Methodology of the study of the shock absorption system of the operator's seat of a mobile energy means based on a simulation model

Full Text

Обоснование

В настоящее время в тракторостроении большое внимание уделяется не только увеличению мощности мобильного энергетического средства (МЭС), а также улучшению условий работы оператора трактора. Известно, что при работе трактора, оператор подвержен большому количеству различных вредных воздействий. К данным воздействиям относятся: повышенный шум, запыленность, наличие вредных веществ в отработавших газах двигателя, повышенная вибрация и др. Совокупность данных факторов приводит к возникновению профессиональных заболеваний. В связи с этим, необходимо улучшать условия труда оператора мобильного энергетического средства [2,  3,  6].

Одним из наиболее вредных факторов является вибрация, возникающая от двигателя или при движении по профилю дороги и передаваемая на оператора. Для снижения данной вибрации используются различные уровни демпфирования колебаний, однако наиболее эффективным считается использование подрессоривания кресла оператора МЭС [1,  4]. При исследовании системы подвески кресла механизатора, используют методы теоретического и экспериментального исследования. Как правило, с помощью экспериментальных исследований подтверждают полученный эффект или проверяют работоспособность и адекватность математической модели, выполняют ее калибровку или идентификацию [9–13]. При использовании математических методов в теоретических исследованиях часто возникает вопрос трудоемкости решения, потому количество уравнений в модели стараются сократить. Кроме того, при описании системы большим количеством уравнений, среди которых неизбежно будут уравнения в дифференциальной форме, нужный результат получится только при наличии правильных начальных условий. Задать их корректно для вполне определенного интересующего процесса не всегда возможно. Могут возникать сложности и при объединении моделей, описывающих разные физические процессы.

Одним из аспектов, препятствующих широкому применению расчетных теоретических методов, является сложность глубокой детализации моделей. Но с экспериментальными исследованиями далеко не все показатели, характеризующие рабочий процесс исследуемого объекта, возможно замерить и соответственно проанализировать. Одним из путей решения данной проблемы является создание при помощи систем автоматизированного моделирования имитационной модели, с глубокой проработкой интересующих элементов. Исследование такой модели позволяет отследить интересующие параметры, в частности подвески сиденья, провести ее испытания и выявить какие факторы и элементы оказывают более существенное воздействие при гашении колебаний, тем самым позволяя эффективно совершенствовать систему амортизации кресла оператора МЭС [5].

Другой проблемой при исследовании новых конструкций, в том числе и подвесок сидений оператора МЭС, является невозможность определения рабочих параметров и поведения элементов конструкции в динамически изменяющейся среде без проведения экспериментальных исследований. Что может быть достаточно затратно как с материальной, так и временной точки зрения.

Применение имитационной модели, позволяет создать интересующий уровень детализации и получить возможность изменения и оптимизации конструкции узла на основе численных экспериментов.

Поэтому имитационное моделирование может быть основой методики дальнейших исследований, направленных на совершенствование системы амортизации кресла оператора МЭС.

Цель

В связи с этим целью работы было определение методологии исследования для совершенствования системы амортизации кресла оператора мобильного энергетического средства на основе имитационной модели.

материалы и методы

Для разработки методологии исследования в работе использовалось имитационное компьютерное моделирование и экспериментальные исследования с регистрацией динамически изменяющихся сигналов, методы сглаживания экспериментальных данных, основанные на оптимизации и оценке результатов с помощью дисперсионного анализа.

Имитационная модель сидения

Анализ существующих систем автоматизированного моделирования позволяет сделать вывод, что для стоящих задач нужна система невысокого уровня, позволяющая моделировать процессы в элементарных механических устройствах. К таким относятся Matlab Simulink, SimInTech, Engee. Выбор был остановлен на системе автоматизированного моделирования Simulink, так как, во-первых, Matlab и Simulink представляют собой комплексное решение, позволяющее не только разрабатывать системные модели, но и проводить комплексы испытаний в автоматическом режиме с регистрацией данных, с возможностью дальнейшей обработки и анализа. Во-вторых, авторы имеют некоторый опыт работы в данной системе, что существенно сокращает время получения конечного результата.

В связи с этим была разработана имитационная модель, которая представляет собой системную модель, выполненную в графическом виде в среде Simulink (рис. 1) [8]. Модель подвески сиденья оператора трактора включает в себя несколько подсистем, представляющих модели 4 рычагов подвески сиденья, демпфирующего элемента, кресла оператора трактора, а также платформы, имитирующей пол кабины трактора.

Выводы о эффективности принятых решений могут быть получены только в результате сравнения новой конструкции с базовой. Поэтому подсистема демпфирующего устройства представляет собой схему однотрубного гидропневматического амортизатора двустороннего действия, соответствующую серийному варианту. В подмодели были учтены геометрические параметры существующей конструкции: рабочий диаметр поршня в каждой из камер, объем жидкости, объем газа, а также его предварительное давление, ход поршня и другие. При этом в качестве рабочей жидкости использовалось гидравлическое масло. В качестве газа, которым заполнена газовая часть амортизатора подвески сиденья, выступает технический азот [7].

Подсистемы рычагов подвески механизма подрессоривания кресла оператора трактора выполнены попарно (два передних и два задних). Вне зависимости от места расположения рычагов математическая подмодель данных узлов представляет собой кинематическую схему, в которой учтены массогабаритные параметры.

Подсистема кресла оператора трактора включает в себя основные элементы данного узла, а именно спинка, сиденье и корпус, которые соединены в единый элемент, а также учтен вес оператора, который приложен к сиденью.

Адекватность работы имитационной модели амортизатора была обеспечена сравнением результатов численных экспериментов по поведению амортизатора в известных условиях и при известных его характеристиках. Модель проверялась при работе в статическом состоянии, а также при сжатии и растяжении. Фактически параметры работы модели амортизатора сравнивались с техническими данными завода изготовителя. Для этого имитировалось постоянная скорость движения штока 0,4 м/с и определялось усилие при растяжении и сжатии демпфирующего устройства. Кроме того, определялось усилие на штоке при его неподвижном состоянии. Значения находились в пределах, определенных заводом-изготовителем. Жесткость торсионной пружины, устанавливаемой для гашения колебаний подвески сиденья оператора, замерялась экспериментально и данное значение заносилось в модель.

При этом в имитационной модели кресло оператора МЭС установлено на подвижной платформе, которая может перемещаться в соответствии с заданным сигналом, который включает в себя перемещения, виброскорости и виброускорения на полу кабины или в любой точке силового каркаса трактора (рис. 2).

а)

б)

Рисунок 1 — Имитационная модель кресла оператора трактора Беларус 1221: а — общая модель системы; б — подсистема гидравлической модели амортизатора сиденья
Simulation model of the operator's seat of the Belarus 1221 tractor: a — general model of the system; b — subsystem of the hydraulic model of the seat shock absorber

На полученной модели возможно проведение испытаний и анализ поведения кресла в разных условиях, которые задаются сигналами, описывающими кинематику ключевых точек силового каркаса. На рис. 2 показаны 2 подсистемы с шарнирами, задающие движение каркаса трактора. На вход подаются зависимости перемещения этих точек от времени. Для качественного моделирования, кроме перемещения должны быть заданы 1 и 2-я производные, т. е. скорость и ускорение.

Такие данные с минимальными затратами и с высокой достоверностью могут быть получены в ходе экспериментальных исследований. Это позволит определить сценарий испытаний.

Рисунок 2 — Подсистема модели, задающая динамику кабины трактора
A model subsystem that defines the dynamics of a tractor cabin

Полученная модель позволяет не только проводить испытания работы кресла МЭС, определять характер перемещений оператора, характер зависимостей изменения параметров демпфирующего устройства, но и, при необходимости, произвести замену отдельных подсистем и сравнить работу нескольких вариантов подвесок.

Экспериментальные исследования для определения сценария испытаний работы кресла

Для создания сценария симуляции движения тракторно-транспортного агрегата по неровностям был проведен эксперимент, в котором производили замеры уровней колебаний в определенных точках трактора при проезде единичной неровности. В качестве датчиков для замера виброускорений были выбраны тензометрическиие акселерометры АТ-1 (рис. 3). Данный прибор позволяет производить замеры ускорений в диапазоне ускорений от –2g до +2g. Принцип работы датчика заключается в определении тензодатчиками деформации упругой балки, на которой закреплен груз вызывающий ее прогиб, возникающий при воздействии ускорений.

Рисунок 3 — Тензометрический акселерометр АТ-1:
1 — балка; 2 — груз; 3 — корпус; 4 — тензодатчик; 5 — прокладка; 6 — разъем
Strain gauge accelerometer AT-1:
1 — beam; 2 — load; 3 — housing; 4 — strain gauge; 5 — gasket; 6 — connector

Тензометрические датчики были установлены на переднем и заднем мостах трактора, а также в центре масс (рис. 4). Эта схема соответствует параметрам подсистемы на рис. 2.

Информация с данных датчиков при движении трактора по контрольному участку, была записана с помощью аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) Lcard

Рисунок 4 — Схема установки датчиков виброускорения на тракторе
Installation diagram of vibration acceleration sensors on a tractor

После обработки сигналы подавались в виде входящего сигнала на платформу кресла оператора МЭС с целью имитации колебания пола.

Особенность регистрации сигналов с помощью АЦП заключается в их дискретности. Поэтому для моделирования они должны быть сглажены.

Эта первоначальная обработка заключалась применении сглаживающего сплайна из пакета Curve Fitting Toolbox. Этот метод, на наш взгляд, наиболее предпочтителен. Так как нет необходимости иметь функцию, описывающую колебания, регрессионный анализ представляется лишним, хотя на основе ряда Фурье или функции, определенной как сумма синусов, и может неплохо описать данные. Интерполяционные функции имеют коэффициент детерминации R² = 1 и проходят через все точки. Это неприменимо, так как данные должны быть сглажены. В противном случае могут возникать слишком высокие значения производных, что определяется методическими ошибками, а не характером изменения физической величины. Сглаживающий сплайн, является также кусочно-заданной функцией, но позволяет задавать коэффициент сглаживания.

Модель, описанная выше, при имитации в начальный момент времени находится в положении с полностью сжатым амортизатором. Поэтому в течении первой секунды она принимает рабочее положение и программу испытаний следует начинать с задержкой, например, после 2-х секунд моделирования. Для этого в экспериментальные необходимо добавить точки, соответствующие отсутствию перемещений колес в первые 2 секунды.

Для создания входных данных и моделирования сценария проезда трактора через единичную неровность, был проведен эксперимент при скорости движения тракторно-транспортного агрегата 10 км/ч. Результаты данного эксперимента, а именно скорость, ускорение и  величина перемещения колес трактора представлены на рисунках 5 и 6. Дальнейшие приведенные примеры и результаты соответствую данному сценарию движения.

Попытка применения необработанных данных привела к наличию не корректных значений скоростей и ускорений, что связано с дискретностью и погрешностями измерений. Для решения этой проблемы выполнялась предобработка сигналов.

На рисунке 5, для примера, показаны графики дискретных данных и результат сглаживания с коэффициентом 0,999 для вертикального перемещения заднего колеса. Полученная сглаживающая функция имеет следующие статистические величины: сумма квадратов отклонений — 0,0145 м², коэффициент детерминации R² = 0,9997, число степеней свободы d_f = 9950, скорректированный коэффициент детерминации R_кор² = 0,9997, среднеквадратичное отклонение r_mse = 0,0012 м². То есть средняя ошибка вертикального перемещение колеса составляет 1,2 мм.

 

Рисунок 5 — Перемещение заднего колеса трактора при проезде единичной неровности:

• ··· дискретный сигнал, –––– сглаженный сигнал
  Moving of the rear wheel of a tractor when driving over a single unevenness:
• ··· discrete signal, –––– smoothed signal

 

После выполнения предобработки некорректные значения скоростей и ускорений, характерных для дискретных данных, при моделировании не наблюдались.

Полученная функция позволяет создать набор данных для численных экспериментов, в том числе  значения первой и второй производных перемещения мест установки датчиков. Эти данные представляют собой сценарий для проведения испытаний в численном эксперименте (рис. 6).

 

Рисунок 6 — Параметры, определяющие сценарий испытаний при проезде единичной неровности в численном эксперименте: - - - передний, ——   задний
Parameters defining the test scenario when driving over a single unevenness in a numerical experiment: - - - front, —— rear

 

Использование в имитационной модели платформы, колебания которой имитируют колебания, возникающие при движении трактора по неровностям дорожного профиля, позволяет провести численные эксперименты по проезду трактором любых неровностей, а приведенная методика экспериментальных исследований и обработки результатов позволяет с помощью не сложных экспериментов получить данные для широкого спектра испытаний на имитационной модели.

Таким образом, теоретические исследования работы подвески сиденья оператора трактора, а также совершенствование ее конструкции можно проводить на численных экспериментах по заранее созданному сценарию. Необходимые данные для сценария могут быть получены из вышеописанного эксперимента.

В данной работе с учетом ограниченного объема, воздержимся от анализа и описания методики обработки результатов численного эксперимента, а рассмотрим некоторые из этих результатов в первоначальном виде.

Результаты и обсуждение

Рассмотрим результаты численного эксперимента полученного при движении тракторно-транспортного агрегата со скоростью 10 км/ч.

Моделирование позволило определить уровень ускорений и скорости вертикального перемещения сиденья и пола кабины мобильного энергетического средства (рис. 7). Данные параметры являются основными при определении уровня вибронагруженности оператора трактора.

Рисунок 7 — Ускорение и скорость перемещения сиденья и пола кабины:

--- пол кабины, ––– сиденье

Acceleration and speed of movement of the seat and cabin floor:

--- cabin floor, ––– seat

 

Видно, что в определенный момент на сидении присутствует всплеск ускорения. Это соответствует пробою подвески сидения, что в действительности и наблюдалось в натурном эксперименте при поезде неровности задними колесами. При прекращении воздействия подвеска сидения незначительно, но снижает колебания, которые передаются на пол от колес трактора.

Исходя из выше представленных графиков, можно сделать вывод, что серийная подвеска позволяет снизить уровень вибронагруженности на оператора МЭС, хотя и присутствует резкое увеличение ускорения сиденья оператора трактора на 4-ой секунде эксперимента, которое объясняется пробоем подвески об резиновый упор. В данном эксперименте нет режимов, на которых амортизатор не справляется с задачей гашения свободных колебаний.

Особенностью выбранной методики является возможность оценить процессы в подсистемах, например изменение давления в полостях амортизатора, расходы через клапаны и дроссельные отверстия и т. д. Такие параметры получить при натурном эксперименте измерениями достаточно сложно или невозможно. В качестве примера на рисунке 8 приведены графики изменения давления жидкости в подпоршневой и надпоршневой полостях, а также газовой полости амортизатора подвески сиденья.

Рисунок 8 — Изменение давления жидкости и газа в амортизаторе:

--- штоковая полость, ––– поршневая полость

Change in liquid and gas pressure in the shock absorber:

--- rod cavity, ––– piston cavity

В данной статье приведены некоторые результаты испытания только сидения с серийной подвеской. При разработке принципиально новой конструкции планируется создание модели иного упругодемпфирующего элемента подвески. Замена соответствующих подсистем моделей и проведение сравнительных испытаний.

Учитывая, что эффективность работы подвески сиденья трактора является различной, при различной скорости движения мобильного энергетического средства, могут понадобиться искусственно сгенерированные режимы колебаний пола кабины.  В таком случае использование в исследованиях, направленных на изучение уровня вибронагруженности кресла оператора трактора, разработанной имитационной модели выглядит еще более перспективным.

Учитывая результаты проведенных натурных и численных экспериментов, можно утверждать, что описанная методология позволит получить необходимый результат при проведении исследований по совершенствованию конструкции подвески сидения оператора МЭС. Предлагаемая методика исследования состоит из:

• создания имитационной модели подвески кресла оператора;
• проверки адекватности отдельных подсистем модели на основе натурного эксперимента;
• определения воздействий на пол кабины мобильного энергетического средства на основе натурного эксперимента с тракторно-транспортным агрегатом;
• сглаживания экспериментальных дискретных данных;
• проведение численного эксперимента для оценки поведения подвески кресла в интересующих условиях;
• разработка модели нового конструктивного решения для упругодемпфирующего элемента подвески;
• проведение сравнительных испытаний с помощью численного эксперимента.

В конечном итоге на основе результатов сравнительных испытаний могут приниматься решения о внесении изменений в конструкцию, а полученные модели могут быть использованы для разработки системы управления активной и полуактивной подвесок.

Заключение

Проведенная работа позволила определить методы и приемы, необходимые для проведения исследования, и порядок их применения. Предложенная методика дает возможность сократить время исследований и материальные затраты на разработку и оценку новых конструктивных решений, в том числе в области активных и полуактивных упругодемпфирующих элементов.

Использование системной модели позволяет заглянуть во внутрь механизма и оценить работу отдельных элементов и подсистем.

Проведенные численные и натурные эксперименты показали, что

1. На этапе отладки имитационной модели, опираясь на известные или полученные в ходе экспериментов данные, возможно получить модель с адекватными подсистемами и в целом достоверно отражающую исследуемые процессы.
2. Использование экспериментальных данных для задания режимов испытаний требует их предварительной обработки, например сглаживанием, которое может быть выполнено с коэффициентом детерминации выше 0,999, и позволить избежать некорректных режимов и результатов.
3. Серийная подвеска кресла оператора мобильного энергетического средства не во всех случаях справляется с задачей сглаживания ударов в вибрации, что предполагает необходимость дальнейшего развития конструкции.

Одним из возможных направлений дальнейших исследований является создание модели подсистемы упругодемпфирующего устройства активного или полуактивного типа и проведение сравнительных испытаний для оценки и оптимизации конструктивных решений.

About the authors

Arkady Vasilevich Khimchenko

Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I

Author for correspondence.
Email: himch.arkady@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-9340-4252
SPIN-code: 4568-1757
Scopus Author ID: 57222147852
ResearcherId: B-5266-2016

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры сельскохозяйственных машин, тракторов и автомобилей

Russian Federation, профессор кафедры сельскохозяйственных машин, тракторов и автомобилей

Oleg I. Polivaev

Voronezh State Agrarian University named after Emperor Peter the Great

Email: Polivaevoi@icloud.com
ORCID iD: 0000-0002-3610-6339
SPIN-code: 1423-0193

Professor, Dr. Sci. (Tech.)

Russian Federation, Voronezh

Dmitry B. Bolotov

Voronezh State Agrarian University named after Emperor Peter the Great

Email: BDB1998@ya.ru
ORCID iD: 0000-0002-3925-1419
SPIN-code: 6368-0059

Master’s Degree

Russian Federation, 1, Mitchurina street, Voronezh, 394087

Aleksey N. Kuznetsov

Voronezh State Agrarian University named after Emperor Peter the Great

Email: kuz-basss@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0001-9065-2971
SPIN-code: 1035-3981
Scopus Author ID: 57201781450

доцент кафедры сельскохозяйственных машин, тракторов и автомобилей

Russian Federation

Alexey V. Loshenko

Voronezh State Agrarian University named after Emperor Peter the Great

Email: Loshenko.av@mail.ru
ORCID iD: 0009-0008-7616-4198
SPIN-code: 7983-1059
Scopus Author ID: 57212169531
ResearcherId: KBQ-0999-2024

канд. техн. наук, доцент кафедры сельскохозяйственных машин, тракторов и автомобилей

Russian Federation, 394087, Российская Федерация, г. Воронеж, ул. Мичурина, 1

References

Supplementary files