Vibration levels on operator’s workplace and vibration protection characteristics of seat suspensions

Full Text

Введение При создании системы защиты оператора колесных и гусеничных машин от постоянных колебательных воздействий вибрационного характера принципиально важное значение имеет информация, касающаяся спектра частот и диапазона амплитуд этих вибровоздействий во время эксплуатации машины. Эти воздействия формируются в ходовой системе при движении по неровностям почвенного фона, у гусеничных машин вдобавок при перемотке гусеницы, в силовых передачах в результате постоянного изменения передаваемого крутящего момента и возникновения вследствие этого крутильных колебаний в силовой цепи, а также в силовой установке в результате действия переменных газовых и инерционных сил на коленчатый вал двигателя при его работе. При этом необходимо знать, какая часть этих воздействий поглощается либо ослабляется первичной системой подрессоривания, то есть подвеской остова машины, а какая часть вторичными системами, то есть подвесками двигателя и кабины, а с какой частью подвеска кабины не справляется и для эффективной защиты от которой должна быть спроектирована подвеска сиденья [1, 2, 3, 4]. Наиболее достоверную информацию о спектральном и амплитудном составе вибровоздействий получают в результате экспериментальных исследований. Цель исследований на примере результатов натурных измерений реальных эксплуатационных возмущений и вибрационных характеристик на колесном тракторе К-744Р1(ст.), работавшем в агрегате с плоскорезом ПГ-3-5 в режиме вспашки стерни с постоянной скоростью движения, провести сравнительное исследование виброзащитных свойств различных по конструкции подвесок сидений. Методы и средства проведения исследований 1. Характеристика эксплуатационных возмущений при работе гусеничных машин В монографии профессора Кузнецова Н.Г [5] приведены экспериментально полученные графики изменения спектральной плотности крюкового усилия трактора семейства ДТ в составе машинно-тракторного агрегата на пахоте, культивации и севе (рис. 1). В монографии указывается, что спектральные плотности тяговых сопротивлений пахотного, культиваторного и посевного агрегатов с серийной навеской имеют пять ярко выраженных частот, на которых наблюдаются всплески в диапазоне от 0 до 35 Гц. Максимальное значение спектральной плотности имеет место в диапазоне частот от 3 до 3,5 Гц. Энергетический уровень спектральной плотности на этих частотах в 6 - 20 раз больше, чем в диапазонах остальных всплесков. Второй всплеск наблюдается в диапазоне 10 - 13 Гц, третий - в диапазоне 14 - 16 Гц, четвертый - в диапазоне 18 - 20 Гц, пятый - в диапазоне 28 - 32 Гц. а б в Рис. 1. Спектральная плотность крюкового усилия: а - пахота; б - культивация; в - сев; 1 - серийная навеска; 2 - опытная навеска с пневмогидравлическим упругим элементом Fig. 1. Spectral density of hook force: a - plowing; б - cultivation; в - planting; 1 - production hitch; 2 - experimental hitch with pneumohydraulic elastic element Спектральная плотность тягового сопротивления и спектральная плотность ускорений остова и кабины характеризуют разные, но взаимосвязанные колебательные процессы в динамической системе тракторного агрегата. Нагрузки с динамическим характером изменения, формирующиеся в ходовой системе, через раму и подвеску кабины передаются на крепление сиденья. Подвеска сиденья должна обеспечивать защиту оператора в диапазоне амплитуд и спектре частот этих нагрузок. В работе Хрипунова Д. В. [6] показано, что значительная часть спектра вибрационного воздействия на рабочее место оператора промышленного трактора формируется при работе ходовой системы. Автором выявлены механизмы возбуждения вибраций корпуса трактора в трех зонах гусеничного движителя: в зоне направляющего колеса, опорной ветви и ведущего колеса. Разработана математическая модель «укладки» траков на опорную ветвь, ориентированная на оценку вследствие этого вибронагруженности корпуса трактора. На основе моделирования для промышленного трактора с полужесткой подвеской Т-170М.01 произведена количественная оценка вертикальных и продольных виброускорений пола кабины на месте крепления кресла оператора. Показано, что процессы, протекающие в зоне опорной ветви, являются источником возбуждения интенсивных вертикальных вибраций, уровень которых достигает величины 8 - 10 м/с2. Автором утверждается, что определяющее вибрационное воздействие на оператора трактора происходит в вертикальной плоскости в зоне опорной ветви в интервале частот, совпадающих с частотами чередования траков в гусеничном обводе. Во время работы частота их перемотки в зависимости от скорости промышленного трактора находится в диапазоне от 2,5 до 7 Гц. В посвященной исследованию колебаний и прочности кабин тракторов семейства ДТ диссертации Косова О.Д. [7] приведен график, характеризующий распределение ускорений вертикальных колебаний рамы трактора (рис. 2), которое дает представление о вероятности их появления. Автором установлено, что «наибольшие низкочастотные колебания рамы трактора наблюдаются в области 2 - 6 Гц при движении трактора на пахоте, максимальные высокочастотные колебания в области 40 - 80 Гц формируются при движении по дороге». Автором также утверждается, что «практически вся энергия колебаний сосредоточена в области собственных частот колебаний трактора на подвеске 2 - 4 Гц». Рис. 2. Функция распределения ускорений вертикальных колебаний рамы трактора Fig. 2. Distribution function of acceleration of vertical vibrations of the tractor frame В работе [8] констатируется, что «…устанавливаемые на отечественных тракторах системы подрессоривания кабин и сидений неудовлетворительно защищают оператора от низкочастотных колебаний в диапазоне 1,5-3 Гц». Таким образом, экспериментальные и расчетные исследования показывают, что наиболее активным источником возмущений в динамической системе гусеничной машины является ходовая система, в которой генерируются колебания с частотами от 0 до 40 Гц, причем обладающими наибольшей колебательной энергией и самыми высокими амплитудами являются низкочастотные колебания в диапазоне от 2 до 7 Гц, и что существенная роль в формировании динамических возмущений принадлежит процессу перемотки звенчатой гусеницы. 2. Экспериментальное определение эксплуатационных возмущений при работе колесной машины Авторами выполнен комплекс экспериментальных исследований с целью определения эксплуатационных воздействий на оператора колесного трактора во время выполнения сельскохозяйственных работ. Для этого выбрана одна из основных сельхозопераций, пахота, и одна из машин, которые часто используются для выполнения такой работы в Волгоградском регионе. При ее выполнении ходовая система и подвеска остова работают в одном из самых сложных режимов, когда передвижение с существенной тяговой нагрузкой осуществляется в агрегате с плугом по пересеченной местности, то есть присутствуют возмущения и от неравномерности действия тягового сопротивления, и от колебаний остова на подвеске, и от крутильных колебаний в трансмиссии, и от гармоник крутящего момента двигателя. Определение реальных эксплуатационных возмущений на полу кабины и подушке сиденья производилось при движении колесного трактора К-744Р1(ст.) (рис. 3) в агрегате с плоскорезом ПГ-3-5 в режиме вспашки стерни со скоростью 2,5 м/с. Исследования выполнялись на базовом участке СПК Племзавод «Ромашковский» Палласовского района Волгоградской области. Глубина вспашки почвы составляла 22…25 см. Движение трактора по выбранному участку осуществлялось на 2-й передаче II-го режима работы коробки перемены передач в диапазоне изменения частоты вращения коленчатого вала двигателя ЯМЗ-238НД5 от 2100 до 2200 об/мин. Данный режим работы тракторного агрегата характерен при выполнении пахоты. Рис. 3. Трактор К-744Р1(ст.) Fig. 3. К-744Р1 (st.) tractor При выполнении исследований [9, 10] процесс изменения мгновенных значений виброускорений на полу кабины и на подушке сиденья водителя записывался в память приборов, входящих в состав комплексов научно-исследовательской аппаратуры «ZETLAB» (рис. 4) и «Ассистент» (рис. 5). Рис. 4. Вибро- и шумоизмерительный комплекс «ZETLAB»: 1 - кабель USB (для связи с ПК); 2 - интегрирующий одноканальный блок-регистратор ZET 110; 3 - акселерометр ВС 110 Fig. 4. ZETLAB vibration and noise measuring complex: 1 - USB cable (for communication with a PC); 2 - ZET 110 single-channel integrating block-recorder; 3 - accelerometer ВС 110 На электронном многоканальном осциллографе «ZETLAB» в режиме реального времени осуществлялась запись мгновенных и среднеквадратических значений виброускорений, регистрируемых однокомпонентным датчиком (акселерометром) ВС 110 на полу кабины трактора, в дальнейшем с помощью этой аппаратуры выполнена обработка полученных данных с получением статистических характеристик. Рис. 5. Вибро- и шумоизмерительный комплекс «Ассистент» Fig. 5. Assistant vibration and noise measuring complex Комплекс «Ассистент» включает в себя встроенный анализатор шума и вибраций и датчик, реагирующий на вибрационные возбуждения по трём линейным взаимно перпендикулярным координатам. Вибрационный трёхкомпонентный датчик располагался при измерениях на подушке сиденья на металлическом диске и прикреплялся к нему при помощи постоянного магнита (рис. 6). Рис. 6. Схема расположения датчика на подушке сиденья Fig. 6. Location of the sensor on the seat cushion Отдельные результаты измерений отображены на рис. 7 в виде сравнительных спектров вертикальных ускорений пола кабины и подушки сиденья с водителем [11, 12]. Рис. 7. Спектр вертикальных ускорений: 1 - на полу кабины; 2 - на подушке сиденья оператора Fig. 7. Vertical acceleration spectrum: 1 - on the cabin floor; 2 - on the operator's seat cushion Из анализа полученных спектров следует выделить 2 пункта: · штатная подвеска сиденья оператора трактора не снижает амплитуду колебаний, передающихся от пола кабины в полосе со среднегеометрической частотой 2 Гц, а наоборот, усиливает ее почти на 8 %; · аналогичная картина увеличения уровня вертикальных ускорений наблюдается в наиболее чувствительном для тела человека диапазоне частот от 2,5 Гц до 8 Гц. 3. Расчетные исследования виброзащитных свойств подвесок сиденья Полученные в результате натурных измерений записи изменения ускорений на полу кабины и на подушке сиденья, а также их статистические характеристики использованы на следующем этапе работ для выполнения сравнительного расчетного моделирования [9, 10, 11], имеющего целью сравнение виброзащитных качеств штатной подвески сиденья трактора (рис. 8), широко распространенной в автомобиле- и тракторостроении [13] подвески сиденья Р405С/КА80НТ фирмы «Sibeco» с пневморессорой и нерегулируемым гидравлическим амортизатором, направляющий механизм которой (рис. 9) выполнен по типу «ножниц», и технического решения предложенной авторами пневматической подвески [14], позволяющей обеспечивать одинаково качественную виброзащиту оператора на ходах сжатия и отбоя, а также имеющей возможность осуществлять частичную рекуперацию колебательной энергии (рис. 10). Рис. 8. Сиденье трактора «Кировец»: 1 - амортизатор; 2 - механизм подвески; 3 - блок пружин; 4, 14 и 17 - рукоятки; 5 - гайка; 6 и 8 - шайбы; 7 и 18 - резиновые втулки; 9 - спинка; 10 - сектор; 11 и 19 - оси; 12 - подушка; 13 - рейка; 15 - остов; 16 - винт Fig. 8. Seat of the Kirovets tractor: 1 - shock absorber; 2 - suspension mechanism; 3 - spring block; 4, 14 and 17 - handles; 5 - nut; 6 and 8 - washers; 7 and 18 - rubber bushings; 9 - backrest; 10 - sector; 11 and 19 - axles; 12 - cushion; 13 - rack; 15 - frame; 16 - screw Рис. 9. Система подрессоривания сиденья фирмы «Sibeco»: 1 - основание; 2 - средняя рама; 3 - система рычагов по типу «ножниц»; 4 - пневматическая рессора; 5 - верхняя рама; 6 - ползуны механизма регулировки положения подушки сиденья; 7 - ограничитель хода; 8 - кронштейн; 9 - амортизатор; 10 - ползун направляющего механизма; 11 - система рычагов механизма регулировки положения подушки сиденья Fig. 9. Sibeco seat suspension system: 1 - base; 2 - middle frame; 3 - scissors type leverage system; 4 - air spring; 5 - upper frame; 6 - sliders of the seat cushion position adjustment mechanism; 7 - travel stop; 8 - bracket; 9 - shock absorber; 10 - slider of the guiding mechanism; 11 -system of levers of the mechanism for adjusting the position of the seat cushion Предложенная авторами статьи подвеска (рис. 10) работает следующим образом [14, 15]. На ходе сжатия давление воздуха в полости пневмобаллона 1 возрастает, при этом клапаны 7 и 8 закрыты и сообщение с ресиверами 9 и 10 отсутствует. В конце хода сжатия при смене знака скорости деформации сигнал с датчика 14 поступает на блок управления 15, открывающий клапан 8, и воздух из полости пневмобаллона 1 под давлением подается в ресивер 9. Между ресиверами 9 и 10 образуется перепад давления, который приводит в действие пневмодвигатель 11. Рис. 10. Предложенная схема подвески сиденья: 1 - пневмобаллон; 2 - направляющие рычаги; 3 - ограничитель хода; 4 - нижнее основание; 5 - верхнее основание; 6, 12 и 13 - пневмомагистрали; 7 и 8 - электропневматические клапаны; 9 и 10 - ресиверы; 11 - пневмодвигатель; 14 - датчик перемещения; 15 - электронный блок управления работой клапанов Fig. 10. Suggested seat suspension scheme: 1 - pneumocylinder; 2 - guiding levers; 3 - travel stop; 4 - bottom base; 5 - top base; 6, 12 and 13 - pneumatic lines; 7 and 8 - electro-pneumatic valves; 9 and 10 - receivers; 11 - pneumatic motor; 14 - displacement sensor; 15 - electronic valve control unit На ходе отбоя клапан 8 закрывается, при этом связь пневмобаллона с ресиверами отсутствует. Клапан 7 открывается только тогда, когда давление воздуха в пневмобаллоне становится не больше давления воздуха в ресивере 10. Тогда воздух под давлением из ресивера 10 поступает в полость пневмобаллона и приводит в действие пневмодвигатель. При достижении положения статического равновесия клапан 7 закрывается, сообщение с ресиверами прекращается. В конце хода отбоя при смене знака скорости деформации подвески по сигналу датчика 14 открывается клапан 7, воздух под давлением из ресивера 10 подается в пневмобаллон и приводит пневмодвигатель. В начале хода сжатия клапан 7 закрывается, связь пневмобаллона с ресиверами прерывается. Клапан 8 открывается только тогда, когда давление воздуха в полости пневмобаллона становится не меньше давления в ресивере 9. До достижения положения статического равновесия клапан 8 открыт, и воздух перетекает из полости пневмобаллона в ресивер 9, приводя в действие пневмодвигатель 11. Авторами разработаны математические модели перечисленных подвесок сидений и выполнен комплекс расчетных исследований [9, 10, 16, 17] с целью определения виброзащитных качеств каждой в широком диапазоне эксплуатационных воздействий. Для выполнения исследований использован программный пакет MatLab со средством визуального моделирования Simulink. Уравнения решались методом Рунге-Кутта 4 порядка с постоянным шагом интегрирования 0,0009257 с. Результаты расчета в виде массивов данных передавались посредством модуля MatLab Excel Link в файлы Excel для последующих обработок. Отдельные результаты моделирования для примера представлены на рис. 11, 12 и 13. Результаты расчетных исследований Расчетные сравнительные исследования разработанных математических моделей штатной подвески сиденья трактора, подвески фирмы «Sibeco» и предлагаемой подвески сидений показали высокую эффективность последней по обеспечению виброзащиты рабочего места оператора [9, 10, 16, 17]. На частоте гармонического возмущения 2 Гц относительное снижение коэффициента передачи H(f) предлагаемой подвески по сравнению со штатной составило 51 %, на частотах 3, 4, 5, 6, 8 и 10 Гц - 72 %, 81 %, 84 %, 85 %, 89 % и 91 % соответственно. Рис. 11. Осциллограммы абсолютных перемещений массы, подрессоренной штатной и предлагаемой подвесками сиденья, полученные при имитации воздействия случайного сигнала Fig. 11. Oscillograms of the absolute displacements of the mass sprung by the standard and suggested seat suspensions, obtained by simulating the effect of a random signal Рис. 12. Осциллограммы абсолютных ускорений массы, подрессоренной штатной и предлагаемой подвесками сиденья, полученные при имитации воздействия случайного сигнала Fig. 12. Oscillograms of the absolute accelerations of the mass sprung by the standard and suggested seat suspensions, obtained by simulating the effect of a random signal Рис. 13. Сравнительные спектры абсолютных вертикальных ускорений пола кабины и массы сиденья при использовании серийной, фирмы «Sibeco» и предложенной подвесок Fig. 13. Comparative spectra of absolute vertical accelerations of the cabin floor and seat mass when using the production, Sibeco company and the suggested suspensions При случайном возмущении предлагаемая подвеска сиденья по сравнению со штатной обеспечивает уменьшение вертикальных ускорений пола кабины в третьоктавной полосе со среднегеометрическими частотами 2, 2,5, 3,15, 4, 5, 6,3, 8, 10, 12,5, 16, 20, 25, 31,5 и 40 Гц соответственно в 1,3 раза, в 3 раза, в 2 раза, в 4 раза, в 10 раз, в 4 раза, в 14 раз, в 19 раз, в 23 раза, в 34 раза, в 44 раза, в 77 раз, в 73 раза и в 175 раз. Интегральное значение корректированных по частоте вертикальных виброускорений на подушке серийного сиденья трактора оказалось равным 0,573 м/с2, сиденья «Sibeco» - 0,504 м/с2, сиденья с предлагаемой подвеской - 0,182 м/с2. Заключение 1. Выполнен комплекс экспериментальных и расчетных исследований с целью определения основных параметров вибровоздействий на оператора гусеничных и колесных машин в процессе эксплуатации. 2. Разработаны математические модели подвесок штатного сиденья оператора трактора К-744Р1(ст.), сиденья фирмы «Sibeco» и предложенного технического решения подвески. В результате выполнения комплекса расчетных исследований созданных моделей установлено, что предложенное техническое решение пневматической подвески сиденья с управляемым обменом рабочим телом на ходах сжатия и отбоя и с частичной рекуперацией колебательной энергии обладает лучшими виброзащитными свойствами в широком диапазоне изменения эксплуатационных воздействий.

About the authors

Z. A Godzhayev

Federal Agroengineering Center VIM

Email: fic51@mail.ru
DSc in Engineering, Corresponding member of the Russian Academy of Sciences Moscow, Russia

M. V Lyashenko

Volgograd State Technical University

DSc in Engineering

V. V Shekhovtsov

Volgograd State Technical University

Email: shehovtsov@vstu.ru
DSc in Engineering

P. V Potapov

Volgograd State Technical University

PhD in Engineering

A. I Iskaliyev

Volgograd State Technical University

Volgograd, Russia

References

Supplementary files