УДК  628.517.2:669                                                                 На правах рукописи

                                            

 

 

 

 

 

 

 

УТЕПОВА ГАЛИЯ ЕРКАСЫНОВНА

 

 

Разработка демпфирующих биметаллов для снижения производственного шума

 

 

05.26.01 – Охрана труда

 

 

 

 

 

Автореферат

диссертации на соискание

ученой степени

кандидата технических наук

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Республика Казахстан

Алматы, 2008

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

 

 

Научный руководитель:           академик НАН РК, доктор технических наук

                                                       Сулеев Д.К.

 

Официальные оппоненты:       доктор технических наук

                                                        Дюсебаев М.К.,

                                                        кандидат  технических наук

                                                        Касенов К.М.

                                                       

 

Ведущая организация:              Институт горного дела имени Д. А. Кунаева         

 

 

 

Защита состоится «30» сентября 2008 года в  16.30  на заседании диссертационного совета Д 14.61.25 при Казахском национальном техническом университете имени К.И. Сатпаева по  адресу: 050013, г. Алматы, ул. Сатпаева, 22, корпус НК, 1 этаж, конференц-зал.

 

 

 

 

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

 

 

 

 

Автореферат разослан «___»  ____________  2008 г.

 

 

 

 

 

 

 

 

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор технических наук                                                               М.Т.Жараспаев 

ВВЕДЕНИЕ

 

 

Актуальность исследований. На промышленных предприятиях среди производственных вредностей одно из ведущих мест занимает шум и вибрация. Вредное воздействие повышенного уровня шума на организм человека общеизвестно, поэтому актуальность данной  проблемы очевидна. Шум ударного происхождения  - один из самых вредных видов производственного шума. Одним из эффективных средств борьбы с производственным шумом является использование демпфирующих металлических и неметаллических материалов. Однако неметаллы не используются для снижения шума соударений из-за их невысоких прочностных характеристик, а металлические материалы, характеризующиеся высокими прочностными свойствами, обеспечивают снижение шума весьма незначительно, поэтому встал вопрос о создании принципиально новых материалов, которые могли бы иметь высокие прочностные характеристики и достаточные демпфирующие свойства. Такими материалами являются биметаллы, которые позволяют получать такое сочетание служебных свойств, которое нельзя получить в одном отдельно взятом металле или сплаве, например: высокую прочность с коррозионной стойкостью, ударную вязкость с износостойкостью, прочность с высокой электро- и теплопроводностью, высокую прочность и достаточные демпфирующие свойства и т.д.  До сих пор робкие попытки использовать биметаллы для снижения шума и вибрации не обеспечили решение проблемы, поэтому весьма актуальным является научное исследование, посвященное разработке биметаллов с повышенными демпфирующими свойствами.

Целью работы является снижение производственного шума в источнике возникновения за счет использования демпфирующих биметаллических материалов на основе железа.

Основная идея работы заключается в разработке биметаллических материалов с повышенными демпфирующими свойствами.

Задачи исследования:

- осуществить аналитический обзор литературы по проблеме применения демпфирующих материалов в технике борьбы с шумом, в том числе - использование биметаллических материалов;

- исследовать акустические, демпфирующие и физико-механические свойства стандартных конструкционных сталей 20, 30, 45, инструментальной стали У7, алюминиевого сплава Ал2;

- разработать новые демпфирующие сплавы на основе железа;

- изготовить биметаллические материалы, используя стали У7, 20, 30, 45, алюминиевый сплав Ал2, а также новые разработанные стали с повышенными демпфирующими свойствами;

- исследовать акустические, демпфирующие и физико-механические свойства, сравнить их с монометаллами, выявить механизмы демпфирования биметаллов и разработать рекомендации по использованию в технике борьбы с шумом;

- провести опытно-промышленную проверку результатов исследований

Предметом исследования являются: разработанные демпфирующие стали конструкционные стали 20, 30, 45, инструментальная сталь У7, алюминиевый сплав Ал2, биметаллы на основе этих материалов.

Объектом исследования являются отрасли промышленности, характеризующиеся высоким уровнем шума и имеющие возможность использования биметаллов для снижения шума соударений.

Метод исследования. В работе использована комплексная методика исследований, включающая аналитический обзор, патентный поиск и обобщение отечественного и зарубежного опыта снижения шума ударного происхождения, физическое моделирование, натурные испытания, а также применение математической статистики.

Основные научные положения и результаты:

- совместное легирование доэвтектоидного сплава хромом (0,65%), марганцем (0,88%), и никелем (0,8%), при содержании углерода (0,4%) позволяет создать после горячей пластической деформации феррито-перлитную структуру (сталь ГЕ-1), обеспечивающую достаточные прочностные и пластические свойства (σ_В=500 МПа, σ_т =310 МПа, δ₅=12%, y=42%, а_н=61 Дж/см²) и пониженные характеристики звукоизлучения при соударении (на 6-8 дБА ниже, чем у стандартных сталей), что позволяет улучшить условия труда работающих шумных профессий;

- биметалл, (ГЕБМ-1) содержащий в качестве основного слоя разработанную сталь ГЕ-1, в качестве плакирующего слоя-стандартный алюминиевый сплав Ал2 (10-12% Si, остальное – алюминий) позволяет снизить шум на 3-7 дБА, по сравнению аналогичными биметаллами, обеспечивая улучшение условий труда и долговечность конструкции;

- термическая обработка основного слоя (закалка 780⁰С, низкий отпуск 200⁰ С) и плакирующего слоя (отжиг 810⁰С) биметалла стали 45 позволяет создать структуру с повышенными демпфирующими свойствами, снижающую уровень производственного шума на 7-10 дБА по сравнению с аналогами;

- биметалл с повышенными демпфирующими и прочностными свойствами, состоящий из инструментальной стали У7 и низкоуглеродистой стали 20 позволяет снизить шум соударений на 5-7 дБА, за счет изменения скорости звука на границе соединения двух сталей при равном соотношении толщин слоев.      

Научная новизна работы состоит в следующем:

- получен новый сплав на основе железа ГЕ-1 (0,4% С; 0,19% Si; 0,88% Mn; 0,65% Cr; 0,8% Ni, остальное-железо), обладающий пониженным звукоизлучением при соударениях и достаточными прочностными физико-механическими свойствами;

- разработан биметалл, состоящий из стали ГЕ-1 и алюминиевого сплава Ал2 одинаковой толщины,  обеспечивающий снижение шума на 3-7 дБА по сравнению с биметаллами класса сталь-цветной металл;

- с помощью термообработки составляющих биметалла (закалка, низкий отпуск-основного слоя; отжиг-плакирующего слоя) обеспечено снижение шума при соударении биметалла на 7-10 дБА;

- получен биметалл с высокими значениями прочности и демпфирования, состоящий из стали У7 и стали 20, при равном соотношении толщин.

Реализация результатов работы: стали ГЕ-1, ГЕ-3, и биметаллы (45+Ал2, 45+45, У7+Ал2+20) рекомендованы для снижения шума галтовочных барабанов. Получены акты внедрения с ожидаемым экономическим эффектом.

Личный вклад автора. Получены новые демпфирующие стали, исследованы акустические, демпфирующие и физико-механические свойства стандартных сталей 20, 30, 45, алюминиевого сплава Ал2; изготовлены биметаллы на основе этих материалов; исследованы их акустические и демпфирующие характеристики, рекомендованы лучшие биметаллы для техники борьбы с шумом.

Обоснованность и достоверность научных положений обеспечива­ется:

- использованием теоретических предпосылок, базирующихся на зако­нах акустики, металловедения, физики, химии, теории демпфирования, коле­баний и волн;

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

- совокупностью и удовлетворительной сходимостью результатов ана­литических, лабораторных, промышленных исследований характеристик звукоизлучения.

Практическая значимость работы заключается в создании новых металлических материалов – биметаллов, для снижения производственного шума соударений, создании новых марок демпфирующих сталей.

Апробация работы. Работа доложена на V Международной научно-технической конференции «Новое в охране труда, окружающей среды и защите человека в чрезвычайных ситуациях», Алматы, 2002 г.; Международной конференции «Инженерное образование и наука в XXI веке» Алматы, 2004 г.; VII Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы безопасности жизнедеятельности» (охрана труда, экология, валеология, защита человека в ЧС, токсикология, экономические и правовые аспекты БЖД), Алматы, КазНТУ им. К.И. Сатпаева, 2005г Ч.1.; VIII Международной научно-технической конференции «Новое в безопасности жизнедеятельности» (охрана труда, экология, валеология, защита человека в ЧС, токсикология, экономические, правовые и психологические аспекты БЖД, логистика), Алматы, КазНТУ им. К.И. Сатпаева, 2006г; IX Международной научно-технической конференции «Новое в безопасности жизнедеятельности» (охрана труда, экология, валеология, защита человека в ЧС, токсикология, экономические, правовые и психологические аспекты БЖД, логистика), Алматы, КазНТУ, 2007; научно-практической конференции «Актуальные вопросы охраны труда и здоровья работников на современном этапе», Астана, 2007 г., на научно –технических семинарах КазНТУ имени К.И. Сатпаева в 2004-2008 г.г.

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 Н РК по теме 6.636П.02 (срок 2002-2006гг., объем финансирования – 700000 тенге) «Разработка новых конструкционных материалов с повышенными демпфирующими свойствами для использования в технике борьбы с шумом»;

- гранта HAH PK 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»;

- бюджетной программы 006 «Прикладные научные исследования технологического характера», подпрограммы «Разработка биметаллических материалов с повышенными демпфирующими свойствами» (объем финансирования 2 000 000 тенге, договор № 24/8 от 30.05.2006 Министерства индустрии и торговли РК);

- 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).

Публикации по теме диссертации: 2 монографии, 3 статьи в изданиях, рекомендованных Комитетом по надзору в сфере образования и науки РК, 4 тезисов докладов Международных научно-технических конференций по охране труда.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения, списка использованной литературы из 112 наименований, со­держит  149 страниц компьютерного набора, в том числе 53 рисунка, 53 таб­лиц, 7 приложений.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Основная часть

 

Повышенный шум отрицательно влияет на нервную и сердечно-сосудистую системы человека, вызывает утомление, раздражение, на­рушение сна, агрессивность, способствует психическим заболеваниям. Шум отрицательно влияет на производительность труда. Специалисты утверждают, что за счет, негативных акустических воздействий забо­леваемость, например, в городах возрастает на 30%.

         Литературный обзор, патентный поиск, экспериментальные исследования позволили выявить актуальность проблемы борьбы с производственным шумом, вредное влияние шума и вибрации на организм человека, методы снижения шума и вибрации, недостатки известных способов гашения шума и вибрации в источнике возникновения, ограниченность использования демпфирующих литых сплавов и монометаллов в технике борьбы с шумом и наметить задачи на пути решения этой проблемы.

  Использование биметаллических материалов в технике борьбы с шумом крайне редко, хотя потенциал от этого явно до сих пор не оценен. Биметаллические материалы позволяют получать такое сочетание служебных свойств, которое нельзя получить в одном отдельно взятом металле или сплаве, например, высокую прочность с коррозионной стойкостью, ударную вязкость с износостойкостью, прочность с высокой электро- и теплопроводностью и т.д. В то же время практически отсутствуют работы по использованию биметаллических материала в технике борьбы с шумом – вместо литых демпфирующих сплавов. Двухслойные, многослойные металлические материалы весьма перспективны для гашения вредных вибраций и шумом, так как существенно ограничивается скорость звуковых и вибрационных волн-преграды в виде места сцепления двух металлов. Разнородность металлов позволяют проектировать биметаллы с повышенными демпфирующими свойствами.

  В качестве объекта исследования были выбраны биметаллические материалы полученные из  конструкционных сталей 20, 45, инструментальных сталей, алюминиевого сплава Ал2  и разработанных собственных сплавов.

Опытные стали выплавляли в тигельной индукционной печи емкостью 12 кг с основной футеровкой. Исходным материалом служил металлический лом. Сталь разливали в кокиль размером 210х115х115 мм.

После отливки и охлаждения, слитки подвергали ковке при температуре 1100-1150°С.

Образцы для исследования акустических и физико-механических харак­теристик вырезали из кованых полос. Чистота поверхности после механиче­ской обработки соответствовала 5 классу. Кованые образцы подвергали фре­зеровке, строганию, резке, шлифовке. Отклонения задаваемых размеров (50х50х5 мм) не превышали 0,2 мм. Акустические (уровень звука, уровни звукового давления) определяли после ковки, затем эти же образцы под­вергали отжигу, нормализации, закалке, низкому отпуску. Режим отжига -нагрев до Ас_з + 50°С, выдержка 0,5 часа, охлаждение с печью. Нормализацию проводили по режиму: нагрев до Ас_з + 50°С, выдержка 0,5 часа охлаждение на воздухе. Закалку проводили по режиму: нагрев до Ас_з + 50°С, выдержка 0,5 часа, охлаждение в воде. При низком отпуске нагревали закаленную сталь до 200-250°С и охлаждали в воде. Нагрев и выдержку при закалке, нормали­зации и отжиге проводили в кварцевых ампулах в вакуум с разряжением 10^-3 атм.

Исследование акустических (уровень звука, уровень звукового давления) свойств проводили на установке «КазНТУ-1», методом соударения образца биметалла размерами 50х50х5 мм и ударника шара.

Уровни звукового давления исследовали в октавных полосах частот в диапазоне 2000-16000 Гц. Уровень звука - по шкале "А".

         Биметаллы первой группы, размерами 50х50х5 мм изготавливали следующим образом: к листовой стали Ст. 30, ГЕ – 1 методом приклеивания клеем «Момент» прикрепляли алюминиевый лист или стальной лист.

  Биметалл ГЕБМ-1 (50х50х10 мм) состоит из двух пластин: из стали ГЕ-1 (50х50х2,5 мм) и алюминиевого сплава Ал2 (50х50х2,5 мм). Обозначение ГЕБМ -1 (С) означает, что соударение происходит по стали ГЕ-1, а не по алюминиевому сплаву Ал2. Обозначение биметалла ГЕБМ-1 (А) означает, что соударение с ударником происходит по алюминиевому сплаву Ал2.

 Биметаллы второй группы на основе стали 45: ГЕБМ-6; ГЕБМ-7; ГЕБМ-8; ГЕБМ-9; ГЕБМ-10; ГЕБМ-11 изготавливали следующим образом. Биметалл ГЕБМ-9 состоит из двух пластин из стали 45 размерами 50х50х2,5 мм., соединяли склеиванием как и биметаллы ГЕБМ-6,7,8. Биметалл ГЕБМ-10 состоит из двух пластин из стали 45 размерами 50х50х2,5 мм. Обе пластины соединяли клепкой. Биметалл ГЕБМ-11 состоит из двух пластин из стали 45 размерами 50х50х2,5 мм. Обе пластины соединяли сваркой.

         Биметаллы третьей группы, изготавливали механическим способом (фрезеровка, строгание, шлифовка, полировка) образцы размерами 50х50х2,5 мм из сталей 20, 45, У7 и алюминиевого сплава Ал2.

         Получаемые биметаллы размерами 50х50х5 мм, которые сопоставимы с размерами образцов, использованных по методикам Московского института стали и сплавов (МИСиС), Казахского национального технического университета имени К.И. Сатпаева (КазНТУ), Владимирского технического университета (ВТУ), а также отвечающие условием Кремера Х. для соударяемых исследуемых металлических материалов.

         Определение механических характеристик разработанных сплавов и биметаллов про­водили стандартными методами.

На первом этапе исследовали выплавленные стали ГЕ-1, ГЕ-2, ГЕ-3, ГЕ-4 и стандартные стали 20, 30, 45 и алюминиевый сплав Ал2.

Анализ акустических свойств сталей показал, что УЗД исследованных сплавов изменяется в диапазоне 52-103 дБ в диапазоне частот 63-16000 Гц. Пики УЗД приходятся на частоты 8000 и 16000 Гц. Уровни звука сталей изменяются в диапазоне 92-104 дБА. По частотам максимумы зафиксированы на частотах 63 Гц – у стали 30 (57дБ); 125 Гц – у стали 50Х ГЕ-1 (58дБ); 250 Гц – 45, 20, ГЕ-2 (58дБ); 500 Гц – ГЕ-2 (59дБ); 1000 Гц – ГЕ-3 (60дБ); 2000 Гц – Ст. 20 (60дБ); 4000 Гц – Ст. 45 (69дБ); 8000 Гц – Ст. 20 (103 дБ); 16000 Гц – Ст. 20, 30, ГЕ-4 (102дБ).

Среди стандартных сплавов пониженным звукоизлучением характеризуется алюминиевый сплав Ал2 (99 дБА) и Ст.40 (99дБА). Повышенным L_А характеризуется сталь 20 (104дБА).

Среди разработанных сталей пониженное звукоизлучение характерно для сталей ГЕ-1 (92дБА); ГЕ-3 (93дБА); ГЕ-2 (95дБА). Сталь ГЕ-4 характеризуется повышенным уровнем звука (103дБА).

Исследовали средние значения уровней звука (L_А) и уровней звукового давления (УЗД) сталей после нормализации. Результаты изучения акустических свойств сталей после нормализации показали, что УЗД исследованных материалов изменяются в диапазоне 53-105 дБ на частотах 63-16000 Гц. Пики УЗД приходятся на частоты 8000 и 16000 Гц. Уровни звука сталей изменяются в диапазоне 93-106 дБА. По частотам максимумы зафиксированы на частоте 63 Гц – у сталей ГЕ-4 и Ст. 30 (57 дБ); 125 Гц – у сталей 45 (59 дБ); 250 Гц – ГЕ-3 (59 дБ); 500 Гц – ГЕ-2 (58 дБ); 1000 Гц – ГЕ-1 (64 дБ); 2000 Гц – Ст. 20 (64 дБ); 4000 Гц – Ст. 45 и Ст. 20 (69 дБ); 8000 Гц – ГЕ-4 (103); 16000 Гц – Ст. 20 (105 дБ). Среди стандартных сталей после нормализации пониженным звукоизлучением характеризуется сталь 45 (101 дБА); Ал2 (102дБА) и Ст.30 (104 дБА). Повышенным L_А характеризуется сталь 20 (106 дБА). Из разработанных сталей пониженное звукоизлучение характерно для сталей ГЕ-1 (94 дБА); и ГЕ-3 (93 дБА); ГЕ-2 (97 дБА). Сталь ГЕ-4 характеризуется уровнем звука в 104 дБА. Нормализация после горячей пластической деформации (ковки) вызвала аннигиляцию дислокаций и других несовершенств, что ухудшает демпфирующие свойства и повышает звукоизлучение сплава при соударении.

Исследовали средние значения уровней звука (L_А) и уровней звукового давления (УЗД) сталей после отжига. Анализ акустических свойств сталей после отжига показал, что УЗД исследованных материалов изменяются в диапазоне 52-105 дБ в диапазоне частот 63-16000 Гц. Пики УЗД приходятся на частоты 8000 и 16000 Гц. Уровни звука сталей изменяются в диапазоне 94-107 дБА. По частотам максимумы зафиксированы на частотах 63 Гц – у сталей ГЕ-3 (60 дБ); 125 Гц – у стали ГЕ-4 (60 дБ); 250 Гц – Ст. 20 (60 дБ); 500 Гц – Ал2 (61 дБ); 1000 Гц – Ст 30, Ал2, ГЕ-1 (59 дБ); 2000 Гц – 35 Ст 30, ГЕ-1 (61 дБ); 4000 Гц – Ге-1 (71 дБ); 8000 Гц – Ст. 20 (105 дБ); 16000 Гц – Ст. 20, ГЕ-4 (105 дБ). Из стандартных сталей после отжига пониженным звукоизлучением характеризуются стали 45 (102 дБА); Сплав Ал2 (104 дБА). Повышенным L_А характеризуется сталь 30 (107 дБА);  30 (105 дБА). Из разработанных сталей после отжига пониженное звукоизлучение характерно для сталей ГЕ-3 (94 дБА); ГЕ-1 (95 дБА); ГЕ-2 (98 дБА). Сталь ГЕ-4 характеризуется повышенным уровнем звука в 106 дБА.

Отжиг, отличающийся от нормализации уменьшенной скоростью охлаждения, более полно аннигилирует дислокации, вакансии и другие элементы структуры, повышающие диссипацию звуковой энергии, в то же время утолщаются границы зерен, укрупняется зерно, что повышает демпфирующие свойства сплава. Эти два фактора определяют звукоизлучение сплава при соударении, что является причиной улучшения или ухудшения условий труда работника, обслуживающего шумный механизм или машину.

 

Рисунок 1 - Уровни звука и уровни звукового давления исследованных сталей после ковки

Исследование акустических свойств биметаллов первой группы показало, что пониженное звукоизлучение характерно для биметаллов ГЕБМ-1 (С), состоящий из сталей ГЕ-1 и сплава Ал2, удар по стальной стороне (75 дБА); ГЕБМ-2 (С), состоящий из сталей ГЕ-3 и сплава Ал2, удар по стальной стороне (76 дБА). Повышенный уровень звука наблюдается у биметаллов БМ-50 (81 дБА), состоящий из двух пластин стали 30 (50х50х5 мм); ГЕБМ-5 (40х40х5 мм). Монообразец МС характеризуется уровнем звука 82 дБА. Причиной снижения шума при использовании биметаллов по сравнению с монометаллами является то, что скорость звука в стали 5835 м/с, а в алюминиевом сплаве Ал2 6320 м/с, поэтому при переходе звуковой энергии от стали к алюминиевому сплаву происходит диссипация звуковой энергии.

Исследование акустических характеристик биметаллов на основе стали 45 (вторая группа биметаллов) показало, что максимальное звукоизлучение наблюдается у биметаллов ГЕБМ-8 (Н) (84 дБА), ГЕБМ-10 (80 дБА).

Минимальный уровень звука 73 дБА наблюдается при соударении ударника d=15 мм с образцом ГЕБМ-6 (О) т.е. с биметаллом, состоящим из двух пластин Ст.45 размерами 50х50х2,5 мм, пластина, подвергаемая удару подвергнута отжигу (нагрев до 800-850⁰С, охлаждение с печью). Уровень звука в 74 дБА наблюдается при соударении биметаллического образца ГЕБМ-11 (две пластины из стали 45, соединенные сваркой) с ударником d=15 мм. Биметалл ГЕБМ-6(З) при соударении излучает шум в 74 дБА (две пластины из стали 45, соединенные склеиванием). Также невысокий уровень звука (75 дБА) наблюдается при соударении биметалла ГЕБМ-7(З) с ударником d=15 мм (две пластины из стали 45, одна из которых подвернута закалке с низким отпуском). Также 75 дБА зафиксировано при соударении биметалла ГЕБМ-7 (Н) при соударении с ударником d=15 мм  (две пластины из стали 45, одна из которых подвергнута нормализации).

Эксперименты показали, что отжиг, закалка с низким отпуском основного слоя биметалла из стали 45 обеспечивает снижение производственного шума на 4-6 дБА.

Исследовали уровни звука и уровни звукового давления при соударении биметаллических образцов (третья группа биметаллов) с ударниками диаметрами 6,5; 8,5; 11,5 мм. Амплитудно-зависимое демпфирование звукоизлучения биметаллов (АЗДЗБМ) наблюдается на биметаллических образцах (45+Ал2), (20+Ал2), (У7+А2+20) по характеристикам уровня звука. Амплитудно-зависимое демпфирование звукоизлучения биметаллов заключается в том, что при соударении ударниками разной массы (диаметра) излучается шум неадекватного характера (НХ), суть которого состоит в том, что ударник большей массы генерирует шум меньшего уровня (или одинакового) по сравнению с ударником меньшего диаметра (массы). Так, у образца (45+Ал2) при соударении ударником 6,5 мм (удар по пластине Ст.45) создается шум уровня 72 дБА, то есть столько же, сколько и при соударении ударником 8,5 мм. Хотя уровень звука при соударении ударником 8,5 мм должен быть выше, чем при соударении ударником диаметром 6,5 мм.

Амплитудно-зависимое демпфирование звукоизлучения биметаллов в частотном диапазоне наблюдаются практически у всех образцов. При этом особенно часто наблюдается амплитудно-зависимое демпфирование звукоизлучения биметаллов при соударениях ударниками 8,5 мм и 6,5 мм, хотя наиболее интересные значения амплитудно-зависимого демпфирования звукоизлучения биметаллов наблюдается при соударениях ударником 11,5 мм, так как это самый массивный ударник, поэтому проявление эффекта АЗДЗБМ весьма интересно с научной точки зрения для биметаллов (У7+Ал2), (45+Ал2), (20+Ал2), (Ал2+Ал2), (У7+20), (У7+45) (У7+У7), (20+45), (20+20), (45+45), (45+Ал2+45), (У7+Ал2+У7), (У7+Ал2+45), (У7+Ал2+20).

Общая оценка акустических характеристик биметаллических материалов класса (20, 45, У7, Ал2) показывает следующее. Пониженным звукоизлучением обладают биметаллы (45+Ал2) при соударении по пластине Ал2 (74 дБА); (20+Ал2) при соударении по пластине Ал2 (74 дБА); (45+Ал2+45) – 77 дБА; (Ал2+Ал2) – 77 дБА; (У7+Ал2) – 77,5 дБА (при соударении по Ал2); (У7+Ал2+У7) – 78 дБА; (У7+Ал2+45), удар по пластине 45 (78 дБА). Повышенные  значения УЗД характерны для биметаллов (У7+45), удар по пластине Ст.У7 (82 дБА); (У7+У7) – 82 дБА; (20+20) – 82 дБА; (У7+Ал2) при соударении по пластине У7 (80 дБА). Для практических задач по борьбе с шумом, например, для галтовочных барабанов можно рекомендовать биметаллические пластины для стенок барабана: (45+Ал2), (20+Ал2), (Ал2+Ал2), (45+Ал2+45).

Измерения уровней звука биметаллических материалов при соударении ударником диаметром 8,5 мм показало следующее. Пониженным звукоизлучением характеризуются образцы: (У7+20), при ударе по пластине Ст. У7 (68 дБА); (45+Ал2), удар по Ал2 (69 дБА); (20+Ал2), удар пластине Ст.20 (69,5 дБА) и удар по  пластине сплава Ал2 (70 дБА); ( У7+45), удар по ст.45 (70дБА); (20+45) соударение по любой стороне (70 дБА); (45+Ал2+45) – 70 дБА; (У7+Ал2+45) – 70 дБА; У7+Ал2+20, удар по Ст.20 (69 дБА) и по  Ст.У7 (70дБА).

Повышенные звукоизлучения наблюдаются при соударениях биметаллов: (У7+Ал2) – (73-74) дБА; (У7-У7) – 74 дБА; (20+20) -73 дБА.

При соударении ударником 6,5 мм, пониженные значения звукоизлучения характерны для биметаллов: (У7+20), при ударе по пластине ст. 20 (65,5 дБА); (20+Ал2), удар по пластине ст.20 (66 дБА); (Ал2+Ал2) – 66 дБА; (45+45) – 66 дБА; (45+Ал2+45) -66 дБА; (У7+Ал2+20) – 66 дБА.

В итоге для практических целей по борьбе с производственным шумом можно рекомендовать вышеперечисленные биметаллы, среди которых повышенные демпфирующие свойства наблюдаются у биметаллов: (20+Ал2), (45+Ал2+45), (45+Ал2).

Исследование УЗД биметалла (У7+Ал2) показало, что амплитудно-зависимое демпфирование звукоизлучения биметаллов по уровню звука не наблюдается, а по УЗД амплитудно-зависимое демпфирование звукоизлучения биметаллов обнаружено на частотах 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 8000; 16000 Гц. Следует отметить, что этот биметалл необходимо использовать в механизмах, соударяя пластину Ал2 при интенсивных ударах (d=11,5 мм), а при снижении интенсивности соударений можно использовать другую сторону биметалла (У7), так как при соударениях ударниками 8,5 мм и 6,5 мм по пластине У7 биметалла (У7+Ал2) уровни звука оцениваются соответственно 73 дБА и 68 дБА, что на 1-5 дБА ниже, чем при соударении с пластиной Ал2.

Исследование УЗД биметалла (45+Ал2) показало, что здесь пониженные значения звукоизлучения наблюдаются при соударениях ударников 11,5; 8,5; 6,5 мм с пластиной Ал2 (соответственно 74, 69, 65 дБА), в то время как эти характеристики для пластины 45 выглядят так: 78,5; 72; 72 дБА. Однако следует отметить, что недостатком этого биметалла является то, что сплав Ал2 обладает пониженной износостойкостью, прочностью и при ударных процессах это может повлиять на надежность машины или механизма. Поэтому при использовании биметаллов с разной прочностью, следует выдерживать принцип: более прочный слой биметалла должен выполнять функции соударяемого тела, а менее прочный и менее износостойкий слой,  должен выполнять функции виброизолятора, демпфера.

Следует отметить, что амплитудно-зависимое демпфирование звукоизлучения биметалла (45+Ал2) наблюдается практически на каждой частоте и по уровню звука (для пластины из стали 45).

Сравнительная оценка УЗД биметалла (20+Ал2) показала, что этот биметалл создан за счет соединения низкоуглеродистой стали 20 и алюминиевого сплава Ал2, оптимальное значение этого биметалла происходит когда соударяемой пластиной является сталь 20 (78; 69,5; 66 дБА). Амплитудно-зависимое демпфирование звукоизлучения биметаллов наблюдается как по уровню звука, так и по УЗД на частотах. Следует отметить нежелательные пики УЗД на частотах 125 и 500 Гц, хотя  их значения на уровни звука не сказываются.

Измерения акустических характеристик биметалла (У7+20) показало, что пластины Ст.У7 и Ст.20 по звукоизлучению почти не отличаются. Различие в УЗД наблюдается при соударениях с ударником 8,5 мм (68 дБА и 73 дБА).

Измерения акустических характеристик биметалла (У7+45) показало, что составляющие пластины Ст.У7 и Ст.45 обладают схожими УЗД при соударениях ударниками 11,5 мм и 6,5 мм, а при соударении ударником 8,5 мм излучается шум меньшего уровня соударении пластины Ст.45 следует обратить внимание на пик УЗД этого биметалла на частотах 250-1000Гц (60-64 дБА).

Сравнение акустических свойств биметалла (20+45) показало, что УЗД при соударении по основному слою (Ст.20) и плакирующему слою (Ст.45) мало отличается.

При исследовании УЗД биметалла (У7+Ал2+45) обнаружено, акустические характеристики при соударении по обеим пластинам почти одинаковы.

Исследование характеристик УЗД биметалла (У7+Ал2+20) показало, что звукоизлучение составляющих пластин практически одинаково. Амплитудно-зависимое демпфирование звукоизлучения биметаллов наблюдается как по уровню звука так и по частотам.

Исследованы сравнительные УЗД биметаллов (Ал2+Ал2), (У7+У7), (20+20), (45+45). Пониженные значения УЗД наблюдаются у биметаллов (Ал2+Ал2) и (45+45).

Исследованы сравнительные значения звукоизлучений биметаллов (45+Ал2+45) и (У7+Ал2+У7). Предпочтительнее биметалл (45+Ал2+45), так как при соударении ударником 6,5 мм этот биметалл генерирует шумы на 3 дБА ниже, чем биметалл (У7+Ал2+У7).

         Причины снижения шума соударений биметаллических образцов с ударником следующие:

         - виброизоляция основного слоя биметалла (воспринимающего соударение) плакирующим слоем;

         - разность скорости звука в составляющих элементах биметалла, особенно низкая скорость звука в пограничном слое биметалла (в плоскости контакта разнородных металлов);

         - повышенные демпфирующие свойства основного слоя биметалла (природа, плотность и характер распределения несовершенств строения кристаллической решетки твердого тела, а также особенностей их взаимодействия; метастабильность состояния сплава; дефекты любого типа, искажающие кристаллическую решетку и вызывающие внутреннее напряжение; релаксационные процессы; дислокации; упругое двойникование, заключающееся в обратимом смещении двойниковых границ при реориентации в полидоменном кристалле или в возникновении и росте двойников при соударениях; магнитомеханическое демпфирование и др.)

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Диссертация является квалификационной научной работой, которая содержит новые научно обоснованные результаты, использование которых обеспечивает решение важной прикладной проблемы снижения производственного шума в источнике возникновения за счет создания демпфирующих биметаллических материалов на основе железа.

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научно-технической задачи снижения шума в источнике возникновения за счет создания демпфирующих биметаллических материалов на основе железа.

Основные результаты выполненных исследований заключаются в следующем:

- дана оценка акустическим, демпфирующим, физико-механическим свойствам стандартных сталей 20, 30, 45, алюминиевому сплаву Ал2, используемым для изготовления деталей, работающих в режиме ударных нагрузок;

- получены в лабораторных условиях стали, легированные хромом, марганцем и никелем ГЕ-1, ГЕ-2, ГЕ-3, ГЕ-4, из которых ГЕ-1 (0,40%С; 0,19% Si; 0,88% Mn; 0,65% Cr; 0,8% Ni; остальное – железо) и ГЕ-3 (0,50% С; 0,25% Si; 0,85% Mn; 0,29% Cr; 0,4% Ni; остальное – железо), обладают пониженным звукоизлучением после соударения, обеспечивающие улучшение условий труда за счет снижения уровня производственного шума на 7-10 дБА по сравнению со стандартными сталями 20, 30, 45 и алюминиевым сплавом Ал2;

- спроектированы и изготовлены биметаллы, состоящие из сталей 20, 30, 45, алюминиевого сплава Ал2, стали ГЕ-3, из которых пониженным звукоизлучением (74 дБА) обладают биметаллы (45+Ал2), (20+Ал2), ГЕБМ-6 (45+45);

-биметаллический материал (ГЕБМ-1), в составе которого демпфирующая сталь автора ГЕ-1 (основной слой) и алюминиевый сплав Ал2 (плакирующий слой) при соударениях генерирует шума на 3-7 дБА ниже, чем аналогичные биметаллы, что позволяет рекомендовать этот биметалл для деталей, работающих в режиме ударов, с целью улучшения условий труда за счет снижения производственного шума;

-термообработка оказывает существенную роль на диссипацию звуковых колебаний при соударении, так закалка (780⁰С, низкий отпуск, 200⁰С) основного слоя (сталь 45) биметалла и отжиг (810⁰ С) плакирующего слоя (сталь 45) обеспечивает снижение шума на 7-10 дБА, что весьма эффективно для улучшения труда шумных профессий;

- основными причинами снижения шума биметаллами являются повышенные демпфирующие свойства составляющих элементов биметалла (виброизолирующие характеристики плакирующего слоя биметалла, изменение скорости звуковой волны на границе основного и плакирующего слоя биметалла).

- опытно-промышленная проверка разработанных биметаллов по характеристикам звукоизлучения показало эффективность полученных демпфирующих биметаллов

- получена социальная эффективность от внедрения демпфирующих биметаллов (78%), означающая положительную работу по снижению шума за счет биметаллов

- получен ожидаемый экономический эффект от внедрения демпфирующих биметаллов, оценивающий экономию средств от отсутствия профессиональных заболеваний из-за снижения уровня шума.

Оценка полноты решения поставленных задач. Поставленная цель работы достигнута, задачи исследования решены, результаты исследования доведены до внедрения.

Разработка рекомендации исходных данных по конкретному использованию результатов. Результаты исследования необходимы для технологов, конструкторов машиностроительных, металлургических предприятий, специалистам по охране труда для снижения шума соударяющихся деталей машин и механизмов.

Оценка технико-экономической эффективности внедрения. Годовой экономический эффект (ожидаемый) от внедрения малошумных биметаллов  составил 525 858 тенге в год.

Оценка научного уровня выполненной работы в сравнении с лучшими достижениями в данной области. В работе разработан ряд биметаллов с использованием как обычных сталей 20, 30, 45, У7, сплавов Ал2, так и вновь разработанных сталей с повышенными демпфирующими свойствами ГЕ-1, ГЕ-3. Аналогичные работы в Казахстане не проводятся.

 

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

 

1.     Сулеев Д.К., Утепов Е.Б., Утепов Т.Е., Сыдыкова А.Б., Утепова Г.Е. Использование биметаллических материалов для снижения шума соударений в узлах машин и механизмов// Алматы, КазНТУ имени К.И.Сатпаева, 2008 – 103 с.

2.           Сулеев Д.К., Утепов Е.Б., Урикбаева Г.А., Утепова Г.Е. Применение демпфирующих наноструктурных материалов в технике борьбы с шумом и вибрацией. – Алматы, КазНТУ имени К.И. Сатпаева, 2008 – 76 с.

3.     Түсіпқалиева Э.Ә., Өтепова А.Б., Өтепова Ғ.Е., Мырзабаев А.Ж., Долгов П.В., Батесова Ф.К. Қалалық шуды зерттеу. //Вестник КазНТУ имени К.И. Сатпаева, №1(1), 2007. -  С. 167-172.

4.     Сулеев Д.К., Мишра Б., Дж.Моор., Жумадилова Ж.О., Утепова Г.Е. Пути снижения шума горно-металлургического комплекса. //Вестник КазНТУ имени К.И. Сатпаева, № 1 (64), 2008. -  С. 6 – 9.

5.     Сулеев Д.К., Уразбахова А.А., Минжасаров Б.Б., Утепова Г.Е., Калдыбаева С.Т. Разработка демпфирующих сплавов для снижения шума ударного происхождения. //Вестник КазНТУ имени К.И. Сатпаева, № 1/1 (58), 2007. -   С. 57 – 62.

6.           Утепов Е.Б., Сиражев Н.Ж., Шалабаев Ж., Утепова Г.Е., Актаев Б.Г. Применение демпфирующих сталей для снижения шума в направляющих трубах токарных автоматов //труды пятой международной научно-технической конференции "Новое в охране труда, окружающей среды и защите человека в чрезвычайных ситуациях". Ч. 1, Алматы, КазНТУ имени К.И. Сатпаева, 2002.-388с. С. 261-264.

7.     Ахмадиева Т.К., Абдрасилова Ж.Х., Тукебаев Ж. А., Суйесинова Г.И., Утепова Г.Е. Влияние химического состава и термообработки на демпфирующие свойства сталей //труды международной конференции «Инженерное образование и науки в XXI веке», посвященной 70-летию КазНТУ имени К.И. Сатпаева. Индустриально-инновационное развитие экономики. Т. 2. Алматы, КазНТУ имени К.И. Сатпаева, 2004.-500с. С. 318-324.

8.     Утепов Е.Б., Нюсупова А.Б., Абдрасилова Ж.Х., Мукашулы А., Мединский А., Уразбахова А.А., Минжасаров Б.Б., Утепова Г.Е., Болатбаева Т.А., Куттыбаев С. Методы исследования акустических свойств металлических материалов при ударном возбуждении //труды восьмой международной научно-технической конференции «Новое в безопасности жизнедеятельности» (охрана труда, экология, валеология, защита человека в ЧС, токсикология, экономические, правовые и психологические аспекты БЖД, логистика) Ч. 1 Алматы, КазНТУ имени К.И. Сатпаева, 2006. - С. 69-94.

9.     Утепов Е.Б., Актаев Б.Г., Урикбаева Г.А., Тукибай А., Заликанова И.П., Актаева Д.У. Методы исследования производственного шума и пути его снижения //труды восьмой международной научно-технической конференции «Новое в безопасности жизнедеятельности». Ч. 1 Алматы, КазНТУ имени К.И. Сатпаева, 2006. - С. 235-240.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Түйін

 

Өтепова Ғалия Ерқасынқызы

 

Өндірістік шуды төмендетуге арналған демпферлік биметалдарды жасау

 

 

Зерттеулерді жүргізу өзектілігі. Қазақстан республикасындағы өндірістік кәсіпорындарда өндірістік зияндылықтар ішінде шу мен діріл маңызды орын алады. Жалпы жоғары деңгейдегі шудың адам ағзасына әсер ететіндігі белгілі, сондықтан нақты мәселенің өзекті екендігі анықталды. Соққылы түрдегі шу - өте қауіпті. Өндірістік шумен күресудің ең тиімді құралы демпферлі металды және металды емес материалдарды қолдану. Бірақ та, металды емес материалдар беріктілік қасиетінің төмендігінен соққылы шуды бәсеңдетуде қолданылмайды, ал жоғары беріктілік қасиетімен сипатталатын металды материалдар  шуды толығымен бәсеңдетумен қамтамасыз етеді, сондықан да жоғары беріктілік қасиетімен жеткілікті демпферлі қасиетіндегі жаңа материалдарды дайындау жөнінде сұрақ туындайды. Мұндай материалдарға жеке бір металдан немесе қорытпадан алуға келмейтін, күрделі құрамдағы биметалдар жатады, мысалы: коррозиялық тұрақтылықпен жоғары беріктілік, соққылы тұтқырлықты тозуға төзімділікпен, беріктікті жоғары электр және жылу өткізгішпен, жоғары беріктілік және жеткілікті демпферлік қасиеті және т.б. Шу мен дірілді бәсеңдетуге арналған биметалдарды қолдану жолдары осы күнге дейін мәселені шешумен қамтамасыз ете алмады, сондықтан жоғары демпферлік қасиеттегі биметалдарды өңдеуге арналған ғылыми зерттеулер маңызды болып табылады.

Жұмыстың мақсаты темір негізіндегі демпферлік биметалды материалдарды қолдану арқылы өндірістік шуды пайа болу көзінде бәсеңдету.

Жұмыстың негізгі идеясы жоғары демпферлік қасиетіндегі биметалды материалдарды жасау.

Зерттеу міндеттері:

- шумен күресу техникасындағы демпферлік материалдарды, оның ішінде биметалды материалдарды қолдану мәселесі бойынша әдебиеттік талдаулар жасау;

- стандартты конструкциялық  20, 30, 45, болаттардың, У7 құрал-саймандық болаттың, Ал2 алюмин қорытпасының акустикалық демпферлі және физика-механикалық қасиеттерін зерттеу;

- темір негізіндегі жаңа демпферлік қорытпаларды жасау;

- У7, 20, 30, 45 болаттарды, Ал2 алюмин қорытпасын қолдана отырып биметалды үлгілерді, сонымен қатар жоғары демпферлі қасиетті жаңадан жасалған болаттарды дайындау;

- акустикалық, демпферлік және физика-механикалық қасиеттерін зерттеу, оларды монометалдармен салыстыру, биметалдардың демпферлену механизмін анықтау және оны шумен күресу техникасында қолдану бойынша ұсыныстар жасау;

- зерттеу нәтижелеріне тәжірибелік өндірістік тексерулер жүргізу.

Зерттеу әдістері. Берілген жұмыста әдебиеттерге шолу, отандық және шет елдердің соққылы шуды бәсеңдету тәжірибесі, физикалық моделдеуді, нақты сынақтарды, сонымен қатар, математикалық статистиканы қолданатын кешенді зерттеулер әдістемесі пайдаланылды.

Қорғауға шығарылатын негізгі ғылыми қағидалар мен нәтижелер:

- эвтектоидқа дейінгі қорытпаны хроммен (0,25%), марганецмен (0,88%) және никелмен (0,8%), көміртегінің төменгі мөлшерінде (0,4%) біріккен легірлеу, изотермиялық күйдіруден соң ферритті-перлитті құрылым құруға мүмкіндік береді, ол (болат ГЕ-1) жеткілікті беріктілік пен иілімділікті қамтамасыз етеді (σ_В=500 МПа, σ_т =310 МПа, δ₅=12%, y=42%, а_н=61 Дж/см²), дыбыс көзінің төмендеу сипаты соққы кезінде (стандартты болаттарға қарағанда 6-8 дБА төмен) шулы кәсіптегі жұмысшылардың еңбек шарттарын жақсартуға  мүмкіндік береді;

- ГЕ-1 жасалған болаттың негізгі қабаты ретінде, стандартты Ал2 алюмин қорытпасының (10-12% Si, қалғаны – алюминий) қабаты ретінде құралған биметалл (ГЕБМ-1) конструкция құруға мүмкіндік береді, дірілдемпферлік соққылы процестер соққы кезінде биметалдың болат бөліктері бойынша шуды 3-7 дБА бәсеңдетеді, ұқсамабиметалдармен салыстырғанда еңбек шарттарын жақсартумен және конструкцияның ұзақ тұрақтылығымен қамтамасыз етеді;

- болат 45 биметалының термиялық өңдеуінің негізгі қабаты (шынықтыру 780⁰С, төменгі босатылым 200⁰ С) және қаптасу қабаты (босаңдату 810⁰С) жоғары демпферлік қасиеттегі құрылымға мүмкіндік береді, ұқсамалармен салыстырғанда өндірістік шу деңгейін 7-10 дБА бәсеңдетеді;

- құрал-саймандық У7 болаттан және төменгі көміртегілі 20 болаттан тұратын жоғары демпферлі және беріктілік қаситіне ие биметалл соққылы шуды 5-7 дБА төмендетуге мүміндік жасайды, яғни бұл қабаттардың қалыңдығы 1:1 қатынасы кезінде екі болаттың қосылу аймағындағы дыбыс жылдамдығының өзгеруімен жүреді.

Диссертациядағы ғылыми жаңалықтар:

- ГЕ-1 темір негізіндегі жаңа қорытпа (0,4% С; 0,19% Si; 0,88% Mn; 0,65% Cr; 0,8% Ni, қалғаны-темір) алынды, соққы кезінде төменгі дыбыс сәулесін және жеткілікті беріктілікті физика-механикалық қасиеттерге ие;

- бірдей қалыңдықтағы ГЕ-1 болаттан және Ал2 алюмин қорытпасынан тұратын биметалл дайындалған, биметалдың болат-түсті метал класымен салыстырғанда шуды 3-7 дБА бәсеңдетеді;

- термиялық өңдеу көмегімен жасалған биметалл (шынықтыру, төменгі босатылым-негізгі қабат; босаңдату-қаптасу қабаты) биметалл соққысы кезінде шуды 7-10 дБА бәсеңдетеді;

- У7 болаттан және 20 болаттан тұратын, беттерінің қалыңдығы (0,25:0,25) мм қатынас кезінде жоғары мәнді беріктілікпен және демпферленуге ие биметал алынды.

Жасалған биметалдардың негізгі конструктивті, технологиялық және технико-эксплуатациялық мінездемелері: жеткілікті беріктілік және иілімдік қасиеттері (s_в=500МПа, s_т=310МПа, s₅=12%, y=42%, а_н=61Дж/см²) және соққы кезіндегі дыбыс сәулесінің дөменгі сипаты (стандартты болаттарға қарағанда 6-8 дБА төмен), шулы өндірісте еңбек шартын жақсартады.

Ғылыми-зерттеу жұмысын енгізу дәрежесі: жасалған биметалды материалдардың зерттеу нәтижелерінің тәжірибелік-өндірістік тексеру жұмыстары «Контакт» ЖШС және «Акат Мунайсервис» ЖШС мекемелерінде жүзеге асырылады. Жасалған биметалды материалдардан ойыңылау барабандары дайындалған. Биметалдан жасалған ойыңылау барабандары жұмысының шуы ұқсамалармен салыстырғанда 10 дБА төмен болып шықты.

Пайдалану аймағы: жасалған биметалдар жоғары деңгейлі шудың өндірістік учаскелерінде, атап айтқанда ойыңылау барабандары, қаптама, токарлы автоматтың бағыттаушы құбырлары, соққылы машина бөлшектері мен механизмдерде қолдануға болады.

Жұмыстың экономикалық тиімділігі:  жасалған  жоғары демпферлік қасиеттегі (ойыңылау барабандарын дайындауда) биметалдарды қолданудың экономикалық тиімділігі жылына 52588 теңгені (бес жүз жиырма бес мың сегіз жүз елу сегіз) құрады. Экономикалық тиімділігі өндірістік жұмысшылардың ауыру саны біршама азайды.

Зерттеу объекті дамуы жайында болжам: темір негізінде жасалған биметалды материалдар жоғары беріктілікпен және жеткілікті демпферлік қасиеттерімен сипатталады, сондай-ақ машина бөлшектері мен механизмдерінің физика-механикалық сипаттамаларының талаптарына сәйкес қолданылуы мүмкін. Биметалдарды қолдану өндірістік шуды төмендетіп қана қоймайды, сонымен қатар еңбек шартын жақсартады, жобаланған машина тораптары мен бөлшектерінің жұмыс сенімділігін жоғарылатады.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Summary

 

Galia Yerkasynovna Utepova

 

Development of deadening bimetals to low industrial noise

 

Topicality of researches.  At the industrial enterprises of the Republic Kazakhstan noise and vibration take the first place among industrial health hazard. Harmful effect of the raised noise level upon a human organism is well-known; therefore topicality of the given problem is obvious. Imp active noise is one of the most harmful. Use of deadening metal and nonmetallic materials is one of effective means to struggle against industrial noise. However nonmetals are not used to low impacting noise because of their low durability parameters, while the metal materials, having high durability properties provide rather slight lowering of noise; therefore the problem have appeared on creation of in principle new materials which would have high durability parameters and sufficient deadening properties. Such materials are bimetals, they allow to achieve such combination of service properties that cannot be received using one single metal or alloy, for example: high durability and corrosion stability,  impact strength and wear resistance, durability and high electro and thermal conductivity, high durability and sufficient deadening parameters, etc. Till now timid attempts to use bimetals for lowering noise and vibration have not decided the problem, therefore the scientific research, devoted to development of bimetals having increased deadening properties is rather actual.

Purpose of the work is to low industrial noise at a source of origin at the expense of use of deadening bimetallic materials based on iron.

Basic idea of the work consists of development of bimetallic materials having increased deadening parameters.

Research tasks:

- To carry out the analytical review of the literature on a problem of application deadening materials in the technique of struggle against noise, including - use of bimetallic materials;

- To investigate acoustic deadening and physical and mechanical properties standard constructive steels 20, 30, 45, tool steel У7, aluminum alloy Ал2;

- To develop new deadening alloys based on iron;

- To make bimetallic samples, using steel У7, 20, 30, 45, aluminum alloy Ал2, and also new developed became with raised deadening properties;

- To investigate acoustic, deadening and physical and mechanical properties, to compare them to monometals, to find out the deadening mechanisms of bimetals and to develop recommendations on use in technique of struggle against noise;

- To make trial check of the researches results.

Research subjects are the developed deadening steels, alloyed with chrome and nickel, constructive steel 20, 30, 45, tool steel У7, aluminum alloy Ал2, bimetals on the basis of these materials.

Research objects are the industries, characteristic with high noise level and having an opportunity to use bimetals in view to decrease in impacting noise.

Research method. In this work the author have used the unifying technique of researches including the analytical review, patent search and generalization of domestic and foreign experience in lowering of impacting noise, physical modeling, natural tests, and applying mathematical statistics.

Basic scientific positions and results:

- Joint alloy alloy  of hypoeutectoid alloy with chrome (0,25 %), manganese (0,88 %) and nickel (0,8 %), at carbon content (0,4 %) allows to create the ferrite-pearlite structure after hot plastic deformation, (steel ГЕ-1) providing sufficient durability and plastic properties (σ_В=500 MPa, σ_т =310 MPa, δ₅=12%, y=42%, а_н=61 j/см²) and the lowered characteristics of impact acoustic radiation (at below 6-8 dBA, than at standard steels), that allows to improve working conditions of noisy trades;

- Bimetal, (ГЕБМ-1) containing the developed deadening steel ГЕ-1 as the basic layer; as a clad layer – the industrial aluminum alloy Ал2 (10-12 % Si, the rest makes aluminum) allows to lower noise by 3-7 dBA at impact by a bimetal steel part, in comparison to similar bimetals, providing improvement of working conditions;

- Thermal processing of the basic layer (chill at 780⁰С, low drawing-back 200⁰C) and a plating layer (annealing 810⁰С) bimetal of steel 45 allows to create structure with raised deadening properties, reducing an industrial noise level by 7-10 dBA in comparison to analogues;

- Bimetal with increased deadening and durability properties, consisting of tool steel У7 and low-carbon steel 20 allows lowering impacting noise by 5-7 dBA, at the expense of change of sound speed in the connection border of two steels at correlation of thickness of layers 1:1.     

Scientific novelty of work consists in the following:

- The new alloy based on the iron ГЕ-1 (0,4C%; 0,19% Si; 0,88% Mn; 0,65% Cr; 0,8% Ni, the rest makes iron), having lowered acoustic radiation at impacts and sufficient durability physical and mechanical properties;

- the author has developed bimetal consisting of steel ГЕ-1 and industrial aluminum alloy Ал2 of identical thickness, providing lowering of noise by 3-7 dBA in comparison with bimetals of steel-nonferrous metal class;

- By means of thermal processing of bimetal components ( chill, low drawing-back of a core layer; an annealing-clad plate) the author has achieved noise lowering at impact of bimetal by 7-10 dBA;

- the author  has received the bimetal with high values of durability and deadening, consisting of steel У7 and steel 20, at thickness correlation of sheets (0.25:0.25) mm.

The basic constructive, technological and technical and operational properties of the developed bimetals: sufficient durability and plastic properties (σ_В=500 MPa, σ_т =310 MPa, δ₅=12%, y=42%, а_н=61 J/cm²) and the lowered characteristics of impacting acoustic radiation (below by 6-8 dBA, than at standard steel), that allows to improve working conditions of noisy trades.

Degree of introduction of research work: trial check of the developed bimetallic materials is carried out by TOO "Contact" Company and TOO “Akat Munayservis” (Aktobe). The rumbling barrels have been made of the developed bimetallic materials. Noise of operating rumbling barrels produced by bimetals, has appeared below by 10 dBA, than the same of analogues.

Scope: the developed bimetals can be used in the industry in the sites with the increased noise level for such details, as rumbling barrels, cases, guide pipes of turning automatic devices, impacting details of machines and mechanisms.

Economic efficiency of work from use of the developed bimetals with increased deadening properties (at manufacture of rumbling barrels) has made 525858 (five hundred twenty five thousand eight hundred fifty eight) tenge annually. Economic efficiency has been achieved at probable reduction of number of occupational diseases of workers.

Forecasting assumptions of development of the research object. The developed bimetallic materials based on iron have high durability and sufficient deadening properties and can be used according to requirements to physical and mechanical parameters of details of machines and mechanisms. Besides lowering of industrial noise and improvement working conditions use of bimetals will allow to increase reliability of work of the projected detail or unit in the machine.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подписано в печать 26.08.2008

Формат 60х84 1/16. Бумага ксероксная

Объем 1,0 печ. л. Тираж 100 экз.

 

__________________________________________________________

 

Издание Казахского национального технического

университета имени К.И. Сатпаева

Издательский центр КазНТУ им. К.И. Сатпаева, г. Алматы, ул. Ладыгина, 32