PROJEKTOWANIE MASZYN I URZĄDZEŃ ZGODNIE Z ZASADĄ ZRÓWNOWAŻONEGO ROZWOJU Andrzej N. WIECZOREK Politechnika Śląska Streszczenie: W pracy przedstawiono koncepcję projektowania opartą o nadrzędne kryterium optymalizacyjne, którym jest minimalizacja drgań i hałasu generowanych przez maszyny robocze. W koncepcji tej uwzględniono pogorszenie właściwości wytrzymałościowych i eksploatacyjnych konstrukcji, które należy poprzez zastosowanie dodatkowych środków doprowadzić do zadawalającego poziomu. Rozważane podejście projektowe rozpatrzono na przykładzie przekładni zębatych, w przypadku których, z uwagi na wysoki poziom zaawansowania technologicznego, niezwykle trudne jest uzyskanie obniżenia hałasu. Słowa kluczowe: projektowanie, hałas, przekładnie zębate WPROWADZENIE Rozwój komputerowych technik obliczeniowych i graficznych umożliwia przyśpieszenie prac rozwojowych, co skutkuje szybszym uzyskaniem wyniku spełniającego założone kryterium techniczne, technologiczne lub społeczne. Jednym ze skutków tego rozwoju jest także szybsze wdrażanie zmodyfikowanych rozwiązań istniejących wyrobów lub całkiem nowych typów wyrobów, co prowadzi do szybszej wymiany istniejących wyrobów. Sytuacja taka prowadzi do większego zapotrzebowania na surowce naturalne. Jedną ze stosowanych koncepcji przeciwdziałającą tym procesom jest zrównoważony rozwój [14] przemysłu i sektora usług. Bardzo ważnym aspektem wdrażania tej koncepcji jest płaszczyzna techniczna ukierunkowana na: tworzenie dóbr i usług, które nie zanieczyszczają środowiska, oszczędzają energię i surowce naturalne, są ekonomicznie wykonalne, zdrowe i satysfakcjonujące dla producenta i społeczeństwa-konsumentów [3]. Zrealizowanie tych celów możliwe jest poprzez uwzględnienie ich już na etapie projektowania, a włączenie aspektów środowiskowych we wczesnym etapie wytwarzania wyrobu wpłynie na właściwości i funkcjonowanie produktu w dalszych etapach jego życia. Ustalenie właściwych strategii konstruowania decyduje o uzyskaniu pożądanych rezultatów, takich jak redukcja kosztów ekologicznych oraz minimalizacja wpływu na środowisko naturalne i zdrowie człowieka. W wielu przypadkach stosunkowo łatwo można uzyskać efekt poprawy oddziaływania produktu na środowisko, ale jest wiele grup produktów (dotyczy to szczególnie maszyn i urządzeń), dla których trudno jest otrzymać rozwiązanie konstrukcyjne inne od dotychczasowego. Wynika to z wysokich wymagań stawianych urządzeniom technicznym, wśród których należy wymienić przede wszystkim wytrzymałość, niezawodność i bezpieczeństwo. Stawiane wymogi, a przez to stosowane materiały i technologie, znacznie zawężają możliwości tzw. ekoprojektowania. Obszarem, w którym należy szukać szczególnie poprawy oddziaływania maszyn i urządzeń na środowisko i zdrowie człowieka jest zmniejszenie emisyjności akustycznej. Poprawa właściwości akustycznych maszyn i urządzeń odbywa się w głównej mierze na etapie projektowanie na drodze zmian konstrukcyjnych, tak więc zależy ona naprawdę od 1
podejścia projektanta do problemu oraz od jego wiedzy i doświadczenia w tworzeniu konstrukcji o zmniejszonej wibroaktywności. Od wartości poziomów dźwięku, jakie generują maszyny i urządzenia stosowane w procesie produkcyjnym zależą warunki pracy pracowników. Od tych warunków zależy stan zdrowia pracowników, ich wydajność, a przede wszystkim możliwy z uwagi na istniejące przepisy, dopuszczalny czas pracy. Dopuszczalna wartość poziomu dźwięku na stanowisku pracy dla ośmiogodzinnego czasu pracy, czyli 85 db(a), jest często przekraczana z uwagi na charakter działania maszyn i urządzeń. Prawdopodobieństwo przekroczenia dopuszczalnych wartości rozpatrywanych czynników w ostatnich czasach wzrasta także z uwagi na istotny wzrost mocy silników instalowanych w napędach maszyn i urządzeń (moc akustyczna zawarta w generowanym przez urządzenia dźwięku zależy od wartości mocy mechanicznej doprowadzonej do układu). Dobitnym tego przykładem jest przemysł wydobywczy, w przypadku którego w ostatnim dziesięcioleciu całkowita moc napędów co najmniej podwoiła się. Przekroczone na stanowiskach pracy wartości hałasu obserwuje się w wielu branżach przemysłu, w szczególności do najbardziej zagrożonych należy zaliczyć przemysł wydobywczy, maszynowy, hutnictwo i budownictwo. Zwiększony ponad wartości normowe poziom hałasu wymusza konieczność stosowania dodatkowych osobistych ochron słuchu oraz skrócenie czasu pracy, co rzutuje istotnie na wynik ekonomiczny całego przedsiębiorstwa. Należy także dodać, że emisja hałasu wiąże się także z oddziaływaniem na środowisko naturalne i fakt ten spowodował zmiany prawne skutkujące nałożeniem kar za emitowanie tego zanieczyszczenia [9]. Znaczenie zmniejszenia powstawania drgań i emisji hałasu zostało także podkreślone w postanowieniach zawartych w obowiązującej Dyrektywie Maszynowej [10] poprzez następujący zapis: maszyna powinna być zaprojektowana i wykonana w taki sposób, aby zagrożenia emitowanym hałasem (powstawania drgań) były zredukowane do najniższego poziomu, biorąc pod uwagę postęp techniczny i dostępność środków ograniczenia hałasu, w szczególności u źródła ich powstawania. ROLA PROJEKTOWANIA W PROCESIE WYTWARZANIA WYROBÓW W ramach działalności inżynierskiej, projektowanie stanowi jeden z najbardziej istotnych etapów wytwarzania środków technicznych. Końcowy efekt projektowania, czyli gotowy wyrób, decyduje o spełnieniu zakładanych oczekiwań co do ekonomiczności, niezawodności i trwałości wytworu. Projektowanie [2] definiuje się jako opracowanie informacji o sposobie zaspokajania potrzeby, natomiast projektowanie techniczne polega na opracowaniu sposobów zaspokojenia tych potrzeb w wyniku działalności technicznej. Wynikiem tego jest powstanie dokumentacji technicznej zawierającej np. rysunki, opisy i instrukcje dotyczące eksploatacji. Projektowanie maszyn można określić jako obmyślenie koncepcji działania maszyny, dobór układów przetwarzania energii, materii i informacji, odpowiednim wykorzystaniu i kojarzeniu właściwości materii oraz zjawisk fizycznych, opracowaniu struktur mechanizmów oraz tworzeniu pożądanych sprzężeń i relacji miedzy obiektami [2]. Wzajemne powiązanie pomiędzy poszczególnymi etapami projektowania technicznego i projektowania maszyn [2] przedstawia rysunek 1. Przedstawiony schemat uwzględnia 2
wszystkie niezbędne czynniki konieczne do zrealizowania potrzeby społecznej. Z reguły jednak w przypadku projektowania konkretnego urządzenia czy maszyny należy uwzględnić posiadaną infrastrukturę i dostępne środki techniczne, dlatego wystarcza skoncentrowanie się na samym procesie projektowania maszyn. Rys. 1 Powiązania pomiędzy etapami projektowania technicznego i maszynowego W przedstawionym schemacie projektowania maszyn występuje etap określenia kryteriów stawianych projektowanemu urządzeniu. Kryteria te stanowią podstawę optymalizacji konstrukcji, ukierunkowanej na spełnienie założonej funkcji celu. Pod pojęciem optymalizacja rozumie się wyznaczenie najlepszego rozwiązania z punktu widzenia określonego wskaźnika. Wyróżnia się optymalizacje jedno i wielokryterialne (polioptymalizacja). W przypadku optymalizacji wielokryterialnej może wystąpić wiele kryterium, często wzajemnie się wykluczających, i dlatego podejmowane decyzje konstrukcyjne są wypadkową wielu funkcji celu. Często wiodące kryterium determinuje dalszy proces projektowania (a w zasadzie już konstruowania, czyli projektowania szczegółowego polegającego na dobraniu cech konstrukcyjnych projektowanego urządzenia). W praktyce przedsiębiorstwa stosują różne podejścia do projektowania i rozwoju swoich wyrobów, wynika to przede wszystkim ze specyfiki produktu jak i posiadanego zaplecza technologicznego. W ostatnich latach obserwuje się rozwój metod symulacji komputerowych z zastosowaniem oprogramowania CAD oraz wykorzystanie technik szybkiego prototypowania (Rapid Prototyping). PRZYCZYNY I METODY OBNIŻENIA HAŁASU MASZYN I URZĄDZEŃ Pod pojęciem hałasu rozumie się wszelkie dźwięki niepożądane występujące w otoczeniu człowieka. Najczęściej towarzyszy on ludziom na stanowisku pracy lub jest związany z szeroko rozumianym transportem. W obu tych przypadkach hałas wywołany jest 3
pracą maszyn i urządzeń technicznych. Hałas mechaniczny jest efektem drgań części maszyn, instalacji i polega na wypromieniowaniu części energii drgań w otaczający ośrodek [1]. Emisja wibroakustyczna wywołana jest [8] czynnikami wewnętrznymi, które wynikają z konstrukcyjnego sposobu realizacji funkcji maszyny oraz zewnętrznymi, wywołanymi wymuszeniami działającym poza obiektem technicznym. Zewnętrzne przyczyny drgań mają na ogół charakter wymuszeń kinematycznych, czyli zależą od położenia punktów podparcia lub mocowania, których położenie zmienia się np. pod wpływem drgań. Przyczyny wewnętrzne, wymuszające drgania mają na ogół charakter siłowy i w głównej wynikają one z ruchu obrotowego lub posuwisto-zwrotnego elementów niewyważonych oraz wzbudzeń dynamicznych wywołanych udarowym kontaktem współpracujących elementów (tak jak to ma miejsce w przypadku przekładni zębatych). Z uwagi na mechanizm generacji hałasu przez maszyny i urządzenia rozróżnia się przyczyny mechaniczne i aerodynamiczne. W praktyce przyczynami generacji hałasu są zazwyczaj oba mechanizmy, rzadziej spotyka się przypadek, że za powstawanie niepożądanego dźwięku odpowiada tylko jeden sposób powstawania tego zjawiska. Schematy generacji hałasu przez maszyny i urządzenia techniczne przedstawia rysunek 2. Rys. 2 Schematy generacji hałasu przez maszyny i urządzenia techniczne Emisja dźwięku Lp do otoczenia [8] zależy od następujących czynników: właściwości dróg przenoszenia dźwięku Lprz, wypromieniowania dźwięku do otoczenia Lw. wartości sił wzbudzających dźwięk Ls. Zjawisko to można opisać ogólną zależnością: L p = L prz + L w + L s (1) Skuteczne obniżenie poziomu hałasu można osiągnąć można na etapie projektowania maszyn i urządzeń. Polegają one w głównej mierze na: 4
ograniczeniu lub minimalizacji emisji hałasu przez źródła, ograniczeniu energii wibroakustycznej na drogach jej przenoszenia, ograniczeniu imisji hałasu na określone obszary środowiska oraz na człowieka. W przypadku dwóch ostatnich wymienionych czynników, zmniejszenie emisji hałasu wiąże się ze zmianami konstrukcji korpusu maszyny, sposobu połączenia między poszczególnymi jej elementami, a także ze zmianą posadowienia urządzenia (zalicza się je do wtórnych środków projektowych). Stosowanym rozwiązaniem jest także obudowanie maszyn i urządzeń szczególnie negatywnie oddziaływujących na warunki pracy specjalnymi kabinami (szerzej zagadnienie to wyjaśniono w pracy [11]). Największe możliwości ograniczenia hałasu daje jednak zmniejszenie wartości sił wzbudzających drgania mechaniczne, będących podstawowym źródłem dźwięków. Redukcja tego czynnika zaliczana jest do podstawowych środków projektowych pozwalających uzyskanie konstrukcji o zmniejszonej wibroaktywności. Podział środków projektowych ze względu na ich znaczenie w konstruowaniu maszyn i urządzeń o zmniejszonej emisji hałasu do otoczenia przedstawia rysunek 3. Rys. 3 Podział środków projektowych z uwagi na zmniejszenie emisji hałasu [11] KONCEPCJA PROJEKTOWANIA MASZYN O ZMNIEJSZONEJ EMISJI WIBROAKUSTYCZNEJ Jak już wspomniano w poprzednim rozdziale, największe możliwości ograniczenia emisji drgań i hałasu maszyn i urządzeń technicznych przynosi ograniczenie generowanej energii wibroakustycznej przez te urządzenia, czyli redukcja źródeł tej emisji. Projektowanie maszyn i urządzeń o zmniejszonej emisji hałasu, wymaga zasadniczo innego podejścia niż przy projektowaniu urządzeń optymalizowanych w oparciu o inne kryteria. Podstawowe różnice między tymi dwoma podejściami konstruktorskimi przejawiają się przede wszystkim w: zdefiniowaniu kryterium projektowego; z jednej strony jest to zapewnienie minimum emisji akustycznej bądź wibroakustycznej, z drugiej zapewnienie np. jak największej trwałości lub ekonomiczności produktu, zaakceptowaniu faktu pewnego spadku wybranych mierników trwałości lub parametrów wytrzymałościowych w przypadku konstrukcji o obniżonej emisji wibroakustycznej lub akustycznej, poszukiwaniu środków kompensacji wymienionych w powyższym punkcie obniżeń parametrów konstrukcyjnych, 5
uwzględnieniu zmian warunków eksploatacyjnych (np. sprawnościowych, termicznych) urządzeń o zmodyfikowanej konstrukcji. W proponowanej koncepcji projektowania maszyn i urządzeń zgodnej z zasadą zrównoważonego rozwoju przyjęto jako nadrzędne kryterium optymalizacji minimum emisji wibroakustycznej. Realizację celu tej koncepcji, czyli wytworzenie niezawodnego i trwałego urządzenia charakteryzującego się w porównaniu z podobnymi rozwiązaniami zmniejszonym generowaniem drgań mechanicznych oraz emitowanym poziomem hałasu oparto o schemat przedstawiony na rysunku 4. Rys. 4 Schemat projektowania maszyn i urządzeń zgodnego z zasadą zrównoważonego rozwoju Początkowym etapem projektowania jest stwierdzenie konieczności przeprowadzenia zmian konstrukcyjnych lub technologicznych rozpatrywanego urządzenia. Stwierdzenie potrzeby zmian dokonuje się poprzez porównanie wartości poziomu dźwięku w miejscu pracy wymaganego przez obowiązujące normy lub przepisy z wynikami pomiarów na stanowisku pracy lub w przypadku niemożności przeprowadzenia takich pomiarów z wartościami szacunkowymi poziomu dźwięku. W przypadku stwierdzenia przekroczenia wartości dopuszczalnego poziomu dźwięku należy dokonać analizy przyczyn hałasu,czyli ustalenia podstawowych źródeł generowanego hałasu. Na tej podstawie należy ustalić możliwe rozwiązanie prowadzące do redukcji mechanizmów wzbudzających dźwięk. W rozważaniach powinno się wziąć pod uwagę rozwiązania alternatywne do stosowanych powszechnie. Narzucenie na tym etapie prac projektowych kryterium minimalizacji emisji wibroakustycznej może doprowadzić do powstania rozwiązania korzystnego pod kątem akustycznym, ale o gorszych parametrach wytrzymałościowych. Stwierdzenie faktu pogorszenia właściwości wytrzymałościowych nie 6
powinno być, zgodnie z proponowaną koncepcją, powodem do odrzucenia projektu, ale punktem wyjścia do dalszych prac projektowych ukierunkowanych na powstanie maszyny lub urządzenia o zadawalającej wytrzymałości. Kolejnym krokiem w projektowaniu zgodnym ze zrównoważonym rozwojem powinno być oszacowanie, jak zmieniły się właściwości eksploatacyjne urządzenia na wskutek dokonanych zmian mających na celu poprawę właściwości akustycznych. Przede wszystkim powinno się sprawdzić, czy warunki termiczne oraz sprawność urządzenia pozwalają na eksploatację w założonych warunków otoczenia. Sprawdzenie to może odbyć się poprzez przeprowadzenie symulacji na komputerowych modelach obliczeniowych. W przypadku, gdy te właściwości zmieniły się na tyle, że uniemożliwiają normalną pracę urządzenia, powinno się rozważyć wprowadzenie dodatkowych rozwiązań konstrukcyjnych i technologicznych lub dokonać doboru płynów eksploatacyjnych umożliwiających pracę w zmienionych warunkach. Ostatnimi etapami prac konstrukcyjnych są: całościowa synteza wprowadzonych zmian umożliwiająca wykonanie urządzenia niezawodnego i jednocześnie o obniżonej emisji wibroakustycznej oraz badania stanowiskowe opracowanego rozwiązania. Badania stanowiskowe powinny uwzględniać weryfikację spełnienia zakładanej poprawy właściwości wibroakustycznych, analizę stanu wytrzymałościowego na drodze pomiarowej oraz ocenę właściwości eksploatacyjnych. ANALIZA PRZYPADKU Sposób postępowania wynikający z przedstawionej w poprzednim rozdziale koncepcji projektowania zgodnego ze zrównoważonym rozwojem przemysłu został omówiony na przykładzie walcowej przekładni zębatej. Przekładnie zębate są jednymi z najbardziej rozpowszechnionych urządzeń wchodzących w skład układów napędowych maszyn roboczych. W przekładni zębatej ruch obrotowy jednego wału jest przenoszony na drugi, w wyniku zazębienia się koła zębatego czynnego z kołem biernym. Zasadniczymi elementami przekładni zębatej są: pary kół zębatych, korpus przekładni, ułożyskowane wały za pomocą łożysk tocznych lub ślizgowych, uszczelnienia. Zgodnie z przedstawioną w poprzednim rozdziale koncepcją, proces konstruowania należy rozpocząć od oceny możliwości przekroczenia dopuszczalnych wartości hałasu (jak wspomniano już wcześniej dla 8 czasu pracy dopuszczalny poziom dźwięku wynosi 85 db(a)). Producenci zazwyczaj dokonują pomiarów kontrolnych hałasu emitowanego przez przekładnię pracującą pod obciążeniem na stacji prób. W przypadku projektowania nowej przekładni trudno czasami na etapie wstępnym ocenić, czy może dojść do nadmiernej emisji hałasu. Do oszacowania spodziewanego poziomu dźwięku można wykorzystać zależności dostępne w literaturze dotyczącej zagadnienia. Najczęściej korzysta się z wytycznych Niemieckiego Stowarzyszenie Inżynierów nr VDI 2159. Oszacowanie spodziewanego poziomu mocy akustycznej emitowanej przez walcowe przekładnie zębate w funkcji mocy ilustruje to rysunek 5. Na rysunku tym zestawiono dwie charakterystyki: z roku 1985 i 1999, zauważalne zmniejszenie poziomu hałasu wg nowszego oszacowania wynika ze wzrostu poziomu rozwoju technologii wykonania tych urządzeń. Według nowszych zaleceń z roku 7
1999, zastosowanie przekładni o mocy ponad 100 kw może wiązać się już z przekroczeniem dopuszczalnych poziomów hałasu na stanowisku pracy i tym samym może powodować uszczerbek zdrowia ludzi. Rys. 5 Oszacowanie wg VDI 2159 spodziewanego poziomu mocy akustycznej emitowanej przez walcowe przekładnie zębate w funkcji mocy Następnym etapem projektowania jest analiza przyczyn emisji hałasu przez przekładnie zębate. Hałas wywołany jest w głównej mierze drganiami elementów przekładni: łożysk, korpusu i kół zębatych, z wymienionych ten ostatni czynnik ma najistotniejszy wpływ na poziom dźwięku. Przyczyny drgań elementów rozpatrywanego urządzenia wynikają z oddziaływań zewnętrznych, czyli drgań maszyn roboczych i silnika przekazywanych do przekładni poprzez elementy łączące takie jak wały i sprzęgła, oraz oddziaływań wewnętrznych. Działających na przekładnie zębate sił zewnętrznych nie da się praktycznie uniknąć, jedynie przez odpowiednio dobrane połączenia członów napędzających i napędzanych z przekładnią można uzyskać ich zmniejszenie. W przypadku przyczyn wewnętrznych, dysponuje się sposobami mogącymi znacząco obniżyć wartości tych sił. Polegają one przede wszystkim na zmniejszeniu sił dynamicznych generowanych w uzębieniach kół zębatych. Spośród licznych przyczyn drgań kół zębatych, najistotniejszy wpływ na ich powstawanie [4] mają: odchyłki wykonawcze, wzbudzenia powstające przy wchodzeniu i wychodzeniu zębów w zazębienie oraz wahania sztywności zazębienia. W sposób poglądowy przyczyny tych drgań przedstawiono na rysunku 6. Od wielu lat czynione są przez konstruktorów starania mające na celu poprawę właściwości wibroakustycznych przekładni zębatych. Obecnie stosowane przekładnie zębate są już bardzo zaawansowane technologicznie i dalsza poprawa właściwości akustycznych wymaga zmian konstrukcyjnych samego uzębienia. W tablicy 1 przedstawiono szacunkowe możliwości zmniejszenie hałasu poprzez zmianę wybranych parametrów przekładni zębatych wraz z ich analizą uwzględniającą obecny stan techniki. Od wielu lat czynione są przez konstruktorów starania mające na celu poprawę właściwości wibroakustycznych przekładni zębatych. Obecnie stosowane przekładnie zębate są już bardzo zaawansowane technologicznie i dalsza poprawa właściwości akustycznych wymaga zmian konstrukcyjnych samego uzębienia. 8
Rys. 6 Przyczyny drgań przekładni zębatych Od wielu lat czynione są przez konstruktorów starania mające na celu poprawę właściwości wibroakustycznych przekładni zębatych. Obecnie stosowane przekładnie zębate są już bardzo zaawansowane technologicznie i dalsza poprawa właściwości akustycznych wymaga zmian konstrukcyjnych samego uzębienia. W tabeli 1 przedstawiono szacunkowe możliwości zmniejszenie hałasu poprzez zmianę wybranych parametrów przekładni zębatych wraz z ich analizą uwzględniającą obecny stan techniki. Jak wynika z tabeli 1, do najskuteczniejszych metod eliminacji źródeł hałasu, czyli czynników podstawowych, zalicza się: zwiększenie wskaźnika zazębienia (zmniejsza wahania sztywności zazębienia), zastosowanie modyfikacji podłużnej i poprzecznej (zmniejsza udary powstające przy zazębieniu się zębów), zwiększenie dokładności wykonania (skutkuje zmniejszeniem odchyłek wykonawczych). Obecnie, z uwagi na szereg zalet, powszechnie stosuje się przekładnie planetarne. Przy wykonaniu stosuje się zaawansowane technologie obróbcze zapewniające uzyskanie wysokiej dokładności wykonania (5 klasa dokładności jest wymagana przez firmy wydobywcze w Polsce), ponadto co raz częściej stosowana jest modyfikacja podłużna i poprzeczna zęba. Fakty te skłaniają do stwierdzenia, że dwa podstawowe źródła drgań są eliminowane na etapie produkcji przekładni zębatej. Oczywiście dyskusyjne jest, czy dobrane założenia projektowe, na podstawie których wyznaczono wielkość modyfikacji, odpowiadają rzeczywistości, ale w większości wypadków modyfikacja zarysu lub kierunku zęba istotnie wpływa na wymuszenia dynamiczne przyczyniające się do powstania emisji niepożądanego dźwięku. 9
Parametr Zwiększenie wskaźnika zazębienia do wartości całkowitych Modyfikacja poprzeczna zarysu zęba Modyfikacja podłużna zęba Zwiększenie dokładności wykonania kół Wzrost współczynnika tłumienia Docieranie Zmniejszenie chropowatości zębów Tablica 1 Analiza wpływu wybranych parametrów przekładni na obniżenie hałasu (na podstawie [4] i wiadomości własnych) Uwagi Metoda ta obecnie przynosi najlepsze rezultaty z uwagi na zmniejszenie wahań sztywności, podstawowej przyczyny drgań kół. Stosunkowo prosto można zwiększyć wskaźnik zazębienia dla przekładni o zębach śrubowych poprzez zwiększenia kąta pochylenia linii zęba, ale często z powodów konstrukcyjnych (problemy z ułożyskowaniem) nie można wykorzystać tego sposobu. W przypadku zębów prostych zwiększenia wskaźnika zazębienia wiąże się ze znacznymi zmianami parametrów uzębienia takimi jak wzrost wysokości zębów lub zmniejszenie kąta przyporu. Zmniejsza wzbudzenia dynamiczne spowodowane wchodzeniem i wychodzeniem zębów z przyporu. Wymaga zastosowania specjalistycznego parku maszynowego. Najefektywniejsze dla zębów prostych. Kompensuje w pewnym zakresie błędy nierównoległości osi oraz ugięcia korpusów. Wymaga zastosowania specjalistycznego parku maszynowego. Zmniejsza wpływ odchyłek wykonawczych na drgania kół. Wymaga zastosowania specjalistycznego parku maszynowego Wzrost współczynnika najłatwiej uzyskać poprzez zastosowanie materiałów niemetalowych, ale rozwiązanie to prowadzi do znacznego pogorszenia właściwości wytrzymałościowych i eksploatacyjnych. Innym możliwym środkiem jest stosowanie olejów o wyższej lepkości, ale pogarsza to sprawność przekładni i oprócz tego skuteczność tego środka jest najwyższa tylko w przypadku rezonansów. Zastosowanie docierania przynosi największe efekty dla kół stożkowych oraz dla zębów nieszlifowanych. Obecnie większość kół przekładni przemysłowych wytwarza się jako utwardzone szlifowane, dla których docieranie nie przynosi wyraźnych korzyści. Poprawia współpracę zazębiających się kół. W obecnej chwili większość kół jest szlifowana. Od wielu lat panuje przekonanie [6, 7, 13], że możliwości dalszej redukcji emisji hałasu przez przekładnie zębate wiążą się z zastosowaniem wysokich wartości wskaźnika zazębienia. Wartości te nie mogą być dowolne, za szczególnie korzystne uważa się wartości całkowite wskaźnika zazębienia (np. 2,0, 3,0). Uzyskanie całkowitych wartości wskaźnika można uzyskać poprzez dobór odpowiedniego kąta pochylenia linii zęba (możliwe tylko dla przekładni o zębach skośnych) lub dobór szeregu parametrów konstrukcyjnych uzębienia takich jak wysokość uzębienia, kąt przyporu i współczynniki korekcyjne. W drugim przypadku zmiany konstrukcyjne dotyczą uzębienia prostego, a takie jest zasadniczo stosowane w przekładniach planetarnych. Biorąc pod uwagę wszystkie uwarunkowania, przy projektowaniu przekładni zębatych (zwłaszcza planetarnych) można jako kryterium minimum emisji wibroakustycznej uznać uzyskanie wartości wskaźnika zazębienia równego lub bliskiego 2,0. Kryterium to staje się wyjściowym dla doboru pozostałych parametrów geometrycznych uzębienia przekładni (dokładna metodyka obliczeń tych parametrów zawarta jest w pracach [5, 12]). Uzyskane w oparciu o powyższe kryterium rozwiązanie cechuje się bardzo korzystnymi cechami akustycznymi, jednakże, jak można było się spodziewać, spowodowało to zmianę pozostałych właściwości użytkowych przekładni, w szczególności dotyczy to wytrzymałości na zatarcie kół, spadku sprawności i zwiększenia obciążenia termicznego. Wymienione właściwości są ze sobą wzajemnie związane z uwagi na fakt, że w wyniku wprowadzonych zmian geometrii dochodzi do wzrostu prędkości poślizgu na zębach kół zębatych. Jak już wspomniano w poprzednim rozdziale, stwierdzenie obniżenia właściwości 10
wytrzymałościowych lub eksploatacyjnych nie powinno być podstawą odrzucenia rozwiązania, tylko powinno się wprowadzić środki umożliwiające redukcję niekorzystnych czynników. Nasuwającym się rozwiązaniem w przypadku przekładni zębatych jest zastosowanie olejów przekładniowych cechujących się zwiększoną odpornością na zatarcie oraz odpowiednich preparatów eksploatacyjnych wpływających bardzo korzystnie na obniżenie współczynnika tarcia wynikiem jest obniżenie temperatury w węźle tarciowym i wzrost odporności na zatarcie. W przypadku łożysk przekładni zębatych istnieją możliwości zmniejszenia ich drgań oparte o odpowiedni dobór materiałów, ale najlepszą metodą jest zapewnienie ich dobrego stanu technicznego. Uzyskać to można poprzez nadzór lub monitoring wibroakustyczny prowadzony przez wyspecjalizowane służby utrzymania ruchu. Ostatnim istotnym elementem przekładni zębatych, wpływającym na poziom hałasu, jest korpus. Element ten decyduje o warunkach przenoszenia drgań wywołanych przez koła zębate i łożyska wewnątrz przekładni oraz wypromieniowaniu dźwięku powstałego na wskutek działania tych drgań do otoczenia. Projektant konstruując korpus ma do dyspozycji rodzaj materiału, z którego zostanie wykonany korpus, oraz kształt elementów wzmacniających konstrukcję obudowy (zwiększenie ilości elementów usztywniających zmniejsza wypromieniowanie dźwięku do otoczenia). Najlepsze korzyści pod kątem wibroakustycznym przynosi zastosowanie żeliwa szarego. PODSUMOWANIE Generowanie hałasu przez maszyny i urządzenia jest istotnym problemem związanym z bezpieczeństwem pracy i niestety, zmniejszenie jego nie zawsze zyskuje wysoki priorytet na etapie projektowania. Przedsiębiorstwa użytkujące maszyny robocze powinny zdać sobie jednak ze znaczenia zachowania odpowiedniego poziomu hałasu na stanowiskach pracy w uzyskaniu wyniku ekonomicznego. Czynnikami wpływającymi na ten wynik, aczkolwiek trudnymi do oszacowania, są: zmniejszenie wydajności pracowników, gorszy stan ich zdrowia przekładający się na wzrost absencji, a przede wszystkim skrócenie dopuszczalnego czasu pracy. Dlatego też firmy powinny zwracać uwagę na spełnienie przepisów określających dopuszczalny hałas emitowanego przez maszyny i urządzenia zakupywane w ramach planów inwestycyjnych. Intencją pracy było określenie planu działania na etapie projektowania, zmierzającego do wytworzenia urządzenia o zmniejszonej, w porównaniu z podobnymi rozwiązaniami, emisji wibroakustycznej. Autor niniejszej pracy jest świadomy trudności problemu, jednakże uzyskanie zadawalającego poziomu akustycznego w czasie eksploatacji maszyn staje się wymogiem w świetle istniejących norm i przepisów. W pracy przedstawiono schemat projektowania oparty o nadrzędne kryterium optymalizacyjne, którym jest minimalizacja drgań i hałasu generowanych przez maszyny robocze. W koncepcji tej uwzględniono pogorszenie właściwości wytrzymałościowych i eksploatacyjnych konstrukcji, które należy poprzez zastosowanie dodatkowych środków doprowadzić do zadawalającego poziomu. Rozważane podejście projektowe rozpatrzono na przykładzie przekładni zębatych, w przypadku których, z uwagi na wysoki poziom zaawansowania technologicznego, niezwykle trudne jest uzyskanie obniżenia hałasu. 11
Praca zrealizowana w ramach projektu Opracowanie innowacyjnej proekologicznej specjalizowanej przekładni zębatej zintegrowanej z układem diagnostycznym nr POIG.01.04.00-24-094/11. LITERATURA [1] Engel Z.: Ochrona środowiska przed drganiami i hałasem. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2001. [2] Dziama A.: Metodyka konstruowania maszyn. PWN, Warszawa 1995. [3] Veleva V., Hart M., Greiner T., Crumbley C.: Indicators of sustainable production, w: Journal of Cleaner Production,vol. 9, Issue 5, 2001 s. 447-452. [4] Dąbrowski Z., Radkowski S., Wilk A.: Dynamika przekładni zębatych. Badania i symulacja w projektowaniu eksploatacyjnie zorientowanym. ITE, Radom 2000 [5] Lachenmaier S.: Auslegung von evolventischen Sonderverzahnungen von Schwingungs- und geräuscharm Lauf von Getrieben. VDI-Forschungsberichte Reihe11, Nr. 54; Düsseldorf 1983. Praca doktorska RWTH Aachen. [6] Weck M.: Moderne Leistung-getriebe. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, London, Paris, Tokyo 1995. [7] Weck M., Lachenmaier S.: Auslegung einer geräuscharmen Schrägverzahnung. Industrie-Anzeiger, 103/1981. [8] Cempel C.: Wibroakustyka stosowana. PWN, Warszawa-Poznań 1978. [9] Rozporządzenie Rady Ministrów z dnia 29 września 2001 r. w sprawie wysokości jednostkowych stawek kar za przekroczenie dopuszczalnego poziomu hałasu (Dz.U. 2001.120.1285) [10] Dyrektywa Maszynowa. Wprowadzanie maszyn na rynek Unii Europejskiej. Wymagania techniczne. Fundusz Współpracy, Warszawa 1999 [11] Dietz P., Gummersbach F: Lärmarm konstruieren XVIII Systematische Zusammenstellung maschinenakustischer Konstruktionsbeispiele, Bremerhaven, Wirtschaftsverlag NW Verlag für neue Wissenschaft, 2001. [12] Wieczorek, A.: Wpływ wysokości uzębienia na międzyzębne siły dynamiczne w przekładniach." Doktorat, Politechnika Śląska, Gliwice, 2007. [13] Wieczorek, A.: The effect of construction changes of the teeth of a gear transmission on acoustic properties. International Journal Of Occupational Safety 18 (4), 499 507. [14] Kaźmierczak-Piwko L.: Rozwój instrumentów zrównoważonego rozwoju sektora przedsiębiorstw. Management Systems in Production Engineering No 4(8), 2012 12