Study of thermal radiation of the elastic-damping elements of the air suspension of the seat on the hydropulsator test bench

Full Text

Введение (актуальность) Система подрессоривания сиденья является важнейшей составляющей системы виброзащиты человека - оператора транспортного средства от негативного влияния колебаний, вибраций и шума и представляет собой компактный узел, включающий, кроме прочего, упругий элемент и гаситель колебаний, которые, в свою очередь, играют определяющую роль в обеспечении виброзащиты. Вся энергия колебаний, передаваемая через подвеску сиденья, поглощается и рассеивается, переходя в тепло. Важно оценить в процессе работы упругодемпфирующих элементов интенсивность их теплового излучения, так как это может позволить в дальнейшем совершенствовать конструкции существующих систем подрессоривания. К примеру, можно обеспечить возможность рекуперации части энергии колебаний, которая в штатных пассивных подвесках при гашении переходит в тепло [1, 2]. Цель исследований В данной работе была поставлена цель, заключавшаяся в исследовании термограмм поверхностей упругодемпфирующих элементов пневматической подвески сиденья в процессе работы. Материалы и методы. Результаты и обсуждение Для исследований использовался одноопорный стенд с гидравлическим приводом индийской компании BiSS [3], тепловизор фирмы Testo [4] и секундомер. Для калибровки тепловизора использовался ртутный термометр, замерялась комнатная температура, которая на момент начала работ была равна 21 °С. Первым испытывался гидравлический однотрубный амортизатор MAYSAN TS3034 H6293101F 1 AMR 009-01 28 12 417945 (рис. 1, поз. 2), входящий в штатную конструкцию пневматической подвески сиденья фирмы Sibeco [5]. Амортизатор 2 устанавливался и закреплялся на стенд в вертикальном положении (рис. 1). Шток амортизатора изначально находился в положении, близком к среднему положению относительно полного хода поршня (см. табл). Закон возбуждения стенда - гармонический синусоидальный с частотой 1 Гц. Согласно ГОСТ Р 53816-2010 [6], величина хода поршня при записи рабочей диаграммы амортизатора (рис. 2) на стенде должна быть не менее 80 % его полного хода S (с округлением до целых десятков миллиметров), но не более 100 мм. Тогда амплитуда гармонического возбуждения стенда: Каждую минуту при помощи тепловизора фиксировалась термограмма поверхности цилиндра (рис. 3, а-в). В итоге было получено графическое представление изменения температуры поверхности амортизатора во времени (рис. 4). Рис. 4. Динамика изменения температуры поверхности амортизатора С увеличением времени испытаний на рабочей диаграмме амортизатора (рис. 2) наблюдалось уменьшение площади замкнутой фигуры, описывающей цикл ходов сжатия и отбоя устройства. В итоге разность площадей фигур рабочих диаграмм в начальный и конечный моменты времени испытаний можно охарактеризовать как долю поглощенной гасителем энергии колебаний, переходящую в тепло. За 6 минут температура тепловыделений амортизатора (рис. 4) на заданном режиме возрастала и достигла отметки 111 °C. В ходе процесса не была достигнута температура стабилизации. Продолжение опыта было чревато разрушениями в уплотнениях гасителя колебаний. Исходя из полученных термограмм (рис. 3, а-в), можно сказать, что фиксируемые максимальные температуры наблюдались, по большей части, в верхней части цилиндра амортизатора. Циклический процесс сжатия и отбоя демпфирующего устройства на стенде с амплитудой 20 мм и частотой 1 Гц сопровождался дросселированием жидкости через отверстия клапанов, что приводило к ее нагреву и дальнейшей передаче тепла через стенки цилиндра. Высокая скорость роста температуры объясняется недостаточной площадью теплоотдачи и низкой теплоемкостью рабочего тела. На следующем этапе была собрана установка (рис. 5), включающая в себя подвеску сиденья 1 ножничного типа с амортизатором, нижнюю плиту, соединяющую основание сиденья со штоком гидропульсатора 4, и верхнюю плиту с центральной осью с резьбой для крепления кронштейна 6 к станине стенда. В режиме ходов сжатия-отбоя подвески по гармоническому закону с амплитудой 20 мм и частотой 1 Гц [7] с помощью датчика силы 5 снималась рабочая диаграмма подвески сиденья (рис. 7), а с помощью тепловизора 2 термограммы наружных поверхностей упругодемпфирующих элементов (рис. 6, 8, а-в). Рис. 7. Рабочая диаграмма подвески сиденья Значения максимальных температур поверхностей пневматической рессоры и амортизатора отслеживались каждую минуту. В целом, измерение длилось 1 час и 3 минуты. Дальнейшее нагружение подвески не привело к росту температур, так как был достигнут некий установившийся предел. Как видно из рисунков 8, а-в, температурное поле неравномерно распределялось по поверхности резинокордной оболочки рессоры 1: в верхней части, в месте взаимодействия с пластиковым поршнем, виден температурный пояс, связанный, в том числе, с изгибными деформациями упругого элемента и, как следствие, трением между слоями и тканями корда. На амортизаторе 2 (рис. 8, а-в) максимальная температура наблюдалась около места крепления к нижней раме (основанию) подвески сиденья. Это связано с кинематикой и расположением гасителя в структуре направляющего механизма сиденья, а также постоянно меняющимся в динамике приведенным демпфированием. Рабочая жидкость амортизатора 2 сжимает и разжимает через плавающий поршень газовую подушку, которая, в свою очередь, интенсивно нагревается и выделяет через стенку цилиндра тепло. На рабочей диаграмме подвески сиденья (рис. 7) площадь замкнутой фигуры, описывающей полный цикл колебаний, уменьшилась за 10 мин и в дальнейшем практически не изменялась, что связано, скорее всего, с достижением температур стабилизации упругодемпфирующих элементов. Результатом обработки полученных по термограммам данных стала осциллограмма нагрева поверхностей упругодемпфирующих элементов подвески сиденья (рис. 9) за весь период испытаний. Выводы Анализ полученных графических данных показал, что на данном режиме кинематического нагружения интенсивней всего нагревался амортизатор. Причем за полное время испытаний температура амортизатора возросла до 45 °C, а рессоры - до 29 °C. Рессора достигла соответствующей температуры стабилизации за 10 мин, а амортизатор - за 55 мин. Объясняется это, прежде всего, различной спецификой работы, назначением, материалом, внутренним наполнением, передаточным числом упругодемпфирующих элементов. Таблица Параметры амортизатора Длина амортизатора в растянутом состоянии, lраст, м Длина амортизатора в сдвинутом состоянии, lсд, м Полный ход поршня амортизатора, м 0,22 0,17 S = lраст - lсд ≈ 0,05 Рис. 1. Установка для испытаний амортизатора: 1 - верхнее крепление; 2 - амортизатор; 3 - нижнее крепление; 4 - гидропульсатор; 5 - датчик силы Рис. 2. Рабочая диаграмма амортизатора Рис. 3, а. Термограмма амортизатора в действии на 2-й минуте испытаний Рис. 3, б. Термограмма амортизатора в действии на 3-й минуте испытаний Рис. 3, в. Термограмма амортизатора в действии на 4-й минуте испытаний Рис. 5. Общий вид установки: 1 - подвеска сиденья; 2 - тепловизор; 3 - нижнее крепление; 4 - гидропульсатор; 5 - датчик силы; 6 - верхнее крепление Рис. 6. Упругодемпфирующие элементы подвески сиденья: 1 - пневматическая рессора; 2 - амортизатор Рис. 8, а. Термограмма подвески сиденья в действии на 15-й минуте испытаний: 1 - пневматическая рессора; 2 - амортизатор Рис. 8, б. Термограмма подвески сиденья в действии на 30-й минуте испытаний: 1 - пневматическая рессора; 2 - амортизатор Рис. 8, в. Термограмма подвески сиденья в действии на 45-й минуте испытаний: 1 - пневматическая рессора; 2 - амортизатор Рис. 9. Осциллограмма нагрева поверхностей упругодемпфирующих элементов подвески сиденья

About the authors

M. V Lyashenko

Volgograd State Technical University

Email: ts@vstu.ru. asamat-iskaliev@mail.ru
DSc in Engineering Volgograd, Russia

A. V Pozdeev

Volgograd State Technical University

Email: ts@vstu.ru. asamat-iskaliev@mail.ru
PhD in Engineering Volgograd, Russia

I. A Golyatkin

Volgograd State Technical University

Email: ts@vstu.ru. asamat-iskaliev@mail.ru
Volgograd, Russia

A. I Iskaliev

Volgograd State Technical University

Email: ts@vstu.ru. asamat-iskaliev@mail.ru
Volgograd, Russia

References

Supplementary files