УДК 62-1

Оптимизация микроклимата рабочих зон металлорежущих станков

Тотай Анатолий Васильевич – доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой Безопасности жизнедеятельности и химии Брянского государственного технического университета.

Зяблова Елена Семеновна – старший преподаватель кафедры Безопасности жизнедеятельности и химии Брянского государственного технического университета.

Кареев Руслан Русланович – кандидат педагогических наук, доцент кафедры Безопасности жизнедеятельности и химии Брянского государственного технического университета.

Лексина Яна Игоревна – аспирант Брянского государственного технического университета.

Аннотация: В статье рассмотрены теоретические подходы к образованию паров сероводорода в рабочих зонах металлорежущих станков при использовании различных смазывающе-охлаждающих технологических средств. Проведен анализ влияния различных концентраций сероводорода на состояние здоровья станочников, даны рекомендации по применению СОЖ для различных технологических операций и основные направления их утилизации.

Ключевые слова: скорость резания, сероводород, клинические симптомы, разложение тиолов, время воздействия.

Одним из основных методов изготовления деталей является обработка резанием. Как результат перехода в теплоту энергии деформации обрабатываемого материала и работы трения на контактных поверхностях инструмента в процессе резания появляются тепловые источники.

В результате повышается температура резца, стружки, обрабатываемой детали, смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС) и воздуха рабочей зоны. Таким образом, температура стали в зоне контакта инструмента и детали может достигать (при тяжелых условиях резания) 1000-1100оС.

Высокая эффективность обработки резанием в настоящее время практически невозможна без применения смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС), большинство которых составляют смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ).

В состав масляных СОЖ могут быть добавлены антифрикционные, антиизносные и антизадирные присадки, ингибиторы коррозии, антиоксиданты, антипенные и антитуманные присадки. Минеральное масло в масляных СОЖ занимает 60-95% (в процентах по массе). Обычно это высокоочищенные нефтеновые или парафиновые масла.

Антиизносные присадки – уменьшают износ режущего инструмента при возрастании нагрузки. Из них наиболее известны диалкилфосфаты, а такжеосерненные жиры и полимерные жирные кислоты. Концентрация противоизносных присадок в масляных СОЖ обычно 0,5-5%, она зависит отназначения продукта, а также состава других присадок.

Для предотвращения схватывания и износа режущего инструмента при наиболее тяжелых температурах и механических нагрузках применяют антизадирные присадки. Чаще всего это вещества, содержащие хлор, серу, фосфор. Рассмотрим серосодержащие присадки, в которых, в зависимости от условий применения масляных СОЖ, содержание серы составляет 0,5-3%, так как хлор-фторсодержащие противозадирные присадки менее распространены.

При использовании серосодержащих СОЖ могут образовываться аэрозоли нефтяных масел в присутствии тиолов, сульфидов, сульфокислот [1, 4, 6, 8, 13]. При наличии воды сульфокислоты подвергаются гидролизу.

Таким образом в воздушном пространстве рабочей зоны металлорежущего станка будут находиться молекулы вышеуказанных соединений. Наибольшую опасность для человека представляет сероводород.

Расчет дозы сероводорода в рабочей зоне может быть произведен по формуле (1)

(1)

где: D – доза сероводорода в рабочей зоне, с – концентрация вещества.

На основании анализа имеющихся экспериментальных данных [1, 7, 12] сформирована таблица влияния величины параметра «С» на клинические симптомы персонала (Табл. 1)

Таблица 1. Изменение состояния здоровья при воздействии сероводорода на человека.

lgC

Диапазоны значений

от -1,5

от -7

от 0

 от 0,8

от 1,2

от 1,7

от 2

от 2,3

от 2,6

от 3

от 3,3

клинические симптомы

порог восприятия запаха

обнаружение вкуса

умеренный запах

начальное раздражение глаз

запах, кашель, раздражение глаз

сильное раздражение глаз, горла

кашель, раздражение глаз

выраженный коеьюктивит

возможная потеря сознания

быстрая потеря сознания

немедленная потеря сознания

1. Образование тиолов:

;

2. Разложение тиолов:

 (образуется сульфид и сервоводород);

 (алкены и сероводород);

3. Окисление тиолов:

а) при окислении воздухом образуются дисульфиды и вода

б) сильное окисление:

(образуется сульфокислота);

4. Образование мульфидов из тиолов:

(образуется сульфид и сероводород)

5. Разложение сульфидов:

;

6. Окисление сульфидов:

 (образуются сульфооксиды);

7. При наличии воды сульфокислоты подвергаются гидролизу:

Следовательно, в воздушном пространстве возле изделия, подвергающегося механообработке с применением серосодержащих СОЖ, будут находиться молекулы сульфидов, тиолов, сероводорода и сульфокислот. Молекулы тиолов, сульфидов, сульфокислот имеют большую молекулярную массу (≈ 200 г/моль) и соответсвенно низкое парциальное давление. В пространстве, окружающим зону механообработки, этих веществ будет незначительно. В основном в воздухе будет сероводород.

При резании металлов количество используемой СОЖ может достигать 30-40 литров в минуту, в результате чего накапливается большое количество серы.

Большую опасность как для человека, так и для окружающей среды представляет воздействие отработанных СОЖ. Доказано, что воздействие на человека СОЖ в условиях производства может привести к возникновению ряда профессиональных заболеваний. Работы отечественных ученых подтверждают тот факт, что аэрозоли нефтяных масел, входящие в состав СОЖ, могут привести к поражению организма вплоть до липоидной пневмоники, изменить сосудистую системы и нервную, вызвать кожно-трофические нарушения (в том числе дерматиты), способствовать снижению имуннобиологической реактивности. Наркотическим действием обладают пары углеводородов, нитрид натрия, триэтаноламин способствует нарушению газового обмена в организме человека и поражению мышц сердца, поражение печени и почек могут вызвать хлорсодержащие присадки, трихлорэтан - источник выделения фосгена и т.д. Кроме того, установлено. что не являются индифферентными для организма человека продукты термической деструкции безвредных компонентов СОЖ, а также возможные новые химические образования в зоне обработки зачастую.

В результате испарения отработавших СОЖ происходит загрязнение воздушной среды. Токсичные компоненты (органические соединения хлора и тяжелых металлов, диоксид серы) распространяются как в производственном помещении, так и в окружающую среду, что приводит к негативному воздействию на персонал и биосферу. Наиболее опасно испарение синтетических масел, а при испарении масел, содержащих полихлордифенилы (ПХД), образуются еще более токсичные соединения -полихлордибензодиоксины и полихлордибензофураны.

Интенсивность образования сероводорода в рабочей зоне станочника в значительной степени будет зависеть от температуры, сопровождающей процесс резания.

На основании анализа работ Резникова А. Н., Зубарева В. П., Полетика М. Ф., исследований авторов была получена комплексная эмпирическая зависимость (2) для расчета средней температуры в зоне резания при токарной обработке [2, 5, 9]

, (2)

где t – глубина резания в мм, S – подача в мм/об. V – скорость резания в м/мин, r – радиус при вершине резца в мм, C, X, Y, Z, n - коэффициенты.

В таблице 2 приведены значения коэффициентов в формуле (2).

Таблица 2. Значения коэффициентов в расчетных зависимостях средней температуры в зоне резания притокарной обработке (марки режущих инструментов соответствуютобщепринятым рекомендациям).

Материал заготовки

коэффициент

C

X

Y

Z

n

среднеуглеродистые стали

96,4

0,08

0,06

0,25

0,07

легированные стали

118

0,092

0,061

0,28

0,082

жаропрочные стали

86,7

0,11

0,059

0,31

0,076

высокопрочные чугуны

134

0,078

0,063

0,26

0,067

цветные сплавы

121

0,06

0,048

0,18

0,053

Как видно из таблицы 1 опасная концентрация составляет порядка 600мг/м3, что, как показывает термодинамический анализ, с большой долей вероятности будет сопутствовать высокоскоростные методы обработки с использованием значительного количества СОЖ.

В этой связи желательно операционные режимы резания назначать из условия непревышения температуры в зоне резания 350-400 оС.

Для этого, выражая из формулы (2) скорость, резания и задаваясь определенной лимитирующей температурой в зоне резания, получим неравенство

 . (3)

Наряду с концентрацией сероводорода вторым основным фактором является время его воздействия на работника.

В таблице 3 приведены значения концентрации сероводорода и время его воздействия, вызывающие сопутствующие клинические симптомы.

Таблица 3. Физиологические симптомы влияния концентрации паров сероводорода и времени его воздействия. [3]

уровень

классификация концентрации H2S (мг/м3)

время воздействия

10 мин

30 мин

60 мин

240 мин

480 мин

1

не вызывает потерю трудоспособности

0,04

0,04

0,04

0,04

0,04

2

вызывает потерю трудоспособности

59

45

39

28

24

3

опасно для жизни

106

85

71

52

44

4

немедленный летальный исход

948

720

605

428

-

Кроме конкретного значения температуры в зоне резания на количество выделяемого на рабочем месте станочника сероводорода оказывает влияние объем стружки, рабочей части инструмента и заготовки, непосредственно контактирующий со струей СОЖ.

Этот объем для черновых методов обработки может составлять несколько сотен мм3 и при изготовлении крупногабаритных деталей неизбежно создаст микроклимат рабочей зоны опасный для организма человека.

Выбор и назначение конкретной марки СОЖ для операций технологического процесса является достаточно ответственным этапом технологической подготовки производства. На выбор СОЖ оказывает влияние большое количество факторов, экологических и экономических критериев.

Одним из главных исходных данных при назначении СОЖ являются физико-механические свойства материала и характер технологических операций.

При этом необходимо учитывать неизбежное изменение физико-химических свойств конструкционных материалов в связи с действующей температурой в зоне резания. Далее следует установление вида заготовки, ее формы, размеров и конструктивных особенностей. На следующем этапе определяют марку, конструкцию и размеры режущего инструмента, способ подачи СОЖ в зону резания и т.п.

На основе анализа исследований и многолетнего опыта эффективного применения СОЖ в металлообработке была составлена таблица 4 для наиболее распространенных способов лезвийной обработки.

Таблица 4. Рекомендации по применению СОЖ на операции лезвийной обработки сталей.

Операция

СОЖ

Водные

Масляные

Точение, растачивание

Автокат Ф-40, 3…7% эмульсия, Аквол-6, 5-20%-ная эмульсия, Аминил-М (Д), 2…5%-ная эмульсия, Аминил-ОР, Вексанол-6А, 6С, 3…5%-ная эмульсия, Инкомет-1, 3%-ная эмульсия, Пермол, 3…10%-ная эмульсия, Ровел-Уверол, 3…8%-ная эмульсия, Тенол_ПЛ-1С, Тенол-ПЛ-2АС, Укринол-1М АЗМОЛ, Эмолон-1, Эмульсол ЕРМ.

АЗМОЛ МР-3, АЗМОЛ МР-6, АЗМОЛ МР-7В, АРИАН МР-11, Лубрисол МР-92, 5…50%-ный раствор в индустриальных маслах, МР-7, МР-11, МР-17М, МСВ-15, МЭП-1, ОЛЬВИТ-МОР-У, РОСОЙЛ-101, РОСОЙЛ-320, РОСОЙЛ-МР-99, ВС-1, РС-2, СП-4, СП-44, 10…50%-ый раствор в минеральном масле

Обработка на токарных автоматах и полуавтоматах

Лубрисол – Э-89, Лубрисол – Э-90, Лубрисол – Э-96, 3…8%-ная эмульсия

АЗМОЛ МР-6, АЗМОЛ МР-11, АРИАН МР-7, АРИАН МР-99, ЛЗ-26МО, 20%-ный раствор в минеральном масле, МР-7, МР-17, МЭП-1, РС-1, РС-2, СП-4

Сверление, зенкерование

Автокат Ф-40, 3…7%-ная эмульсия, Аквэмус-2М, АТМ-СОЖ-1, Велс-1, Велс-30, Виктория -1,-2, ВИОЛ, ВИТИМ, ВОЛГОЛ-300,ВОЛТЕС-150, Гремлос , Гретерол, МОРИОЛ, МОСКВИНОЛ, Нефтехим-1, Укринол-1М АЗМОЛ, ЭМУЛЬСОЛ Т, ЭМУЛЬСОЛ «П» ЭМУС

АЗМОЛ МР-6, АЗМОЛ МР-7В, В-3 (А), В-3 (М), ЛЗ-СОЖ-1МНО, ЛЗ-СОЖ-15, МР-6, МР-7К, МР-11 (А), МР -11(Б), РОСОЙЛ-320, РОСОЙЛ-МР-У, РОСОЙЛ-МР-6, СП-44

Фрезерование

Автокат Ф-40, Автокат Ф-78, АКВЭМУС-2М, АМИНМ-Б, АТМ-СОЖ-1, АТМОЛ-06П, Вексанол-8, Велс-30, Виктория-1,-2, ВИТИМ, ВОЛГОЛ-300, 3-10%-ная эмульсия, Велтес-150, ВПК-М, Гретерол, ДП-150, Ивапрол-2, МОРИОЛ, УКРИНОЛ-1М, УКРИНОЛ-1М АЗМОЛ

АЗМОЛ МР-6, АЗМОЛ МР-7В, АЗМОЛ МР-11 (А,Б), АРИАН МР-11, АРИАН МР-99, ЛУБРИСОЛ М-92, МР-7, МР-17М, МР-17У, МСВ-15, МЭП-1, РОСОЙЛ-101, РОСОЙЛ-23М, РОСОЙЛ МР-4, РОСОЙЛ МР-5, РОСОЙЛ МР-11, РС-1, РС-2, СП-4, СП-44

Одним из важных этапов работ с СОТС является планирование и осуществление регенерации или утилизации этих средств. Отработанные СОТС обезвреживаются термическим способом обезвреживаются термическим способом на специализированных предприятиях или различными химическими способами.

Сточные воды с отработанными СОТС перед их спуском в канализацию должны подвергаться локальной очистке.

Утилизация твердых фракций отходов от СОЖ должны осуществляться в соответствии с действующими санитарными нормами и правилами.

Кроме того, производственные сточные воды не должны приводить к снижению эффективности биологической очистки при направлении стоков на биологические очистные сооружения.

Таким образом, проведенные теоретические исследования подтвердили необходимость серьезного подхода к вопросам охраны труда производственного персонала, работающего на металлорежущем оборудовании, выражающийся в продолжении работ по разработке составов СОЖ, исключающих содержание серы, непременного использования эффективных систем местной вентиляции и СИЗ.

На некоторых технологических операциях возможно снижение скорости резания при обеспечении требуемой производительности за счет увеличения подачи и корректировки геометрии режущего инструмента.

Список литературы

  1. Белоног, А.А. Оценка токсического воздействия сероводорода на здоровье человека (методические рекомендации) /А.А. Белоног, К.С. Оспанов ,Н.Н. Кайдакова, В.Н. Шеянов ,В.А. Скольский, Е.А. Скольская, Е.Н. Педоренко // Международный журнал экспериментального образования. – 2010. - № 3. – С. 26-29.
  2. Тотай, А. В. Технологическое обеспечение физико-химических свойств поверхностного слоя деталей машин /А.В. Тотай // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2012-№ 9 – С. 8-11.
  3. Борцова, С. С. Безопасность технологических процессов и производств / С. С. Борцова – М.: Логос, 2016. 608 с.
  4. Булыжев, Е.М. Ресурсосберегающее применение смазочно-охлаждающих жидкостей при металлообработке/ Е.М. Булыжев, Л.В. Худобин- М: Машиностроение, 2004. 352 с.
  5. Виноградов, Д.В. Применение смазочно-охлаждающих технологических средств при резании металлов // Справочник. Инженерный журнал. 2001. №7. с. 61-64; №9. с. 39-42; №2. с. 38-41. 2002. №1. с. 44-51; №24. С. 46-53.
  6. Латышев, В.Н. Повышении эффективности СОЖ./В.Н. Латышев- М.: Машиностроение, 1985. 64 с.
  7. Резников, А.Н. Теплофизика процессов механической обработки материалов./ А.Н.Резников- М.: Машиностроение, 1981. 279 с.
  8. Смазочно-охлаждающие технологические средства для обработки металлов резанием: Справочник / Под общей ред. С.Г. Энтелиса, Э.М. Берлинера. М.: Машиностроение, 1986. 352с.
  9. Смазочно-охлаждающие технологические средства для обработки металлов резанием: Справочник / Под общей ред. С.Г. Энтелиса, Э.М. Берлинера. 2-е изд. М.: Машиностроение, 1995. 496 с.
  10. Хрульков, В.А., Новые СОЖ, применяемые при шлифовании труднообрабатываемых материалов./ В.А. Хрульков, В.С.Матвеев, В.В. Волков - М.: Машиностроение, 1982. 64 с.
  11. Егоров, С.А., Влияние парообразных СОТС на износ режущего инструмента./ С.А. Егоров, М.С. Обронов // Вестник машиностроения. №1. 2018. С. 82-84.
  12. Албагачиев, А.Ю., Оптимизация режимов резания при высокоскоростном точении жаропрочного сплава ХН77ТЮ./ А.Ю. Албагачиев, А.С. Краско ,Е.С. Страмцова // Вестник машиностроения. №7. 2018. С. 62-64.
  13. Брякунов, С.В. Повышение работоспособности лезвийного инструмента/С.В. Брякунов, Ю.Н. Жуков, И.Н.Тихонов, А.А. Блау // Вестник машиностроения. №11. 2018. С. 62-64.

Внимание, откроется в новом окне. PDFПечатьE-mail