Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně

Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Lesnická a dřevařská fakulta Ústav lesnické a dřevařské techniky

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

Vliv vibrací pilových kotoučů na hlučnost pily

2007/2008

Michal Bouda

VLIV VIBRACÍ PILOVÝCH KOTOUČŮ NA HLUČNOST PILY

2


Prohlášení Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma „Vliv vibrací pilových kotoučů na hlučnost pily“ vypracoval samostatně. Veškerou použitou literaturu a podkladové materiály uvádím v přiloženém seznamu literatury.

V Brně, dne: ………..…..

…………...……………….. Podpis

3


Autorský závazek Zavazuji se, že před sepsáním licenční smlouvy o využití autorských práv díla s jinou osobou (subjektem) si vyžádám písemné stanovisko univerzity o tom, že předmětná licenční smlouva není v rozporu s oprávněnými zájmy univerzity a zavazuji se uhradit případný příspěvek na úhradu nákladů spojených se vznikem díla dle řádné kalkulace.

V Brně, dne: ...................................

............................................. Podpis

4


Poděkování Chtěl bych poděkovat Doc. Ing. Zdeňku Kopeckému za pomoc při řešení má bakalářské práce. Dále děkuji Ústavu lesnické a dřevařské techniky za poskytnutí prostor a zařízení pro měření související s mou prací.

5


Jméno:

Michal Bouda

Název práce:

Vliv vibrací pilových kotoučů na hlučnost pily

Title of work:

The influace of circular-saw blade´s vibration on nisiness of saw

Abstrakt:

Při řezání na kotoučových pilách dochází k vibracím pilových kotoučů.

Vibrace se mění v závislosti na otáčkách pily a u různých kotoučů jsou odlišné. Vibrace mají špatný vliv na kvalitu řezu, zvětšuje se řezná spára, trpí pila samotná a nepříznivě se to projevuje na hlučnosti. V pásmu zvýšených vibrací dochází k rezonancím a znatelně se nám zvýší hlučnost prostředí. Tomu lze částečně zamezit různými úpravami pilových kotoučů.

Klíčová slova: kotoučová pila, formátovací kotouč, vibrace, rezonance, hlučnost

Abstract:

While sawing with circular saws there happen to vibrations of circular-saw

blades. The vibrations depend on revolutions of the saw and they are diverse by kind of circular-saw blade. The vibrations have a backwatsh on the quality of a cut, they extend a saw kerf, the saw itself is suffering and it has unfavourable impact on noisiness. In the zone of elevated vibrations there happen to resonances and to a noticeably elevated noisiness of an environment. We can prevent it by various modifications of the circular-saw blades.

Keywords:

circular saw, tipped saw, vibration, resonance, noisiness

6


OBSAH: 1 ÚVOD ..................................................................................................................................... 8 2 CÍL PRÁCE ........................................................................................................................... 9 3 MATERIÁL A ZKUŠEBNÍ ZAŘÍZENÍ........................................................................... 10 3.2.1 Technická data ......................................................................................................................... 13 3.2.2 Zjištěné rezonanční a kritické otáčky vybraných kotoučů ....................................................... 14

4 METODIKA PRÁCE ......................................................................................................... 16 5 KMITÁNÍ PILOVÝCH KOTOUČŮ ................................................................................ 17 5.1 Úvod............................................................................................................................................ 17 5.2 Statické kmitání pilových kotoučů.............................................................................................. 17 5.2.1 Ohybové kmity středově asymetrické.................................................................................. 18 5.2.2 Exaktní určování statické frekvence pilových kotoučů ....................................................... 19 5.3 Dynamické kmitání pilových kotoučů ........................................................................................ 20

6 HLUK A HLUČNOST PILOVÝCH KOTOUČŮ............................................................ 24 6.1 Zvuk ............................................................................................................................................ 24 6.2 Účinky hluku působící na člověka .............................................................................................. 26 6.3 Hluk pilových kotoučů................................................................................................................ 27 6.4 Změna konstrukce pilového kotouče za účelem snížení hlučnosti ............................................. 29 6.4.1 Radiální drážky.................................................................................................................... 29 6.4.2 Lepené desky a fólie ............................................................................................................ 30 6.4.3 Teflonové povlaky ............................................................................................................... 31 6.4.4 Sendvičové kotouče ............................................................................................................. 31 6.4.5 Děrování kotoučů................................................................................................................. 32 6.4.6 Válcování drážek ................................................................................................................. 33 6.4.7 Měděné nýty ........................................................................................................................ 34 6.4.8 Vliv průměru upínacích přírub ............................................................................................ 35

7 VÝSLEDKY MĚŘENÍ ZÁVISLOSTI HLUKU NA VIBRACÍCH KOTOUČŮ ......... 36 7.1 Vliv odsávání .............................................................................................................................. 36 7.2 Statická házivost kotoučů: .......................................................................................................... 37 7.3 Závislost hluku na vibracích ....................................................................................................... 39 7.4 Rozdíl kmitání těla a věnce......................................................................................................... 41

8 DISKUSE A ZÁVĚR .......................................................................................................... 43 SHRNUTÍ................................................................................................................................ 45 SUMARY ................................................................................................................................ 46 LITERÁRNÍ PŘEHLED....................................................................................................... 47 SEZNAM OBRÁZKŮ............................................................................................................ 49 SEZNAM GRAFŮ.................................................................................................................. 50 SEZNAM TABULEK ............................................................................................................ 51 7


1 ÚVOD Kotoučová pila je stroj k řezání nejen dřevěných materiálů, známý již více než 200 let. Stále ale podléhá vývoji. Největší pozornost je zaměřena na jeho srdce – pilový kotouč. Podle konstrukce se dá použít na různorodé materiály, jak na bázi dřeva, tak i na plasty, kovy, kámen, beton a třeba i sklo. Nás nejvíce zajímají ty kotouče, které jsou určeny k řezání dřevěných materiálů. Liší se jak svou velikostí, tak i tím, zda jsou určeny k řezání masivního dřeva, vrstvených dřevěných materiálů nebo aglomerovaných materiálů. Kotouč má rozhodující vliv na kvalitu řezu, a také na hlučnost celé pily. Při určitých otáčkách pilového kotouče dochází ke zvýšeným vibracím těla kotouče, což má za následek zvětšení řezné spáry, zhoršení povrchu řezaného materiálu a rovněž zvýšení hlučnosti v okolí pily. Hluk je nežádoucím jevem. V hlučném prostředí klesá produktivita práce a při velkém hluku může dojít i k poškození zdraví obsluhy. Tomuto se snažíme předcházet úpravou prostředí, kdy například neumísťujeme stroje blízko ke zdím, kde dochází k odrazu zvukových vln a následnému zesílení zvuku nebo používáme vhodné ochranné pomůcky. Výrazně můžeme ovlivnit hluk také vhodnou konstrukcí vlastního kotouče, který má na hlučnost největší vliv. Mezi tyto úpravy patří válcování kotoučů, vyřezávání různých drážek laserem po obvodu, vkládání měděných nýtů a další. Tyto úpravy vedou ke snížení vibrací a hlučnosti a tím pádem i k lepší kvalitě řezání a optimálnějšímu pracovnímu prostředí.

8


2 CÍL PRÁCE Hlavním cílem mé bakalářské práce je ověření teoreticky zjištěných vlastností chování pilových kotoučů K400 a K350 v provozních podmínkách na zkušebním stendu. Předmětem zkoumání bude hodnocení provozní hlučnosti, která se nedá teoreticky zjistit. Důležitým aspektem je hodnocení závislosti hluku na vibracích pilového kotouče, které se podstatně mění s otáčkami pilového kotouče. Dílčím cílem mé práce je také porovnání vlastností dvou shodných kotoučů K400, zda-li jejich chování v provozu za stejných podmínek bude identické, tak jak by mohlo být očekáváno.

9


3 MATERIÁL A ZKUŠEBNÍ ZAŘÍZENÍ 3.1 Zkušební stend a materiál: Je to zkušební zařízení, které simuluje podmínky kotoučové pily. Je doplněno dalšími funkcemi, jako např. možností plynulé regulace otáček a posuvu vozíku, snímači řezného odporu, otáček, momentu a dalšími. Jeho schéma je znázorněno na obr. 1. Měření jsem prováděl na tomto zkušebním stendu, který se skládá z Leonardova ústrojí, asynchronního motoru s plynulou regulací otáček, hřídelí s přírubou pro upevnění kotouče, odsávání, vozíku s pohonem pro podávání materiálu, bezkontaktního snímače a bezkontaktního dynamometru. Porovnával jsem 2 shodné kotouče K400 (označené jako kotouč K400A a kotouč K400B) a pilový kotouč K350 (více o nich v kapitole 3.2). K vyhodnocení a záznamu měření jsem použil hlukoměr, stolní počítač, Spider 8, speciální software a další měřící zařízení. Jako řezaný materiál jsem aplikoval DTD 18mm a DTD 8mm.

1 – materiál, 2 – vozík, 3 - upínání materiálu, 4 - kuličkový šroub, 5 - snímač síly S2 –HBM, 6 - roštový stůl, 7 - pilový kotouč, 8 – vřeteno, 9 - snímač momentu a otáček T34 FN - HBM, 10 – měřící ústředna Spider 8, 11 – elektromotor, FM - frekvenční měnič, EŘJ - elektronická řídící jednotka, počítač, LS - Leonardovo ústrojí Obr.1 Schéma zkušebního stendu (KOPECKÝ, 2007)

10

PC –

VLIV VIBRACÍ PILOVÝCH KOTOUČŮ NA HLUČNOST PILY Měření otáček a momentu na pilovém kotouči je realizováno bezkontaktním snímačem T34 FN – HBM, síla pro posuv obrobku je měřena tenzometricky pomocí snímače S2 – HBM. Pro měření vibrací kotouče byl na zkušební stend aplikován snímač vibrací EPRO PR6423/000-001, který pracuje na principu vířivých proudů (obr. 2).

Obr.2 Snímač vibrací pilového kotouče

Signály ze snímačů jsou zpracovány v měřící ústředně Spider 8 (obr.3), dále jsou transferovány do PC a zde v programu Conmes Spider mohou být zobrazeny ve formě grafů. Z hlediska požadavku statistického zpracování dat je vhodnější naměřená data exportovat do programu MS Excel a tam je dále vyhodnotit (KOPECKÝ, 2007).

Obr.3 Měřící ústředna Spider 8

11

VLIV VIBRACÍ PILOVÝCH KOTOUČŮ NA HLUČNOST PILY Hlučnost pily nám zaznamenává hlukoměr (obr. 4), který je připojen na samostatný počítač a pracuje se vzorkovací frekvencí 10 Hz. Data jsou exportována v souboru TXT.

Obr.4 Hlukoměr

Na obrázku 5 je vidět téměř celý zkušební stend a vpravo od něj je odsávací zařízení.

Obr.5 Zkušební stend

12


3.2 Parametry pilových kotoučů: 3.2.1 Technická data

Rezonanční a kritické otáčky zjišťuji u dvou druhů kotoučů PILANA. Technické parametry obou druhů kotoučů uvádí tab.1. Oba dva kotouče jsou určeny pro řezání aglomerovaných materiálů.

Parametry pilových kotoučů

K350

K400B

Průměr pilového kotouče D [mm]

350

400

Počet zubů z

108

72

Průměr upínací díry du [mm]

30

30

Tloušťka těla kotouče s [mm]

2,5

3,2

Šířka zubů sT [mm]

3,6

4,4

Výška zubů h [mm]

7,7

10,25

Rozteč zubů t [mm]

9,97

10,21

Radiální kompenzační drážky

4+6

4

Měděné nýty v ukončení radiálních drážek

NE

NE

Odhlučňovaní drážky

ANO

ANO

Kompenzační válcování

0,66R

0,66R

Úhel hřbetu α [°]

18

16

Úhel břitu β [°]

66

60

Úhel čela γ [°]

6

14

TFZL

TFZL

8

7

5397-11

novinka

Tvar zubů Poloměr zaoblení ostří ρ0 [µm] Katalogové číslo

Tab.1 Technické parametry vybraných pilových kotoučů

Obr.6 Geometrie ostří a tvary zubů pilového kotouče K350 (katalog Pilana)¨

13

VLIV VIBRACÍ PILOVÝCH KOTOUČŮ NA HLUČNOST PILY 3.2.2 Zjištěné rezonanční a kritické otáčky vybraných kotoučů

V následující tabulce (Tab.2) je znázorněn přehled zjištěných rezonančních a kritických otáček pro uzlové průměry 1, 2 a 3. Uvedené hodnoty jsou pro kotouče K350 a K400 (obr. 7). Z nich lehce odvodím doporučené a optimální otáčky pro dané kotouče.

První rezonanční otáčky -1 nr1 [min ]

Druhé rezonanční otáčky -1 nr2 [min ]

nk [min ]

k=1

4045

2327

-

k=2

3655

2550

7348

k=3

4524

3407

7092

k=1

3295

1934

-

k=2

3326

2354

6186

k=3

4387

3363

6508

Typ kotouče, počet uzlových průměrů Pilana K350

Pilana K400

Kritické otáčky -1

Doporučené otáčky (60% z nk) -1 nd [min ]

Optimální otáčky nopt [min ]

4225

2936

3712

2808

-1

Tab.2 Rezonanční, kritické, doporučené a optimální otáčky vybraných kotoučů

Obr.7 Kotouč Pilana K400 a Pilana K350

Otáčkové diagramy se určují z předešlé tabulky. Obecným předpokladem je výskyt zvýšených vibrací kotouče v pásmech ±10% pro každé rezonanční i kritické otáčky (Kopecký - Svoreň - Hric - Peršin, 2007). Sestavené otáčkové diagramy jsou na obr. 8 a 9.

14

VLIV VIBRACÍ PILOVÝCH KOTOUČŮ NA HLUČNOST PILY Rezonanční a kritické otáčky, oblast doporučených otáček pro K350

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

-1

Otáčky [min ] k1-nr1

k1-nr2

k2-nr1

k2-nr2

k2-nk

k3-nr1

k3-nr2

k3-nk

doporučené otáčky - 60% z nk

optimální otáčky

Obr.8 Otáčkový diagram pro pilový kotouč K350

Rezonanční, kritické otáčky a doporučené otáčky pro K400B

1000

2000

3000

4000

5000

6000

-1

Otáčky [min ] k1-nr1

k1-nr2

k2-nr1

k2-nr2

k2-nk

k3-nr1

k3-nr2

k3-nk

doporučené otáčky 60% z nk

optimální otáčky

Obr.9 Otáčkový diagram pro pilový kotouč K400

15

7000

8000


4 METODIKA PRÁCE V první části bakalářské práce, která je více či méně teoretická, se budu věnovat problematice vlastního kmitání pilového kotouče a způsobu a podmínkám měření hluku zařízení a hluku při řezání. Vycházím z již naměřených parametrů pilových kotoučů K350 a K400 a z nich sestavených otáčkových diagramů (obr. 9 a 10).

V další částí, již praktické, se přesouvám ke zkušebnímu stendu. Na něm testuji postupně všechny 3 pilové kotouče (K350, K400A a K400B). Nejdříve naměřím statickou házivost kotouče tak, že jej roztočím na minimální možné otáčky. Poté zvednu otáčky na 2000 min-1 a plynule přidávám až na hranici 5500 min-1. Přes tyto otáčky nemůžu jít, protože už bych byl daleko za hranicí maximálních možných otáček pro daný kotouč a hrozilo by zborcení kotouče a zničení celého zařízení. V prvním případě jsem umístil snímač vibrací na úroveň těla, asi 4 cm pod úroveň zubových mezer, v dalším měření jsem ho posunul na úroveň věnce kotouče těsně pod zubové mezery. Kromě vibrací a otáček pilového kotouče snímám také hluk celého zařízení, s odsáváním a také bez něj. Porovnám tato měření mezi sebou a zjistím, že odsávání nám hlučnost výrazně neovlivní. Bohužel toto provádím na druhém samostatném záznamovém zařízení, což mi komplikuje následné vyhodnocení dat. Z těchto dat získám informace o pásmech, ve kterých dochází k nadměrným vibracím, a také o pásmech, ve kterých má kotouč minimální amplitudu výchylky a jsou tedy nejvhodnější pro řezání. V pásmech se zvýšenými vibracemi se projevila i vyšší hlučnost kotouče, naopak tam, kde se vibrace utlumily, výrazně klesla i hlučnost. Dále jsem z výsledků měření určil otáčky vhodné pro řezání a otáčky, ve kterých byly zvýšené vibrace. Při těchto pracovních otáčkách jsem provedl s kolegou Bc. Martinem Švejdou zkušební řez do materiálu a porovnal řezné spáry.

16


5 KMITÁNÍ PILOVÝCH KOTOUČŮ

5.1 Úvod Při řezání kotoučovými pilami vždy dochází k vibracím (kmitání) pilového kotouče. Zvýšené kmitání pilového kotouče a jeho nestabilita je způsobená tangenciálním a radiálním napětím, které se zvyšuje s teplotou a otáčkami kotouče v důsledku stále vyšší odstředivé síly. Geometrický tvar zubů pilového kotouče, jeho rozměr, řezná rychlost, ale také vibrace pilového kotouče jsou faktory, které mohou mít negativní vliv nejen na kotouč samotný (snižování trvanlivosti ostří, zahřívání kotouče, ztráta stability), ale také na zpracovávaný materiál (zhoršená kvalita obrobeného povrchu - drsnost a nerovnost, podřezávání, vyšší ztráty materiálu v důsledku širší řezné spáry) a okolní prostředí (zvýšená hlučnost, větší ztráty energie, apod.). V extrémních případech může vlivem nepřípustně zvýšených vibrací docházet až k porušení pilových kotoučů. Děje se tak při určitých otáčkách, kdy vysoké kmitání vyvolává přídavná napětí pilového kotouče. Taková napětí mohou způsobit únavu materiálu, protože jsou proměnná. Vznikají trhliny, které obyčejně vycházejí z míst otvorů a jiných nespojitostí v tělese kotouče, kde dochází ke koncentraci napětí. Tyto trhliny se postupně vyvíjí, až dochází k lomu únavového charakteru. Z těchto důvodů je potřebné znát oblasti otáček, při kterých pilový kotouč kmitá s minimální amplitudou a všeobecnou základní snahou výrobců tedy je, aby amplituda kmitání kotouče byla minimální a řezání mohlo probíhat s maximální produktivitou. Na to má následný vliv nalezení vhodné oblasti provozních otáček.

5.2 Statické kmitání pilových kotoučů Je známo několik druhů kmitání. Kromě ohybových kmitů, které jsou pro pilový kotouč charakteristické, jsou známé ještě kmity podélné a torzní, pro které je však pilový kotouč soustavou velmi tuhou a proto se s nimi neuvažuje a zanedbávají se (ČERNOUŠEK, 1964). Pilový kotouč je možné z hlediska pružnosti považovat za mezikruhovou desku. Vnitřní okraj (na poloměru daném použitými přírubami) se považuje za vetknutý a na vnějším průměru je připojená hmota zubů (obr. 10).

17


Obr.10 Schématické znázornění pilového kotouče s upínacími přírubami (SIKLIENKA - SVOREŇ, 1997)

Pro provoz kotouče v určitých pracovních otáčkách má velký význam určení vlastních frekvencí disku kotouče, tzv. statické frekvence. Disk kotouče může mít teoreticky nekonečný počet vlastních statických frekvencí. Tvary kmitů se dají popsat uzlovými kruhy (ohybové kmity středově symetrické), uzlovými průměry (ohybové kmity středově nesymetrické), nebo kombinací obou (ohybové kmity složené).

5.2.1 Ohybové kmity středově asymetrické U těchto kmitů uzlové křivky přejdou do tvaru průměrů, tzv. uzlových průměrů, jejichž počet se značí číslem k (k = 0, 1, 2, ...) (obr 11). Tyto kmity mohou způsobovat v provozu daleko větší problémy, včetně ztráty stability kotouče, podřezávání a vznik trhlin v disku kotouče. Středově asymetrické kmitání stojícího pilového kotouče si lze představit jako složení dvou běžících vln, které se po obvodě kotouče šíří navzájem proti sobě. Tyto vlny mají stejnou úhlovou rychlost rovnající se tzv. statické vlastní rezonanční frekvenci kmitání kotouče fst. Pilový kotouč v důsledku svého diskovitého tvaru může mít nekonečný počet vlastních statických frekvencí, které jsou charakterizované určitými tvary kmitů (obr. 4.4).

18


Obr.11 Tvary kmitů pro uzlové průměry k = 0 až 3 (JAVOREK, 2006)

5.2.2 Exaktní určování statické frekvence pilových kotoučů Exaktní určování statických frekvencí vlastních kmitů kotoučů fst se provádí experimentálně měřící aparaturou sestavenou např. podle (Siklienka – Svoreň, 1997), obr. 12.

1 – měnič kmitočtu FG 509, 2 – zesilovač QSA 260, 3 – osciloskop GoldStar OS-9020P, 4 – elektromagnetický budič, 5 – indukční snímač kmitů, 6 – stojan, 7 – pilový kotouč, 8 – příruba, 9 – upínací matice

Obr.12 Schéma měřící aparatury (KOPECKÝ, 2007)

19

VLIV VIBRACÍ PILOVÝCH KOTOUČŮ NA HLUČNOST PILY 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 (obr.13). 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 fst. (KOPECKÝ, 2007)

Obr.13 Chladného obrazec (k = 4), (PERŠIN, 2006)

5.3 Dynamické kmitání pilových kotoučů Nishio a Marui podle (Javorek, 2006) uvádějí pro nerotující a kmitající kotouč výraz pro průhyb v poloze dané poloměrem r, úhlem ϕ a počtem uzlových průměrů:

w (r ,ϕ , t ) =

A1(r )  k⋅n k ⋅n    ⋅  − sin 2π  f st +  ⋅ t + sin 2π  f st −  ⋅ t + 2  60  60    

A2(r )      k ⋅n k ⋅n ⋅ cos 2π  f st + +  ⋅ t + ϕ  + cos 2π  f st −  ⋅ t + ϕ  2  60  60     

20

(rce. 1)

VLIV VIBRACÍ PILOVÝCH KOTOUČŮ NA HLUČNOST PILY První člen rovnice (rce. 1) 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 vlna. Rozvineme-li obvod disku, jeví se nám kmity disku například pro uzlový průměr k = 2 podle obr. 14.

Obr.14 Kmitání obvodu kotouče při k = 2 (ČERNOUŠEK, 1964)

Z rovnice pro výpočet frekvence dozadu postupující vlny (rce. 2) je patrné, že jakmile se frekvence otáčení pilového kotouče fn začne vyrovnávat dynamické frekvenci vlastních kmitů kotouče fd při konkrétním počtu uzlových průměrů k, bude frekvence dozadu postupující vlny rovná nule fz = 0, jak je znázorněno na diagramu závislosti frekvence na otáčkách kotouče(Obr 15).

f z = k ⋅ f2 = fd − k ⋅ fn kde:

[ Hz ]

fv … dynamická frekvence kmitů kotouče vlny postupující vpřed fz … dynamická frekvence kmitů kotouče vlny postupující vzad

Obr.15 Podmínka stojaté vlny a dosažení kritických otáček (KOPECKÝ, 2007)

21

(rce. 2)

VLIV VIBRACÍ PILOVÝCH KOTOUČŮ NA HLUČNOST PILY Součinitel λ je určován ze vztahu (rce 3)

fd =

f st 2 + λ ⋅ f n 2

[ Hz ]

(rce. 3)

kde: λ … součinitel odstředivé síly V prostoru vzniknou vlny nehybné, dozadu běžící vlna se jeví v prostoru jakoby stálá, kotouč se stane labilním a k jeho vychýlení postačí velmi malá síla. Řezání je vyloučeno a hrozí nebezpečí zborcení a následné roztržení kotouče. Tato mezní frekvence dozadu běžící vlny se nazývá kritickou rychlostí a počet otáček, při nichž k tomuto jevu dojde, kritickými otáčkami. Kritické otáčky kotouče je možné vyjádřit úpravou vztahu (rce 4).

Při

fz = 0

platí

fd = k ⋅ fn

(rce. 4)

a odtud kritické otáčky kotouče:

nk =

60 ⋅ f d k

[ min-1 ]

(rce. 5)

Kritickými otáčkami se označují rezonanční otáčky, při kterých kotouč kmitá s maximální amplitudou kmitů v uzlových průměrech k = 2 a 3. Pro tuhost kotouče jsou rozhodující, hrozí roztržení kotouče a nedá se řezat. V praxi jsou důležité nejnižší kritické otáčky pro uzlový průměr k = 2.

nk =

60 ⋅ f st

[ min-1 ]

k2 − λ

rce. 6)

Labilní stav kotouče není vázán pouze na kritický počet otáček, ale i na širší oblast. K růstu amplitud kmitání přispívají i vyšší harmonické rezonanční kmitočty, tzv. rezonanční otáčky pro různé uzlové průměry, které se vyjádří podle vztahu:

nr = kde:

60 ⋅ f st

[ min-1 ]

(k + Z )2 − λ

Z … vyšší harmonická (Z = 1,2,3 …)

22

(rce. 7)

VLIV VIBRACÍ PILOVÝCH KOTOUČŮ NA HLUČNOST PILY Předpokládá se, že mnohauzlové tvary kmitání více ovlivňují pískání kotouče než málouzlové k = 1 až 3, které mají podstatný vliv na tuhost a stabilitu kotouče. Existují dolní případně horní rezonanční otáčky, které snižují tuhost kotouče se všemi negativními důsledky na zahřívání kotouče a zhoršování jakosti řezané plochy.

23


6 HLUK A HLUČNOST PILOVÝCH KOTOUČŮ 6.1 Zvuk Zvuky jsou všude kolem nás. Nemusejí být však jen příjemné. Ty nepříjemné se označují jako hluk. Hluk je nepříjemný, rušivý, často až nebezpečný činitel. Míra jeho nepříjemnosti a

rušivosti však není dána jen jeho fyzikálními parametry, ale také

subjektivním postojem jeho dobrovolných nebo nedobrovolných posluchačů. Co se může někomu zdát příjemné, může být pro jiného značně nepříjemné až rušivé. Nejhorší vlastností zvuku a hluku je však jeho potenciální nebezpečnost, spočívající v možnosti způsobení přechodných či trvalých škod. Aerodynamický třesk může být příčinou poškození oken a popraskání omítky, avšak nejhorší ze všeho je, když zvuk způsobí poškození nejjemnějšího a současně nejsložitějšího zařízení k jeho příjmu – lidského sluchu. Měření poskytují přesně definované veličiny, umožňující popis a kvalitativní hodnocení zvuku. Na základě výsledků měření zvuku mohou být zlepšeny akustické vlastnosti staveb, strojů, reproduktorů apod. Výsledky měření jsou základním podkladem přesné vědecké analýzy a hodnocení rušivých zvuků. Zde je třeba připomenout, že míru rušivých účinků na jednotlivce nelze přesně a objektivně změřit či určit z toho důvodu, že u jednotlivců je vždy nutno počítat s individuálními fyziologickými a psychologickými faktory. Na základě výsledků měření však lze objektivně porovnávat rušivé zvuky a hluky, působící v různých prostředích. Akustická měření jasně indikují hranice potenciální nebezpečnosti zvuku či hluku a naznačují možnosti a cesty jeho snižování. Audiometrická měření umožňují kontrolu parametrů sluchu jednotlivců. Z toho vyplývá, že akustická měření jsou důležitou částí akcí, spadajících do oblasti ochrany zdraví, jmenovitě ochrany sluchu. Konečně, měření a analýza zvuku jsou účinnými nástroji boje proti hluku ať již v okolí letišť, dálnic atd., nebo v továrnách, školách, obývacích místnostech, na pilách apod. Tyto nástroje napomáhají zvyšování celkové kvality životního prostředí lidí. Zvukem se nazývají všechny změny tlaku(ve vzduchu, vodě či jiném prostředí) rozeznatelné lidským sluchem. Nejběžnějším přístrojem k měření změn tlaku je barometr. Změny tlaku, související se změnami počasí, jsou však tak pomalé, že je lidský sluch nerozpozná a proto nemohou být nazývány zvukem. Rychlejší změny tlaku, tj. změny tlaku, probíhající rychleji než 20x za sekundu, jsou však rozeznatelné sluchem a plným právem se

24

VLIV VIBRACÍ PILOVÝCH KOTOUČŮ NA HLUČNOST PILY tedy nazývají zvukem. Je třeba poznamenat, že umístěný barometr nestačí správně reagovat na rychlé změny tlaku a k měření zvuku proto není vhodný. Počet změn tlaku za jednotku času určuje kmitočet zvuku, jehož mezinárodně uznávanou jednotkou je Hz (Hertz) s rozměrem 1/s. Kmitočet je veličinou, umožňující popis tonálních vlastností zvuku. Hřmění vzdálené bouřky je příkladem zvuku s nízkým kmitočtem, zatím co píšťala vydává zvuk s vysokým kmitočtem. Kmitočtový rozsah sluchu zdravého mladého člověka sahá přibližně od 20 do 20 000 Hz (20kHz), zatím co rozsah klavíru je určen nejnižším a nejvyšším tónem s kmitočty 27,5 a 4186 Hz. Tlakové změny se šíří pružným prostředím (například vzduchem) od zdroje zvuku ke sluchovému orgánu posluchače. Pojem rychlosti šíření zvuku a její přibližná hodnota jsou lidem známy již od školních let z běžně používaného způsobu určení vzdálenosti bouřky, kde mezi zablesknutím a zvukem hromu se počítá doba 3s na vzdálenost 1km. Tato přibližná hodnota odpovídá rychlosti šíření zvuku 1238km/h. V akustice se však zpravidla rychlost šíření zvuku udává v m/s, tj. 344 m/s při normální pokojové teplotě. Další veličinou, sloužící k popisu a hodnocení zvuku, je amplituda odpovídajících změn

tlaku.

Nejslabší

zvuk,

zaznamenávaný

nepoškozeným

lidským

uchem,

je

charakterizován akustickým tlakem dvaceti miliontin základní jednotky tlaku 1 Pa (Pascal), tj. 20 µPa. Tato hodnota je 5 000 000 000 x menší než normální barometrický tlak. Změna tlaku s hodnotou kolem 20 µPa je tak malá, že vyvolá výchylku ušního bubínku, jež je menší než průměr jediné molekuly vodíku. Naproti tomu je překvapivé, že lidský sluch je schopen snášet akustický tlak s hodnotami více než milionkrát většími. Z toho vyplývá, že vyjadřování amplitudy zvuku pomocí základních jednotek (Pa) akustického tlaku vede k nepřehledným číselným údajům a porto se v akustice běžně používá logaritmická stupnice a s ní související hladiny s jednotkami decibel (dB). Decibel není absolutní, ale relativní jednotkou, vztaženou k dohodnuté vztažné (referenční) hodnotě. Logaritmická decibelová stupnice má jako výchozí bod (vztažnou či referenční hodnotu) prahovou hodnotu akustického tlaku, tj. 20 µPa (rce. 8). Tomuto bodu odpovídá hladina 0 dB. Každému zdesateronásobení akustického tlaku v Pa odpovídá zvýšení hladiny o 20 dB a tedy akustickému tlaku v Pa odpovídá zvýšení hladiny o 20 dB vzhledem k 20 µPa, tlaku 2000 µPa hladina 40 dB atd. Logaritmická stupnice s dB tedy komprimuje rozsah 1000000:1 do rozsahu 0-120 dB. Příklady můžete vidět na obrázku 16. (Měření zvuku – Brüel & Kjær) :

L = 20 log ⋅

p po

[dB]

25

(rce. 8)


Obr.16 Hluk vybraných činností a strojů

6.2 Účinky hluku působící na člověka Nejčastěji se následky hlučnosti pracovního prostředí projevují u sluchového ústrojí, řidčeji u dalších orgánů. Dále uvedené účinky hluku na člověka je nutno chápat jen orientačně, neboť jednotlivé orgány u různých lidí mají různou citlivost. Při akustickém tlaku od 160 dB výše se okamžité poruší sluchový orgán a nastává ohluchnutí. Podle vyhlášky MZd. č. 13/1977 Sb. není dovolen vstup do prostředí, kde maximální hladiny hluku přesahují 140 dB — při měření dynamickou charakteristikou a to ani při požití osobních ochranných

pomůcek. 0d 130 dB výše vzniká v uchu

nepříjemný, až bolestivý pocit, spojený s případnými dalšími účinky na nervovou soustavu, ústrojí rovnováhy atd.. jak se ještě dále zmíním. Trvá-li hluk 10 minut až 26

VLIV VIBRACÍ PILOVÝCH KOTOUČŮ NA HLUČNOST PILY hodinu, nastává únava sluchu a přestane-li hluk působit, zůstává ještě několik minut až hodin snížená ostrost sluchu, popř. znění v uších. V hlukovém poli s hladinami akustického tlaku nad 130 dB se porto nemá nikdo ani krátkodobě zdržovat bez. dobrých chráničů sluchu. Akustický tlak nad 110 dB, při němž člověk pracuje denně po dobu 8 hodin, vede téměř v každém případě po dvou až třech letech k vadám suchu. Projevující se někdy i velmi vážným snížením ostrosti sluchu. V prostředí, kde maximální hladiny hluku přesahují 115 dB, je podle výše uvedené vyhlášky dovolen pobyt osob pouze za podmínek určených orgány hygienické služby. V prostředí s akustickým tlakem 85 až 110 dB je pravděpodobné, že část pracujících utrpí vadu sluchu. Podle některých údajů mohou mít nepříznivé účinky na nervový systém i hladiny akustického tlaku 70 až 85 dB i nižší. Nejzávažnější poškození způsobuje hluk na centrálním nervovém systému a jeho prostřednictvím pak na četných orgánech těla a žlázách s vnitřním vyměšováním. Účinky hluku se mohou projevovat pocity tísně, strachu, úzkosti, citové rozkolísanosti. zvýšeným sklonem k únavě, a tím i poruchami soustředěnosti, méně rychlými a přesnými pohyby čímž x může snížit bezpečnost práce při obsluze strojů. Působení hluku může také vyvolat zvýšenou potřebu spánku, kolísáni krevního tlaku, zpomalení činnosti zažívacích orgánů, poruchy chuti k jídlu, holosti hlavy, zrychlení látkové přeměny a frekvence dechu, stoupání počtu bílých krvinek a další poruchy. Při delším vystavení hluku pak dochází k trvalým poruchám vyšší nervové činnosti, k anatomickým změnám některých orgánů, připravuji se podmínky pro srdeční infarkt. Hluk může být také příčinou poruch zraku a revmatických obtíží. Hlučnost tedy způsobuje i národohospodářské ztráty vlivem poklesu produktivity práce a zvýšení absencí a nese sebou i sociální problémy(Měření zvuku – Brüel & Kjær) .

6.3 Hluk pilových kotoučů Hladina hluku kotoučových pil je určovány téměř výlučně hladinou hluku vyvolanou samotným pilovým kotoučem, i když v některých případech je hluk hnacího elektromotoru, umístěného vně stroje natolik závažný, že je nutno použít akustické technické prostředky pro jeho snížení.

27

VLIV VIBRACÍ PILOVÝCH KOTOUČŮ NA HLUČNOST PILY Při pracovních otáčkách pilového kotouče je hladina hluku při chodu naprázdno vyvolána především axiálními výchylkami kotouče. Přitom rozlišujeme axiální výchylky dvojího druhu: házivost kotouče (způsobenou nekolmostí upínacích přírub a popřípadě i křivostí kotouče) a chvění kotouče určitých rezonančních kmitočtech. Impulsem pro chvění kotouče může být pravidelně se opakující vychylování kotouče v otáčkové frekvenci, chvění hřídele, víření kolem ozubení, změny tlaků při průchodu zubů v úzké mezeře stolu. Každý kotouče má celou řadu vlastních rezonančních kmitočtů o vysokých frekvencích, při kterých prudce vzroste amplituda chvění kotouče, a tím i jeho hluk. Nízké rezonanční kmitočty mají pro hluk podřadný význam, vedou však ke ztrátě tuhosti kotouče; v takových případech je někdy zcela znemožněno řezání a je nebezpečí havárie kotouče. Chvění kotouče při vysokých frekvencích a dostatečné amplitudě chvění se projevuje velmi nepříjemným zvukovým efektem, tzv. pískáním kotouče. Zatímco nízkofrekvenční chvění zasahuje až k upínacím obrubám, při vysokých frekvencích kmitá kotouč pouze ve své obvodové části. K tomu je třeba přihlédnout při aplikaci některých opatření (např. tlumičů kmitů apod.). Při řezání se kotouč dotýká svými bočními plochami řezné spáry, v mezerách zubů se hromadí piliny, které částečně vnikají i do mezer mezi kotoučem a řeznou plochou. Samotný břit je při odebírání třísky sevřen v řezaném materiálu. Všechny tyto okolnosti způsobují, že dochází k útlumu amplitud chvění u pískajícího kotouče, takže pískání ustává a zmenšuje se i hladina hluku – v některých případech byl zjištěn pokles až o 21 dB. Jinak je tomu u kotoučů nepískajících: při odebírání třísky dochází k vynucenému chvění kotouče v zubové nebo harmonické frekvenci, a to tím intenzivnějšímu, čím větší posuv na břit je použit. U nepískajících kotoučů se vyvolává při řezání větší hladina hluku než při chodu naprázdno (PROKEŠ, 1985). Hlučnost nesmí přesáhnout 100 dB. Pokud je vyšší, má škodlivé účinky na člověka a nesmí jí být vystaven dlouhodoběji. V tabulce 3 jsou uvedeny maximální přípustné hodnoty hluku v oblasti kotoučových pil.

a - chod naprázdno b - obrábění Kotoučové pily

a b

Průměrná hladina hluku A [dB(A)]

Hladina hluku A v místě obsluhy[dB(A)]

72,5 - 87,5 81,0 - 91,0

77,0 - 94,5 88,0 - 99,0

Tab.3 Akustické údaje kotoučových pil (HEYDT - SCHWARZ, 1977)

28


6.4 Změna konstrukce pilového kotouče za účelem snížení hlučnosti 6.4.1 Radiální drážky Obvodových radiální drážky se běžně používají u pilových kotoučů SK, kde umožňují roztahování obvodové části kotouče vlivem zahřívání při těžších řezných podmínkách, čímž se tedy zachovává rovinnost kotouče. Radiální obvodové drážky však snižují i hladinu hluku při chodu na prázdno u těch kotoučů, které by bez drážek intenzivně pískají. Tyto drážky totiž přerušují obvodovou část kotouče, která by při pískání kmitala v pravidelných tvarech chvění s vysokou amplitudou. Podmínkou však je, aby délka drážek byla nejméně 0,1 průměru kotouče D. Jako příklad je možno uvést obr. 17, kde u průměru kotouče 400mm můžeme zjistit při 3000 otáčkách za minutu snížení hladiny hluku o 8 dB při chodu naprázdno. Při řezání došlo v tomto případě pouze ke snížení do 5 dB (PROKEŠ, 1985).

Obr.17 Vliv obvodových radiálních drážek na hladinu hluku: 1 – původní stav kotouče 2 – drážky 60 mm dlouhé

Počet zářezů se předpokládá týž jako u SK kotoučů, tedy 3 až 4 zářezy. Zářezy lze doporučit u kotoučů, které při chodu naprázdno pískají, tj. u kotoučů s menšími roztečemi zubů a u kotoučů tlustších. U kotoučů z nástrojové oceli se předpokládá sklon zářezů přibližně pod úhlem ε ≈ γ + β/3, aby odpovídal přibližně velikosti úběru ze hřbetu a čela při ostření; umístění konce drážky v mezeře zubu pak zůstane stále stejné. Jo samozřejmé, že úhel sklonu zářezů ε bude nutno přizpůsobit podmínkám a zvyklostem při ostření v daném provozu, tj. velikosti úběru na hřbetu a čele zubů. U kotoučů z nástrojové oceli by měla být drážka ukončena zaoblením o průměru rovnajícím se šířce drážky, aby při postupném přemísťování drážky ke středu kotouče (při ubývání průměru ostřením) n eb yl y b o k y d r áž ek n aru š en y z b yt k y k ru h o v ýc h o t v o rů . U SK 29

VLIV VIBRACÍ PILOVÝCH KOTOUČŮ NA HLUČNOST PILY kotouči se pro odstranění pískání rovněž doporučuje prodloužit obvodové drážky na délku 0,1 D. Snížení hlučnosti kotouče se také dosahuje speciálně laserem vypálenými tenkými radiálními odhlučňovacími drážkami do tělesa kotouče (obr. 4.11). Zpravidla každý výrobce používá jiný tvar a počet odhlučňovacích drážek v tělese kotouče. U asymetrických pilových kotoučů, určených pro řezání aglomerovaných materiálů, bylo experimentálním měřením zjištěno snížení kmitání kotouče a pokles hladiny hluku až o 8 dB (SIKLIENKA – SVOREŇ, 1997)

6.4.2 Lepené desky a fólie Dalším opatřením měnícím konstrukci kotouče, jsou nalepené desky tloušťky 2,2 až 3 mm(obr. 18), které snižují hladinu hluku u pískajícího kotouče při chodu na prázdno až o 10 dB, při řezání 0 6 až 8 dB, a to při průměru kotouče 400 mm. U nepískajících kotoučů je vliv nalepených tlumících desek při chodu naprázdno nevýrazný. Vzhledem k tomu, že nalepené části zmenšují využitelný poloměr kotouče a musí mít během životnosti kotouče konstantní průměr, je možno toto opatření využít pouze u pilových kotoučů opatřených destičkami ze slinutých karbidů. Zde se totiž během životnosti mění průměr řezné kružnice jen nepatrně a mimo to jsou tyto kotouče určeny převážně pro řezání abrazívních obrobků malých řezných výšek(obvykle do 30 mm), takže průměr nalepené části může být dost velký. S přihlédnutím k nutnému přesahu kotouče nad obrobkem (15 mm), vzdálenosti tlumící desky os obrobku (5 mm) a maximální tloušťce obrobku (30 mm) bude vnější průměr desky D1 u kotoučů o průměru: D = 500 mm

D1 = 400 mm

D = 400 mm

D1 = 300 mm

Obr.18 Pilový kotouč s jednostranně nalepenými tlumícími deskami: 1 – pilový kotouč 2 – korek 3 – ocelový plech

4 – upínací příruby

30

VLIV VIBRACÍ PILOVÝCH KOTOUČŮ NA HLUČNOST PILY Poněvadž by se tlakem upínacích přírub mohl porušit lepený spoj, je účelné provést lepené desky ve tvaru mezikruží (těsně mimo příruby). Pro lepení se doporučuje dvousložkové epoxidové lepidlo. Při použití tlumících desek by nebylo nutné zvětšovat dosavadní délku dilatačních obvodových drážek, o kterých bylo pojednáno výše. Účinnost nalepených tlumících desek a oboustranně nalepených kovových fólií o tloušťce 0,1 mm je znázorněna na obr 6. Fólie byly nalepeny epoxidovým lepidlem a dosahovaly 15 mm pod paty zubů. Za předpokladu trvanlivého slepení by mohl být tento způsob použit pouze u SK kotoučů. Šířku břitů by bylo nutno zvětšit o tloušťku fólie. Kotoučem s nalepenou fólií se dosahovalo snížení hladiny hluku při řezání 2 až 6 dB, při chodu naprázdno o 8 dB. Pískaní kotouče se tímto opatřením rovněž vyloučilo.

6.4.3 Teflonové povlaky Po určité době řezání pryskyřičnatého dřeva lze u pískajícího pilového kotouče nasazeného nově do stroje pozorovat, že při chodu naprázdno pískání ustává. Nánosem pryskyřice se tedy může utlumit chvění kotouče, čímž značně poklesne hladina hluku. Poněvadž jde o náhodný jev, závislý na řezných podmínkách, nelze s touto okolností počítat pro provozní využití; vedla však k myšlence užít obdobným způsobem z plastů (např. na bázi epoxidových pryskyřic). Plastické povlaky (např. teflon) v tloušťce asi 0,02 mm použili někteří výrobci nástrojů, aby se snížilo tření kotoučů v řezné spáře a vyloučilo se zanášení jejich ploch pryskyřicí. Povlaky v tloušťce 0,15 až 0,2 mm přinesly snížení hladiny hluku při chodu naprázdno v oblasti provozních otáček až o 15 dB, při řezání až o 7 dB. Zatím se však nepodařilo získat vyhovující otěruvzdornost povlaku při řezání (PROKEŠ, 1985).

6.4.4 Sendvičové kotouče Slepením dvou pilových kotoučů na celkovou tloušťku 4,4 mm bylo dosaženo snížení hladiny hluku při chodu naprázdno asi o 6 dB a při řezání o 3 až 8 dB v porovnání s neslepeným kotoučem tloušťky 3,9 mm, takže v porovnání s běžným kotoučem tloušťky 4,4 mm by byl efekt. Kterého se dosáhlo slepením, ještě mírně vyšší. Tohoto principu je v podstatě ve zdokonalené formě využito u tzv. sendvičových konstrukcí pilových kotoučů (obr. 19).

31


Obr.19 Typy sendvičových pilových kotoučů: 1 – tlumící vrstva 2 – nosná konstrukce 3 – krycí plášť

Např. fa Gomex zaručuje u kotoučů typu Minibel snížení hladiny hluku při řezání i chodu naprázdno o 5 až 10 dB. Tato konstrukce se může použít pouze u SK pilových kotoučů, protože SK destičky jsou spojovacím prvkem kotouče v místě ozubení a zajišťují, že hlavní břit nebude narušen spárou mezi slepenými kotouči. Podle výsledků ověřovacích zkoušek je údajně výhodná konstrukce podle obr. 9C, protože chvění vzniklé na zubu a šířící se do nosného materiálu musí projít tlumící vrstvou lepidla, než pronikne na vnější plochu, a tím dojde k útlumu. Fólie 0,2 mm snižuje hladinu hluku o 1 až 2 dB více než fólie tloušťky 0,1 mm; fólie tloušťky 0,3 mm již nevykazuje znatelné zlepšení útlumu. Cena sendvičových kotoučů je vyšší než kotoučů běžných (PROKEŠ, 1985).

6.4.5 Děrování kotoučů Děrováním kotoučů se při obvyklém počtu otáček sníží hladina hluku při chodu naprázdno i při řezání o 3 až 5 dB. Je nutno však poznamenat, že při postupném zvyšování počtu otáček od 1500 do 5100 za minutu se při některých otáčkách při chodu naprázdno zjistil pokles hladiny hluku v porovnání s pískajícím kotoučem bez děrování o 10 až 19 dB. To zřejmě souvisí se způsobem narušení kmitající obvodové části kotouče. V zahraničí tento typ kotouče vyrábí např. firma Felde s podélnými otvory probíhajícími spirálovitě (obr. 10) nebo firma Oertli s kruhovými otvory a radiálními obvodovými drážkami - obr. 20 a 21 (PROKEŠ, 1985)

32


Obr.20 Spirálovité drážky

Obr.21 Kruhové otvory

6.4.6 Válcování drážek Důležitou podmínkou správného řezání je dostatečná axiální tuhost kotouče. Výsledné napětí v tlaku na okraji kotouče, které je hlavním zdrojem nestability, způsobuje ztrátu tuhosti a kotouč při řezání zabíhá. Nepříznivý vliv výsledného napětí v tlaku v okrajové části kotouče se odstraňuje buď vyklepáváním nebo častěji válcováním proužku v jedné stopě vzdálené od středu kotouče. Válcování pilových kotoučů je mechanický proces prováděný na válcovacích strojích, při kterém se pilový kotouč lokálně stlačuje mezi dvěma otáčejícími tlačnými kladkami válcovací silou Fv (obr.22). Pilový kotouč se přitom otáčí, čímž vzniká v úzké kruhové stopě poloměru rv (0,6 až 0,8R) plastické tenčení materiálu. V důsledku toho vznikají na obou stranách pilového kotouče mělké proužky, které mají za úkol příznivě měnit napětí kotouče (obr. 23).

Obr.22 Válcování drážek na pilovém kotouči (STACHIEV, 1989)

33

VLIV VIBRACÍ PILOVÝCH KOTOUČŮ NA HLUČNOST PILY .

Obr.23 Formátovací kotouč K400 s odhlučňovacími drážkami a válcovaným proužkem

6.4.7 Měděné nýty Podle vědecké studie (SVOREŇ - JAVOREK, 2006) má použití měděných nýtů na konci dilatačních drážek značný vliv na kritické otáčky, jejíž hranici se posouvá do vyšších otáček. Zvyšuje se i koeficient odstředivé síly. Hlučnost je za použití měděných nýtů vyšší, než u dilatačních drážek bez nýtů, což je nežádoucí. Detail pilového kotouče s měděným nýtem je na obr. 24.

Obr.24 Kotouč Flury s radiálním drážkováním a měděným nýtem (Kopecký, 2007)

34


6.4.8 Vliv průměru upínacích přírub Chování kotouče můžeme také zásadně ovlivnit volbou upínací příruby. Jejím nejdůležitějším parametrem je průměr upínací plochy. Přes tuto plochu dochází k přenosu výkonu z hřídele na pilový kotouč. Plocha musí být dostatečně velká, aby nedocházelo k prokluzu kotouče mezi přírubami. Další vlastností upínací příruby je schopnost tlumit axiální chvění. Je důležité zvolit správný průměr upínací příruby. Vychází se z průměru pilového kotouče D. K určení nám napomáhá jednoduchý vzorec(rce. 9):

d p = (0,25 − 0,33) ⋅ D

(rce. 9)

kde: dp …. průměr upínací příruby D …..průměr pilového kotouče Koeficient αp by se měl pohybovat v rozmezí 0,25 až 0,33. To znamená, že příruba musí mít průměr oproti průměru kotouče třetinový až čtvrtinový. Pokud nám to situace dovoluje, je lepší používat co možná největší přírubu (tedy třetinovou). Příruba potom zasahuje dále do těla kotouče a více tlumí axiální chvění.

35


7 VÝSLEDKY MĚŘENÍ ZÁVISLOSTI HLUKU NA VIBRACÍCH KOTOUČŮ 7.1 Vliv odsávání Na hlučnosti prostředí kolem pily se podílí několik faktorů (např. motor, ložiska vřetene, vibrace kotouče, odsávání apod.). Právě poslední jmenovaný faktor, a to odsávání, je jediným zařízením, které lze bez problémů odpojit. Proto jsem provedl 2 měření. Společné pro ně bylo, že jsem neumístil mezi příruby kotouč a pilu pustil naprázdno bez kotouče (tedy významného zdroje hluku). Jedno měření však probíhalo se zapnutým odsávacím zařízením a druhé bez něj. Snažil jsem se zjistit, zda má odsávání výraznější vliv na celkovou hlučnost pily. Bohužel podmínky měření nebyly optimální. Aby mohlo měření proběhnout zcela přesně, muselo by být zkušební zařízení umístěno ve větší místnosti. To bohužel nebylo možné z technických důvodů, a proto se v některých případech musel udělat jistý kompromis. Měření bylo nejspíše negativně ovlivněno nadměrnou blízkostí zdí, kdy docházelo k odrazu hluku od stěna a hlukoměr byl příliš blízko kotouče pily, protože nebylo možno jej umístit do volného zvukového pole.

Graf 1 Hluk zařízení bez kotouče – s odsáváním

36


Graf 2 Hluk zařízení bez kotouče – bez odsáváním

Vliv odsávání se na hlučností celku neprojevil. Grafy jsou v podstatě shodné (drobné odchylky jsou v tomto případě zanedbatelné a nastaly zřejmě z důvodu nepřesného zvyšování otáček motoru). Důležité je, že nemusím provádět dvojí měření – s a bez odsávání, protože vliv odsávání na hlučnost je v tomto případě zanedbatelný.

7.2 Statická házivost kotoučů: Toto měření jsem provedl z důvodu kontroly maximální odchylky kotouče od roviny. Tedy, zda jeho statická házivost nepřekračuje předepsané normy. Výrobce uvádí u nových kotoučů maximální možnou házivost do 0,1mm. Z následujících grafů je patrné, že všechny zkoumané kotouče tuto podmínku splnily. U kotouče K350 by se mohlo zdát, že házivost kotouče se blíží 0,2 mm. Ale extrémní výchylky, které jsou vidět v grafu, mají na svědomí laserem vypálené drážky. Právě v jejich úrovni byl totiž umístěný snímač a drážky způsobily zkreslení výsledků.

37


Graf 3 Statická házivost kotouče K400A

Graf 4 Statická házivost kotouče K400B

38


Graf 5 Statická házivost kotouče K350

7.3 Závislost hluku na vibracích Zde došlo k nejdůležitějšímu měření, tedy k měření závislosti hluku na vibracích kotouče. Zaznamenával jsem otáčky pily, vibrace kotouče a hluk zařízení. Toto měření jsem provedl se všemi třemi zkoumanými kotouči. U kotouče K350 se zvýšení hluku v pásmu zvýšených vibrací projevilo méně a průběh zvyšování hlučnosti byl v podstatě lineární. V oblasti otáček mezi 3500 – 4000 se měly projevit rezonance pro uzlové průměry 1, 2 a 3. To se také stalo, ale hluk se v tomto pásmu nezvýšil. K tomu došlo až při 4500 otáčkách za minutu, kdy se projevilo další rezonanční pásmo a také se znatelně zvýšil hluk (asi o 2 dB).

39


Graf 6 Hluk a vibrace pilového kotouče K350

To samé jsem provedl u kotouče K400A. Hned na první pohled bylo zřetelné zcela jiné chování kotouče. Maximální amplituda byla více než dvakrát větší než u kotouče K350. U tohoto kotouče jsem očekával zvýšené vibrace v pásmu 3000 – 3500, ale ve skutečnosti se posunuly o kousek dál (asi o 200 otáček výše). Zde se potkávají rezonanční otáčky pro k=1, k=2 a k=3. A jak je zřejmé z grafu, vibrace se projevily velmi výrazně a to samé platí i o hlučnosti. V pásmech zvýšených vibrací vždy došlo ke znatelnému zvýšení hluku. V některých případech to bylo dokonce až o 10 dB.

Graf 7 Hluk a vibrace pilového kotouče K400A

40

VLIV VIBRACÍ PILOVÝCH KOTOUČŮ NA HLUČNOST PILY Ten samý nebo aspoň velmi podobný průběh by se dal očekávat od kotouče K400B, který je stejný jako kotouč K400A. Hned po prvním měření jsem měl ale jasno, že tomu tak není a naskytla se možnost rozšířit moji práci o pozorování a srovnání 2 shodných kotoučů. Prvním výrazným rozdílem bylo zvýšení maximální amplitudy kmitů na více jak 0,8mm. To je téměř trojnásobek oproti maximální výchylce u kotouče K400A. Další změnou bylo projevení největších rezonanci v pásmu kolem 3300 min-1, tak jak jsem to očekával podle otáčkového diagramu. V oblasti nejvyšších vibrací se výrazně zvýšila hlučnost a to až o 5 dB.

Graf 8 Hluk a vibrace pilového kotouče K400B

7.4 Rozdíl kmitání těla a věnce Doposud jsem měřil vibrace kotouče v místě asi 4 cm dostředně od zubů. Překvapením nejen pro mě, ale i pro mého vedoucího bylo zjištění, jak moc se změní vibrace posunutím snímače do oblasti věnce těsně pod zubové mezery. Nejen že se změnily amplitudy vibrací, ale mírně se i posunuly pásma vibrací. Bylo tomu tak i u opakovaného měření. Nejvyšší vibrace těla kotouče K400A se vyskytovaly v pásmu těsně nad 3500 otáček/min, ale u věnce se toto pásmo tak neprojevilo a dominantnější bylo pásmo kolem 3000 otáček/min.

41


Graf 9 Vibrace těla K400A

0,15 0,1

A(mm)

0,05 0 -0,05 -0,1 -0,15 2000

2500

3000

3500

4000 n/min

Graf 10 Vibrace věnce K400A

42

4500

5000

5500


8 DISKUSE A ZÁVĚR Ve své práci vycházím z děl autorů, kteří se problematikou kmitání a hluku pilových zabývali již dříve. Detailně popsali a vysvětlili teoretické zjišťování rezonančních a kritických otáček, ze kterých lze určit přibližně pásmo optimálních otáček pro řezání. Toto teoretické určování rezonančních a optimálních otáček se ale opírá o experimentální naměření určitých koeficientů. Tyto koeficienty jsou pro různé kotouče rozdílné a pro každý kotouč se musí naměřit zvlášť. Proto si myslím, že toto teoretické zjišťování nemá v praxi velký význam, a mnohem efektivnější a přesnější je přímé měření vibrací na zkušebním stendu. Ke snímání se použije bezkontaktního snímače a měří se vibrace v libovolných místech kotouče. Zároveň je možné snímat hluk vydávaný pilovým kotoučem. Tady ani jiná možnost neexistuje, protože nějaké teoretické určování hlučnosti pilového kotouče není možné. Vycházíme pouze z předpokladu, že zvyšování otáček má vliv na zvyšování hlučnosti. Všechny konstrukční úpravy kotoučů (válcování drážek, vypalování dilatačních drážek, lepení fólií apod.) se stejně musí ověřit v praxi. Teprve potom se ukáže, zda je daná úprava přínosná. Otáčkové diagramy lze tedy použít jen orientačně pro hrubé určení rezonančních a kritických otáček. Některá tato pásma se mám při měření projevila, ale jiná se vyskytovala poměrně daleko od předpokládaných otáček. To samé platí i o teoreticky odvozených doporučených otáčkách (0,6 x nk). Při měření se ukázalo, že právě v těchto otáčkách se projevily poměrně výrazné rezonance a řezání v těchto otáčkách by nebylo příliš vhodné. Kmitání pilového kotouče není pro řezání žádoucí z důvodu snížené kvality řezu, zvýšeným vibracím, možnosti podřezávání kotouče, namáhání uložení vřetene apod. Předpokládal jsem, že se v pásmu zvýšených vibrací zvětší i řezná spára. Později se však ukázalo z měření Bc. Martina Švejdy, se kterým jsme měřili na zkušebním stendu některé parametry kotoučů společně, nemají zvýšené vibrace výrazný vliv na velikost řezné spáry. Nejspíše dojde k utlumení vibrací v řezné spáře, která vede kotouč a nedovolí jeho vychýlení. Mírné zvětšení se projevilo u menší tloušťky řezaného materiálu, ale i tak bylo poměrně zanedbatelné. Zato hluk se při zvýšených vibracích projevil celkem výrazně, tak jak jsem očekával. U kotouče K350 to nebylo tak výrazné a hlučnost u něj stoupala téměř lineárně v závislosti na otáčkách. Zato u kotoučů K400 (A a B) se v pásmech zvýšených vibrací zvýšil hluk o 5 až 10 dB, což je velký problém a je ho třeba při konstrukci kotoučů řešit. V okolních pásmech, kde se neprojevilo kmitání a následné zvýšení hlučnosti pily, byla hlučnost již na hranici povolených norem. Když k tomu připočteme dalších 5 až 10 dB, jsme daleko za povolenou

43

VLIV VIBRACÍ PILOVÝCH KOTOUČŮ NA HLUČNOST PILY hranicí. To vede k nepříznivým podmínkám na pracovišti a v důsledku může způsobit zdravotní problémy nebo snížení produktivity práce. Překvapivým zjištěním byla rozdílnost chování 2 stejných kotoučů (K400A a K400B). Dalo by se předpokládat, že se budou chovat velmi podobně, ale měření nám ukázalo, že je tomu právě naopak. U každého z nich se rezonanční otáčky projevily trochu jinde a u kotouče K400B se zvýšila maximální amplituda výchylky trojnásobně. Obdobným způsobem se zvýšila i hlučnost kotouče v pásmu zvýšených vibrací. Při posledním experimentu jsem odhalil odlišné chování těla a věnce pilového kotouče, kdy tělo kmitá více než věnec a navíc i v jiných pásmech než věnec. To má nespíše na svědomí různé tangenciální a radiální napětí v odlišných částech kotouče způsobené radiálními drážkami na kotouči. Ty eliminují toto napětí. Bohužel zde by bylo třeba pro přesnější měření mít k dispozici 2 bezkontaktní snímače, aby mohlo probíhat měření v různých částech současně. Takovéto podmínky jsem bohužel neměl, takže toto zjištění je pouze orientační a nelze mu přikládat velkou váhu.

44


SHRNUTÍ

Kotoučové pily jsou hojně využívány nejen při obrábění dřeva a člověk jako obsluha je u nich nevyhnutelný. Všeobecnou snahou je mu usnadnit podmínky v tomto prostředí. Asi nejnepříjemnějším faktorem je vysoká hlučnost. Na ní se nejvíce podílí pilový kotouč. Zjistil jsem, že se hlučnost pily zvyšuje lineárně s nárůstem otáček kotouče. Samozřejmě je to u každého typu kotouče jinak, ale většinou již kolem otáček 4500 min-1 se hlučnost blíží 100 dB. To je maximální přípustná hranice. Vyšší hlučnost se stává pro člověka škodlivou. Při měření jsem také zjistil, že v pásmech zvýšených vibrací dochází k prudkému nárůstu hlučnosti, a to v některých případech až o 5 až 10 dB. To už byla celková hlučnost daleko za hranící 100 dB. I přes ne příliš ideální podmínky měření byla patrná jasná závislost hlučnosti na vibracích pilového kotouče. Tímto problémem je třeba se ve výrobě zabývat a hledat další opatření, která by tomuto nežádoucímu jevu zabránila. U pilových kotoučů dochází k rozdílnému kmitání mezi věncem a tělem kotouče. Tělo v oblasti pod zubovými mezerami má větší amplitudy kmitů než věnec. Ten má v resonančních otáčkách menší výchylky a při řezání materiálu se téměř ustálí. Na zvýšené hlučnosti v oblasti resonančních otáček se tedy nejvíce podepisuje tělo kotouče. Překvapil mě také výsledek porovnání 2 naprosto shodných kotoučů K400. U každého se projevily vibrace v jiných otáčkových pásmech. To nám ukazuje na velmi obtížnou situaci při hledání optimálních otáček pro řezání.

.

45


SUMARY Circular saws are plentifully used not only for cutting of wood and a man as an operator is imperative. There is a general effort to facilitate conditions in this environment. Perhaps the high noisiness is the most uncomfortable factor. It is mostly affected by a circular-saw blade. I have ascertained that the noisiness of saw is linearly escalated by rise of circular-saw blade revolutions. Of course, it differs according to the kind of circular-saw blade but mostly the noisiness approximates to 100 dB in about 4500 revolutions per minute. It is the maximum permissible limit. Higher noisiness is harmful for people. I have also ascertained that in the zone of elevated vibrations there happen to rapid elevation of noisiness, in some cases of about 5 to 10 dB. So the overall noisiness is far beyond the 100 dB limit. Despite of not very ideal conditions of measuration there is an evident dependence of noisiness on vibrations of a circular-saw blade. It is necessary to deal with this problem in production and to look for additional actions to prevent this unwanted effect. At the circular-saw blades there happen to dissimilar oscillation between the rim and the body of blade. The body in the area under a tooth space has bigger amplitude of oscillations than the rim. The rim has got smaller deviations in the resonant revolutions and at cutting of material it almost gets settled. Elevated noisiness in an area of resonant revolutions is caused mostly by the body of blade. I was surprised by result of comparison of two entirely similar circular-saw blades K400. In both blades the vibrations signified in various zones of revolutions. That shows very difficult situation in searching of optimal revolutions for cutting.

46


LITERÁRNÍ PŘEHLED Brüel & Kjær - Měření zvuku, vydání červen 1984 Brüel & Kjær - Údajový list 2250 - Vybrané aspekty vysokorychlostního obrábění dřeva KOPECKÝ Z. - SVOREŇ J. – PERŠIN M.- ROUSEK M. – KLEPÁRNÍK J. (2007): Circular-saw blade vibrations effect on cutting operation´s parameters. In.: Wood working Techniques. 2nd. International science conference, Zalesina-Zagreb 2007. KOPECKÝ, Z. Vybrané aspekty vysokorychlostního obrábění dřeva. Brno: MZLU v Brně, 2007. 303 s. LISIČAN J. (1992): Nástroje, náradie a prípravky. TU Zvolen 1992. ISBN 80-220-0161-5. PERNICA J. (2003): Dimensional specifics of dust in the course of wood milling. In: Forestry and Wood Technology. No 53, 2003: Annals of Warsaw Agricultural University –SGGW. s. 280-284. Prokeš S. (1985): Snižování hluku v dřevozpracujícím průmyslu SIKLIENKA M. – SVOREŇ J. 1997: Frekvencie vlastných tvarov kmitov pílových kotúčov při statickom kmitaní. TU Zvolen. 1997, 51 s. [Vědecká studie]. SVOREŇ J. – JAVOREK L´. (2006): Vplyv drážok a medených nitov v tele pílových kotúčov na ich kritické otáčky. In.: Trendy lesníckej, drevárskej a environmentalnej techniky a jej aplikácie vo výrobnom procese. Sekce č. 1 Lesná, mobilná a drevárská technika. TU Zvolen, 2006, s.366 – 371. HEYDT, F. - SCHWARZ, H. J. Geräuschuntersuchungen und Massnahmen zur Geräuschminderung an mehrseitigen Hobel- und Fräsmaschinen für die Holzbearbeitung. Holz als Roh-u. Werkstoff č.9. 1997. Katalog výrobků fy PILANA Hulín

ČSN EN 1870-8 (49 6130): Bezpečnost dřevozpracujících strojů – Kotoučové pily. Část 8: Jednokotoučové omítací rozřezávací pily se strojně poháněnou jednotkou pily a s ručním základním a/nebo odebíráním. 2002. ČSN ISO 1996-1:1992 , Akustika - Popis a měření hluku prostředí. Část 1: Základní veličiny a postupy

47

VLIV VIBRACÍ PILOVÝCH KOTOUČŮ NA HLUČNOST PILY ČSN ISO 1996-2:1992, Akustika - Popis a měření hluku prostředí. Část 2: Získávání údajů souvisejících s využitím území ČSN ISO 1996-3:1993, Akustika - Popis a měření hluku prostředí. Část 3: Použití při stanovení nejvyšších přípustných hodnot hluku ČSN ISO 7690- Hluk vyzařovaný obráběcími stroji, šířený vzduchem – Provozní podmínky pro dřevozpracující stroje

48


SEZNAM OBRÁZKŮ Obr.1 Schéma zkušebního stendu (KOPECKÝ, 2007) ............................................................... 10 Obr.2 Snímač vibrací pilového kotouče ................................................................................... 11 Obr.3 Měřící ústředna Spider 8 ................................................................................................ 11 Obr.4 Hlukoměr ...................................................................................................................... 12 Obr.5 Zkušební stend ............................................................................................................... 12 Obr.6 Geometrie ostří a tvary zubů pilového kotouče K350 (katalog Pilana)¨........................ 13 Obr.7 Kotouč Pilana K400 a Pilana K350 ............................................................................... 14 Obr.8 Otáčkový diagram pro pilový kotouč K350................................................................... 15 Obr.9 Otáčkový diagram pro pilový kotouč K400................................................................... 15 Obr.10 Schématické znázornění pilového kotouče s upínacími přírubami (SIKLIENKA SVOREŇ, 1997).................................................................................................................. 18 Obr.11 Tvary kmitů pro uzlové průměry k = 0 až 3 (JAVOREK, 2006) .................................... 19 Obr.12 Schéma měřící aparatury (KOPECKÝ, 2007)................................................................. 19 Obr.13 Chladného obrazec (k = 4), (PERŠIN, 2006) ................................................................. 20 Obr.14 Kmitání obvodu kotouče při k = 2 (ČERNOUŠEK, 1964) .............................................. 21 Obr.15 Podmínka stojaté vlny a dosažení kritických otáček (KOPECKÝ, 2007) ...................... 21 Obr.16 Hluk vybraných činností a strojů ................................................................................ 26 Obr.17 Vliv obvodových radiálních drážek na hladinu hluku: ................................................ 29 Obr.18 Pilový kotouč s jednostranně ....................................................................................... 30 nalepenými tlumícími deskami: ....................................................................................... 30 Obr.19 Typy sendvičových pilových kotoučů: ........................................................................ 32 Obr.20 Spirálovité drážky ....................................................................................................... 33 Obr.21 Kruhové otvory ........................................................................................................... 33 Obr.22 Válcování drážek na pilovém kotouči (STACHIEV, 1989) ............................................ 33 Obr.23 Formátovací kotouč K400 s odhlučňovacími drážkami a válcovaným proužkem ...... 34 Obr.24 Kotouč Flury s radiálním drážkováním a měděným nýtem (Kopecký, 2007)............ 34

49


SEZNAM GRAFŮ Graf 1 Hluk zařízení bez kotouče – s odsáváním..................................................................... 36 Graf 2 Hluk zařízení bez kotouče – bez odsáváním................................................................. 37 Graf 3 Statická házivost kotouče K400A ................................................................................. 38 Graf 4 Statická házivost kotouče K400B ................................................................................. 38 Graf 5 Statická házivost kotouče K350.................................................................................... 39 Graf 6 Hluk a vibrace pilového kotouče K350......................................................................... 40 Graf 7 Hluk a vibrace pilového kotouče K400A...................................................................... 40 Graf8 Hluk a vibrace pilového kotouče K400B …………………………………………….. 41 Graf9 Vibrace těla kotouče K400A………………………………………………………...…42 Graf10 Vibrace věnce kotouče K400A……….………………………………………………42

50


SEZNAM TABULEK Tab.1 Technické parametry vybraných pilových kotoučů ....................................................... 13 Tab.2 Rezonanční, kritické, doporučené a optimální otáčky vybraných kotoučů ................... 14 Tab.3 Akustické údaje kotoučových pil (HEYDT - SCHWARZ, 1977) ....................................... 28

51

Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně

Recommend Documents