Для расчета используется метод конечных элементов. Шпиндельный узел представляется стержневыми конечными элементами, каждый стержень описывается тремя параметрами: длиной, внутренним диаметром и наружным диаметром. При разбиении шпиндельного узла на конечные элементы учитывается: количество опор шпинделя; тип опор и схема их установки. Тип опор и схема их установки моделируется в зависимости от ряда условий:

- жесткости подшипников;

- конфигурации внутренних и наружных поверхностей шпинделя;

- расположения зубчатых колес;

- наличия других приводных элементов.

В общем случае разбиение шпинделя на конечные элементы выполняется на основе условий однозначности: физических, начальных и граничных.

В соответствии с указанными условиями составляется расчетная схема шпинделя, используемая для последующего расчета на ЭВМ. Данный расчет выполнен при помощи расчетно-графического пакета программ «TEMOS», разработанного на кафедре «Станки, инструмент и летательные аппараты».

Конструктивная схема шпинделя представлена на рисунке 11.

Результаты расчета находятся в приложении Ж.

Рисунок 11 - Конструктивная схема шпинделя

Расчетная схема шпиндельного узла представлена на рисунке 12.



Рисунок 12 - Расчетная схема шпиндельного узла

Деформация шпиндельного узла в узловых точках представлена на рисунке 13.

Рисунок 13 - Деформация шпиндельного узла в узловых точках

4.1.2 Тепловой расчет шпиндельного узла

Тепловой расчет шпиндельного узла осуществляется на основе решения осесимметричной задачи методом конечных элементов. В качестве типового конечного элемента в данном случае принимается треугольник. Для упрощения формирования расчетной схемы, используется процедура триангуляции четырехугольных элементов, представляющих собой фигуры, полученные при разбиении осевого сечения шпинделя. Под разбиение попадают шпиндель и все элементы установленные на нем за исключением источников тепла, которыми в данном случае являются опоры качения.

При разработке тепловой модели использовалась ТДС со следующими допущениями:

- шпиндельный узел может рассматриваться состоящим из шпинделя и корпуса (гильзы), являющимися телами вращения, а также как собственно шпиндель (без гильзы), так и с гильзой любой геометрической формы (не обязательно являющимся телом вращения);

- тепловое нагружение принималось симметричным относительно оси вращения, изменение температуры в торцевом сечении - только в зависимости от радиуса;

- основными источниками тепла являлись подшипники качения, представляемые в виде распределенных потоков тепла в местах посадки подшипников;

- мощность тепловыделения для подшипников определялась гидродинамическими и нагрузочными факторами потерь на трение; теплофизические характеристики масла были приняты зависящими от температуры;

- тепловой поток от подшипника распределялся пропорционально площадям поверхностей контакта;

- другие источники тепла (например, электродвигатели, гидросистема, пары трения и.т.п.) также рассматривались как распределенные тепловые потоки, но их мощность тепловыделения задавалась непосредственно;

- узлы станка рассматриваются из условий действия сложного теплообмена (т.е. одновременное действие теплопроводности, конвекции и теплового излучения);

- коэффициенты теплоотдачи рассматривались как функции температуры, режимов работы узлов станка и вида системы охлаждения;

-система охлаждения учитывалась посредством задания условий конвективного теплообмена;

- контакт двух поверхностей может приниматься как идеальным, так и неидеальным;

- общее время моделирования работы станка разбивалось на отдельные интервалы времени, в пределах которых, все зависящие от температуры величины считались постоянными.

Расчет выполняется в следующем порядке:

1) Назначается количество четырехугольных областей, необязательно правильной формы, в соответствии с условиями однозначности.

2) Назначаются граничные условия (конвективный теплообмен и мощности тепловыделения).

3) Назначаются исходные данные для расчета мощности тепловыделения и коэффициентов теплоотдачи по теплоотдающим поверхностям.

4) Вводятся условия для выполнения теплового расчета (время и номера узлов).

Для теплового расчета шпиндельного узла был использован расчетно-графический пакет программ «TEMOS». Результаты расчета находятся в приложении З.

Расчетная схема тепловой модели шпиндельного узла представлена на рисунке 14.

Рисунок 14 - Тепловая модель шпиндельного узла

Температурное поле шпиндельного узла представлено на рисунке 15.



Рисунок 15 - Температурное поле шпиндельного узла

Тепловые характеристики отдельных узлов шпинделя представлены на рисунке 16.

Рисунок 16 - Тепловые характеристики отдельных узлов шпинделя

4.2 Инженерный анализ несущей системы четырехкоординатного прецизионного многоцелевого станка горизонтальной компоновки

В настоящее время при создании сложных технических объектов все большее внимание уделяется внедрению систем инженерного анализа. Системы компьютерного инженерного анализа позволяют оценить принципиальную работоспособность и соответствие заданным требованиям будущей конструкции, а также они нашли широкое применение при моделировании технологических процессов металлообработки, ковки и штамповки, литья металлов и пластмасс /9/.

В данном проекте использовался один из наиболее распространенных в нашей стране CAE пакет ANSYS.

Программa ANSYS - это гибкое, надежное средство проектирования и анализа. Она работает в среде операционных систем самых распространенных компьютеров - от ГС до рабочих станций и суперкомпьютеров. Особенностью программы является файловая совместимость всех членов семейства ANSYS для всех используемых платформ. Многоцелевая направленность программы (т.е. реализация в ней средств для описания отклика системы на воздействия различной физической природы)позволяет использовать одну и ту же модель для решения таких связанных задач, как прочность при тепловом нагружении, влияние магнитных полей на прочность конструкции, тепломассоперенос в электромагнитном поле. Модель созданная на ГС, может использоваться на суперкомпьютере. Это обеспечивает всем пользователям программы удобные возможности для решения широкого круга инженерных задач.

4.2.1 Статический расчет несущей системы в условиях жесткого закрепления

Динамическое качество станка определяется устойчивостью системы и характеризующей ее реакцией на внешние воздействия. Его можно оценить как динамическое качество единой системы, включающей станок, приспособление, обрабатываемую деталь, инструмент в их взаимодействии с рабочими процессами (резанием, трением, электро- и гидродинамическими процессами и т.д.). Оно зависит от параметров упругой системы, собственных частот колебаний, динамической податливости звеньев и схем их нагружения.[11]

Одним из критериев оценки показателей динамического качества станка является точность обработки. Точность обработки определяется относительными смещениями инструмента и заготовки по нормали к обработанной поверхности, вызывающими нарушение заданных размеров, форм, и относительного расположения поверхностей детали. Эти смещения как результат деформации и являются параметром по которому определяются показатели динамического качества при оценки влияния динамического процесса на точность обработки.[1]

Для расчетов была разработана несущая система станка, спроектированная в CAD-системе КОМПАС - 3D и перенесенная в CAE-систему ANSYS. [13]

В процессе работы был произведен анализа несущей системы станка с синтеграном и без синтеграна. Расчет модели станка проводился с учетом того, что несущая система станка, жестко закрепленная на предполагаемом фундаменте, представляет собой упругую систему. Для оценки деформации элементов упругой системы прикладывается нагрузка к узлам инструмента и обрабатываемой заготовки.

На рисунке 17 представлены расчетные схемы для статического расчета.



а) б)

Рисунок 17- Расчетные схемы для статического расчета несущей системы станка с синтеграном (а) и без синтеграна (б)

На рисунках 18,19, 20, 21 представлены результаты статического расчета.

В результате статической нагрузки относительное перемещение узлов инструмента и обрабатываемой заготовки по оси Х составило:

- для модели с синтеграном 1,86 мкм;

- для модели без синтеграна 1,89 мкм.

а) б)

Рисунок 18 - Относительное перемещение узлов инструмента и заготовки по оси Х несущей системы станка с синтеграном (а) и без синтеграна (б)

По оси Y относительное перемещение узлов инструмента и обрабатываемой заготовки составило для:

- для модели с синтеграном 0,05 мкм;

- для модели без синтеграна 0,03 мкм.

а) б)

Рисунок 19 - Относительное перемещение узлов инструмента и заготовки по оси Y несущей системы станка с синтеграном (а) и без синтеграна (б)

По оси Z относительное перемещение узлов инструмента и обрабатываемой заготовки составило для:

- для модели с синтеграном 0,1 мкм;

- для модели без синтеграна 0,1 мкм.



а) б)

Рисунок 20 - Относительное перемещение узлов инструмента и заготовки по оси Z несущей системы станка с синтеграном (а) и без синтеграна (б)

Суммарное относительное перемещение узлов инструмента и обрабатываемой заготовки по трем осям составило для:

- для модели с синтеграном 0,74 мкм;

- для модели без синтеграна 0,71 мкм.

а) б)

Рисунок 21 - Суммарное относительное перемещение узлов инструмента и заготовки по трем осям несущей системы станка с синтеграном (а) и без синтеграна (б)

4.2.2 Модальный расчет несущей системы станка

Модальный анализ выполняется для того, чтобы оценить числовые значения собственных частот (модальных частот) рассчитываемой модели и выполнить анализ форм колебаний. Знание этих характеристик позволяет принять решение о динамическом качестве модели.[13]

В процессе выполнения расчета проявились пятнадцать собственных частот.

На первой, третьей, пятой, шестой, седьмой, восьмой, девятой, десятой и одиннадцатой модальной частоте наблюдаются качательные колебания в плоскости XOY. На второй и тринадцатой модальной частоте наблюдаются качательные колебания в плоскости ZOY. На четвертой, двенадцатой, четырнадцатой и пятнадцатой модальной частоте наблюдаются крутильные колебания относительно оси OY.

На рисунках 22, 23, 24 представлены результаты модального расчета.

Качательные колебания в плоскости XOY могут привести к браку изделия. Числовые значения модальных частот данной формы колебания составляют:

- для модели с синтеграном 1 мода-81,9 Гц, 3 мода -208,1 Гц, 5 мода -249,1 Гц, 6 мода-251,3 Гц, 7 мода-294,2 Гц, 8 мода-310,3 Гц, 9 мода-320,3 Гц, 10 мода-321,5 Гц, 11 мода-343,4 Гц;

- для модели без синтеграна 1 мода-77,4 Гц, 3 мода-181,2 Гц, 5 мода-242,1 Гц, 6 мода-244,9 Гц, 7 мода-282 Гц, 8 мода-294,8 Гц, 9 мода-303 Гц, 10 мода-341,7 Гц, 11 мода-347,6 Гц.



а) б)

Рисунок 22 - Качательные колебания в плоскости XOY несущей системы станка с синтеграном (а) и без синтеграна (б) на первой модальной частоте

Качательные колебания в плоскости ZOY могут привести к затуплению и (или) поломке инструмента, а также браку изделия. Числовые значения модальных частот данной формы колебания составляют:

- для модели с синтеграном 2 мода-118,4 Гц, 13 мода-367,4 Гц;

- для модели без синтеграна 2 мода-103,3 Гц, 13 мода-368,3 Гц.

а) б)

Рисунок 23 - Качательные колебания в плоскости ZOY несущей системы станка с синтеграном (а) и без синтеграна (б) на второй модальной частоте

Крутильные колебания относительно оси OY могут привести к затуплению и (или) поломке инструмента, а также браку изделия. Числовые значения модальных частот данной формы колебания составляют:

- для модели с синтеграном 4 мода-219,7 Гц,12 мода-354,6 Гц,14 мода-410,6 Гц,15 мода-459,9 Гц;

- для модели без синтеграна 4 мода-208,9 Гц,12 мода-359,1 Гц,14 мода-408,1 Гц, 15 мода-459,9 Гц.

а) б)

Рисунок 24 - Крутильные колебания относительно оси OY несущей системы станка с синтеграном (а) и без синтеграна (б) на второй четвертой модальной частоте

4.2.3 Динамический расчет несущей системы станка

Если модальный расчет в современных CAE-системах позволяет выполнить анализ только форм колебаний и оценить числовые значения собственных частот модели, то для построения других динамических характеристик: амплитудно-частотных и амплитудно-фазовых частотных характеристик, - необходимо выполнить другой тип расчета - динамический.[13]

В результате динамического расчета несущей системы станка получаем амплитудно-частотные (АЧХ) и амплитудно-фазовой частотные характеристики (АФЧХ) узлов инструмента и обрабатываемой заготовки. Совмещение АЧХ и АФЧХ узлов инструмента и обрабатываемой заготовки дает возможность построить АЧХ и АФЧХ относительного перемещения узлов инструмента и обрабатываемой заготовки.

На рисунках 25, 26, 27 представлены АЧХ относительного перемещения узлов инструмента и обрабатываемой заготовки.

При построении АЧХ выявляются резонансные частоты, которые являются значимыми при оценки динамических характеристик несущей системы станка.

Значимые частоты несущей системы станка по оси Х:

- модель с синтеграном: 152 Гц, 343 Гц;

- модель без синтеграна: 102 Гц, 267 Гц, 327 Гц, 710 Гц.

а) б)

Рисунок 25 - АЧХ относительного перемещения узлов инструмента и обрабатываемой заготовки по оси Х несущей системы станка с синтеграном (а) и без синтеграна (б)

Значимые частоты несущей системы станка по оси Y:

- модель с синтеграном: 152 Гц, 312 Гц, 400 Гц, 493 Гц;

- модель без синтеграна: 115 Гц, 221 Гц, 280 Гц, 332 Гц, 445 Гц, 720 Гц.



а) б)

Рисунок 26 - АЧХ относительного перемещения узлов инструмента и обрабатываемой заготовки по оси Y несущей системы станка с синтеграном (а) и без синтеграна (б)

Значимые частоты несущей системы станка по оси Z:

- модель с синтеграном 312 Гц, 400 Гц;

- модель без синтеграна 115 Гц, 221 Гц, 312 Гц.

а) б)

Рисунок 27 - АЧХ относительного перемещения узлов инструмента и обрабатываемой заготовки по оси Z несущей системы станка с синтеграном (а) и без синтеграна (б)

На рисунках 28, 29, 30 представлены амплитудно-фазо-частотные характеристики (АФЧХ) относительного перемещения узлов инструмента и обрабатываемой заготовки.

а) б)

Рисунок 28 - АФЧХ относительного перемещения узлов инструмента и обрабатываемой заготовки по оси Х несущей системы станка с синтеграном (а) и без синтеграна (б)

а) б)

Рисунок 29 - АФЧХ относительного перемещения узлов инструмента и обрабатываемой заготовки по оси Y несущей системы станка с синтеграном (а) и без синтеграна (б)



а) б)

Рисунок 30 - АФЧХ относительного перемещения узлов инструмента и обрабатываемой заготовки по оси Z несущей системы станка с синтеграном (а) и без синтеграна (б)

4.2.4 Термодеформационный расчет несущей системы станка

Термодеформационный расчет позволяет определить относительные смещения инструмента и заготовки в результате суммарного воздействия на упругую систему статических и тепловых нагрузок. Источниками возникновения тепловых потоков являются опоры качения шпиндельного узла, электродвигатели установленные на станке, поверхности трения, гидро- и пневматические системы станка. Температура окружающей среды принимается равной 21 ^оС.

В процессе работы был произведен анализа несущей системы станка с синтеграном и без синтеграна. Расчет модели станка проводился с учетом того, что несущая система станка, жестко закрепленная на предполагаемом фундаменте, представляет собой упругую систему. Для оценки деформации элементов упругой системы прикладывается статическая нагрузка к узлам инструмента и обрабатываемой детали, а также тепловая нагрузка на соответствующие поверхности. Мощность теплового потока шпиндельного узла рассчитывается с помощью программы «SIRIUS 2». Мощность теплового потока электродвигателя станка составляет не более 12,5% от его мощности.[13]

На рисунках 31, 32, 33, 34 представлены результаты термодеформационного расчета.

В результате статической и тепловой нагрузки относительное перемещение узлов инструмента и обрабатываемой заготовки по оси Х составило:

- для модели с синтеграном 2,4 мкм;

- для модели без синтеграна 5,9 мкм.

а) б)

Рисунок 31 - Относительное перемещение узлов инструмента и заготовки по оси Х несущей системы станка с синтеграном (а) и без синтеграна (б)

Относительное перемещение узлов инструмента и обрабатываемой заготовки по оси Y составило:

- для модели с синтеграном 8,62 мкм;

- для модели без синтеграна 2,14 мкм.



а) б)

Рисунок 32 - Относительное перемещение узлов инструмента и заготовки по оси Y несущей системы станка с синтеграном (а) и без синтеграна (б)

Относительное перемещение узлов инструмента и обрабатываемой заготовки по оси Z составило:

- для модели с синтеграном 7,12 мкм;

- для модели без синтеграна 7,25 мкм.

а) б)

Рисунок 33 - Относительное перемещение узлов инструмента и заготовки по оси Z несущей системы станка с синтеграном (а) и без синтеграна (б)

Суммарное относительное перемещение узлов инструмента и обрабатываемой заготовки по трем осям составило:

- для модели с синтеграном 4,31 мкм;

- для модели без синтеграна 0,14 мкм.

а) б)

Рисунок 34 - Суммарное относительное перемещение узлов инструмента и заготовки по оси Х несущей системы станка с синтеграном (а) и без синтеграна (б)

4.3 Выводы по исследовательской части

Выбранная конструкция шпиндельного узла подходит по параметрам жесткости и значениям тепловых деформаций. Расчет шпинделя на жесткость показал, что деформации шпинделя находятся в пределах 5 мкм, что делает возможным обработку в поле допуска 20 мкм. Это значение соответствует 7 квалитету точности, следовательно, спроектированный станок будет относиться к классу высокой точности (прецизионные станки). Тепловой расчет показал, что максимальная температура в передней опоре шпинделя составляет26,3 ^оС, что является допустимым для данного класса станков.

Проведенные расчеты несущей системы станка позволяют оценить статические, динамические и термодеформационные качества спроектированного станка.

Результаты статического расчета несущей системы станка показали, что относительные перемещения инструмента и заготовки не выходят за рамки требуемой точности обработки детали как с применением синтеграна, так и без синтеграна. Модальный и динамический расчеты позволили определить формы колебания несущей системы станка и выявить резонансные частоты, возникновение которых может привести к серьезным нарушениям в работе станка. Результаты термодеформационного расчета показали, что относительные перемещения инструмента и заготовки выходят за рамки требуемой точности обработки по осям Y и Z, и составляют 8,62 мкм (модель с синтеграном) и 7,25 мкм (модель без синтеграна) соответственно, при допустимой деформации 6,3 мкм. Но суммарные относительные перемещения инструмента и заготовки по трем осям находятся в пределах требуемой точности. Следовательно, спроектированный станок отвечает требованиям статической и тепловой устойчивости, и обеспечивает необходимую точность обработки.

5 Безопасность труда

5.1 Анализ и обеспечение безопасных условий труда

Условия труда, как совокупность санитарно-гигиенических, психофизиологических элементов производственной среды оказывают непосредственное воздействие на здоровье и работоспособность человека.

Наряду с производственными процессами и работами, характеризующимися относительным комфортом, есть еще и такие, где человеку приходится работать в неблагоприятных условиях.

Чтобы устранить производственные вредности или разработать мероприятия, позволяющие предотвратить снижение работоспособности, возникновение профессиональных заболеваний и случаев производственного травматизма, нужно объективно оценить влияние условий труда на человека. Наиболее полно характеризует это влияние категория тяжести работы, которая отражает совокупное воздействие всех элементов, составляющих условия труда, на работоспособность человека, его здоровье, жизнедеятельность.

При оценке тяжести труда учитываются те элементы условий труда, которые реально воздействуют на работника в рабочей зоне станка.

Рабочая зона металлорежущего станка включает в себя опасные зоны - зоны, в которых генерируются вредные и травмирующие воздействия. Незащищенность опасной зоны работа может привести к различным травмам. Безопасность производственного оборудования обеспечивается правильным выбором принципов его действия, кинематических схем, конструктивных решений (в том числе форм корпусов, сборочных единиц и деталей), рабочих тел, параметров рабочих процессов, использованием различных средств защиты.

При работе металлорежущего станка возникают следующие вредные и опасные факторы: вибрация, шум, пыль, действие электрического тока в сети напряжением 380 В, избыточная температура. Устранение воздействия этих факторов и создание здоровой воздушной среды являются важной задачей, которая должна осуществляться комплексно, одновременно с решением основных вопросов производства. С целью устранения указанных выше факторов предпринимается ряд мероприятий в соответствии с нормативными документами.

Чтобы исключить попадание в опасную зону при работе станка предусматривается защитное ограждение, которое не допускает непосредственного контакта рабочего и инструмента, а также попадание стружки на тело и одежду рабочего, но позволяет визуально отслеживать процесс обработки. Ограждение оснащается контрольным выключателем, что делает невозможным включение рабочей части. Ременная передача привода главного движения закрывается ограждением, предохраняющим от травмирования. Внутренняя поверхность ограждения окрашивается в желтый сигнальный цвет. С наружной стороны кожуха устанавливается предупреждающий знак опасности по ГОСТ 12.4.026-76.

Отклонение параметров метеоусловий от санитарных значений согласно ГОСТ 12.1.005-88 может привести в последствии к заболеваниям: простуде, перегреву организма.

Метеорологические условия на производстве определяются следующими параметрами:

1) температурой воздуха t, °С;

2) относительной влажностью ц, %;

3) скоростью движения воздуха на рабочем месте х, м/с.

Для создания оптимальных метеорологические условий в цехе предусматривается приточно-вытяжную вентиляцию. В этой системе воздух подается в помещение приточной вентиляцией, а удаляется вытяжной вентиляцией, работающими одновременно.

Для обогрева помещений в холодное время года предусматривается система воздушного и водяного отопления. Система отопления компенсирует потери теплоты через строительные ограждения, а также нагрев проникающего в помещение холодного воздуха, поступающих материалов и транспорта. В цехе рекомендуется поддерживать с помощью кондиционеров оптимальную величину относительной влажности и минимальную скорость движения воздуха, а также температуру.

От освещения зависят производительность труда и качество выпускаемой продукции. Освещенность на рабочем месте соответствует характеру зрительной работы, обеспечивает достаточно равномерное распределение яркости на рабочей поверхности и в пределах окружающего пространства, на рабочей поверхности должны отсутствовать резкие тени, прямая и отраженная блескость. В дневное время суток используется естественное освещение, которое обеспечивает оптимальную освещенность. Естественное освещение помещений осуществляется через световые проемы и выполнено в виде бокового освещения. В темное время суток, а также при недостаточном естественном освещении предусматривается искусственное освещение, как в помещениях, так и на открытых площадках, проездах и т.п. Электрический свет не только заменяет естественное освещение, но и облегчает труд, снижает усталость.

Естественное и искусственное освещение в помещении регламентируется нормами СНиП 23-05-95 в зависимости от характера зрительной работы, системы и вида освещения, фона, контраста объекта с фоном.

Искусственное освещение нормируется количественными (минимальной освещенностью Е_min) и качественными показателями (показателями освещенности и комфорта, коэффициентом пульсации освещенности k_Е).

Естественное освещение характеризуется тем, что создаваемая освещенность изменяется в зависимости от времени суток, года, метеорологических условий. Поэтому в качестве критерия оценки естественного освещения принята относительная величина - коэффициент естественной освещенности КЕО, не зависящий от указанных параметров. КЕО - это отношение освещенности в данной точке внутри помещения Е_вн к одновременному значению наружной горизонтальной освещенности Е_н, создаваемой светом полностью открытого небосвода, выраженное в процентах.

Принято раздельное нормирование КЕО для бокового и верхнего естественного освещения. При боковом освещении нормируют минимальное значение КЕО в пределах рабочей зоны, которое должно быть обеспечено в точках, наиболее отдаленных от окна; в помещениях верхним и комбинированным освещением - по усредненному КЕО в пределах рабочей зоны. Нормированное значение КЕО с учетом характеристики зрительной работы, системы освещения, района расположения зданий на территории страны рассчитывается по формуле:

, (5.1)

где - коэффициент естественной освещенности, определяется по СНиП 23-05-95;

m - коэффициент светового климата, определяемый в зависимости от района расположения здания на территории страны;

c - коэффициент солнечного климата, определяемый в зависимости от ориентации окон относительно сторон света; коэффициенты m и с определяют по таблицам СНиП 23-05-95.

Согласно СНиП 23-05-95 при работах высокой точности в помещениях с искусственным комбинированным освещением освещенность должна составлять 750 лк, а в помещениях с совмещенным освещением (естественное плюс искусственное) общая освещенность должна быть не менее 200 лк, при показатели ослепленности Р = 40 и коэффициенте пульсации k_E =15 %. Фактическое значение освещенности составляет 200 лк.

При работах высокой точности в помещениях с естественным боковым освещением КЕО, e_н=1,2% в нашем случае фактическое значение КЕО в помещении с верхним и комбинированным освещением e_н=3% (СНиП 23-05-95).

Работа металлорежущего станка сопровождается шумом и вибрацией. Уровень шума достигает 90 дБА, что оказывает вредное влияние на организм человека и в первую очередь на центральную нервную и сердечно-сосудистую системы. Длительное воздействие интенсивного шума может привести к ухудшению слуха, а в отдельных случаях - к глухоте. Шум ослабляет внимание, увеличивает расход энергии при одинаковой физической нагрузке, замедляет скорость психических реакций. В результате снижается производительность и ухудшается качество работы. Допустимый верхний уровень шума на рабочем месте составляет 85 дБА по СН 2.2.4/2.1.8.562-96.

К средствам индивидуальной защиты от шума относят вкладыши, наушники и шлемы.

Для уменьшения шума в оборудовании предусматривается принудительная смазка трущихся поверхностей, а также балансировка вращающихся элементов робота. Направление шума учитывается при проектировании установок в цехе. Используются звукопоглощающие и звукоизолирующие материалы.

Увеличение производительности и, как следствие этого, рост мощностей и производительности технологического оборудования при одновременном снижении его материалоемкости, уменьшение статических нагрузок на человека сопровождаются нежелательным побочным эффектом - усилением вибраций. Воздействие вибраций не только ухудшает самочувствие работающего и снижает производительность труда, но часто приводит к тяжелому профессиональному заболеванию - виброболезни. Поэтому вопросам борьбы с вибрацией придается огромное значение.

Вредные последствия вибрации возрастают с увеличением быстроходности машин и механизмов, поскольку энергия колебательного процесса возрастает пропорционально квадрату частоты колебаний. При повышении частот колебаний более 0,7 Гц возможны резонансные колебания в органах человека.

Для уменьшения вибраций, возникающих при работе металлорежущего станка, во время установки оборудования ставят виброопоры. Применяют демпфирующие устройства в конструкции станка

Еще одним опасным фактором при работе станка является напряжение в электрической цепи. Станок подключается к цепи напряжением 380 В, значит есть опасность поражения электрическим током.

Случаи поражения человека током возможны лишь при замыкании электрической цепи через тело человека или, иначе говоря, при прикосновении человека не менее чем к двум точкам цепи, между которыми существует некоторое напряжение.

Опасность такого прикосновения, оцениваемая значением тока, проходящего через тело человека, или же напряжением прикосновения, зависит от ряда факторов: схемы включения человека в цепь, напряжения сети, схемы самой сети, режима ее нейтрали, степени изоляции токоведущих частей от земли, а также от значения емкости токоведущих частей относительно земли и т.п.

Для защиты от поражения электрическим током на станке предусматривается: защитное заземление, защитное отключение и использование двойной изоляции. Распределительные шкафы и щиты, светильники, корпуса электронного оборудования и токопроводящие части станка заземлены. Также на рабочих местах используются деревянные подмостки.

Работа станка связана с использованием различных горючих веществ, таких как керосин (легко воспламеняющаяся жидкость), масла индустриальные (горючая вязкая жидкость, плотность - 917 кг/м³ , t_всп. -181° С, t_{самовоспл.}=355° С ), СОЖ (ОСМз - горючее вещество, плотность 894 кг/м³, t_всп.=162° С, t_{самовоспл.}=178° С ). Неосторожное обращение с этими веществами, несоблюдение техники безопасности может привести к пожару на территории цеха.

При обработке металлов резанием образуется стружка. Стружка иногда отлетает от места резания на большие расстояния, иногда даже в виде факела, и представляет опасность. Температура стружки может достигать 850 °С.

Кроме стружки в результате резания чугуна, стали, цветных металлов в воздухе рабочей зоны образуется пыль, которая, попадая в органы дыхания человека, со временем может вызвать различные легочные заболевания. ПДК выделяемой пыли составляет 3-4 мг/м³ по ГОСТ 12.1.005-88. Фактическое значение концентрации пыли в помещении цеха составляет 0,8 мг/м³, что соответствует указанной норме.

Предприятия машиностроительной промышленности нередко отличаются повышенной пожарной опасностью, так как их характеризует сложность производственных установок, значительное количество легковоспламеняющихся и горючих жидкостей, сжиженных горючих газов, твердых сгораемых материалов и т.д. По отношению к электробезопасности цех относится к помещениям с повышенной опасностью поражения людей электрическим током. С позиции пожарной безопасности цех относится к категории пожароопасных (категория Д) и характеризуется тем, что в помещении находятся несгораемые вещества и материалы в холодном состоянии.

Основы противопожарной защиты предприятий определены стандартами (ГОСТ 12.1.004 -88). Этими стандартами возможная частота пожаров допускается такой, чтобы вероятность возникновения в течение года не превышала 10^-6.

Для устранения пожарной опасности цех оснащается комплектом пожаротушения. В комплект пожаротушения входят: кирки, багры, лопаты, ведра, огнетушители химически-пенные и углекислотные (ОХВП - 10, ОУ - 8). Также в помещении размещаются пожарные гидранты центрального водоснабжения и пожарные рукава. В здании, где будут размещаться рабочие места, предусматриваются запасные выходы на случай пожароопасности и четкий план эвакуации. Для хранения промасленной ветоши предусматривается специальная тара.[17]

5.2 Расчет категории тяжести труда

При оценке категории тяжести труда учитываются санитарно-гигиенические и психофизиологические производственные элементы условий труда.

Первые включают:

- температуру, влажность и скорость движения воздуха на рабочем месте;

- наличие токсичных веществ;

- пыли;

- вибрации, шума, ультразвука;

- теплового излучения;

- электромагнитных полей;

- ионизирующих излучений;

- биологические факторы.

Ко вторым относятся:

- физическая, динамическая и статическая нагрузка;

- рабочая поза и перемещения в пространстве;

- сменность, продолжительность непрерывной работы в течении суток;

- точность зрительных работ;

- число заданных объектов наблюдения;

- темп работы, монотонность работы;

- объем получаемой и перерабатываемой информации;

- режим труда и отдыха;

- нервно-эмоциональная нагрузка;

- интеллектуальная нагрузка.

Степень тяжести труда характеризуется реакциями и изменениями в организме человека под воздействием производственной среды. При благоприятных условиях труда функциональные возможности организма улучшаются, что способствует повышению работоспособности и влияние утомления на работоспособность будет незначительным. Напротив, при неблагоприятных условиях повышенное производственное утомление приводит к снижению работоспособности, а также повышает возможность производственного травматизма.

В результате применения мероприятий по эргономике и охране труда температура воздуха на рабочем месте в холодный период года в помещении повысилась с 13 до 18 С, скорость движения воздуха в холодный период года уменьшилась с 0,5 до 0,2 м/с, уровень шума снизился с 86 до 68 дБ. Определить динамику изменения производственного травматизма и работоспособности в этих условиях при обслуживании многоцелевого станка в течение смены.

Для оценки условий труда в баллах до и после внедрения мероприятий воспользуемся данными.

Результаты оценки приведены в таблице 8.

Таблица 8 - Результаты оценки условий труда до и после внедрения мероприятий

Факторы	Оценка факторов в баллах
	До внедрения мероприятий	После внедрения мероприятий
Санитарно-гигиенические:
1) температура воздуха на рабочем месте	4	2
2) скорость движения воздуха	3	2
3) относительная влажность воздуха	3	2
4) уровень шума	3	1

В соответствии с величиной интегрального показателя условиям труда (работе) присваивается та или иная категория тяжести.

Зависимость категории тяжести труда от интегральной оценки условий труда представлена в таблице 9.

Таблица 9 - Зависимость категории тяжести труда от интегральной оценки условий труда.

Категория тяжести труда	1	2	3	4	5	6
Интегральная оценка элементов условий труда, UT, баллы	до 18	18,1-33	33,1-45	45,1-53	53,1-59	59,1- 60

Определим интегральную оценку тяжести труда U_T до и после внедрения мероприятий по формуле:

, (5.2)

где U_T - интегральный показатель тяжести труда;

X_max- элемент условий труда на рабочем месте, имеющий наибольший балл;

- сумма количественной оценки баллах значимых элементов условий труда без X_max;

п - количество элементов условий труда;

10 - число, введенное для удобства расчетов.

Интегральный показатель тяжести труда до внедрения мероприятий U_T1:

что соответствует четвертой категории тяжести работ.

Интегральный показатель тяжести труда после внедрения мероприятий U_T2:

что соответствует второй категории тяжести работ.

Прогнозирование изменения травматизма осуществляется следующим образом. Рост производственного травматизма К, количество раз, оценивается по формуле:

, (5.3)

При проектировании производственною процесса и оборудования предусматривается создание оптимальной производственной среды и достижение условий труда, соответствующих первой категории тяжести труда. Так как оборудование имеет завершенность конструктивных разработок и высокую производительность, то величина производственного травматизма принимается равной единице, и в этом случае, интегральный показатель тяжести труда будет равен:

что характеризует проектную травмоопасность производственною процесса.

В реальных условиях эксплуатации до внедрения мероприятия возможен рост травматизма в 2,67 раза из-за четвертой категории тяжести труда:

После внедрения мероприятий категория тяжести труда снизится до второй (U_T2=31,1), что соответствует росту травматизма в 1,38 раза по сравнению с рациональными (проектируемыми) условиями груда:

Интегральный показатель тяжести труда позволяет определить влияние условий труда на работоспособность человека. Для этого сначала вычисляется степень утомления У в условных единицах. Зависимость между интегральным показателем тяжести труда и утомлением выражается уравнением:

(5.4)

где 15,6 и 0,64 - коэффициенты регрессии.

Зная степень утомления, можно определить уровень работоспособности R, т.е. величину противоположную утомлению по выражению:

R= 100-У, (5.5)

где R - уровень работоспособности в относительных единицах.

До внедрения комплекса мероприятий:

- показатель утомления составляет

- уровень работоспособности составляет

R₁= 100-53,8 = 46,2

После внедрения комплекса мероприятий:

- показатель утомления составляет

- уровень работоспособности составляет

R₂ = 100-24,2=75,8

Определим изменение производительности труда П_ПТ (прирост производительности труда) за счет изменения работоспособности составит:

, (5.6)

где R₂ и R₁ - работоспособность в условных единицах до и после внедрения мероприятий, понизивших тяжесть труда;

0,2 - поправочный коэффициент, отряжающий усредненную зависимость между повышением работоспособности и ростом производительности труда.

Данный расчет показал, что проведенные мероприятия по улучшению условий труда на рабочем месте привели к снижению утомления почти в 2 раза и увеличению работоспособности. А производительность труда увеличилась на 13%.[16]

5.3 Возможные чрезвычайные ситуации

В процессе осуществления трудовой деятельности существует опасность возникновения чрезвычайной ситуации.

Чрезвычайная ситуация (ЧС) - внешне неожиданная, внезапно возникающая обстановка, которая характеризуется резким нарушением установившегося процесса, оказывающая значительное отрицательное влияние на жизнедеятельность людей, функционирование экономики, социальную сферу и окружающую среду.

Одной из ситуаций, которая может возникнуть на рассматриваемом объекте, является пожар. Под пожаром обычно понимают неконтролируемый процесс горения, сопровождающийся уничтожением материальных ценностей и создающий опасность для жизни людей.

Предприятия машиностроительной промышленности нередко отличаются повышенной пожарной опасностью, так как их характеризует сложность производственных установок, значительное количество легковоспламеняющихся и горючих жидкостей, сжиженных горючих газов, твердых сгораемых материалов, большое количество емкостей и аппаратов, в которых находятся пожароопасные продукты под давлением; разветвленная сеть трубопроводов с запорно-пусковой и регулирующей арматурой, большая оснащенность электроустановками.

Основной причиной пожаров на машиностроительных предприятиях является нарушение технологического режима. Это связано с большим разнообразием и сложностью технологических процессов.

Сложность противопожарной защиты современных машиностроительных предприятий усугубляется их гигантскими размерами, большой плотностью застройки, применением в строительстве облегченных конструкций из металла и полимерных материалов, обладающих низкой огнестойкостью.

Для снижения вероятности возникновения пожара необходимо использовать комплекс мероприятий профилактического характера, а также установить систему пожаротушения и взрывозащиты.

Для этого требуется оборудовать помещение производственного цеха средствами пожарной сигнализации. Наиболее надежной системой пожарной сигнализации является электрическая пожарная сигнализация. Современные виды такой сигнализации дополнительно обеспечивают автоматический ввод в действие предусмотренных на объекте средств пожаротушения.

Для ликвидации начинающихся очагов пожара силами персонала, помещение оборудовано по действующим нормам первичными средствами пожаротушения, пожарным ручным инструментом и пожарным инвентарем. Для тушения электроустановок под напряжением до 380 В. Предусмотрено применение углекислотных (ОУ-2, ОУ-5, ОУ-8) или углекислотно-бромэтиловых огнетушителей (ОУБ-3, ОУБ-7). При возникновении пожара необходимо вызвать пожарную команду и отключить электропитание, эвакуацию людей производить через входные двери и запасные выходы. При тушении пожара следует учитывать недопустимость применения воды, так как это может стать причиной возникновения коротких замыканий и поражений электрическим током.

Для устранения пожарной опасности на предприятии установлены щиты с комплектами пожаротушения в непосредственной близости от рабочего места. В комплект пожаротушения входят: кирки, багры, лопаты, вёдра, огнетушители химические и углекислотные (ОХВП-10, ОУ-8). Также в помещении установлены пожарные гидранты центрального водоснабжения и пожарные рукава. В здании, где размещены рабочие места, предусмотрены запасные выходы на случай пожароопасности и четкий план эвакуации. Уменьшение вероятности возникновения пожара обеспечат следующие мероприятия. Для предотвращения возгорания кабельных линий рекомендуется использование специальных огнезащитных покрытий, которые препятствуют распространению пожара. Во время ремонта кабельных линий с применением сварки, пайки или открытого огня должны строго соблюдаться правила пожарной безопасности. Необходимо тщательно проверять состояние контактов, так как ослабление контактов в местах присоединения может привести к местному нагреву, а затем к нагреву провода и к нагреву изоляции выше допустимых температур. Надежность работы радиоэлектронных изделий гарантируется только в определенных интервалах температуры, влажности, тока и напряжения. Из-за возможных отклонений электрических и климатических параметров эти изделия нередко являются источниками открытого пламени и высоких температур. Могут загораться резисторы, выгорать отдельные элементы схемы. Причиной этого являются небрежное исполнение и нарушение правил монтажа.[17]

5.3.1 Расчет времени эвакуации при пожаре

Во время пожара происходит быстрое повышение температуры и увеличение концентрации отравляющих веществ до величин, которые представляют смертельную опасность для организма. По этой причине в случае возгорания должна быть проведена быстрая эвакуация людей из помещения.

Показателем эффективности процесса вынужденной эвакуации является время, в течение которого люди могут при необходимости покинуть отдельные помещения и здание в целом.

Механический цех располагается в отдельном здании на первом этаже. При эвакуации рабочим, количество которых в общем случае составляет пятьдесят человек, необходимо пройти следующий путь: коридор длиной 44 м и холл длиной 7 м.

Таким образом, полное время эвакуации Т_эв, мин, будет складываться из времени перемещения людей по коридору и холлу:

Т_эв. = t_кор. + t_холл, (5.7)

где Т_эв. - время эвакуации при пожаре, мин;

t_кор. - время прохождения коридора, мин;

t_холл - время прохождения холла, мин.

Время движения людского потока на участке пути t, мин, определяется по формуле:

, (5.8)

где L - длина участка пути, м;

V - скорость движения людского потока на данном участке пути, м/мин.

Величина скорости (V) принимается по табличным данным (Прил.Е.2) в зависимости от плотности людского потока D, человек/м², которая определяется по формуле:

, (5.9)

где N - среднее число людей, находящихся на участке пути (в данном случае

N = 62 человека);

b - ширина участка пути (для коридора b_кор = 3,5 м, для холла b_холл = 5 м).

Плотность людского потока

а) в коридоре:

человек/м²

б) в холле:

человек/м²

При полученных значениях плотности скорость движения людского потока будет равна:

а) в коридоре:

V_кор. = 40 м/мин

б) в холле:

V_холл = 15 м/мин

С учетом найденных значений скорости время движения людского потока:

а) по коридору:

мин

б) в холле:

мин

Таким образом, время вынужденной эвакуации людей из рассматриваемого помещения составит:

Т_эв. = 1,1 + 0,47 = 1,57 мин = 1 мин 34 сек.

По взрыво- и пожароопосности помещение цеха относится к категории Д (помещения и здания, где обращаются технологические процессы с использованием твердых негорючих веществ и материалов в холодном состоянии (механическая обработка металлов)). Нормативное время вынужденной эвакуации людей из помещения составляет 4 мин. Таким образом, время вынужденной эвакуации людей из рассматриваемого помещения удовлетворяет нормативным показателям.[16]

5.4 Выводы по безопасности труда

В разделе безопасности труда было выполнено:

- проанализированы условия труда;

- расчет категории тяжести труда;

- рассмотрены возможные чрезвычайные ситуации;

- расчет времени эвакуации при пожаре.

6 Экономическая часть

6.1 Исходные данные для расчета экономического эффекта от модернизации

Модернизация многоцелевого станка модели LCH-500 позволила повысить его точность, что дало возможность заменить шлифование тонким фрезерованием.

Рассчитаем годовой экономический эффект от модернизации. В качестве детали - представителя для проведения расчетов выбрана деталь «кронштейн».

База для сравнения вариантов - многоцелевой станок модели LCH-500 до модернизации и шлифовальный станок Орша 4080.

Исходные данные представлены в таблицах 10, 11, 12.[15]

Таблица 10 - Исходные данные для расчета затрат на модернизацию станка

Показатели	Усл. обозн.	Ед.изм.	Значение
1 Часовая тарифная ставка рабочих, участвующих в проведении модернизации	ЧТСм	руб/час	24
2 Суммарная трудоемкость работ по модернизации	Трм	час	40
3 Коэффициент, учитывающий заработную плату	Кдз	-	1,2
4 Районный коэффициент	Курал	-	1,15
5 Коэффициент отчислений на социальные нужды	Ксн	-	1,281
6 Коэффициент, учитывающий прочие (накладные) расходы на модернизацию оборудования	Кпрм	-	2,5
7 Стоимость базового оборудования (LCH-500)	Цобнемод	руб	6100000
8 Общая стоимость комплектующих изделий, заменяемых в ходе проведения модернизации	Сзамкомп	руб	210000

Таблица 11 - Исходные данные для расчета затрат на комплектующие изделия для модернизации станка

Наименование комплектующих изделий	Количество (Qкомпл), шт	Цена (Цкомпл), руб/шт
Коробка скоростей	1	390000
Синтегран	1	50000
Электродвигатель Siemens	1	20000

Таблица 12 - Исходные данные для расчета экономического эффекта от применения модернизированного оборудования

Показатели	Усл. обозн.	Ед. изм.	Базовый вариант	Модерн. вариант
1	2	3	4	5
1 Штучное время в том числе: -фрезерная операция -расточная операция -шлифовальная операция	tшт	мин/шт	24,7 5,4 12 7,3	18,6 6,6 12 -
2 Годовая программа выпуска деталей	Nвып	шт/год	1000	1000
3 Количество смен в день	hсмен	смен/день	1	1
4 Количество часов работы в смену	Fсмен	час/смен	8	8
5 Коэффициент потерь времени на ремонт и наладку оборудования	Крн	-	0,985	0,985
6 Стоимость оборудования : - LCH-500 - Орша 4080	Цоб	руб	6100000 1100000	- -
7 Стоимость 1 м2 здания	Цзд	руб/м2	4000	4000
8 Площадь здания, занима-емая единицей оборудова-ния : - LCH-500 - Орша 4080 - Модерн. станок	Sоб	м2	12,6 8 -	- - 12,6
9 Коэффициент, учитываю-щий дополнительную производственную площадь	Кдоп	-	1,2	1,2
10 Часовая тарифная ставка	ЧТС	руб/час	20	20

Продолжение таблицы 12

1	2	3	4	5
11 Стоимость 1кВт-ч электроэнергии	Цэл	руб/кВт-ч	1,64	1,64
12 Мощность оборудования: - LCH-500 - Орша 4080 - Модерн. станок	Моб	кВт	18,5 7,5 -	- - 22
13 Норма годовых амортиза-ционных отчислений для оборудования	Наоб	%	10	10
14 Норма годовых амортиза-ционных отчислений для здания	Назд	%	2,5	2,5
15 Норма годовых затрат на текущий ремонт оборудования	Нремоб	%	3	3
16 Норма годовых затрат на текущий ремонт здания	Нремзд	%	1	1
17 Норма годовых затрат на содержание здания	Нсодзд	%	3	3
18 Цена инструмента -фреза -расточной резец -шлифовальный круг	Цинстр	руб/шт	500 300 250	500 300 -
19 Срок службы инструмента -фреза -расточной резец -шлифовальный круг	Тслинстр	мин	240 240 1000	240 240 -
20 Нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений	Ен	руб/год/руб	0,15	0,15

6.2 Расчет затрат на проведение модернизации

6.2.1 Расчет заработной платы рабочих, участвующих в проведении модернизации, с отчислениями

Расчет заработной платы рабочих, участвующих в проведении модернизации, с отчислениями, (С_зпм, руб) ведется по формуле:

(6.1)

где ЧТСм - часовая тарифная ставка, участвующих в модернизации руб/час;

Трм - суммарная трудоемкость работ по модернизации оборудования, час;

К_дз - коэффициент, учитывающий дополнительную заработную плату;

К_урал - районный коэффициент;

К_сн - коэффициент отчислений на социальные нужды.

руб.

6.2.2 Расчет затрат на комплектующие изделия для модернизации оборудования

Расчет затрат на комплектующие изделия для модернизации оборудования (Сзамкомпл , руб) осуществляется по формуле:

, (6.2)

где n - число наименований комплектующих изделий, используемых для модернизации оборудования;

Qкомпл - количество i-х комплектующих изделий, используемых для модернизации оборудования, шт;

Цкомпл - цена i-х комплектующих, руб/шт.

Скомпл=390000·1+50000·1+20000·1=460000 руб.