Experimental studies of characteristics of vibration protection elements for operator workplace of industrial tractor

Full Text

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.

About the authors

I. Ya Berezin

South Ural State University

DSc in Engineering Chelyabinsk, Russia

Yu. O Pronina

South Ural State University

Email: proonina@mail.ru
Engineer Chelyabinsk, Russia

V. N Bondar'

South Ural State University

PhD in Engineering Chelyabinsk, Russia

L. V Vershinskiy

Chelyabinsk Tractor Plant - URALTRAC, LLC

Email: vershinskiy_l@chtz.ru
PhD in Engineering Chelyabinsk, Russia

P. A Taranenko

South Ural State University

PhD in Engineering Chelyabinsk, Russia

References

Supplementary files