摘要：大型锻压机械具有效率高、能耗低等优点, 广泛应用于汽车、军工和家电等领域。而锻压行业降噪已成为目前绿色制造中需要解决的问题。本技术研究提出了现有大型锻压机械的噪声现状和分类, 并分别对大型锻压机械中的机械压力机和液压机的噪声进行了分析, 制定了相关控制方法。
关键词：大型锻压机械,降噪技术,研究
大型锻压机械噪声是大型冲压车间危害工人职业健康最主要的因素, 因此, 从保护员工听力及构建绿色工厂的角度出发, 大型冲压车间必须进行噪声控制工程。大型锻压机械在汽车、国防工业以及家电等制造厂中应用广泛。但大部分大型机械压力机工作时的噪声也高达110dB (A) , 由此可见机械压力机噪声污染也较严重。
1 大型锻压机械的噪声现状及分类
大型锻压机械 (主要指机械压力机和液压机) 加工工件具有效率高、制品质量好、能耗低和成本低等优点, 广泛应用于汽车、农业机械、国防工业和家电等领域或场所。普通锻压机械工作时噪声高, 影响操作者的身心健康, 还会将人的注意力分散, 是各种意外事故发生的根源, 也是安全生产的重要点。而大型锻压机械噪音在工业领域中尤为突出, 因此, 锻压行业降噪已成为目前绿色制造中需要解决的问题。我国《工业企业噪声卫生标准》规定:每个工作日接触噪声时间8小时, 容许噪声值为85dB。而大型锻压机械装备的噪声值大都超过或接近容许值。
1.1 大型锻压装备噪声现状
1.1.1 现状
噪声是大型冲压车间危害工人职业健康最主要的因素。如果按现有的冲压条件, 特别是随着自动化技术的不断应用, 大型冲压生产线的生产节奏越来越快, 产生的噪声也越来越密集。一般冲压车间操作岗位的平均噪声都在90dB (A) 以上, 部分区域甚至达到100dB (A) 以上。因此, 从保护员工听力及构建绿色工厂的角度出发, 大型冲压车间必须进行噪声控制工程。
1.1.2 噪声标准
工业企业的生产车间和工人工作地点的噪声标准为85dB (A) , 暂时达不到标准的可放宽到90dB (A) , 若噪声达不到以上标准的, 噪声每增加3dB (A) , 工人工作时间要求减半。但标准规定, 工人接触噪声最高不得超过115dB (A) 。
2 大型锻压机械噪声及其控制技术
2.1 大型机械压力机的总体噪声分析
机械压力机噪声主要由传动系统 (包括电机、皮带、齿轮、轴承、曲柄连杆、滑块等) 产生的机械噪声;离合器及制动器动作产生的噪声;附属系统 (如平衡缸及气垫) 工作时的噪声等几大部分组成。
2.2 大型机械压力机工作时的噪声及其控制
大量实验证明, 加速度噪声实际上与物体的加速度有关, 只有减小滑块在变形结束时速度突变或延长速度变化所需的时间, 才有可能减小加速度噪声。此时, 阻尼、隔震等噪声控制技术均无力降噪。正因为如此, 当在大型机械压力机上完成冲裁、落料及剪切工艺时, 加速度噪声值最高, 而在完成模锻、拉深、挤压等工艺时, 在滑块到下死点后, 由于变形工件的弹性回复力, 使回程初期滑块上仍承受力的作用, 而这一弹性力是逐渐减小到趋向于零, 大大降低了滑块速度变化梯度, 所以加速度噪声明显下降。
2.3 大型机械压力机传动系统噪声及其控制
大型机械压力机大多为二到三级传动结构, 第一级为电动机通过皮带带动主轴转动, 第二级为主轴上的小齿轮带动曲轴上的大齿轮转动。从而通过曲柄滑块机构驱动滑块作上下往复的直线运动。因此大型机械压力机传动系统噪声主要是齿轮副的噪声。
2.3.1 选择合适的几何参数
1) 把圆柱直线齿轮设计成圆柱斜齿轮或人字齿
由于直齿轮的轮齿在接触的瞬间是整个齿宽的线接触, 传动时产生的啮合冲击较大。斜齿轮也是线接触, 但它是由齿面上一点开始, 渐渐向下延伸而通过整个齿面, 因而冲击较小, 在载荷状态和转速相同的情况下, 直齿轮的传动噪声比斜齿轮大5dB左右, 但斜齿轮传动时有附加轴向力, 故需采取平衡轴向力的措施。一般斜齿轮分度圆上的螺旋角β取16°~20°为宜。而人字齿类似于两个斜齿轮的组合, 其在传动时无附加轴向力, 传动平稳, 噪声低。但制造相对复杂、成本比较高。
2) 增大模数和齿面宽度
由于齿轮工作时, 齿轮相当于一个悬臂梁, 增大模数和齿面宽度可以提高轮齿的抗弯强度, 降低齿轮副啮合时轮齿的弹性变形, 从而降低啮合脉动, 达到控制噪声的目的。
3) 合理地控制齿侧间隙
大型机械压力机为曲柄滑块机构, 在滑块运行到上死点的瞬间, 齿轮副啮合位置换向, 须补偿一个间隙量 (在没有平衡装置的机构中特别明显) , 间隙值太大容易造成打齿, 啮合时有冲击, 噪声明显增高。由于齿轮标准GB/T10095-2008中, 齿轮的加工误差和安装误差、齿厚公差、中心距公差等随机变量对齿侧间隙的影响成概率分布, 大量生产中符合正态分布规律, 但在实际装配中可能出现最大法向间隙, 所以合理地控制齿侧间隙尤为重要。
4) 合理选择齿轮材料及热处理方法
大型机械压力机高速级小齿轮的材料为中碳钢调质处理, 齿面局部淬火40~50HRC, 大齿轮一般为铸钢, 一般地说调质的小齿轮和铸钢的大齿轮减磨性较好, 能有效的降低传动噪声。
2.3.2 采用适宜的工艺方法
1) 齿坯的加工
齿轮的加工是靠坯件的内孔和端面进行定位, 所以必须保证内孔和端面一次装夹加工, 俗称“一刀落”, 以保证内孔和外圆的同轴度、端面和内孔轴线的垂直度要求, 减少齿轮加工后的齿圈径向跳动Ft和齿向公差Fβ。由于齿圈的径向跳动影响齿轮副啮合时的压力角和侧隙的变化, 从而使工作不平稳, 噪声增加;齿向公差影响齿轮副实际接触线缩短, 工作时将产生应力集中, 噪声也明显提高。另外内孔和端面的尺寸精度、形状公差和表面粗糙度都要符合图样要求。
2) 正确选择工艺装备
大型机械压力机的齿轮一般都以滚齿作为齿面的最终加工, 滚刀的选择及磨损后刃磨精度都影响齿轮加工精度和齿面粗糙度。根据被加工齿轮的精度来选择滚刀精度等级, 一般选A或AA级。滚刀磨损后刃磨一定要注意前角后及后角的变化, 磨损量不超过许用值, 否则将产生齿形误差, 齿形误差的存在将影响齿轮副瞬时传动比变形, 影响运动平稳性, 产生啮合噪声。
3) 调整刀具
齿轮加工刀具一般都要对中, 即刀具中间刀齿或齿槽的中心线对准齿坯中心, 否则加工出来的齿形不对称, 产生齿形误差。
4) 静平衡试验
大齿轮转动惯量较大, 材质不均匀, 而且非加工面多, 使通过转子重心的主惯性轴与旋转轴线不相重合, 工作时产生不平衡的离心力, 使齿轮副工作时产生周期性的振动, 所以大齿轮加工后作静平衡试验有利于降低工作噪声。
5) 改进齿轮齿形
齿顶修缘是一种重要的齿形修整, 它是降低齿轮噪声的有效方法之一。比较合适的修缘量为:齿顶直线方向 (0.010-0.015) m, 齿高方向 (0.4-0.5) m (其中m表示为模数) 。为了减小这些误差的影响, 采用鼓形齿, 即轮齿齿向现状进行修正使之中凸 (0.04-0.06) mm。使轮齿受载变形时单位载荷趋于均匀, 有效地降低了噪声。
2.4 离合器和制动器动作噪声及其控制
目前, 空气动力性噪声都是依靠在排气口安装消声器进行降噪, 但必须使这种消声器的阻力小, 降噪量大, 安装方便, 造价合理, 寿命长。国外也有采用排气口直接通入齿轮的隔罩的方法, 取得了较好的效果。由于排除的空气中含有大量的水和油, 所以消声器降噪的结构一定要耐水和油。机械压力机离合器-制动器排气消声器, 降噪量可达38db (A) , 可在实践生产中推广使用。
2.5 大型液压机噪声及其控制技术
2.5.1 大型液压机的总体噪声分析
液压机在锻压设备中噪声相对比较小, 本课题仅研究液压机传动系统的噪声及其控制。
2.5.2 大型液压机传动系统的噪声来源
液压机的噪声一般来源于机械系统、油泵、油缸、阀类元件及管道内液流的振荡, 多发生在控制阀及管道上。在安装、维护及使用过程中应尽量减少振源, 尤其是共振。液压元件及装置的噪声, 不仅危害机器, 而且危害操作人员的身体健康。随着液压系统向高压、高速、大功率方向发展, 振动趋势必然加大, 相应噪声也增大, 液压机也不例外。
2.5.3 大型液压机噪声控制技术
降低和控制噪声的措施主要有:防止油液中渗入空气;防止泵和阀产生“气穴”现象;防止管道内产生紊流和涡流;减小或吸收管道内的压力脉动;设置防振垫 (或支架) 及有关隔振措施等。
3 大型锻压机械的噪声控制措施
大型锻压机械的噪声控制方法较多, 一般主要有以下几种:
1) 随着压力机技术的发展, 使用伺服压力机代替传统机械压力机, 可以将冲压的噪声控制在75dB以下, 达到非常理想的效果。
2) 对岗位管理和工件加工工艺进行调整。通过轮岗的方式减少操作人员受噪声影响的时间;同样的零件采用多工序加工要比单工序加工产生的噪声小。
3) 隔绝噪声的传播途径, 减少车间的混响时间。由于车间混响时间长, 声音衰减较慢, 因而声源通过反射传至各受声点的噪声也就越多, 所以必须利用特殊的介质隔断噪声的传播途径以减轻噪声对操作人员健康的损害。
由于现有大型锻压机械已无法在设备和工艺上进行大范围的改动, 因此, 在设备、工艺及周围环境已经确定的情况下, 隔绝噪声的传播途径是降噪的主要措施。
参考文献
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