Экспериментальные исследования характеристик элементов виброзащиты рабочего места оператора промышленного трактора

Полный текст

Введение В предыдущей публикации [1] изложена методика компьютерного моделирования процесса вибрационного нагружения рабочего места оператора промышленного трактора. Цель исследования Применению математической модели к решению практических задач предшествуют стадии ее идентификации и проверки адекватности, в ходе которых наряду с использованием заданных геометрических, массовых и упруго-демпфирующих свойств элементов конструкции возникает необходимость исследовать характеристики новых устройств виброзащиты [2-4]. В настоящее время на изделия Челябинского тракторного завода устанавливают гидроопоры кабины немецкой фирмы Simrit и гидропневматические сиденья фирмы Sibeco. Это наиболее эффективные элементы конструкции, обеспечивающие виброзащиту оператора. Материалы и методы Определение характеристик названных элементов выполнено в центре экспериментальной механики Южно-Уральского государственного университета (ЮУрГУ) при следующем составе стендовой установки. 1. Электродинамический вибростенд V875-440 HBT 900 Combo фирмы LDS (Великобритания), предназначенный для гармонического, случайного и ударного воздействий на исследуемое изделие в вертикальном или горизонтальном направлении. Основные технические характеристики стенда: максимальное толкающее усилие 35,6 кН, рабочий диапазон частот 0-3000 Гц, максимальное виброускорение 100g, максимальный размах колебаний стола 50 мм. 2. 96-канальная информационно-измерительная система LMS SCADAS Lab, которая позволяет осуществлять управление, сбор, анализ и регистрацию результатов испытаний. Параметры нагружения задаются в пакете LMS Test.Lab 13A, обеспечивающем управление, обработку и представление результатов виброиспытаний. В качестве первичных датчиков применяются трехкомпонентные акселерометры. Информационно-измерительная система LMS предусматривает возможность применения других видов датчиков, в частности тензометров, микрофонов, термопар и др. 3. Программная часть системы LMS (пакеты LMS Virtual.Lab и LMS Imagine.Lab Amesim), обеспечивающая моделирование динамики трехмерного конечноэлементного объекта и решение ряда прикладных задач. Возможности стендовой установки использованы для обоснования вида динамических характеристик кабины и кресла, а также для определения значений параметров математической модели. Загрузкой названных элементов массой оператора на кресле и долей массы кабины на гидроопоре имитируется их установка на тракторе (рис. 1). Путем задания на стенде входных процессов в виде гармонического, случайного и ударного нагружений определяются функции выходных сигналов. На рис. 2, а, б в качестве примеров приведены частотная передаточная функция, отображающая реакцию элемента «гидроопора - кабина» на единичное гармоническое воздействие, и осциллограмма процесса декремента колебаний при работе стенда в режиме ударного нагружения. Комплексный анализ результатов лабораторных исследований позволяет при моделировании процесса прохождения вибрационного сигнала от источника до тела оператора рассматривать элементы кабины и кресла в виде линейных одномассовых объектов с эквивалентными коэффициентами жесткости и вязкого трения, равными: = 17,1·103 Н/м; = 0,7·106 Н/м; = 1,53·103 Н·с/м; = 3·103 Н·с/м. При этом схемы соединения упругих и вязких элементов подрессоривания кресла и кабины различны: последовательная для гидропневматической подвески кресла и параллельная для гидроопор кабины. Возможности стендовой установки позволяют решать вопросы сертификации изделий на стадии лабораторной отработки, в частности, государственные стандарты [5, 6] предписывают выполнять оценку качества виброзащитного кресла путем расчета двух коэффициентов: SEAT и H(fr). Коэффициент SEAT характеризует качество подрессоривания сиденья оператора в заданном интервале частот, коэффициент H(fr) - в зоне резонанса. Для этого при испытаниях на основание кресла задается стандартизированный для гусеничных тракторов входной случайный процесс, и регистрируется выходной сигнал на подушке кресла, догруженного весом оператора. На рис. 3 приведены спектральные плотности стандартного входного и реализованного на стенде сигналов, а также выходного процесса для кресла фирмы Sibeco. Методика вычисления коэффициента SEAT предусматривает пошаговую обработку результатов испытаний: вычисление средних квадратических значений ускорений входного и выходного сигналов в каждой из третьоктавных полос в интервале до 17 Гц; введение корректирующих коэффициентов и дальнейшее суммирование по полосам. Отношение результатов расчета для входного и выходного сигналов дает искомый коэффициент SЕАТ. Коэффициент H(fr) передачи в зоне резонанса определяется отношением средних квадратических значений ускорений входного и выходного сигналов в диапазоне частот 1,8-2,2 Гц. Полученные результаты хорошо согласуются с требованиями государственных стандартов [6]. С целью проверки адекватности результатов моделирования выполнены полевые испытания трактора Т-11. Исследования проведены на полигоне Челябинского тракторного завода с использованием мерных участков протяженностью 100-150 м, включающих ровную поверхность с податливым грунтовым фоном. Отдельные заезды производились на I, II, III передачах. Регистрация процессов выполнена с использованием информационно-измерительного комплекса центра экспериментальной механики ЮУрГУ: акселерометров PCB T333B32 чувствительностью 100 мВ/g и портативного измерительного усилителя LMS SCADAS Recorder под управлением программного обеспечения LMS Test.Xpress 8A. Вибрации измерялись с помощью датчиков ускорений, закрепленных в различных точках элементов конструкции трактора (рис. 4, а). Датчик для измерения ускорений на подушке кресла крепился в центре полужесткого установочного диска [5]. Выбранная схема размещения датчиков и наличие встроенного блока программного обеспечения позволяют производить пересчет мгновенных значений процессов в точках крепления датчиков в процессы изменения ускорений в произвольных точках системы, например приведение процессов к центрам масс корпуса или кабины. На рис. 4, б и рис. 5 представлены осциллограммы процессов изменения вертикальных ускорений, зарегистрированных на корпусе трактора, а также результаты их статистической обработки в виде функций спектральных плотностей. Результаты и их обсуждение В ходе полевых испытаний установлено, что при движении трактора на основных рабочих скоростях (I и II передачи при бульдозировании и рыхлении) осциллограммы и функции спектральных плотностей имеют детерминированный вид. На III передаче эти характеристики приобретают «зашумленность» (см. рис. 4, б; рис. 5), связанную с влиянием ряда дополнительных факторов, в частности с ударным взаимодействием гусеницы с ведущим, направляющим и поддерживающими катками и т.п. Однако применение методов спектрального анализа позволяет выделить и оценить вклад низкочастотного вибрационного воздействия со стороны опорной части гусеничного обвода. Обоснование адекватности математической модели выполнено путем сопоставления результатов расчетов и натурных испытаний по ряду позиций, таких как соответствие частотного состава источников вибровозбуждения на различных скоростях движения трактора, совпадение резонансных частот для корпуса, кабины и кресла оператора и др. Количественную оценку адекватности модели дает интегральная характеристика в виде доли средних квадратических значений ускорений тела оператора, приходящейся на исследуемый диапазон частот (см. таблицу). Средние квадратические значения ускорений тела оператора: сравнение эксперимента с расчетом Передача Расчетные данные, м/c2 Экспериментальные данные, м/c2 I 0,34 0,29 II 0,59 0,5 III 0,77 0,65 Анализ приведенных данных подтверждает достаточно близкое соответствие результатов моделирования и натурных испытаний. Отличие показателей находится в пределах приемлемого уровня 15-20%. Выводы Лабораторные исследования элементов виброзащиты рабочего места оператора повысили достоверность результатов моделирования. Проведенные полевые испытания трактора Т-11 позволили подтвердить адекватность расчетной модели. Обоснована возможность замены полевых испытаний на лабораторные при определении ряда сертификационных характеристик систем виброзащиты.

Об авторах

И. Я Березин

Южно-Уральский государственный университет

д-р техн. наук Челябинск, Россия

Ю. О Пронина

Южно-Уральский государственный университет

Email: proonina@mail.ru
инж. Челябинск, Россия

В. Н Бондарь

Южно-Уральский государственный университет

канд. техн. наук Челябинск, Россия

Л. В Вершинский

ООО "Челябинский тракторный завод - УРАЛТРАК"

Email: vershinskiy_l@chtz.ru
канд. техн. наук Челябинск, Россия

П. А Тараненко

Южно-Уральский государственный университет

канд. техн. наук Челябинск, Россия

Список литературы

Дополнительные файлы