Mendelova univerzita v Brně Lesnická a dřevařská fakulta Ústav základního zpracování dřeva Vliv konstrukce na vybrané provozní parametry pilového kotouče DIPLOMOVÁ PRÁCE 2010 Bc. Vladimír Bohdálek - 1 -
Zadání - 2 -
Zadání - 3 -
Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma: Vliv konstrukce na vybrané provozní parametry pilového kotouče zpracoval sám a uvedl jsem všechny použité prameny. Souhlasím, aby moje diplomová práce byla zveřejněna v souladu s 47 b Zákona č. 111/1998 Sb., o vysokých školách a uložena v knihovně Mendelovy univerzity v Brně, zpřístupněna ke studijním účelům ve shodě s Vyhláškou rektora MENDELU o archivaci elektronické podoby závěrečných prací. Autor kvalifikační práce se dále zavazuje, že před sepsáním licenční smlouvy o využití autorských práv díla s jinou osobou (subjektem) si vyžádá písemné stanovisko univerzity o tom, že předmětná licenční smlouva není v rozporu s oprávněnými zájmy univerzity a zavazuje se uhradit případný příspěvek na úhradu nákladů spojených se vznikem díla dle řádné kalkulace. V Brně dne 19. 4. 2010... podpis - 4 -
Poděkování Děkuji svému vedoucímu diplomové práce Doc. Ing. Zdeňku Kopeckému, CSc. a jeho asistentovi Ing. Přemyslu Veselému za pomoc při měření na zařízení Stend, vyhodnocování a celkovém odborném vedení této práce. Děkuji také Ústavu lesnické a dřevařské techniky za umožnění měření na jejich zařízení. - 5 -
Jméno: Název práce: Title of work: Bc. Vladimír Bohdálek Vliv konstrukce na vybrané provozní parametry pilového kotouče The effect of circular saw blade design on chosen operation parameters Abstrakt: V práci je popsána problematika mechanické nestability pilových kotoučů a jejich hlučnosti. Je shrnuta dostupná literatura a vědecké práce na danou problematiku. Velikosti kmitání pilového kotouče a jeho hlučnost má negativní vliv na zdraví člověka (pracovníka), kvalitu řezání (přesnost) a součásti stroje, které jsou vlivem kmitání více namáhány. Dále se snaží autor prozkoumat a stanovit vliv rozdílné rozteče zubů, způsobu provedení dilatačních odhlučňovacích drážek na hladiny hluku, amplitudy a frekvence kmitání disku kotouče. Klíčová slova: pilový kotouč, vibrace pilového kotouče, hlučnost pilového kotouče, kritické otáčky Abstract: In the study is described problematic of circular saw blade mechanical instability and noisiness. Available literature including peer-reviewed papers is summarized here. High vibration and noisiness of circular saw blade negatively affect human health (operator), sawing quality and machine parts, which are more stressed by vibration. The author tried to investigate and set up the effect of different distance between cutting teeth, design and placement of shrinkage joints on noise level, amplitude a frequency of circular saw blade vibration. Key Words: circular-saw blade, vibration circular-saw blade, noisiness circular-saw blade, critical speed - 6 -
Obsah 1 Úvod... 9 2 Cíl práce... 10 3 Metodika práce... 11 4 Konstrukce pilového kotouče... 12 5 Analýza teorie kmitání a hlučnosti pilových kotoučů... 15 5.1 Vznik a šíření kmitání pilových kotoučů... 15 5.2 Vliv konstrukce pilového kotouče na kmitání a hlučnost... 28 5.2.1 Úprava pilových kotoučů předpětím... 28 5.2.2 Odhlučňovací drážky v těle pilového kotouče... 31 5.2.3 Otvory v těle pilového kotouče... 32 5.2.4 Radiální obvodové drážky... 35 5.2.5 Měděné nýty... 35 5.2.6 Lepené desky a fólie na tělo pilového kotouče... 36 5.2.7 Plastické povlaky na těle pilového kotouče... 38 5.2.8 Zmenšení tloušťky pilového kotouče... 39 5.2.9 Snížení počtu otáček... 41 5.2.10 Zmenšení průměru pilového kotouče... 43 5.2.11 Přídavné disky (zvětšení průměru příruby)... 44 5.2.12 Vliv rovinosti pilového kotouče... 47 5.3 Účinky vibrací a hluku na člověka... 48 5.3.1 Vibrace a jejich účinky na člověka... 48 5.3.2 Zvuk a jeho vznik... 49 5.3.3 Účinky hluku na člověka... 50 6 Zkušební zařízení a použité pilové kotouče... 55 6.1 Zkušební STEND... 55 6.2 Měření hluku... 57 6.3 Měřič vibrací... 58 6.4 Zkoumané pilové kotouče... 59 6.4.1 Pilový kotouč K8 s protihlukovými drážkami a s nepravidelnou roztečí zubů od firmy STELIT... 61 6.4.2 Pilový kotouč K 9 s protihlukovými drážkami a s pravidelnou roztečí zubů od firmy PILANA... 63-7 -
6.4.3 Pilový kotouč K10 bez protihlukových úprav od firmy PILANA.. 65 7 Výsledky měření vibrací a hlučnosti zkoušených pilových kotoučů... 67 7.1 Stanovení řezných podmínek... 67 7.2 Vibrace pilových kotoučů na jednu otáčku... 68 7.3 Průběh vibrací při běhu pilového kotouče naprázdno... 70 7.4 Hlučnost pilových kotoučů při běhu naprázdno... 72 7.5 Vibrace pilového kotouče při řezání smrku a buku ve stanovených otáčkách... 73 7.6 Hlučnost pilového kotouče při řezání smrku a buku ve stanovených otáčkách... 75 8 Diskuze... 77 9 Závěr... 79 10 Summary... 81 11 Literatura... 83 12 Přílohy... 85-8 -
1 Úvod Ve dřevozpracujícím průmyslu je řezání pilovými kotouči nečastěji používaná technika k dělení dřevěných materiálů. Při řezáni je dřevěný materiál dělen pilovým kotoučem otáčejícím se jedním směrem rovnoměrnou rychlostí. Kvalita a přesnost řezání se odvíjí od konstrukce stroje, tvaru a množství pilových zubů na kotouči, rychlosti posuvu na zub, velikosti kmitání pilového kotouče a jeho hlučnosti. Pokud pomineme pro tuto práci vliv stroje a vliv rychlosti posuvu, zůstane nám velikost kmitání, tvar a množství pilových zubů. Snižování velikosti kmitání a hlučnosti se v dnešní době řeší několika základními způsoby: konstrukcí těla pilového kotouče (např. válcování a lepení pilového kotouče) vyřezáváním stabilizačních otvorů do těla pilového kotouče pomocí laseru vyřezáváním dilatačních a odhlučňovacích drážek pomocí laseru použitím přídavných stabilizačních disků rozdílnými rozteči pilových zubů Cílem těchto úprav je zlepšení přesnosti řezání, drsnosti obráběných povrchů, snižování ztrát nerovností po řezání, snižování hladiny hluku při řezání a v neposlední řadě zlepšení trvanlivosti a životnosti pilových kotoučů. Mechanická nestabilita pilových kotoučů byla zpracovávána v mnoha vědeckých publikacích (Mote a Szymani, 1977; Lietal, 2000; Nishio a Marui, 2000; Schajer, 1989; Siklienka a Svoreň, 1997; Stachiev, 1989; Stachiev 2000; Stachiev 2004). Dr. Jury Mikhailovich Stachiev (1934, 2004) byl uznávaným odborníkem v oblasti kotoučových pil a průkopník ve vývoji teorie na stanovení kritických otáček pilového kotouče. Jeho výzkum se zaměřoval především na teorii kritických otáček pilových kotoučů. - 9 -
2 Cíl práce Cílem této práce je stanovit provozní podmínky pro sledované pilové kotouče. Dále prozkoumat a stanovit vliv rozdílné rozteče zubů, způsobu provedení dilatačních a odhlučňovacích drážek na hladiny hluku, amplitudy a frekvence kmitání disku kotouče. Při realizaci cílů práce je brán zřetel na současný stav řešené problematiky publikovaný v dostupné literatuře, zejména ve vědeckých pracích a výzkumech prováděních v tomto oboru. Splnění vytyčených cílů vyžaduje použití poměrně rozsáhlého experimentu, měřením vibrací a hlučnosti pilových kotoučů. - 10 -
3 Metodika práce Vlastní metodika práce zahrnuje oblasti analýzy konstrukcí a konstrukčních úprav pilových kotoučů, oblast teorie kmitání pilových kotoučů a analýzy hluku a jeho působení na člověka. Těžiště práce je směřováno do experimentální části měření a vyhodnocení vibrací a hlučnosti. Měření budou prováděna na zkušebním zařízení, který je majetkem Mendelovy univerzity. Vibrace budou měřeny snímačem vibrací, který pracuje na principu vířivých proudů. Hlučnost bude měřena měřičem hluku Chauvin Arnoux. Veškerá data z těchto měřících zařízení budou ukládány do počítače a následně zpracovány do tabulek a grafů. K měření budou použity tři druhy pilových kotoučů označené K8, K9 a K10. Jedná se o prototypové kotouče, které byly v rámci testování vyrobeny firmou Pilana a Stelit. Všechny tři kotouče mají stejnou geometrii zubu. U všech pilových kotoučů byly stanoveny rezonanční, kritické, doporučené a optimální otáčky z předchozích testů prováděných Ing. Přemyslem Veselým ve spolupráci s TU Zvolen. Otáčky, při kterých bude prováděno měření průběhu vibrací a hlučnosti budou voleny v rozsahu 2 000 až 5 000 (min -1 ). Při experimentu budou prováděny podélně tangenciální řezy měkké a tvrdé dřeviny. - 11 -
4 Konstrukce pilového kotouče Pilový kotouč je kruh z ocelového plechu o malé tloušťce s vypáleným otvorem uprostřed a zuby po obvodě. V dnešní době se používají pilové kotouče, které mají na zubech připájeny destičky ze slinutých karbidů. Tyto břity jsou širší, než je tloušťka pilového kotouče, proto není nutné u těchto kotoučů rozvádění zubů. Pilový kotouč je upnut na hřídeli vřetene pomocí dvou upínacích přírub, mezi které je pilový kotouč vložen. Pilový kotouč může být nasazen přímo na hřídeli elektromotoru nebo na samostatné hřídeli, která je poháněna elektromotorem pomocí klínových řemenů. Obrázek č. 1. Geometrie ostří pilového kotouče - 12 -
Kvalita a přesnost řezání se odvíjí od konstrukce stroje, tvaru a množství pilových zubů na kotouči, rychlosti posuvu na zub, velikosti kmitání pilového kotouče. Obrázek č. 2. Řezání pilovým kotoučem bez kmitání Obrázek č. 3. Řezání s kmitajícím pilovým kotoučem - 13 -
Toto kmitání (vlnění) pilového kotouče se negativně projevuje na kvalitě řezání (obr. č. 3 a 4), na zvyšování otupení pilového kotouče, při velkém vlnění může dojít k takovému rozkmitu, při kterém může pilový kotouč narazit zuby do pracovního stolu a může dojít až k jeho roztržení. V neposlední řadě má vlnění vliv na vznik hluku kolem pilového kotouče při řezání. Zvuk je vytvářen chvěním zdroje vibrací, v našem případě pilovým kotoučem. Toto chvění je přenášeno na sousední molekuly vzduchu a projeví se jako intenzívní hluk. Tímto zdrojem vibrací je v našem případě pilový kotouč. Na obrázku č. 3 je znázorněno řezání s vibracemi, kde tloušťka pilového zubu je b (nebo se značí také jako s r ) a tloušťka řezné spáry je b + A, kde b je tloušťka pilového zubu a A je velikost vibrací znázorněná na obrázku č. 15. Vliv konstrukce stroje, stavu stroje a přesnost upnutí bude v této práci pomíjena a budeme se dále soustřeďovat pouze na vliv pilového kotouče na chvění. Konstrukce jednotlivých typů a výrobců kotoučových pil je rozmanitá a každý výrobce používá jiná ložiska u hřídelí a při používání se kvalita a přesnost vedení těchto ložisek mění. Je tedy těžké polemizovat o vlivu stroje a kvality upnutí. Posuzování těchto vlivů není obsahem této práce. Obrázek č. 4. Vliv vibrací a nestability kotouče na rovinost řezné spáry - 14 -
5 Analýza teorie kmitání a hlučnosti pilových kotoučů 5.1 Vznik a šíření kmitání pilových kotoučů Kmitání je děj opakující se v čase týkající se pohybu. V našem případě lze kmitáním nazývat také vlnění pilového kotouče. Jedná se o mechanické kmitání, což je také mechanický pohyb hmotného bodu. Počet kmitů za časovou jednotku (obvykle jednu sekundu) je označován jako frekvence kmitání a jeho jednotkou je Hertz (Hz). Okamžitá poloha bodu nebo skupiny bodů při mechanickém kmitání, kterou zaujímá vzhledem k rovnovážné poloze, se označuje jako okamžitá výchylka. Okamžitá výchylka je hlavní veličinou, která se časem periodicky mění. Absolutní hodnota okamžité výchylky se nazývá velikost okamžité výchylky nebo také velikost vibrace. Nevyšší a nejnižší hodnota okamžité výchylky se nazývá amplituda kmitání. Při otáčení pilového kotouče kolem své osy dochází ke kmitání vlivem nerovnosti kotouče, nesouměrnosti obvodu kotouče vypálených zubů po obvodu kotouče a další faktory. Pilový kotouč je možné si z hlediska pružnosti představit jako mezikruhovou desku, která je na vnitřním průměru vetknutá a na vnějším průměru je připevněna hmota zubů. Pro provoz kotouče v určitých pracovních otáčkách má velký význam určení vlastních frekvencí disku kotouče, tzv. statické frekvence. Disk kotouče může mít neomezený počet vlastních statických frekvencí. Tvary kmitů se dají popsat uzlovými průměry, uzlovými kruhy, nebo kombinací obou (KOPECKÝ, 2007). - 15 -
Obrázek č. 5. Středové vibrace pilového kotouče (PONTON 2007) Obrázek č. 6. Tvary středově symetrických kmitů pilového kotouče (c = 1,1,2) (ČERNOUŠEK, 1964) Disk, který se otáčí kolem své osy, kmitá ohybovými středově symetrickými kmity. Vznikají uzlové křivky, které vytvářejí soustředné kružnice. Počet těchto soustředných kruhů se označuje jako c (c může mít hodnotu 0, 1, 2,.). Tyto kmity jsou znázorněny na obrázku č. 5 a 6. V reálném provozu dochází většinou pouze k prvnímu a druhému tvaru kmitu. Na prvním je pilový kotouč s c = 0 tedy bez uzlové - 16 -
křivky. Na druhém je c = 1 a na třetím c = 2, kde jsou znázorněny místy klidu tedy uzlové křivky. Obrázek č. 7. Journal of Solids and Structures 2004) Kmitání středově nesymetrické bez uzlové kružnice (International Obrázek č. 8. Kmitání středově nesymetrické s jednou uzlovou kružnicí (International Journal of Solids and Structures 2004) V praxi se ovšem vyskytuje středově nesymetrické kmitání, u kterého se uzlové křivky c mění na tzv. uzlové průměry a jejich počet je označován číslem k. Toto nesymetrické kmitání způsobuje vyšší hlučnost a nestabilitu pilového kotouče. Dochází ke vzniku nadměrného vlnění kotouče a to může vést k jeho poškození nebo roztržení. Středově nesymetrické kmitání stojícího pilového kotouče si můžeme představit jako složení dvou běžících vln, které se po obvodu kotouče šíří proti sobě. Tyto vlny mají stejnou úhlovou rychlost rovnající se tzv. statické vlastní rezonanční frekvenci kmitání kotouče f st. Pilový kotouč v důsledku svého diskového tvaru může mít nekonečný počet vlastních statických frekvencí, které jsou charakterizovány určitými tvary kmitů (obr. č 9 a 10). - 17 -
Obrázek č. 9. Tvary kmitání pro uzlové průměry k = 0 až 3 (JAVOREK, 2006) Obrázek č. 10. Tvary kmitání nasnímané laserovými snímači (Journal of Sound and Vibration (2002)) Každá frekvence pilového kotouče odpovídá specifickým vibracím, jejíž obrazec vytváří charakteristický tvar. Tyto obrazce (obrázek č. 11 a 12) vibrujících kotoučů jsou kombinací kruhového a uzlového průměru. Zaznamenání vibrací moderním způsobem je pomocí laserového snímače povrchu disku kotouče (obrázek č. 10). - 18 -
Obrázek č. 11. Charakteristické tvary vibrujících pilových kotoučů (Sébastien Berger, Congrès Français de Mécanique 2001) - 19 -
Obrázek č. 12. Grafické znázornění kmitání pilových kotoučů (Journal of Sound and Vibration 2000) - 20 -
Z teorie kmitání vyplývá, že v každém kotouči se šíří dvě vlny. Tyto vlny jsou tzv. protisměrné, to znamená že máme dopředu běžící vlnu a dozadu běžící vlnu. Frekvence dopředu běžící vlny ( 1 ) Frekvence dozadu běžící vlny ( 2 ) Pojmem kritické otáčky se označují rezonanční otáčky, při kterých kotouč dosahuje maximálních hodnot kmitání. Pokud dosáhne frekvence dozadu běžící vlny nuly při určitých otáčkách, které se nazývají právě kritické otáčky. Jedná se o otáčky, při kterých jen nepatrná boční síla způsobuje velké boční vychýlení pilového kotouče. Kritické otáčky neexistují při k = 0 a k = 1. Ve většině případů jsou kritické otáčky pro uzlové průměry k = 2 (Stachiev, 1989). Nejnižší kritické otáčky lze vypočítat podle následující rovnice (Nishio a Marui, 1996; Siklienka a Svoreň, 1997; Stachiev, 1989). ( 3 ) Kde fn (0) funkce vlastní frekvence pilového kotouče v klidu s uzlovým průměrem k, získané z budícího impulsního testu. K nebo také λ je koeficient odstředivé síly. Je to bezrozměrná hodnota nezávislá na rychlosti otáčení. Teoretické a experimentální hodnoty K lze nalézt v některých literaturách jako např. (Nishio a Marui, 1996; Stachiev, 1989). Ve zmíněných literaturách je však nedostatek údajů hodnoty K parametru pro některé druhy složitějších a moderních pilových kotoučů. Je dobré zmínit, že ve zmiňované literatuře (Stachiev, 1989) jsou uvedeny fn (0) pro většinu - 21 -
běžně používaných rozměrů a tvarů kotoučů používaných na konci dvacátého století. Tyto údaje jsou také součástí ruské normy. Z tohoto důvodu mohou být kritické otáčky u zmiňovaných kotoučů velice snadno stanoveny. s E 1 f st = κ k( α ) [ Hz ] 2 3ρ 2 D 1 ν ( 4 ) kde κk(α) koeficient zohledňující poloměr upnutí, tvary kmitání a vnitřní napětí v kotouči, který je závislý na tvaru desky kotouče, způsobu upnutí a tvaru chvění D průměr kotouče E modul pružnosti (pro ocel 2,1. 105 MPa) s tloušťka desky kotouče ρ hustota materiálu kotouče (pro ocel 7 800 kg.m -3 ) ν Poissonova konstanta (ν = 0,3) Statická rezonanční frekvence kmitajícího kotouče f st lze vyjádřit matematicky poměrně složitě. Její složitost spočívá na spoustě proměnlivých činitelů, které obsahuje. O stanovení této rovnice se pokoušela spousta autorů. Pro vlastní frekvenci byla stanovena rovnice ( 4 ) (JAVOREK 2006). Z rovnice ( 4 ) vyplývá, že vlastní frekvence stojícího pilového kotouče se úměrně zvyšuje s jeho tloušťkou a kvadraticky klesá s průměrem kotouče. Kromě toho jsou závislé na tuhosti disku pilového kotouče, hustotě materiálu a na množství a rozsahu narušení kotouče radiálními drážkami (KOPECKÝ, 2007). Exaktní určování statických frekvencí vlastních kmitů kotoučů f st je možné provádět experimentálně měřící aparaturou sestavenou podle (Siklienka Svoreň, 1997). Schéma měřící aparatury je znázorněno na obrázku č. 13. - 22 -
1 měnič kmitočtu FG 509, 2 zesilovač QSA 260, 3 osciloskop GoldStar S-9020P, 4 elektromagnetický budič, 5 indukční snímač kmitů, 6 stojan, 7 pilový kotouč, 8 příruba, 9 matice Obrázek č. 13. Schéma měřící aparatury pro zjišťování statických rezonančních kmitočtů pilových kotoučů Vodorovně upnutý kotouč s definovaným průměrem přírub (1/3D) je nutné posypat jemnozrnným materiálem, např. krupicí a elektromagnetickým budičem jej rozkmitat. Tvar vlastního kmitání disku kotouče závisí na velikosti a frekvenci budící síly a vyjadřují ho tzv. chladného obrazce (obrázek č. 14). Při zvyšování kmitočtu elektromagnetického budiče, jemná krupice na disku kotouče při určité frekvenci vytvoří chladného obrazec. Místa, kde se krupice nahromadila, jsou místa klidu (uzlové průměry k = 1, 2, 3, ), ostatní místa při dané frekvenci intenzivně kmitají statickou rezonanční frekvencí vlastních kmitů f st (Kopecký, 2007). - 23 -
Obrázek č. 14. Chladného obrazec (Peršín, 2006) Nishio a Marui uvádějí (Javorek, 2006) pro nerotující a kmitající kotouč výraz pro průhyb v poloze dané poloměrem r, úhlem ϕ a počtem uzlových průměrů k výrazy: A1 ( r ) k n ( ) + + k n w r, ϕ,t = sin2π f st + t sin2π f st t 2 60 60 A2( r ) k n + π + + + + k n cos 2 f st t ϕ cos 2π f st t ϕ 2 60 60 kde w (r;ϕ;t) průhyb pilového kotouče při kmitání, vyjádřené v polárním souřadném systému (r, ϕ) v čase t A 1,2(r) funkce definující průhyb w na poloměru r f st statická frekvence vlastních kmitů pilového kotouče k počet uzlových průměrů První člen rovnice vyjadřuje průhyb kotouče v důsledku šířící se vlny ve stejném směru jako je směr otáčení pilového kotouče tuto vlnu označujeme jako dopředu postupující. Druhý člen vyjadřuje průhyb kotouče, který vyvolává dozadu postupující vlnu (Kopecký, 2007). - 24 -
Profesor strojní fakulty v Gdansk University of Technology, Polsko Kazimierz A. Orlowski tvrdí ve své práci (Identification of critical speeds of clamped circular saws / 2005 ), že dosavadní vědecké práce se soustředí především na teoretické stanovení kritických otáček pilového kotouče. Ačkoli tato teorie se zdá být dobře přijatelná vědeckou obcí, její praktické upotřebení je spíše omezené. Kromě toho, kritické rychlosti závisí na některých dalších faktorech jako jsou: vnitřní pnutí a napínací úrovni (CHABRIER a Martin, 1999; Mote a Szymani, 1977; Lietal, 2000; Schajer, 1985; Siklienka a Svoreň, 1997; Stachiev 1989) teplotní gradient (Mote a Szymani, 1977; Stachiev, 1989; Siklienka a Svoreň 1997) design, tj. přítomnost porušení celistvosti (Nishio a Marui, 1996; Stachiev, 1989; Svoreň, 2004) Je důležité, aby uživatelé byli dobře obeznámeni s kritickými otáčkami, protože v případě, že použitá pracovní rychlost dosahuje kritického rozsahu otáček, tělo pilového kotouče ztrácí tuhost a odpor proti bočním silám a stává se nestabilní. Dále Orlowski potvrdil, že u některých kotoučů přípustné otáčky označené na nástroji výrobcem byly vyšší než vypočtené kritické otáčky těchto pilových kotoučů pily (Stachiev, 2004). Například, značka na kotouči ukazuje 1500 ot*min -1, kdežto výpočtová rychlost byla pouze 1173 ot*min -1! Jako výsledek je rozmezí mezi 1173 ot*min -1 a 1500 ot*min -1, kde se mohl stát snadno nestabilní (Stachiev, 2004). Alternativní způsob stanovení hodnoty kritických otáček je přes experimentální měření na daném pilovém kotouči. - 25 -
Obrázek č. 15. Schéma vlnění pilového kotouče (STACHIEV, 1989) Na obrázku č. 15 je znázorněno odkud se berou hodnoty kmitání a tedy i tvar amplitudy kmitání. Hodnota A na tomto obrázku představuje velikost vibrací kotouče. Hodnota vibrací se vychyluje od klidové roviny do kladných i záporných hodnot. Obrázek č. 16. Amplituda kmitání (STACHIEV, 1989) Velikost kmitání zaznamenané v čase je znázorněno na obrázku č. 16. Vibrace na tomto obrázku jsou souměrné, ale mohou být i nesouměrné a to má za následek prohýbání se pilového kotouče na jednu stranu (obrázek č. 17). Jednostranné vibrace (vychýlení kotouče na jednu stranu) je zřejmě podle dostupných informací zapříčiněno konstrukční vadou vzniklou při výrobě, nebo nerovnoměrným válcováním těla pilového kotouče. Tyto vady vzniklé při výrobě zapříčiňují nerovnoměrné zatížení kotouče na - 26 -
jednu stranu a tím i jeho naklonění. Křivky zachycené na obrázku vycházejí z hraničních hodnot tedy z nejvyšší hodnoty v jednotlivých kmitech. Obrázek č. 17. Objasnění jednostranného vychýlení při vlnění (STACHIEV, 1989) - 27 -
5.2 Vliv konstrukce pilového kotouče na kmitání a hlučnost 5.2.1 Úprava pilových kotoučů předpětím Pro zklidnění pilového kotouče při otáčení kolem své osy se jako základní úprava v dnešní době provádí tzv. úprava předpětí. Úpravou předpětí se vyrovnává pnutí v pilovém kotouči při práci a snižování pnutí vzniklého třecím teplem. Tato úprava se provádí dvěma možnými postupy. Starší metodou pomocí úderů kladivem. Novější metoda je pomocí válcování. Předpětí lze nesprávným používáním pilového kotouče také odstranit zničit přehřátím pilového kotouče. 5.2.1.1 Úprava předpětí kladivem Pro ruční snižování pnutí v pilovém kotouči se používá kladivo s kulatou ploškou a kovadlina. Kladivo se vede do úderu zlehka jen vlastní váhou kladiva. Údery by měly být od středu odstupňovány a také stejné na jedné i na druhé straně pilového kotouče. Tato metoda je však nepřesná a je u ní potřeba zkušeností a znalostí. Obrázek č. 18. Ruční snižování pnutí v pilovém kotouči - 28 -
5.2.1.2 Válcování Při otáčení pilového kotouče kolem své osy vznikají v kotouči odstředivé síly. Válcování je nutné provádět pro snížení nepříznivých účinků vyvolaných vlivem výsledného napětí v tlaku v okrajové části pilového kotouče, které vzniká působením rozdílných teplot u pilového kotouče. Ve střední části pilového kotouče vzniká tlakové napětí a v okrajové části tangenciální napětí tahové. Vlivem odstředivých sil se v okrajových částích kotouče napětí v tahu ještě zvyšují. Tento efekt je výhodný proti účinkům tangenciálních (tlakových) napětí, vznikajících zahříváním pilového kotouče. Tato napětí dosahují maximálních hodnot ve věnci kotouče v okrajových částech a jsou jednak eliminována tahovým předpětím kotouče od stopy válcování, ale také otvory a dilatačními drážkami, viz. dále. Vliv teplotního spádu se zvyšuje se snižující se tloušťkou pilových kotoučů. Vlivem válcování je napětí rozloženo, jak je znázorněno na obrázku č. 19 (Grube, 1971). Obrázek č. 19. Průběh tangenciálního napětí v kotouči po válcování na poloměr 0,8 R podle Grubeho (PROKEŠ 1982) - 29 -
Obrázek č. 20. Schéma válcování pilového kotouče (STACHIEV, 1989) - 30 -
5.2.2 Odhlučňovací drážky v těle pilového kotouče Odhlučňovací drážka (tabulka 1) v těle kotouče je moderní metoda snižování hluku u pilových kotoučů SK. Tyto drážky jsou do těla vypáleny laserem při výrobě. Úprava se provádí s cílem snížení hlučnosti kotouče. Odhlučňovací drážky se používají minimálně v počtu tři a více. Výrobci si postupem času vytvořili vlastní tvary těchto odhlučňovacích drážek. Většina firem (Freud, Pilana, Schmidt, Faba a jiné) to považuje za svoje know-how. Tabulka 1 Tvary odhlučňovacích drážek v pilových kotoučích a. firma Faba b. firma Freud c. firma Freud d. firma Pilana c. firma Schmidt d. firma G.D.A. - 31 -
5.2.3 Otvory v těle pilového kotouče Pro zvýšení tuhosti pilových kotoučů se jako jedna z možných metod používá vypálení různých otvorů do těla pilového kotouče. Vypálené otvory snižují napětí v okrajové části kotouče, čímž se zvyšuje tuhost kotoučů. Snížením napětí v kotouči se kotouč zklidní a sníží se jeho vibrace. Snížením těchto vibrací dojde také ke snížení hlučnosti kotouče. Při pracovních otáčkách pilového kotouče dojde ke snížení hluku asi o 3 až 5 db (PROKEŠ, 1985). Otvory se do těla pilového kotouče vypalují laserem přímo při výrobě tvaru těla kotouče. U těchto otvorů je důležitý nejen rozměr, ale také jejich tvar a umístění. Ukázky tvarů otvorů v pilových kotoučích jsou zobrazeny v tabulce 2, a to ve tvarech a až f. Tyto obrázky jsou z internetových stránek výrobců a také z jejich prospektů (Bosch, Dewalt, Pilana, Schmidt, Faba, Freud). Tabulka 2 Tvary otvorů v pilových kotoučích a. otvory ve tvaru kapek b. otvory ve tvaru kruhů c. otvor složitějšího tvaru d. otvory vzestupného tvaru e. otvor ve tvaru šipky f. otvor složitějšího tvaru - 32 -
Na obrázku č. 21 je znázorněno ovlivnění kmitání vlivem konstrukčních opatření vyplývající z výzkumu prováděného v Rusku panem J. M. Stachievem. Z tohoto výzkumu vyplývá, že na velikost vibrací má vliv nejenom tvar otvoru, počet otvorů, ale také jeho úhel. Úhlem je v tomto případě myšlen odklon osy tvaru otvoru od osy pilového kotouče. V tomto výzkumu se používaly kotouče s počtem 4 otvorů v kotouči. Z výzkumu vyplývá, že čím je tento úhel větší, tím nižší jsou vibrace pilového kotouče. Tento výzkum byl prováděn u otvorů s nulovým úhlem odklonu 35, 45, 55. Dále z tohoto výzkumu vyplynul vliv počtu otvorů. Nejklidnějším v tomto výzkumu byl pilový kotouč s odklonem otvorů o 55 od osy pilového kotouče a s počtem 8 otvorů. Na obrázku č. 21 jsou pilové kotouče: a.- bez drážek b., c.- s vnějšími a vnitřními osovými otvory d., e., f., g. - s vnitřními šikmými drážkami pod úhlem 35 až 55 h., i., j. s kruhovými drážkami ve vnitřním, středním a vnějším obvodu - 33 -
Obrázek č. 21. Ovlivnění kmitání vlivem konstrukčních opatření podle výzkumu prováděného v Rusku (STACHIEV, 1989) - 34 -
5.2.4 Radiální obvodové drážky Do těla pilového kotouče se vypálí obvodová radiální drážka od okrajové části směrem ke středu. Tyto drážky jsou do těla vypáleny laserem při výrobě. Úprava se provádí s cílem snížení tangenciálních napětí v důsledku zvyšující se teploty kotouče. Nedochází k nadměrnému vlnění věnce kotouče a snižují se tím vibrace, kroucení a tím i hlučnost. Radiální drážky (minimálně tři a více radiálních drážek) se používají u pilových kotoučů se slinutými karbidy. Hloubka těchto drážek je většinou 0,1 D kotouče. Tyto drážky přerušují okrajovou část kotouče a dále eliminují napětí vznikající v okrajových částech kotouče (PROKEŠ 1982). Radiální obvodové drážky snižují házivost pilového kotouče přibližně o 30 % při délce zářezu 60 mm a průměru kotouče 400 mm (PROKEŠ 1982). Obrázek č. 22. Foto radiální obvodové drážky 5.2.5 Měděné nýty Měděný nýt, který se umísťuje na konec vypálené drážky má vliv na snížení vibrací. Měděný nýt má jinou roztažnost a jiné mechanické vlastnosti a tím dochází ke snížení vibrací pilových kotoučů. Měděné nýty na konci dilatačních drážek snižují vibrace, ale snižují také schopnost dilatačních drážek snižovat hlučnost. Velkou výhodou nýtů je vliv na zvýšení kritických otáček. Toto vyplývá z vědecké studie (Svoreň Javorek, 2007). - 35 -
Obrázek č. 23. Foto měděného nýtu 5.2.6 Lepené desky a fólie na tělo pilového kotouče Lepené desky na tělo pilového kotouče se skládají ze dvou vrstev. Vnitřní vrstva je z korku, na kterém je ještě nalepený ocelový plech. Nalepené tlumící desky mají tloušťku asi 2,2 mm až 3 mm. 1- Tělo pilového kotouče 2- Korková deska 3- Ocelový plech 4- Upínací příruba Obrázek č. 24. Pilový kotouč s jednostranně nalepenou tlumící deskou Takto upravený pilový kotouč má sníženou hladinu hluku až o 10 db při chodu na prázdno. Při řezání je toto snížení hlučnosti 6 až 8 db. Tlakem upínací příruby by mohlo dojít k uvolnění lepidla a k odklonu tlumící desky. Proto se používá tlumící - 36 -
deska ve tvaru mezikruží až nad upínací přírubou. Pro lepení se používá dvousložkové epoxidové lepidlo (PROKEŠ 1982). Obrázek č. 25. Vliv úprav nalepení na hlučnost (PROKEŠ 1982) 1- Pilový kotouč bez úprav 2- Pilový kotouč s hliníkovou folií 3- Pilový kotouč s tlumící deskou (korek přelepený ocelovým plechem) Kromě jednostranné tlumící desky je možné používat nalepení kovových fólií. Tyto kovové fólie jsou tlusté 0,1 mm. Fólie jsou nalepeny také epoxidovým lepidlem asi o 15 mm níž pod patu pilového zubu. Kotoučem s nalepenými foliemi se dosáhne snížení hladiny hluku při řezání asi o 2 až 6 db a při chodu naprázdno asi o 8 db. Pískání kotoučů se tímto opatřením také snižuje (PROKEŠ 1982). Při používání nalepování je nutné zvětšit šířku břitu o tloušťku fólie nebo o tloušťku tlumící desky. Touto úpravou se zvětší šířka řezné spáry a tím i odpor materiálu vůči nástroji. Dalším negativem zvětšení šířky spáry je zvýšení prořezu a tím i zvýšení ztrát při řezání. - 37 -
5.2.7 Plastické povlaky na těle pilového kotouče Někteří výrobci nástrojů používají při výrobě pilových kotoučů jako finální úpravu nanesení plastického povlaku. Tento plastický povlak v tloušťce asi kolem 0,02 mm až 0,2 mm slouží ke snížení přilnavosti nečistot na tělo kotouče. Další z pozitivních vlastností těchto povlaků je snížení hladiny hluku. Při chodu naprázdno je toto snížení asi o 15 db a při řezu až o 7 db. Obrázek č. 26. Vliv použití plastického povlaku u pískajícího kotouče na hladinu hluku při chodu naprázdno (PROKEŠ 1982) Kde: 1- původní stav 2- s povlakem 0,15 mm 0,2 mm - 38 -
5.2.8 Zmenšení tloušťky pilového kotouče Zmenšením tloušťky pilového kotouče o 2 mm se sníží hlučnost pilového kotouče při řezání naprázdno až o 10 až 14 db. Při řezání v záběru je toto snížení asi 3 až 4 db. Toto snížení tloušťky má však za následek snížení stability kotouče. Vliv snížení tloušťky na stabilitu kotouče je znázorněn na obrázku č. 26, kde je graf vlivu snížení tloušťky na kritické otáčky. Z grafu vyplývá, že se snižující tloušťkou se snižují i kritické otáčky. Na obrázku č. 28 je znázorněn vliv tloušťky kotouče na vibrace kotouče. Na grafu jsou znázorněny tři křivky o třech posuvných rychlostech posuvu. Z grafu vyplývá, že se snižující se tloušťkou se zvyšuje velikost vibrací pilového kotouče. Obrázek č. 27. Závislost tloušťky kotouče a kritických otáček (PROKEŠ 1982) - 39 -
Obrázek č. 28. Vliv tloušťky pilového kotouče a rychlosti posuvu na házivost kotouče (PROKEŠ 1982) - 40 -
5.2.9 Snížení počtu otáček Při snížení počtu otáček se sníží také hlučnost kotouče. Toto snížení je však proměnlivé a je ovlivněno použitým kotoučem. Všeobecně se dá ale říct, že pokud se sníží otáčky o 5 10 %, dojde ke snížení hluku až o 10 db. Negativním jevem při snížení otáček je však zvýšení házivosti kotouče. Tato závislost je znázorněna na obrázku č. 29. 1982) Obrázek č. 29. Závislost počtu otáček na házivosti pilového kotouče (PROKEŠ - 41 -
Obrázek č. 30. Vliv počtu otáček a průměru pilového kotouče na hlučnost (KOTĚŠOVEC 1992) - 42 -
5.2.10 Zmenšení průměru pilového kotouče Zmenšením průměru pilového kotouče z 600 mm na 400 mm se sníží hlučnost asi o 7 db a to při stejném počtu otáček. Snížením průměru pilového kotouče stoupnou hodnoty kritických otáček. Závislost mezi průměrem kotouče a hodnotou kritických otáček je znázorněna na obrázku č. 31. Obrázek č. 31. Závislost kritických otáček na průměru pilového kotouče (PROKEŠ 1982) - 43 -
5.2.11 Přídavné disky (zvětšení průměru příruby) Přídavné disky (obrázek č. 33 a 34) jsou disky pro zvětšení průměru příruby. Tyto přídavné disky stabilizují otáčející se kotouč a tím i hlučnost kotouče. Čím větší je upínací plocha, tím klidnější a stabilnější jsou pak pilové kotouče. Průměr přídavného disku je však omezen maximální výškou prořezu. Musí být tedy proveden kompromis. Doporučení průměr přírub se určuje podle vztahu: d p = ( 0,25 0,3)D kde D je průměr pilového kotouče d p je průměr příruby. Vliv průměru příruby je znázorněn na obrázku č. 28. Z tohoto grafu vyplývá závislost zvyšujících se kritických otáček se zvětšující se velikostí průměru příruby. Obrázek č. 32. Vliv průměru příruby na kritické otáčky (PROKEŠ 1982) - 44 -
Obrázek č. 33. Přídavný disk Obrázek č. 34. Použití přídavného diku Obrázek č. 35. Řez pilovým kotoučem s přídavnými disky k pilovému kotouči - 45 -
Obrázek č. 36. Přídavné příruby s korkovou vložkou Přídavné příruby s přídavnou korkovou vložkou (obrázek č. 36) pro zvětšení stability pilového kotouče při řezání. Korková vložka zde působí jako tlumící prvek. - 46 -
5.2.12 Vliv rovinosti pilového kotouče Rovinost pilového kotouče má velký vliv na jeho stabilitu a velikost kmitání. Z výsledků (SIKLIENKA SVOŘEŇ, 1997) vyplývá, že zvyšující se nerovnost pilového kotouče má negativní vliv na stabilitu při nižších vlastních frekvencích pilového kotouče. Pilový kotouč tedy ztrácí stabilitu při nižších otáčkách. Se zvyšující se rychlostí otáček se kotouč zklidňuje a stabilizuje v řezu. Problematice rovnosti pilového kotouče je důležité věnovat pozornost nejen při výrobě, ale také při údržbě a používání. Obrázek č. 37. Vliv rovinosti pilového kotouče na frekvenci kmitání pilového kotouče (SIKLIENKA SVOREŇ, 1997) - 47 -
5.3 Účinky vibrací a hluku na člověka 5.3.1 Vibrace a jejich účinky na člověka Vibracemi se rozumí kmitavé (tedy periodické) působení těles. Hluk a chvění spolu úzce souvisí. Vibrace člověk vnímá pomocí centrální nervové soustavy a ty jsou pak přenášeny do mozku, kde je člověk vnímá jako subjektivní vjem. Vibrace o nižších kmitočtech jsou vnímány také receptory ve šlachách, kloubech a svalech lidského těla. Vyšší vibrace jsou vnímány i pomocí měkkých tkání a kůží. Vibrace u člověka ovlivňují jeho psychiku, ale také jeho fyziologický stav. Podle zasažených částí lidského těla je možné rozdělit účinky vibrací na: - vibrace působící na ruce vyvolávají poškození měkkých částí, které se vlivem vibrací rozkmitají a jsou tím poškozovány. Nejvíce jsou pak tímto poškozovány nervy, cévy a svalově kloubní aparát. Často dochází k takzvanému bělání prstů, které je zapříčiněno nedostatečným prokrvováním a tím také dochází k znecitlivění postižených částí a možnosti vzniku úrazu. - vibrace zasahující hlavu, při nich dochází k projevům účinků ve ztrátě rovnováhy, snížení zrakové ostrosti, obtíže při soustředění, kinetóza (je to stav organizmu vzniklý působením vysokých rychlostí), vazoneuróza (je to onemocnění hybného a cévního aparátu vyplývající z poruchy činnosti nervové soustavy). - vibrace zasahující trup a páteř vznikají v důsledku rezonančního kmitání dutiny hrudní, hrozí akutní poškození organismu, zejména střev, žaludku a vnitřních orgánů. Často vznikají i potíže s dýcháním. - 48 -
5.3.2 Zvuk a jeho vznik Zvuk je podélné mechanické vlnění, je vytvářen chvěním zdroje vibrací. Toto chvění je přenášeno na sousední molekuly vzduchu. Přitom vznikají zhuštěné a zředěné oblasti vzduchu, které se od zdroje šíří jako zvuková vlna. Počet těchto kmitů za sekundu se označuje jako frekvence tónu. Jeho frekvence je v rozmezí asi 20 Hz 20 khz. Mechanické vlnění s frekvencí f < 20 Hz INFRAZVUK, s frekvencí f > 20 khz ULTRAZVUK. Vzdálenost dvou nejbližších bodů, které kmitají ve stejné fázi, je vlnová délka. Jednotkou frekvence je jeden Hertz (Hz). Více tónu dohromady označujeme jako zvuk. Zvuk se šíří v prostředí plynném, kapalném i pevném, ale musí toto prostředí být pro zvuk vodivé. Ve vzduchu se zvuk šíří prostorově všemi směry. Při šíření zvukového vlnění vznikají oblasti se zhuštěním a se zředěním, které znamenají změnu tlaku vzduchu. Akustický tlak je potom hodnota těchto změn vztažená k barometrickému tlaku. Hladina akustického tlaku (db) B = 2 log p p 0 kde p je akustický tlak p 0 = 2.10 5 Pa nejnižší hodnota akustického tlaku působícího na ušní bubínek - 49 -
5.3.3 Účinky hluku na člověka Účinky hluku na člověka závisí na jeho individuálním fyzickém a psychickém aktuálním stavu. Hluk má především vliv na sluchový orgán, na nervovou soustavu a psychiku člověka. Působení hladin hluku: větší jak 30 db negativně působí na nervovou soustavu více jak 35 db během spánku negativně působí na psychický stav člověka a jeho náladovost nad 45 db dochází k poruchám během spánku a ke zdravotním problémům spojených s nimi hluk vyšší jak 55 db negativně ovlivňuje vegetativní systém. Některé zdroje uvádějí, že u jedinců s kardiovaskulárními nemocemi může dojít k zhoršení jejich stavu a v krajním případě až k ohrožení jejich života (zvýšení krevního tlaku a pulsu, snížení pohyblivosti a žaludečního svalu a tím trávící problémy, zvýšení svalového napětí v těle atd.). více než 75 db škodí zdraví člověka nad 100 db je hluk vnímán jako bolest nad 140 db dochází při jednorázovém působení i k sluchovému poškození, protržení bubínku a k nevratnému poškození převodních kůstek. Může dojít až k poškození nervových drah v mozku vlivem hluku. nad 150 db dochází k vibracím v dutině hrudní nad 160 db dochází k trhání plicní alveoly Tabulka 3 Hladiny zvuků působících na člověka v jeho okolí Hladina [db] Zvuk 0 Spodní hranice citlivosti lidského ucha 20 Tichá zahrada 50 Hlasitá řeč 90 Rušná ulice 120 Hrom, přeletující letadla 130 Práh bolestivosti - 50 -
Tabulka 4 Rozsah hladiny akustického tlaku působícího na člověka Hladina [db] Zvuk 0 Práh slyšení, pro čistý tón f=1khz 10 Šum listí ve slabém vánku 15 Les 20 Ložnice, klidná zahrada 30 Šepot, velmi tichá ulice 40 Tlumený hovor, knihovna 45 Obývací pokoj 50 Pouliční hluk 55 TV běžné hlasitosti 60 Zábava skupiny lidí, hlasitý hovor 65 Kancelář, kvákání žáby 70 80 85 Hlučná hospoda, rušná ulice, klapání psacího stroje, strojovna Křik, velmi silná reprodukovaná hudba Střední silniční provoz, kohoutí kokrhání 90 Nákladní doprava, vlak 110 Hlasitá hudba, diskotéka 130 Start tryskového letadla ve vzdálenosti 100m Práh bolesti 140 Tryskový motor ve vzdálenosti 25m 170 Petardy Žádné nebo minimální rušení 30-40 slabé rušení Silné rušení a snížení psychické výkonnosti Porucha sluchu při dlouhodobém vystavení Porucha sluchu při krátkodobém zatížení V tabulce 3 a 4 je uveden rozsah hladin akustického tlaku působícího na člověka z okolního prostředí. Tento rozsah je od prahu slyšitelnosti až po poruchu sluchu nad práh bolesti. Hladiny akustického tlaku a k němu příslušný akustický tlak působící na ušní bubínek jsou uvedeny v tabulce 5. Závislost hladiny akustického tlaku a frekvence hluku je znázorněna na obrázku č. 38. Z tohoto obrázku vyplývá, že se zvyšující se frekvencí klesá hladina akustického tlaku. - 51 -
Tabulka 5 Hladiny různých zvuků Zvuk Spodní hranice citlivosti lidského ucha Hladina akustického tlaku [db] Intenzita zvuku [J/m 2 s] Akustický tlak [N/m 2 ] 0 10-12 0,000 02 Šepot, šelest listí 10 10-11 0,000 065 Tichá zahrada 20 10-10 0,000 2 Housle hrající pianissimo 30 10-9 0,000 65 Kroky, tichá hudba 40 10-8 0,002 Hluk v kavárně 50 10-7 0,006 5 Rozhovor, hluk v obchodě 60 10-6 0,02 Hlasitá řeč, hluk automobilu 50 10-5 0,064 5 Kancelář s mechanickými psacími stroji 80 10-4 0,204 Rušná ulice, automobilový klakson 90 10-3 0,645 Fortissimo orchestru, siréna 100 10-2 2,04 Sbíječka 110 10-1 6,45 Tryskový motor, hrom 120 1 20,4 Práh bolesti 130 10 64,5 hladina akustického tlaku [db] 140 120 100 80 60 40 20 0 [Ph] práh bolestivosti 120 100 80 60 40 20 práh slyšitelnosti 0 10 100 1000 10000 frekvence [Hz] Obrázek č. 38. Křivky hladiny hlasitosti - 52 -
Hluk působící na lidský organizmus může člověku způsobit : problémy se spánkem neurózu problémy s odpočinkem poruchu komunikačních schopností, poruchu řeči nesoustředěnost, nervozitu a pesimizmus Aktivní (nárazové) účinky hluku na zdraví: zvýšení krevního tlaku (infarkt myokardu, žaludeční vředy, žlučové kameny, mozková mrtvice, cukrovka, zhoršení zraku až slepota) zrychlený puls stahování periferních cév ztráta magnézia z těla zhoršení duševního zdraví zvýšení adrenalinu snížení pozornosti snížení koordinace a soustředění zhoršování paměti negativní emocionální reakce vliv na psychiku (únava, deprese, rozmrzelost, agresivita) Chronické poruchy vlivem (dlouhodobého) hluku: zvyšování hladiny cholesterolu vznik hypertenze poškození srdce infarkt myokardu katar horních cest dýchacích zvýšení náchylnosti na infekční onemocnění oslabení imunitního a hormonálního systému ovlivnění placenty vývoje plodu u těhotných žen - 53 -
Povolené hladiny hluku řeší v současné době vládní nařízení číslo 148/2006 Sb., které se zabývá Akustikou - hluk v pracovním prostředí. Z tohoto vládního nařízení vyplývá povinnost dodržovat stanovenou hladinu hluku u pil tohoto typu 85 db. Při překročení hladiny akustického tlaku do 10 db je doporučeno používat na ochranu sluchu před poškozením zátkové chrániče vkládané do zvukovodu. Při expozici hluku nad 95 db se doporučují sluchátkové chrániče. Podle odborníků ze Zdravotního ústavu se sídlem v Brně hladina hluku přesahující 50 db lidi obtěžuje, vede k rozmrzelosti a neurotickým potížím. Když dosahuje 55 a více db, působí rušivě, může už i snižovat výkon a zvyšovat chybovost. Dlouhotrvající hluk nad 80 db může natrvalo poškodit bubínek vnitřního ucha. To se týká zejména vyznavačů diskoték, sportovního motorizmu, střelců a pracovníků v hlučném prostředí. Částečná hluchota se vztahuje nejen na sílu zvuku, ale i na frekvenci (výšku). Proto mnozí lidé zpočátku začínají špatně rozlišovat sykavky a vysoké tóny (ŽIDKOVÁ, 2005). - 54 -
6 Zkušební zařízení a použité pilové kotouče 6.1 Zkušební STEND Zkušební stend, na kterém bylo prováděno měření je majetkem Mendelovy univerzity a je využíván nejen k výzkumným pracím, ale také k výuce. Tento zkušební stend (obr. č.39 a 40) je zařízení, na kterém lze simulovat řezání na kotoučové pile, které se co nejvěrohodněji podobá skutečným podmínkám v běžných provozech. V místnosti, kde je zkušební stend umístěn, není provedeno žádné odhlučnění ani jiné úpravy, které by mohly zkreslovat měřené hodnoty. V této místnosti je umístěno také odsávací zařízení, jehož hluk by mohl ovlivňovat naměřené výsledky. Měřením bylo prokázáno, že není nutné provádět korekce na hluk pozadí, protože hladiny hluku při chodu naprázdno bez pilového kotouče činila 77 db, při chodu s pilovým kotoučem 88 db a tedy rozdíl činí 11 db. Pouze pokud je rozdíl hladin akustického tlaku zdroje a pozadí nižší než 10 db, je nutné provést korekci k získání akustického tlaku měřeného zdroje. Na tomto zařízení lze plynule měnit otáčky pilového kotouče a současně také nastavovat mechanický posuv upnutého materiálu do řezu. Hřídel, na níž je upnut pilový kotouč, je poháněný motorem dynamometru, u kterého jsou otáčky plynule měněny Leonardovým soustrojím v rozsahu n = 0 až 12 000 otáček za minutu. Tento rozsah bohatě dostačuje, protože při experimentu byly používány otáčky maximálně do 5000 otáček za minutu. Materiál je upínán na pohyblivém vozíku, který je do řezu veden mechanicky pomocí kuličkového šroubu. Tento šroub je poháněn asynchronním elektromotorem přes frekvenční měnič, čímž je možné regulovat posuv materiálu do řezu. Rychlost posuvu lze měnit v rozsahu v = 3 až 22 m.min -1. - 55 -
Obrázek č. 39. Měřící Stend Obrázek č. 40. Schéma zkušebního stendu (KOPECKÝ, 2009) - 56 -
6.2 Měření hluku K měření hluku je použit měřič hluku Chauvin Arnoux C.A 834 (obrázek č. 41) s připojením k počítači pro zpracování a ukládání dat s přesností měření ± 1,5 %. Hlukoměr je umístěn ve stejné místnosti jako měřící stend ve vzdálenosti 1,5 m od pilového kotouče a ve výšce 1,5 m. Obrázek č. 41. Hlukoměr Chauvin Arnoux C.A 834 Obrázek č. 42. Umístění hlukoměru ve zkušební místnosti - 57 -
6.3 Měřič vibrací Na měření vibrací u pilového kotouče byl použit snímač EPRO PR 6423/000-001 (obrázek č. 43). Tento snímač pracuje na principu vířivých proudů. Signály ze snímače jsou zpracovány v měřící ústředně Spider 8 a dále jsou transferovány do PC. V PC jsou uloženy ve formě datového souboru a současně jsou znázorněny ve formě grafu v programovém prostředí Conmes Spider. Z programu Conmes Spider lze hodnoty exportovat do programu MS Excel a dále je zpracovávat a vyhodnocovat (KOPECKÝ, 2007). Snímač vibrací byl při měření umístěn ve vzdálenosti 145 mm od středu kotouče. Obrázek č. 43. Snímač vibrací EPRO PR 6423/000-001 - 58 -
6.4 Zkoumané pilové kotouče K měření byly použity tři druhy pilových kotoučů označené K8, K9 a K10. Jedná se o prototypové kotouče, které byly v rámci testování vyrobeny firmou Pilana a Stelit. Všechny tři kotouče mají stejnou geometrii zubu. Mají stejný úhel hřbetu, břitu i čela. Výšku zubů mají 15 mm. Rádius zakončení zubu je 3 mm. Všechny tři kotouče mají stejný průměr 350 mm. Mají také stejný průměr otvoru pro upnutí na hřídel 30 mm. Na zubech jsou naletovány SK plátky. Tabulka 6 Parametry pilových kotoučů Parametry pil. kotoučů Pilana 350 prototyp bez drážek (K10) Pilana 350 prototyp s drážkami (K9) Stelit 350 - různá rozteč zubů (K8) Průměr pil. kotouče D (mm) 350 350 350 Počet zubů z 36 36 36 Průměr upínací díry d (mm) 30 30 30 Tloušťka těla kotouče s (mm) 2,4 2,4 2,4 Šířka zubu s r (mm) 4,45 4,45 4,45 Výška zubu h (mm) 15 15 15 Rozteč zubu t (mm) 30,528 30,528 Různá/zrcadlová Radiální kompenzační drážky ne ano ano Odhlučňovací drážky ne ano ano Kompenzační válcování 0,66 R 0,66 R 0,66 R Úhel hřbetu α ( ) 15 15 15 Úhel břitu β ( ) 65 65 65 Úhel čela γ ( ) 10 10 10 Úhel zešikmení zubu ξ ( ) 10 10 10-59 -
Obrázek č. 44. Geometrie pilových zubů u použitých pilových kotoučů V tabulce 7 jsou rezonanční, kritické, doporučené a optimální otáčky vztaženy k jednotlivým uzlovým průměrům. Jsou to hodnoty, které byly stanoveny z předchozích testů prováděných Ing. Přemyslem Veselým. Z těchto hodnot vychází zvolené otáčky pro tuto diplomovou práci. Typ kotouče K8 K9 K10 Tabulka 7 Otáčky pilových kotoučů Uzlové První Druhé Kritické průměry rezonanční rezonanční otáčky K otáčky otáčky n r1 n r2 n k (min -1 ) (min -1 ) (min -1 ) 1 3801 2252-2 2973 2085 5807 3 3036 2347 4398 1 3479 2111-2 3206 2223 6713 3 3762 2881 5600 1 4414 2416-2 4075 2743 11007 3 4912 3721 7557 Doporučené otáčky (60% z n k ) n d (min -1 ) Optimální otáčky n opt. (min -1 ) 2639 2203 3360 2519 4534 3183-60 -
6.4.1 Pilový kotouč K8 s protihlukovými drážkami a s nepravidelnou roztečí zubů od firmy STELIT Obrázek č. 45. Pilový kotouč K8 s protihlukovými drážkami a s nepravidelnou roztečí zubů Obrázek č. 46. Fotografie pilového kotouče s nepravidelnou roztečí zubů K8 s protihlukovými drážkami a - 61 -
Obrázek č. 47. Rozmístění a tvar zubů u pilového kotouče K 8 Tento kotouč má nepravidelnou rozteč zubů. Velikost jednotlivých roztečí a jejich umístění po obvodu pilového kotouče jsou znázorněny na obrázku č. 47. Skutečný vzhled je zachycen na obrázku č. 46. Na kotouči je provedena úprava pnutí válcováním. V těle kotouče jsou vypáleny protihlukové drážky, které jsou zakončeny otvory o průměru 6 mm. V 60 rozestupech jsou v těle pilového kotouče dále vypáleny radiální drážky pro kompenzaci tangenciálního napětí, které jsou taktéž zakončeny otvorem o průměru 6 mm. - 62 -
6.4.2 Pilový kotouč K 9 s protihlukovými drážkami a s pravidelnou roztečí zubů od firmy PILANA Obrázek č. 48. Pilový kotouč K 9 s protihlukovými drážkami a s pravidelnou roztečí zubů Obrázek č. 49. Fotografie pilového kotouče K 9 s protihlukovými drážkami a s pravidelnou roztečí zubů - 63 -
Obrázek č. 50. Rozmístění a tvar zubů u pilového kotouče K 9 Tento pilový kotouč má pravidelnou rozteč zubu 10. Na kotouči je provedena úprava pnutí válcováním. V těle kotouče jsou vypáleny protihlukové drážky, které jsou zakončeny otvory o průměru 6 mm. V 60 rozestupech jsou v těle pilového kotouče dále vypáleny radiální drážky pro odvod tepla, které jsou taktéž zakončeny otvorem o průměru 6 mm. - 64 -
6.4.3 Pilový kotouč K10 bez protihlukových úprav od firmy PILANA Obrázek č. 51. Pilový kotouč K10 bez protihlukových úprav Obrázek č. 52. Fotografie pilového kotouče K10 bez protihlukových úprav - 65 -
Obrázek č. 53. Rozmístění a tvar zubů u pilového kotouče K 10 Tento pilový kotouč má pouze jednu konstrukční úpravu válcování. Zuby jsou u tohoto pilového kotouče umístěny souměrně. - 66 -
7 Výsledky měření vibrací a hlučnosti zkoušených pilových kotoučů 7.1 Stanovení řezných podmínek Důležitým krokem experimentální části práce bylo stanovení řezných podmínek, které by zahrnovaly stabilní i nestabilní stavy zkoušených pilových kotoučů. Vycházelo se přitom z již dříve zjištěných rezonančních a kritických otáček zkoušených kotoučů ve spolupráci s TU Zvolen (viz. tabulka 7) a z vlastního měření vibrací v závislosti na otáčkách pilových kotoučů (graf 4 až 6). Posuvné rychlosti obrobku byly navrženy tak, aby byla dodržena stejná hodnota střední tloušťky třísky 0,05 mm. Je to jeden z rozhodujících činitelů pro vzájemné porovnávání výsledků. Tabulka 8 Otáčky při řezání K 8 K 9 K 10 otáčky (min -1 ) 2700 3000 3800 4200 posuv (m*min -1 ) 8,3 9,1 11,8 13 otáčky (min -1 ) 3300 3700 4200 - posuv (m*min -1 ) 10 11,5 13 - otáčky (min -1 ) 3200 3600 4200 - posuv (m*min -1 ) 9,7 11,1 13 - - 67 -
7.2 Vibrace pilových kotoučů na jednu otáčku Vibrace (statická házivost) pilových kotoučů na jednu otáčku byly měřeny při otáčkách 200 min -1 a vzorkovací frekvenci 9 600 Hz. Graf 1. Vibrace pilového kotouče K 8 na jednu otáčku V grafu 1 je znázorněný průběh statické házivosti kotouče K 8 na jednu otáčku. Z tohoto průběhu je patrné vychýlení kotouče na jednu stranu. Zelenou čárou je znázorněn střed kotouče a je patrné vychýlení do dolní části grafu, tedy kotouč je prohnutý více směrem ke snímači. Maximální amplituda statické házivosti kotouče činila 0,257 mm. Maximální a minimální hodnota je v grafu znázorněna. Z grafu 1 je rovněž patrný vliv šesti dilatačních drážek ve věnci kotouče. Každá drážka se v grafu projevila jako skoková a rozkmitaná změna měřeného signálu. Graf 2. Vibrace pilového kotouče K 9 na jednu otáčku - 68 -