej po
wierzchni jest dla kolejnych rezonansów zmienny,
- poziom ciśnienia akustycznego każdego z rezonansów jest inny,
- drgania rezonansowe' o postaci złożonej z linii węzłowych średnicowych i jednej obwodowej wzbudzają co najmniej cztery częstotliwości harmonicz
ne ,
- rejestracja poziomów przyspieszeń wybranych punktów tarczy potwierdza istnienie i postacie rezonansów,
- drgania rezonansowe posiadają różne poziomy energetyczne wzbudzenia oraz różną szerokość pasma częstotliwości oddziaływania rezonansu.
Przedstawione w ogólnej formie wnioski wskazuję na słuszność zastoso
wania me to dy do ś w i a d c z a l n e j , która pozwala uwzględnić większą ilość czyn
ników niż metody teoretyczne, ograniczające się do przypadków p o d s t a w o wych [3], [4], [sj, [7] oraz na różnice we wnioskowaniu w stosunku do ba
dań tarcz o małych średnicach [ej.
i . Zagadnienie rotacji tarczy
W pile tarcza wykonuje ruch obrotowy. Powoduje on zmiany w wartości częstotliwości rezonansowych zależne od prędkości kątowej tarczy jak rów
nież postaci drgań. Częstotliwość rezonansowa f co może być obliczona z zależności [5J , [3] :
,2 * 2 , 2 fu = f +
f(s,n,\>)
gdzie :
f - częstotliwość drgań własnych stacjonarnych, tu - prędkość kątowa tarczy,
s - liczba linii węzłowych średnicowych, n - liczba linii węzłowych obwodowych, 9 - liczba P o i s s o n e ’a.
Po uwzględnieniu sumarycznej i różnicowej częstotliwości di gań tarczy w czasie obrotu możliwe jest sporządzenie wykresów zależności f(t1 - f (prędkości obrotowej). Naniesione na wykres wartości dominant z analizy wąskopasmowej efektu akustycznego piły przy zmiennych prędkościach obro
towych pozwalają na stwierdzenie znacznej ich zgodności z częstotliwoś-
ciami rezonansowymi tarczy w czasie obrotu, co potwierdza postawione na wstępie badań hipotezę co do przyczyn nadmiernego hałasu emitowanego przez piły.
Wynika stęd problem badawczy ustalenia me to dy doboru cech konstrukcyj
nych tarczy oraz parametrów działania piły, której stosowanie prowadzić będzie do obniżenia udziału częstotliwości rezonansowych w widmie efektu wi br oa kustycznego piły tarczowej.
^ ■ Metoda badań piły tarczowej
Celem rozwięzania przedstawionego problemu skonstruowano stanowisko badawcze piły tarczowej do cięcia metalu umożliwiajęce zmianę podstawo
wych parametrów działania, ta
kich jak: prędkość obrotowa tarczy 10-2500 [min""*] , pręd
kość posuwu tarczy, sposób mo
cowania elementu ciętego (rys.
3).
Na podstawie uzyskanych w y ników wykonano szereg tarcz o różnej konstrukcji. Główne zmia
ny po legały na wykonaniu:
- odpowiednich szczelin obwo
dowych będż p r o m i e n i o w y c h , - tarcz wstępnie sprężonych, - tarcz złożonych z różnych
t w o r z y w , - tarcz o różnych cechach geometrycznych uzębienia, - tarcz o zmienionym mocowaniu.
Metoda badań polegała na pomiarze zadanych wielkości fizycznych:
- poziomu ciśnienia akustycznego, - pr zy sp ie sz eń drgań elementu ciętego,
dla danej tarczy w określonych warunkach działania piły. Następnie zmie
niano jeden z w a r u nk ów działania (np. prędkość obrotowę tarczy) i prze
prowadzano pomiar przy pozostałych warunkach niezmienionych. W ten sposób przeprowadzono pomiary dla różnych tarcz i różnych kombinacji warunków d z i a ł a n i a .
Dzięki porównaniu uzyskanych wy ników możliwe jest wyznaczenie wpływu poszczególnych czynników na efekt ak us ty cz ny cięcia.
1
E H W C 3 -
2 W
1 TRANSFORMATOR 5 GŁOWICA FOTOELEKTR.
2 SZAFA TYRYSTOROWA 6 ZNACZNIK OBROTÓW 3 SILNIK PR. STAŁEGO 7 CZĘSTOŚCIOMIERZ U TACHOPRĄDNICZKA
Rys. 3
78 S. Kulczycki
5. Wnioski
Uzyskane z przeprowadzonych pomiarów wy ni ki oraz ich analiza przy uży
ciu cyfrowego rejestratora sygnałów przypadkowych i analizatora w ą s k o p a s mowego pozwalają na sformułowanie szeregu wniosków.
Ze wzgl ęd ów praktycznych zostsną one omówione w dwóch podgrupach.
5.1. Parametry i warunki działania pił
- poziom emitowanego hałasu zależy od prędkości obrotowej tarczy. Dla w i ę kszości badanych tarcz minimum znajdowało się w zakresie 1500 - 1800,
[min_1J , v = 78-94 M ,
LS.J rmm-i
- zwiększenie prędkości posuwu powyżej 50 powoduje znaczny wzrost emitowanego hałasu.
- celowe jest stosowanie silników napędzających tarczę o większych mo
cach, co zapobiegnie zjawisku "zakleszczania się" tarcz przy niższych prędkościach liniowych v<C 50 i znacznych prędkościach posuwu, - zwiększenie sztywności układu mocującego powoduje wzrost poziomu emito
wanego hałasu ,
- ze względu na tłumienie drgań skrętnych korzystne jest stosowanie uk ła
du napędowego z przekładnią pasową.
5.2. Konstrukcja tarczy i jej mocowanie
- stosowanie tarcz nieuzębionych jest niecelowe, ponieważ poziom hałasu w czasie cięcia przewyższa poziomy uzyskane dla tarcz uzębionych,
- zwiększenie podziałki zębów i ich wielkości wpływa korzystnie na ob ni
żenie poziomu hałasu,
- stosowanie zębów o zarysie symetrycznym powoduje wyrównanie poziomu ha
łasu dla różnych prędkości obrotowych,
- zastosowanie zmiennej podziałki zębów przy ich symetrycznym zarysie nie wprowadziło znaczących zmian w widmie hałasu,
- zwiększenie grubości tarczy powoduje wzrost poziomu emitowanego hałasu, - stosowanie szczelin promieniowych wpływa korzystnie na obniżenie ha ła
su, analogiczne szczeliny obwodowe proces ten w dalszym ciągu poprawia
ją.
- wprowadzenie wstępnego napięcia tarczy w wyniku jej obustronnego rolko
wania powoduje obniżenie i wyrównanie poziomu hałasu w funkcji prędko
ści obrotowej tarczy,
- zastosowanie tarczy złożonej z kilku warstw wulkanizowanych przy jedno
czesnym zróżnicowaniu tworzyw potęguje w znacznym stopniu efekt tłumie
nia wewnętrznego,
- badania tarczy usytuowanej na piaście o powiększonej średnicy i mocowa
nej do niej większą ilością śrub wykazują nieznaczne obniżenie poziomu hałasu szczególnie zauważalne w zakresie prędkości 1500-1800 [min .
Przedstawione wnioski, poparte szczegółową analizę częstotliwościową uzyskanych wyników, stanowię podstawę dla opracowania metody doboru cech konstrukcyjnych i parametrów działania pił tarczowych do cięcia metalu.
LITERATURA
[]ll 3.T, Broch: Mechan ic al vibration and shock measurements , Bruel Kjaer 1973.
M. Hecklr Minderung der Korpe rschallent st ehung und Korperschallfort- leitung bei Maschinen und Maschinenelementen. VOX - Serichte Nr 239, 1975 p. 39..
[3] H. Lamb, R.V. Southwell: The vibrations of a spinning disk. Proc. Royal Soc. of London vol. 99, 1921 p. 272.
[4] C.D. Mote 3r. : Free vibration of initially stressed circular disks.
Trans. ASME 8 7 B May 1965 p. 258.
l5^ R.V. Southwell: On the free transverse vibrations of a uniform circu
lar disc clamped at its centre; and on the effects of rotation. Proc.
Royal Soc. of London vol. 101, 1922 p. 133.
(jeQ D. Steuiek: Anal'y'za hluku pilovych kotuiov pomocou vlastn'j'ch frekven- cii.
[[7] T. Wah: Vibration of circular plates. The Sour. Acoust. Soc. Amer.
vol. 34, No. 3, 1962 p. 275.
[jf] G. Pahlitzsch, W. Meins: Gerauschuntersuchungen an KreissSgemaschinen fur die H o l z b e a r b e i t u n g . Werkstattstechnik 52 (l962) p. 8.
BKCHEPHMEHTAJIbHHE KOHGTPyKUiiOHHHE HCCHEAOBAHHH ÆHCK0BHX IDJJI jy iH PE3AHKH METAJIJIA C YMËTOM KPHTEPÎ1H IUJTMA
P e 3 10 m e
K c c J i e f l O B a H H H ^ O K a s a j i n , w o r a a B H o S n p H U H H o i i H c n y c K a e u o r o ^ H O K O B o f t n n J i o i i m y w a HB^aioTca; K O J i e ô a H H H £ H C K a . I l p e ^ c T a B J i e B Mez o fl H S M e p e H H H c t a m i o H a p H H x co6-
C T B e H H H X K O J i e O a H H Ë f l H C K a . Ü O ^ a H H 3 a B H C H M 0 C T H , n 0 3 B 0 J Ï H K > n m e T p a H C n O H H p O B a T b p e - a y j i B T a i H b K o a e d a T e a i i i y i o C H C ie M y , a T a r a s e o n a c a H H e a c n u T a i e a b H o r o c T e H ^ a f i x a H c c a e f l O B a s a a .hmckoboS i m - t u . I l o a y a e E H u e bo a p e s j a n 3 M e p e H H i l p e 3 y a B i a i t !
h b jih b tc h ocHOBameM n a a BBe^eHaa H3MeHeHHii b KOHCTpyKUKOHHhie cBO&cTBa sacK a
h n a p a M e T p t i f l e S c T B a a n a a u .
NOISE CRITERION EMPIRICAL TESTS OF CIRCULAR SAWS S u m m a r y
The paper deals with the circular saws natural frequency vibration me
asurements. The basic equation is used to transfer the results onto a ro
tating system. The description of the circular saw test rig is given. Chan
ges of constructional features of discs are presented.
