Оцінка вібраційно-шумової обстановки на виробництві за системним підходом

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОЦІНКА ВІБРАЦІЙНО-ШУМОВОЇ обстановки НА ВИРОБНИЦТВІ ЗА СИСТЕМНИМ ПІДХОДОМ

Дупляк В.Д.

Вінницька філія Київського інституту бізнесу та технологій

Резнік С.І.

Вінницький національний технічний університет

Питання безпеки життєдіяльності людства набуло суспільно-історичного значення і вирішується на найрізноманітніших рівнях різними способами та засобами. Актуальність розв'язання цього питання в цілому декларується державою [1], а у сфері виробництва - відповідними законами, в тому числі законом про охорону праці [2].

Вихідні передумови

Сучасний економічний рівень розвитку суспільства характеризується колосальним зростанням кількості машин, механізмів, обладнання та різноманітних пристроїв, робота яких часто супроводжується високими рівнями вібрацій та шуму, що виникають як неминучий (наслідковий) прояв функціонально-виробничих особливостей згаданих об'єктів та технологічних процесів [3,4].

Механізми, устаткування, машини - це конструктивне поєднання окремих деталей, вузлів, що мають певні маси та пружно-пластичні властивості, тобто вони є взаємопов'язаними елементами коливних систем, що відповідають найважливішим рисам таких сукупностей - розчленованості і цілісності [5, с. 626]. Дослідження таких систем раціонально і науково обґрунтовано проводити за системним підходом [5, с. 628, 629] з подальшим використанням системного аналізу [5, с. 628] разом з іншими методами в тому числі імітаційного моделювання, системної динаміки [5], традиційними загальними методами (аналізу, класифікації, експерименту, умовиводу та ін.) [6].

Зазначені реальні системи (пристрої) в процесі експлуатації зазнають дії різноманітних сил. В одних випадках ці сили зумовлені статичною неврівноваженістю (дисбалансністю) окремих вузлів пристрою, в інших - інерційністю (масою) решти вузлів. Кожен з конструктивних вузлів здійснює свої вимушені коливання, які характеризуються відповідними значеннями амплітуди, частоти, початкової фази та ін. [7]. Накладаючись одне на одне, ці коливання передаються на корпус пристрою, внаслідок чого останній здійснює усталені коливання. У техніці такі коливання називаються вібраціями.

За характером дії на організм людини вібрацію поділяють на загальну та місцеву: перша передається на все тіло працюючого, а друга - на його руки. Можлива і комбінована дія загальної і місцевої вібрацій з різними чи однаковими частотами [3]. Весь організм людини має частоту власних коливань ~ 8 Гц; зовнішні коливання з частотами 17…25 Гц є резонансними для голови людини [3,4]. Загальної вібрації зазнають працівники транспортних і вантажопідйомних засобів, робітники металообробної промисловості, машинобудування тощо. Місцевої вібрації зазнають працюючі з електро- та пневмоінструментами [8].

Тривала дія загальних вібрацій при високих рівнях віброшвидкості може стати причиною виникнення у працюючого професійного захворювання - вібраційної хвороби. Вона відноситься до групи захворювань, ефективне лікування яких можливе тільки на ранній стадії розвитку хвороби [8,9].

У виробничих умовах з вібрацією пов'язані шуми. За походженням розрізняють такі види шумів: механічний, аеродинамічний, гідравлічний, термічний, кавітаційний та ін. [10]. Тривала дія інтенсивного шуму може спричинити погіршення слуху (глухуватість) чи навіть повну втрату слуху - профзахворювання глухоту [11].

Напружена техногенна обстановка в сучасному суспільному виробництві призвела до того, що кількість хворих на віброхворобу та глухоту становить 45% від загальної кількості працюючих, що мають професійні захворювання [4]. Тому поряд з розробленими державою організаційно-технічними заходами [2] вирішення вказаної проблеми нагально потребує наукової уваги.

Постановка задачі

З фізичної точки зору між вібрацією і шумом принципових відмінностей немає. Вони відрізняються лише органами сприйняття (відчуття) людини: вібрація сприймається вестибулярним апаратом та органами чуття дотику, а шум - органами слуху.

Метою даної роботи є теоретичний аналіз вібраційного та шумового полів виробничого приміщення з єдиної фізичної точки зору на процеси, що відбуваються у цих полях.

Розглядаючи складний коливний механічний пристрій як систему, умовно розділимо її на окремі елементи, що характеризуються масами, зосередженими у їхніх центрах мас, і з'єднані пружними в'язями з врахуванням у них перехідних (енергетичних) процесів, які замінюють собою відношення елементів у реальній системі (пристрої). Цим самим створюється еквівалентна фізична система (імітаційна модель[5]) пристрою. Перебіг енергетичних процесів у цій системі дослідимо методами теоретичної фізики і математично опишемо його за допомогою рівнянь Лагранжа другого роду [7].

Нехай потенціальна енергія U системи, як функція узагальнених координат q_i^, має мінімум при q_i = q_io. Тоді зміщення системи із стану стійкої рівноваги дорівнює:

X_i = q_i - q_io. (1)

Якщо розвинути в ряд за цими зміщеннями потенціальну енергію U системи з точністю до членів другого порядку, то можна одержати формулу цієї енергії у вигляді додатно визначеної квадратичної форми:

. (2)

Кінетичну енергію Т системи також можна записати у вигляді додатно визначеної квадратичної форми:

, (3)

де - узагальнені швидкості.

При цьому слід зауважити, що коефіцієнти l_ik і p_ik є симетричними відносно перестановки індексів, тобто

l_ik = l_ki, p_ik = p_ki.

З врахуванням (2) і (3) та симетричності коефіцієнтів l_ik та p_ik функцію Лагранжа для системи, яка здійснює вільні малі коливання, можна записати у наступному вигляді:

L₀. (4)

Сили тертя можна врахувати шляхом використання дисипативної функції F, яка записується у вигляді такої додатно визначеної квадратичної форми [7]:

_. (5)

Симетричність коефіцієнтів б_ik відносно перестановки індексів доводиться методами статистичної фізики [12].

Якщо врахувати зовнішні сили F_k(t)(k=), що діють на систему, то функцію Лагранжа для еквівалентної фізичної системи можна записати в такому остаточному вигляді:

. (6)

Рівняння вимушених коливань цієї системи у формі Лагранжа можна записати у такому вигляді [7]:

. (7)

Застосувавши нормальні координати [7], із (7) можна одержати таку систему рівнянь вимушених коливань еквівалентної фізичної системи:

, (8)

де - нормальні координати; - амплітуди змушувальних сил.

У результаті використання нормальних координат квадратичні форми в (6) зведено до діагонального вигляду [13], а задачу про вимушені коливання системи з багатьма ступенями вільності - до задачі про одновимірні вимушені коливання [14].

Наприклад, одне з рівнянь (8) для випадку періодичної змушувальної сили можна записати так:

, (9)

де - коефіцієнт затухання; - частота власних коливань; - амплітуда змушувальної сили; m - маса вузла пристрою; - частота коливань змушувальної сили.

Розв'язок цього рівняння має такий загальний вигляд:

,

; ;

b - амплітуда; - початкова фаза.

З формули (10) випливає, що перший її доданок експоненціально спадає і через достатньо великий проміжок часу t після початку вимушених коливань пристрою усталені його коливання описуються лише другим доданком:

. (12)

Аналіз результатів

Формула (12) описує залежність від часу t зміщень точок пристрою, який здійснює усталені вимушені коливання, і цим самим описує поле вібрацій пристрою. З полем вібрацій невідривно пов'язане і поле шумів як результату (наслідку) дії одного і того ж фізичного чинника (причини): ці поля взаємопов'язані.

Отже, згідно (12) застосування засобів зменшення рівня вібрації одночасно зменшує і рівень шуму: це значно спрощує інженерний пошук засобів зменшення рівня обох виробничих небезпек. Реалізація такого пошуку потребує додаткових експериментально-виробничих досліджень.

Запропонований системний підхід при додержанні методологічних норм дослідження є ефективним способом розв'язання задачі забезпечення вібраційно-шумової безпеки на виробництві.

Для повного вирішення проблеми необхідно додатковим проведенням експериментальних досліджень установити нормовані величини параметрів і , а за ними нормувати практичне значення зміщень точок вузлів пристрою.

Додержанням величин цих параметрів на етапах проектування, виготовлення, випробування і експлуатації пристроїв можна регулювати і знизити рівень виробничих вібрації і шуму.

вібрація шумовий звук промисловість

Література

1. Конституція України, 1996, ст.ст. 3,27,43.

2. Закон України “Про охорону праці”, 1992, зі змінами і доповненнями 2002, 2010 р.р.

3. Желібо Є.П., Зацарний В.В. Безпека життєдіяльності. - К.: Університет “Україна”, 2005. - 264 с.

4. Коваль В.І., Скороходов В.А. Управління охороною праці в промисловості. - К.: ВД “Професіонал”, 2005. - 448 с.

5. Філософський словник / За ред. В.І. Шинкарука. - 2-ге вид., перероб. і доп. - К.: Голов. ред. УРЕ, 1986. - 800 с.

6. Пилипчук М.І., Григор'єв А.С., Шостак В.В. Основи наукових досліджень. - К.: Знання, 2007. - 270 с.

7. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Т. I. Механика. - М.: Наука, 1988. - 216 с.

8. Андреева-Галанина Е.Ц., Дрогичина Э.А., Артамонова В.Г. Вибрационная болезнь. - Л.: Медицина, 1966. - 86 с.

9. Андреева- Галанина Е.Ц., Артамонова В.Г. Экспертиза трудоспособности при вибрационной болезни. - Л.: Медицина, 1963. - 73 с.

10. Грибан В.Г., Негодченко О.В. Охорона праці. - К.: Центр учбової літератури, 2011. - 280 с.

11. ДСТУ 4212 - 2003 “Вимірювання рівня звуку. Загальні технічні вимоги (EN 60651: 1994 МОО)”.

12. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Т. V. Статистическая физика. Ч.1. - М.: Наука, 1976. - 584 с.

13. Ефимов Н.В. Квадратичные формы и матрицы. - М.: Наука 1967. - 160 с.

14. Агранат Б.А., Дубровин М.Н., Хавский Н.Н., Эскин Г.И. Основы физики и техники ультразвука. - М.: Высшая школа, 1987. - 352 с.

Размещено на Allbest.ru