Содержание
Введение..................................................................4
1 Системы виброзащиты транспортных средств: состояние вопроса,
цель и задачи исследований................................................10
1.1 Обзор средств виброзащиты операторов мобильных машин..................11
1.2 Направляющие механизмы пассивных виброзащитных систем................18
1.3 Мобильные машины как источник вибрационного возмущения оператора 20
1.4 Особенности входных спектров на остове самоходного
картофелеуборочного комбайна..............................................26
Выводы....................................................................31
2 Динамические модели виброзащитных устройств с направляющим механизмом маятникового типа..............................................33
2.1 Выбор принципиальной схемы виброзащитной системы......................33
2.2 Подвеска маятникового типа с параллельно включенными пружиной
и демпфером...............................................................34
2.3 Передаточная функция подвески маятникового типа с двухкамерным пневматическим упругим элементом..........................................38
2.4 Подвеска маятникового типа с двумя степенями свободы..................43
2.5 Подвеска маятникового типа с двумя степенями свободы
и двухкамерным пневматическим упругим элементом...........................47
Выводы....................................................................49
3 Влияние параметров подвески с направляющим механизмом маятникового типа и двухкамерным пневматическим упругим элементом с внутренним дросселированием на его виброзащитные свойства............................50
3.1 Численное решение системы нелинейных дифференциальных уравнений второго порядка, описывающих движение подвески маятникового типа с двухкамерным пневматическим упругим элементом.............................50
3.2 Распределение коэффициента передачи по площадке виброзащитного устройства................................................................55
3.3 Влияние параметров виброзащитного устройства на АЧХ...................58
3.4 Зависимость коэффициента передачи на резонансной частоте
от добротности............................................................61
3.5 Зависимость частоты максимальной виброизоляции и коэффициента передачи
на ней от добротности и относительного объема дополнительной камеры.......66
Выводы.................................................................. 68
4 Оптимизация параметров виброзащитной системы с направляющим механизмом маятникового типа и двухкамерным пневматическим упругим элементом с внутренним дросселированием на примере картофелеуборочного комбайна..............................................70
4.1 Выбор и обоснование критерия оптимизации целевой функции..............72
4.2 Влияние на критерий оптимизации времени работы оператора..............78
4.3 Зависимость критерия оптимизации от относительного объема демпферной камеры, резонансной частоты и момента инерции подвески.........81
4.4 Влияние жесткости резинокордной оболочки и потерь в ней
на критерий оптимизации...................................................84
4.5 Выбор алгоритма оптимизации параметров виброзащитной системы..........87
4.6 Оптимальные параметры виброзащитной системы...........................90
Выводы....................................................................93
5 Результаты промышленных испытаний разработанных виброзащитных устройств...................................................94
5.1 Полевые испытания пневматической подвески сиденья водителя самоходного картофелеуборочного комбайна..................................94
5.1.1 Технологический режим уборки картофеля..............................96
5.1.2 Движение по асфальтовой дороге......................................98
5.1.3 Движение по грунтовой дороге.......................................100
5.2 Стендовые и полевые испытания пневматической подвески
промьшшенного трактора...................................................101
Выводы...................................................................106
Основные выводы и результаты работы......................................107
Список использованных источников.........................................109
Приложение А Выписка из акта результатов испытаний сиденья
с пневматической подвеской конструкции ОрелГТУ, представленного
ГСКБ ПО «Рязсельмаш» на комбайне КСК-4...................................118
Приложение Б Акт о проведении испытаний экспериментально виброзащитной
системы кабины промышленного трактора....................................120
Приложение В Акт о внедрении (использовании) НИР.........................121
Приложение Г Расчет ожидаемого социально-экономического эффекта от внедрения пневматической виброзащитной системы кабины
промышленного трактора на этапе изготовления опытного образца............122
Приложение Д Договор о творческом содружестве между ОрелГТУ
и ГСКБ ПО «Рязсельмаш»...................................................125
Приложение Е Программа «КАН».............................................128
4
ВВЕДЕНИЕ
Повышение мощности и скоростей движения мобильных машин приводит к увеличению уровня колебаний (вибрации) остова машины. Систематическое воздействие повышенной вибрации оказывает отрицательное влияние на здоровье человека - оператора: снижается работоспособность, развивается вибрационная болезнь, увеличивается вероятность несчастных случаев [1]. Возбуждение интенсивной вибрации транспортных средств обусловлено, как движением по неровным (случайным) поверхностям, так и особенностями выполнения технологического режима сельскохозяйственными и строительно-дорожными машинами, тракторами.
Вибрационное воздействие на человека - оператора мобильных машин регламентируется ГОСТ 12.1.012-90. Этот документ учитывает особенности воздействия вибрации на организм человека. В международной практике получил распространение стандарт ИСО 2631-74 [16], который устанавливает более жесткие, по сравнению с отечественными, требования на вертикальную вибрацию в широком диапазоне частот от 0,63 Гц до 125 Гц.
Ряд исследователей отмечает, что уровни вертикальных низкочастотных колебаний на рабочем месте человека - оператора не удовлетворяют требованиям действующих санитарных норм [3, 11, 12, 121, 125]. Результаты испытаний мобильных машин [70] показывают, что в ряде случаев (например, самоходный картофелеуборочный комбайн КСК-4) вибрация на остове машины близка к допустимой по стандарту, а в других - превышает нормы (например, промышленный трактор типа Т-500) [108]. Использование на мобильных машинах унифицированных виброзащитных сидений в отдельных случаях приводит не только к снижению, но и увеличению вибрации в отдельных частотных диапазонах, поэтому требования нормативных документов остаются невыполненными в полной мере.
Уменьшению интенсивности вибрационного воздействия на человека -оператора способствуют снижение виброактивности источника вибрации или применение систем виброизоляции.
5
Использование на мобильных машинах унифицированных виброзащитных сидений зачастую приводит не только к снижению, но и увеличению вибрации в отдельных частотных диапазонах, поэтому требования нормативных документов остаются невыполненными в полной мере.
При разработке новых образцов перспективной техники, соответствующей международному уровню качества необходимо ориентироваться на нормы, обеспечивающие комфортные условия труда оператора, соответствующие требованиям стандартов. Именно выполнение этих норм позволяют избежать профессиональных заболеваний человека-оператора и расширить экспортные поставки изделий производства.
В связи с этим, работа, посвященная научному обоснованию и созданию системы виброзащиты человека - оператора мобильных машин с широкополосным спектром возмущений, носящая технико-экономический и социальный характер, является актуальной.
Работа выполнена в ОрелГТУ в соответствии с планами научного направления «Динамика, прочность машин и силовой гидропривод», договора о творческом содружестве с Рязанским ГСКБ по картофелеуборочным машинам, хоздоговора с Челябинским филиалом НАТИ и Чебоксарским заводом промышленных тракторов, а также по теме РФФИ 06-08 96320 «Исследования динамики и разработка расчётно-теоретических основ синтеза кинематически возбуждаемых структурно-неоднородных технических систем».
Цель работы - обоснование параметров и создание системы виброзащиты человека-оператора мобильных машин с широкополосным спектром возмущений на остове и их реализация применительно к картофелеуборочным комбайнам и промышленным тракторам.
Задачи исследования:
- выбрать принципиальную схему виброзащитной системы на основе обзора и существующих способов и средств виброзащиты оператора и анализа виброзащитных свойств систем с направляющим механизмом маятникового типа и различными упругодемпфирующими элементами с одной и двумя степенями свободы;
- выполнить линеаризацию дифференциальных уравнений движения виб-розащитной системы с направляющим механизмом маятникового типа и двухкамерным пневматическим упругим элементом с внутренним дросселированием и сопоставить результаты решения линейной и нелинейной систем дифференциальных уравнений;
- исследовать виброзащитные свойства подвески с двухкамерным пневматическим упругим элементом и внутренним дросселированием, а также разработать методику инженерного расчета её параметров;
- обосновать критерий оптимизации, позволяющий определить параметры виброзащитного сиденья оператора, и подтвердить его достоверность на примере самоходного картофелеуборочного комбайна;
- разработать конструкции виброзащитных систем для защиты оператора от вертикальной вибрации;
- провести промышленные испытания разработанных систем для проверки их эффективности и сопоставления виброзащитных свойств с серийно выпускаемыми устройствами для самоходного картофелеуборочного комбайна и кабины промышленного трактора.
Объект исследования - виброзащитная система оператора мобильных машин технологического назначения с широкополосным спектром возмущений на остове (применительно к самоходному картофелеуборочному комбайну и трактору промышленного назначения).
Предмет исследования - динамическая модель и свойства виброзащит-ной системы с направляющим механизмом маятникового типа и двухкамерным пневматическим упругим элементом с внутренним дросселированием и закономерности распределения виброускорений на площадке устройства.
Методы исследования: обзор, анализ и обобщение результатов исследований и опытно-конструкторских работ; теоретические исследования основаны на методах аналитической механики, теории колебаний, прикладной газовой динамики, теории функции комплексной переменной, теории дифференциальных уравнений; численные методы, оптимизационные методы, включая методы мно-
гокритериальной оптимизации, основаны на пакетах прикладных программ для ЭВМ; экспериментальные исследования и промышленные испытания.
Научная новизна работы:
- получены линейная и нелинейная динамические модели виброзащитной системы с направляющим механизмом маятникового типа и пневматическим двухкамерным упругим элементом с внутренним дросселированием с одной и двумя степенями свободы;
- установлено, что для анализа виброзащитных свойств (АЧХ) подвески с направляющим механизмом маятникового типа и пневматическим двухкамерным упругим элементом с внутренним дросселированием нелинейную систему можно заменить искусственной линейной, введя критерий добротности, величина которого определяться из условия эквивалентности АЧХ линейной и нелинейной систем;
- установлено, что поле ускорений по длине маятника, на котором располагается виброизолируемая площадка, неравномерно и имеются зоны, в которых виброизоляция в некотором диапазоне частот осуществляется наиболее эффективно;
- осуществлён выбор параметров виброзащитной системы с направляющим механизмом маятникового типа и двухкамерным пневматическим упругим элементом с внутренним дросселированием по критерию минимизации дисперсии отклонения реального выходного сигнала от идеального.
- исследовано влияние основных параметров виброзащитной системы с направляющим механизмом маятникового типа и двухкамерным пневматическим упругим элементом с внутренним дросселированием на ее виброзащитные свойства.
Достоверность полученных результатов обоснована использованием классических теорий механики твёрдого тела, жидкости и газа; обеспечивается соответствующим выбором расчетных моделей, использованием адекватного математического аппарата и применением известных математических методов решения дифференциальных уравнений, современной вычислительной техники и программного обеспечения; подтверждается качественным и количественным
согласованием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными; положительными результатами опытно-промышленных испытаний созданных виброзащитиых устройств, которые проводились по стандартным методикам измерений вибраций машин и виброизмерительной аппаратура фирмы «Брюль и Кьер» на «Центральной машиноиспытательной станции» в рамках второго этапа государственных испытании самоходного картофелеуборочного комбайна КСК-4, на стенде СТ-10 Чебоксарского завода промышленных тракторов и «Уральской машиноиспытательной станции».
На защиту выносятся:
- динамическая модель виброзащитной системы с направляющим механизмом маятникового типа и двухкамерным пневматическим упругим элементом;
- расчет поля вертикальных ускорений на виброизолируемой площадке при заданном входном воздействии;
- методика выбора параметров виброзащитной системы по критерию минимизации отклонения реального выходного сигнала от идеального;
- результаты испытаний виброзащитного сиденья водителя с пневматической подвеской для самоходного картофелеуборочного комбайна;
- виброзащитная система для кабины промышленного трактора и результаты его испытаний.
Практическая ценность работы:
- разработано программное обеспечение, позволяющее анализировать и проектировать виброзащитные системы с заданными техническими характеристиками на основе подвески маятникового типа и двухкамерного пневматического упругого элемента с внутренним дросселированием:
- разработана методика инженерного расчета параметров виброзащитной системы с направляющим механизмом маятникового типа и двухкамерным пневматическим упругим элементом с внутренним дросселированием по критерию минимизации дисперсии отклонения реального выходного сигнала от идеального при известном входном воздействии на остове;
- разработана конструкция и изготовлен опытный образец виброзащитного сиденья оператора самоходного картофелеуборочного комбайна, прошедший испытания на «Центральной машиноиспытательной станции»;
- разработана конструкция и изготовлен опытный образец виброзащит-ной системы кабины промышленного трактора на базе серийно выпускаемых резинокордных оболочек, прошедший стендовые испытания на Чебоксарском заводе промышленных тракторов;
- изготовлен опытный образец виброзащитной системы кабины промышленного трактора на базе малогабаритных резинокордных оболочек, прошедший промышленные испытания на «Уральской машиноиспытательной станции».
Реализация работы:
- результаты теоретических и экспериментальных исследований переданы, в соответствии с заключенными договорами, Рязанскому ГСКБ по картофелеуборочным комбайнам, Чебоксарскому заводу промышленных тракторов, Челябинскому филиалу НАТИ;
- опытные образцы виброзащитных систем переданы отделу стендовых испытаний Чебоксарского завода промышленных тракторов и УралМИС;
- результаты исследований используются в учебном процессе.
Апробация работы. Результаты исследований, проектных работ и испытаний докладывались и получили одобрение на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ОрёлГТУ в период с 1990 г. по 2007 г., международных и всероссийских научно-технических конференциях и симпозиумах, в том числе: «Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения» (Орел, 2004, 2006 гг.); «Интеграция науки и производства в отраслях агропромышленного комплекса» (Вильнюс, 1984 г.); первый и второй Международные симпозиумы «Механизмы и машины ударного, периодического и вибрационного действия» (Орел, ОрелГТУ, 2000, 2003 гг.) и III -«Ударно-вибрационные системы, машины и технологии» (Орел, ОрелГТУ, 2006 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка литературы из 129 наименований, 6 приложений и содержит 132 страницы, в том числе 117 страниц основного текста, в котором 3 таблицы, 43 рисунков, и 15 страниц приложения.
10
1 СИСТЕМЫ ВИБРОЗАЩИТЫ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ: СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ
В современном развитии теории виброзащитных систем достаточно отчётливо выделяются три направления. Первое, наиболее распространенное, характеризуется использованием метода параметрической оптимизации. Это направление представлено в работах Фурунжиева Р.И. [95], Пархиловского И.Г. [64] и других исследователей. Схема виброзащиты выбирается заранее, составляются дифференциальные уравнения движения и из условия минимизации выбранного критерия определяются параметры виброзащитного устройства.
Вторым направлением в синтезе систем виброзащиты является использование методов оптимального управления. Для него характерно использование классических методов вариационного исчисления, метода динамического программирования Белмана, линейного и выпуклого программирования, принципа максимума Понтрягина. Значительные результаты в этом направлении получены научной школой Лурье А.Б, в частности Коловским М.З [48]. Методы оптимального управления наиболее приемлемы для решения задач синтеза при детерминированном внешнем воздействии типа ударных.
Третье направление характеризуется использованием методов оптимальной фильтрации Винера-Холмогорова для синтеза систем виброзащиты. Значительные результаты получены Лариным В.Б. [55], Хачатуровым А.А. [27], Синё-вьш А.В. [80, 81]. Данное направление интенсивно развивается за рубежом, особенно в США (Карноп [124], Трайк [123 ], Аллен [124] и др.). Получен ряд важных практических результатов, в частности известны виброзащитные устройства, частотные характеристики которых являются оптимальными для некоторых спектров входных воздействий.
Проблемам защиты человека от вибрации уделено внимание в теоретических работах Тимошенко С.П. [88], Пановко Я.Г. [60], Бидермана В.Л. [9], Буте-нина Н.В. [13], НеймаркаЮ.И. [58], Коловского М.З. [47], Фролова КБ. [93] и др.
и
Значительный вклад в изучение динамики мобильных машин посвящены работы Ротенберг Р.В. [71] и Хачатуров A.A. [27], а закономерностей формирования возмущений на остове - работы Барского И.Б. [6], Аниловича В .Я. [2], Рослякова В.П. [67], Кальченко Б.И. [43], и др.
Исследованию динамики сельскохозяйственных машин посвящены работы Турбина Б.И. [89], Малиновского Е.И. [57], Иванова Н.И. [42] и др.
Стохастические методы исследования нашли отражение в работах Крен-делла С. [83], Силаева A.A. [79], Лурье А.Б. [56], Ларина В.В. [55], Диментбер-га Н.Ф. [26], Светлицкого В.А. [77] и др.
1.1 Обзор средств виброзащиты операторов мобильных машин
Разрабатываемые в настоящее время виброзащитные системы можно разделить на три основных группы: активные виброзащитные системы; виброзащитные системы с импульсным управлением; пассивные виброзащитные системы.
В активных виброзащитных системах наиболее полно воплощаются достижения фундаментальных теоретических разработок. Для них характерна высокая эффективность, особенно в низкочастотной области.
Можно отметить, что активные виброзащитные системы являются системами автоматического управления с обратной связью [15,28,40,45,48, 126, 129].
Управление в таких системах сводится к компенсации дополнительным источником энергии внешних возмущающих воздействий, вызывающих вибрацию защищаемого объекта или его смещение. Активная виброзащитная система содержит чувствительные элементы, управляющие, усилительные и исполнительные устройства. В качестве чувствительных элементов используют датчики, регистрирующие силы возбуждения, реакции объекта или его кинематические параметры - перемещение, скорость, ускорение. Сигналы датчиков характеризуют качество виброзащиты и используются для формирования сигналов управления, осуществляемого элементами цепи обратной связи. После усиления сигналы подаются в исполнительное устройство, создающее управляющее воздействие.
- Київ+380960830922