Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса
1.1 Основные требования, предъявляемые к подвескам виброзащитных сидений 11
1.2 Основные параметры и характеристики упругих подвесов . 19
1.3 Виброзащитные системы с квазинулевой жесткостью и их конструктивные особенности. 21
1.4 Обзор существующих типов виброзащитных подвесов и применяемых в них упругих элементов. 24
1.5 Существующие конструкции торсионных подвесов. 31
1.6 Материалы, применяемые для изготовления упругих элементов торсиона. 34
1.7 Методы расчета торсионных подвесов. 35
1.8 Обзор существующих методик расчета канатных виброизоляторов 38
1.9 Выводы и задачи исследования.
49
2. Разработка конечно-элементной модели торсиона 62
2.1 Выбор механизма корректировки жесткости подвеса. 52
2.2 Конструктивные особенности низкочастотного торсиона. 57
2.3 Конечно-элементная модель торсиона для определения его статических характеристик . 59
2.4 Математическая модель торсиона для определения его динамических характеристик.
3. Методика автоматизированного подбора параметров торсиона
3.1 Общие положения. 66
3.2 Определение рациональных параметров компенсатора жесткости торсиона. 68
3.3 Определение конструктивных параметров торсиона для получения требуемой жесткости . 70
3.4 Получение амплитудо-частотных характеристик торсиона. 75
3.5. Оценка долговечности канатного торсиона 77
3.6 Блок схема схема использования методики расчета канатного торсиона с компенсатором жесткости. 84
3.7 Методики автоматизированного расчета канатных виброизоляторов 86
4. Математическая модель торсионного подвеса
4.1 Выбор опорного варианта виброзащитного подвеса. 89
4.2 Конструктивные особенности виброзащитного подвеса. 92
4.3 Статический расчет подвеса вибразащитного кресла, 95
4.4 Вывод уравнения движения подвеса виброзащитного кресла при наличии вынужденных колебаний основания . 102
4.5 Решение уравнения движения подвеса виброзащитного кресла при наличии вынужденных колебаний основания. 112
4.6 Влияние различных параметров подвеса на виброзащитные свойства подвеса. 113
5. Экспериментальное исследование торсионного подвеса
5.1 Аппаратура, используемая при измерении.
5.2 Общая методика проведения измерений с помощью крейтовой системы. 128
5.3 Определение упругой характеристики торсиона и виброзащитного подвеса. 129
5.4 Определение амплитудо-частотной характеристики торсиона и виброзащитного подвеса.
Заключение
Список использованных источников
Приложения
- Основные параметры и характеристики упругих подвесов
- Конечно-элементная модель торсиона для определения его статических характеристик
- Определение конструктивных параметров торсиона для получения требуемой жесткости
- Вывод уравнения движения подвеса виброзащитного кресла при наличии вынужденных колебаний основания
Введение к работе
Актуальность темы. В рамках системы человек-машина можно выделить область, где оператор стал заложником конструкторских решений, принимаемых в отрыве от требований эргономики. Примером тому может служить ряд строительно-дорожных и горных машин, у которых рабочее место ограничено минимальным объемом кабины, где к тому же размещено оборудование, не связанное ни с обеспечением безопасности, ни с системой управления. В результате, нарушаются требования ГОСТ Р ИСО 3411-99 и не остается места для размещения виброзащитного оборудования. И если работоспособность машин получает дальнейшее развитие в первую очередь за счет повышения энерговооруженности, то условия работы оператора не улучшаются [56]. В результате чего, вибрационная патология по-прежнему занимает одно из первых мест среди профессиональных заболевании, поражая наиболее квалифицированных рабочих с большим стажем работы [71]. О положении дел свидетельствуют уровни общей вибрации ряда машин.
Поэтому, создание низкочастотных, компактных виброзащитных кресел является актуальной задачей.
В настоящее время, из-за большого разнообразия машин различного назначения (горные, строительно-дорожные, путевые, сельскохозяйственные и др.) перечень требований, предъявляемых к виброзащитным подвесам, значительно расширен. Что делает задачу создания универсальной конструкции подвеса трудоемкой.
Энергоемкость и значительное демпфирование канатных виброизоляторов, высокая несущая способность торсионного подвешивания и наличие гибких связей, способно обеспечить независимое положение упруго-демпфирущего элемента в подвесе, что дает большую
свободу выбора конструктивных видов и возможность создания эффективной виброзащитной системы.
Разработкой канатных виброзащитных систем занимается широкий ряд организаций (Loggers (Германия), "SST" (США), Томск, Новосибирск, Алчевск (Украина), ТҐТУ (Тверь)) и ученых (Ведерников Н.И., Горбунов В.Ф., Ильинский B.C., Карпушин В.Б., Резников И.Г., Синев Н.И.) как у нас в стране, так и за рубежом. Несмотря на это, даже статический расчет канатных виброизоляторов является трудной задачей и опирается на большое число эмпирических зависимостей.
Применение метода конечных элементов к задачам расчета канатных виброизоляторов может существенно ускорить получение необходимых характеристик на стадии проектирования и главным сдерживающим фактором является отсутствие методик использования МКЭ применительно к канатным системам виброзащиты.
Цель и задачи исследования. Целью данной работы является разработка методического и программного обеспечения для автоматизированного проектирования и создания виброзащитной подвески сидений операторов машин на основе синтеза канатного торсиона и корректора жесткости удовлетворяющей требованиям транспортно-технологической вибрации для максимально широкого ряда машин, а также разработка универсальной методики расчета канатного торсиона при произвольном нагружении.
Для достижения указанной цели поставлены и решались следующие задачи:
выделение и систематизация основных требований, предъявляемых к виброзащитным подвесам операторов машин, для выявления технических и физических противоречий;
выбор и обоснование необходимой силовой характеристики виброзащитного подвеса;
разработка и обоснование конструктивного вида виброзащитного канатного торсиона с корректором жесткости;
создание конечно-элементной модели канатного торсиона с корректором жесткости с целью определения его оптимальных параметров;
разработка и обоснование конструктивного вида виброзащитного торсионного подвеса;
создание математической модели торсионного подвеса и анализ влияния различных конструктивных параметров на его виброзащитные свойства;
разработка методики и комплекса прграммных средств для проектирования канатного торсиона по заданным ограничениям и произвольной нагрузке.
Идея работы состоит в сочетании положительных сторон торсионного подвешивания и канатных виброизоляторов, обладающих значительным демпфированием применительно к проектированию виброзащитных подвесов.
Методы исследований. В работе использованы методы моделирования, основанные на хорошо изученных процессах строительной механики и динамики машин, нелинейной теории колебаний, математической статистики, а также применены современные методы и средства спектрального анализа вибрационных процессов, методы проектирования баз данных, методы структурного, объектно-ориентированного программирования. Адекватность разработанных математических моделей оценивалась путем сравнительного анализа результатов моделирования с опытными данными.
Научная новизна полученных результатов, которые выносятся на защиту:
Проведены исследования объекта проектирования путем анализа упруго-демпфирующих характеристик канатного торсиона в сочетании с корректором жесткости с целью удовлетворения требованиям подвеса.
Разработана методика, которая позволяет рассмотреть общий случай постановки задачи расчета канатного торсиона при произвольном нагружении.
Разработаны базы данных для расчета канатных виброизоляторов и торсионов произвольной конструкции.
Получена математическая модель системы подвес-торсион для определения динамических характеристик при наличии вынужденных колебаний.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждаются: использованием современных численных методов исследования, а также методов экспериментальных исследований и научного анализа экспериментальных данных; достаточностью для решения поставленных задач объема материала, полученного при натурном и вычислительном экспериментов; применением апробированных методов расчета: метода конечных элементов, метода конечных разностей, симплекс метода в сочетании с методом штрафных функций, метода Рунге-Кутта, методов преобразования Фурье, метода наименьших квадратов; приемлемой степенью адекватности разработанных математических моделей реальным физическим процесса (расхождение не превышает 15%).
Практическая ценность работы.
Методики позволяют на стадии проектирования определять основные параметры канатных торсионов, применительно к конкретной виброзащитной системе.
Программное обеспечение для реализации указанных методик.
3. Конструкция виброзащитной подвески снижающая уровни вибрации до требований санитарных норм.
Личный вклад соискателя. Результаты исследований, приведенные в диссертационной работе, получены лично соискателем. Автору принадлежат: основные идеи работы; разработка методики, подготовка и проведение экспериментальных исследований, а также статистическая обработка их результатов; разработанные математические модели и программы для исследования упругих и динамических характеристик виброзащитного торс иона с компенсатором жесткости, анализ и обобщение результатов моделирования.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на международной конференции "Высокие технологии в экологии" (Воронеж 2001 г., 2002 г.). "Неделя горняка" (Москва 2001 г., Москва 2002 г.)
Связь работы с научными программами, целями и темами. Диссертационная работа выполнена в соответствии с научным направлением кафедры "строительные, дорожные машины и оборудование" ТГТУ, и хоздоговорной тематикой с АО АвтоВАЗ в рамках аспирантского плана.
Научное значение работы заключается в развитии теории нелинейных колебаний на основе разработанных и реализованных математических моделей подвеса и установленных закономерностей поведения канатного торсиона с корректором жесткости.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка использованных источников из 115 наименований и приложений на 16 страницах. Объем работы составляет 135 страниц машинописного текста, 65 рисунков, 9 таблиц, всего 165 страници.
Публикации.
Гордиенко Б.А., Маслеников Д.Г., Резников И.Г. Динамические свойства конструктивных элементов виброзащитного кресла. Труды 4-ой международной конференции "Высокие технологии в экологии": Воронеж, ВОРЭА,2001:с. 138-141.
Гордиенко Б.А., Корнев Д.Г., Маслеников Д.Г., Резников И.Г. Канатная Снижение виброактивности трубопроводов. Труды 5-ой международной конференции "Высокие технологии в экологии": Воронеж, ВОРЭА, 2002: с. 206-209.
Гордиенко Б.А. О применимости метода конечных элементов к расчету стержневых канатных виброизоляторов. // Вестник Тверского государственного технического университета: Научный журнал. Тверь: ТГТУ, 2003. - №2/ -с.49-51.
Гордиенко Б.А. Численное исследование динамических свойств торсионного подвеса. // Неделя горняка: Горный информационно-аналитический бюллетень. М: Московский государственный горный университет, 2003. - №9. - с. 172-174.
Гордиенко Б.А. Методика автоматизированного расчета канатных виброизоляторов. // Объединенный научный журнал. М: Тезарус, 2004.- №5.
СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА
Основные параметры и характеристики упругих подвесов
Суть представления состоит в разбиении главной цели (создание подвеса) на более подробные подцели (более низкого уровня), что способствует разъяснению смысла общей цели с одной стороны, с другой стороны, все подцели нижележащего уровня являются средствами для достижения целей вышележащего уровня. Такой подход позволяет выделить необходимые показатели качества, выявить возможные технические и физические противоречия.
Анализируя рис. I можно выделить ряд существенных технических противоречий: с точки зрения эргономичности, массу подвеса следует уменьшать, что позволит без усилий проводить монтаж, демонтаж и транспортировку виброзащитного кресла. С другой стороны, с точки зрения вибрационной безопасности, массу подвижных элементов подвеса следует напротив — увеличить; с точки зрения безотказности устройства, следует использовать материалы или покрытия, стойкие к агрессивным условиям окружающей среды, а с другой стороны, необходимо стремиться к снижению себестоимости всей конструкции; жесткость подвеса, должна соответствовать нагрузке, вызываемой массой оператора. Но с другой стороны, ширина частотного диапазона эффективной виброзащиты тем шире, чем меньше жесткость подвеса в статическом положении равновесия. Отметим, что последнее техническое противоречие является наиболее существенным и трудно разрешимым; при наличии пространственной вибрации заставляет увеличивать габариты подвеса и его жесткость для обеспечения устойчивости во всех направлениях. С другой стороны, малая величина рабочего пространства накладывает строгие ограничения на габариты виброзащитного подвеса. Рассмотрим основные параметры и характеристики упругих подвесов, акцентируя особое внимание на выделенные противоречия.
Как было отмечено в предыдущем параграфе, к упругим характеристикам виброзащитных подвесов наземных транспортных средств, предъявляют широкий ряд требований, некоторые из которых трудно совместить в одном устройстве. С одной стороны, для обеспечения непробиваемости и возможности регулировки по массе в широком диапазоне подвеска должна иметь большой запас потенциальной энергии W, что может быть достигнуто или увеличением полного хода подвеса от хп] до х„2 (AW]), или увеличением жесткости подвеса от с( до C2 (Л\Уг). Увеличение х„ ограничивается компоновкой машины, а так же величиной допустимых напряжений в упругих элементах подвеса. Увеличение же жесткости приводит к росту собственной частоты колебаний и ускорений. С точки зрения виброизоляционных свойств системы жесткость подвески необходимо наоборот, уменьшать. В пределах линейной характеристики (рис.2 (а)) эта проблема может иметь лишь компромиссное решение, далекое от оптимального.
Нелинейные характеристики различного вида представлены на рис 2(6, в). Они позволяют иметь различную жесткость при различных значениях хода подвеса. Желательно в соответствии с дифференцированными требованиями, сформулированными выше, иметь небольшую жесткость (в районе статического хода) для возмущающих воздействий с малыми амплитудами (при движении транспортного средства по высокочастотному профилю) с малым ходом подвеса и большую жесткость для возмущающих воздействий с большими амплитудами (при движении по ухабистой дороге) с большим ходом подвеса. Характеристика 2 на рис. 2 (б) совершенно не удовлетворяет поставленным требованиям, так как дает прямо противоположные результаты. Характеристика 3 на этом же рисунке в какой-то степени удовлетворяет требуемому характеру изменения жесткости в зависимости от хода подвеса, но является неприемлемой по энергетическим параметрам.
Наиболее рациональной, очевидно, является характеристика 2 на рис. 2(в), обеспечивающая малую жесткость в районе статического хода и большую жесткость и запас потенциальной энергии при больших значениях хода подвеса. Примерно такую же характеристику могут обеспечить пневмогидравлические или пневматические подвески.
Для подвесок с металлическими рессорами возможно улучшение характеристики за счет установки дополнительного подпружинивания (упругого буфера) рис 2(г) с жесткостью с2 работающего при значениях хода подвеса от хд до х„.
Отмеченное в предыдущем параграфе противоречие между несущей способностью и собственной частотой может быть устранено в виброзащитных системах с квазинулевой жесткостью (ВСКЖ) [1, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41]. В этих системах в области статического равновесия можно обеспечить сколь угодно малую жесткость за счет введения дополнительных устройств, называемых корректорами жесткости.
Все ВСКЖ делятся на четыре основные группы [12]. К первой группе относят наиболее обширную и конструктивно разнообразную группу систем, содержащих в себе несущие упругие элементы с постоянной положительной жесткостью и устройства с отрицательной жесткостью (а.с. 343038 СССР, а.с. 203556 СССР, а.с. 192132 СССР). В первую группу объединены системы (рис.3), результаты исследований которых приведены, например, в работах [27, 28, 29], реализация их для виброизоляции в креслах операторов транспортных средств отражена в работе [30], опыт применения этих систем в ручных машинах ударного действия описан в работах [32, 31, 33], в что каждая из них не имеет конструктивно выделенного несущего упругого элемента. Она состоит из систем, применяемых в первой группе в качестве устройства с отрицательной жесткостью. Исследование этих систем освещено в работах [34, 36, 37, 38].
К третьей группе упругих систем (рис.5), обладающих интервалами перемещения с пониженной жесткостью, отнесены системы, содержащие упругий элемент и рычаги переменной структуры.
К четвертой группе (рисб) следует отнести тросовые виброизоляторы, в которых реализуется интервал перемещения с пониженной жесткостью за счет потери устойчивости отрезка каната при осевой деформации. В последние годы как у нас в стране, так и за рубежом особенно интенсивно ведутся разработки канатных виброизоляторов [loggers, 39,40, 1,41]. Сейчас, известно более 30 конструктивных видов виброизоляторов, у которых упругие элементы выполнены из отрезков каната.
Конечно-элементная модель торсиона для определения его статических характеристик
В практике виброзащитных систем применяются также рези неметаллические виброизоляторы [82, 83], которые снабжены упругим элементом в виде фасонного резинового массива, соединенного с деталями металлической арматуры с помощью вулканизации. Такие устройства рассчитаны на статическую нагрузку в диапазоне от 100 до 4000 Н и частотный диапазон от 20 Гц до 2000 Гц [59], что делает нецелесообразным их применение в подвесах кресел.
В приведенном перечне видов упругих элементов они расположены в порядке возрастания удельной энергоемкости [16].
Опыт проектирования упругих элементов показывает, что из всех указанных видов (при равных жесткостях) наименьшей удельной энергоемкостью обладает эллиптическая рессора. В силу этой причины, в настоящее время, такой тип рессор практически не применяют.
Пружинные рессоры - это наиболее часто применяемые металлические упругие элементы (бывают цилиндрические, конические, экспоненциальные, тарельчатые, прорезные, плоские и пр.). Они обладают большим ресурсом работы, их упругие характеристики мало зависят от внешних условий (температуры, влажности и т. п.) [80, 81]. Пружинные рессоры имеют широкий диапазон жесткости, не способны к деформациям ползучести, однако не обладают демпфирующим эффектом. Его увеличивают с помощью воздушного или фрикционного демпфирования. Пружины используются для ослабления как низких, так и высоких частот.
Торсионные подвески получили достаточно широкое распространение в технике. Они применяются на транспортных гусеничных машинах, в автомобилестроении (задний мост легковых и грузовых автомобилей), в тележках вагонов железнодорожного транспорта [15], в точных приборах, в виброзащитных системах [51, 52]. В последнее время торсионные рессоры используют даже на спортивных снарядах (скейтборды) [17]. Объясняется это сравнительно простой конструкцией, удобной компоновкой, высокими техническими показателями и надежностью, достигнутыми в процессе длительных работ по их совершенствованию, возможностью их применения в широкой области вибрационного возбуждения. Однако традиционные металлические торсионы подобно пружинам обладают малым демпфированием. В настоящее время существует множество компоновочных схем торсионного подвешивания.
Хорошо зарекомендовали себя канатные подвесы [1, 2, 84], т.к. они позволяют расширить эффективный диапазон гашения вибраций начиная с 2 Гц, обладают значительным демпфированием, способны работать в широком диапазоне температур и в агрессивных средах.
Пневматические виброизоляторы [85] широко применяются в системах виброзащиты. В большинстве случаев включают рабочую и демпферные камеры, межкамерный дроссель, иногда управляющий золотник. С помощью пневматических вибро изолятор о в гасят низкочастотные возбуждения (5 — 10 Гц). В качестве рабочего тела используют воздух, газы, чаще всего азот. Характеризуются надежностью, малой потребляемой мощностью, высокой несущей способностью, обеспечивают «мягкий» характер подвеса. Недостатком является сложность изготовления, большие габаритные размеры, однонаправленность действия, зависимость упругих характеристик от температуры.
Жидкостные вибро изоляторы [85] в качестве рабочего тела используют жидкости, обладающие высоким коэффициентом объемного сжатия [57], например керосин, спиртоглицериновые смеси, специальные масло АМГ-10, синтетическая жидкость 7-50с-3 и др. Жидкостные виброизоляторы отличаются малыми габаритами, размерами и массой. Высокая статическая жесткость обеспечивает необходимую несущую способность, малая динамическая жесткость позволяет получить собственную частоту системы меньше 1 Гц. Существенно при вибрационном или ударном нагружении то, что процесс сжатия жидкости происходит по адиабатическому закону, характеризуемому адиабатическим модулем упругости: вязкость жидкости уменьшается с повышением температуры и увеличивается с повышением давления. Основные характеристики жидкостных виброизоляторов сильно зависят от изменения объема жидкости. Жидкостные виброизоляторы эффективны в низкочастотной части спектра возмущений, являются виброизоляторами однонаправленного действия, находят широкое применение в активных системах виброзащиты и в качестве поглотителей ударов.
Комбинированные упругие элементы нашли наибольшее применение. В них конструктивно объединены упругие и демпфирующие элементы из различных материалов, которые могут иметь параллельное, последовательное или смешанное соединение. В качестве примера можно назвать пружинно-поролоновые виброизоляторы с параллельным включением упругих элементов, пружинно-сетчатые, из стекловолокна, заключенные в неопреновуго оболочку, из металлической пыли, помещенной в резино-кордовый баллон, жидкостно-газовые и др.
В приведенном перечне видов упругих элементов они расположены не только в порядке возрастания удельной энергоемкости, но и в порядке возрастания их стоимости. Исключение составляют лишь канатные упругие элементы, которые обладают относительно низкой ценой. Поэтому представляет интерес создание виброзащитного подвеса, в котором сочетались бы положительные стороны торсионных рессор, которые находятся в середине стоимостно-эффективного списка, и канатных виброизоляторов, обладающих значительным демпфированием. Кроме того, в большинстве рассмотренных компоновках подвесов, использован опорный вариант соединения упругих элементов с подвижными частями кресла. Т. е. упругие элементы работали либо на сжатие, либо на растяжение.
Определение конструктивных параметров торсиона для получения требуемой жесткости
Предложенная методика может быть использована при проектировании реального виброизолятора, имеющего конструктивные особенности: ограничения геометрических размеров, предполагаемые предельные внешние нагрузки, упругие свойства и др. Под расчетом виброизолятора понимаем получение силовых и определение амплитудо-частотных характеристик в зависимости от различных геометрических размеров, упругих свойств канатов, демпфирования виброизолирующих элементов при условии минимума напряжений, возникающих в узлах конструкции. Формирование структуры виброизолятора осуществляется при помощи целого ряда программных средств (рис.41), управление которыми сведено в единую программу. Расчет характеристик системы осуществляется в базисе проектирования среды "Ansys", представляющем собой библиотеку описаний моделей элементов (основных типов конечных элементов) будущей структуры, допустимых к использованию. Описание структуры выполняется на формальном языке "Ansys" и представляется конечно-элементной моделью объекта проектирования.
Математическая конечно-элементная модель торсиона является центральным элементом структу ры автоматизированного подбора параметров ви бр о изолятора и служит средством анализа принимаемых решений. Процесс расчета параметров можно разделить на следующие основные этапы: 1. Анализ исходных данных. Формулируется цель виброизоляции, определяются уровни вибрации в направлении приложения постоянно действующих сил, инерционные и геометрические характеристики объекта защиты, возможные механические нагрузки, которые действуют на систему защиты, условия окружающей среды. Определяется необходимая эффективность виброзащиты. На основании допустимых уровней вибрации по заданным характеристикам вибрационного процесса определяется коэффициент потребности защиты рабочего места или другой показатель эффективности. 2. Структура виброизолятора. Из анализа характера возмущений, уровней вибрации, частотного диапазона и ограничений, накладываемых условиями эксплуатации конкретной машины, предварительно выбирается структура виброизолятора. 3. Определение наиболее рациональных параметров компенсатора жесткости торсиона. 4. Определение конструктивных параметров торсиона для получения требуемой жесткости (расчетная среда "Ansys"). 5.
Получение амплитудо-частотных характеристик торсиона. При разработке математической модели виброизолятора принимаем следующие допущения: - амплитуды колебаний виброизолятора являются малыми; - расстояние между точками крепления отрезков каната в процессе нагружения остается неизменным; - линейные и угловые колебания рассматриваем относительно оси симметрии. Введем условные обозначения: 1 - длина упругого элемента; г - радиус закрепления упругих элементов; п - количество упругих элементов; nk - количество каскадов; Ф - угол закрутки торсиона; Ек - модуль упругости материала упругого элемента торсиона первого рода; GK — модуль упругости материала упругого элемента торсиона второго рода; 1К — момент инерции поперечного сечения упругого элемента торсиона. 3.2 Определение рациональных параметров компенсатора жесткости торсиона. Целью данного подраздела является: - определение необходимой жесткости торсиона для заданной нагрузки; - определение геометрических параметров компенсатора жесткости, обеспечивающих минимум собственной частоты колебаний торсиона. Силовая характеристика торсиона с компенсатором жесткости, показанного на рис. 24 п.3.2, определяется уравнениями: где с - крутильная жесткость торсиона; F - усилие, действующее наторсион; ф0 - первоначальный угол наклона оси симметрии кулачка к горизонтали; Изменяя значение угла ф0 можно получить ряд упругих характеристик для различного значения масс оператора. При этом жесткость всего виброизолятора останется неизменной.
Задача выбора наилучших параметров кулачкового компенсатора жесткости сводится к задаче параметрической оптимизации, где в качестве функционала выступает жесткость торсиона с кулачком: при условии к 0, где р - усилие, передаваемое на торсион; ф — угол поворота торсиона; R — радиус основной шайбы; г - дополнительный радиус; фо - начальный угол поворота оси симметрии кулачка к горизонтали. Проектными переменными являются: R є [Rmin---Rma.\] — радиус основной шайбы; г є [rmin...rmax] - дополнительный радиус; ф0 є [фотт.-фота ] - начальный угол поворота оси симметрии кулачка к горизонтали. При ограничении к 0, т.к. отрицальная жесткость говорит о потере устойчивости. Тогда жесткость торсиона без учета корректора будет определяться выражением: Для численного решения задачи оптимизации использовался метод Нелде-ра-Мида, и была составлена программа (рис. 32) на языке Delphi, которая выдает в качестве результатов внешний вид силовой характеристики торсиона и график изменения его жесткости в зависимости от угла поворота.
Вывод уравнения движения подвеса виброзащитного кресла при наличии вынужденных колебаний основания
Фильтр, усилитель и АЦП объединены в единый измерительный прибор (крейт), к входам которого непосредственно подключаются первичные преобразователи, а к выходу - компьютер. Управление крейтом (коэффициенты усиления измеряемого сигнала, границы фильтрации, частота дискретизации, время регистрации процессов и прочие, необходимые для измерения параметры) осуществляется с помощью программы, разработанной специально для управления крейтом.
Общий вид крейта показан на рисунке 1. Он представляет собой модульную систему, которую в любой момент можно настроить на необходимые измерения. Он удовлетворяет требованиям ГОСТ Добавление модулей позволяет увеличить число каналов.
Роль АЦП в крейте выполняет модуль LC-301 (рис. 47). Он является базовым модулем крейта, обеспечивающим аналого-цифровое преобразование сигналов. Сам модуль не имеет собственных аналоговых входов, и измеряет сигналы, поступающие на него с внутренней аналоговой шины крейта от других модулей, поэтому его наличие в общей системе необходимо при любых измерениях. (Технические характеристики этого, а также других модулей и составных частей измерительного комплекса приведены в приложении).
Аналоговые модули являются промежуточным звеном между первичным преобразователем и АЦП. Они обеспечивают коммутацию измерительного тракта, обеспечивают усиление и фильтрацию (с помощью дополнительных модулей) измеряемого сигнала, и выдают обработанный аналоговый сигнал на внутреннюю шину крейта. Рис.47 МодульLC-301 Основным аналоговым модулем, наиболее часто используемым при измерениях, является модуль LC-201 (рис. 48). Модуль измеряет напряжение, подаваемое ему на вход, следовательно, к нему можно подключить любой датчик, имеющий в качестве сигнала на выходе постоянное напряжение. Он представляет собой 4-х канальный усилитель Модуль LC-201 постоянного тока с перестраиваемым коэффициентом усиления и со встроенным фильтром низкой частоты 2-го порядка. Модуль обеспечивает компенсацию начального смещения напряжения на входе, имеется режим работы с отсечкой постоянной составляющей. Настройки параметров усилительного тракта производятся индивидуально для каждого канала. Кроме того, совместно с предусилителями LP-04 (рис. 49), модуль может работать с тензодатчиками (мостовыми и полумостовыми тензосхемами) для измерения усилий в элементах конструкций и напряжений в металле. Начальный разбаланс тензомоста (полумоста) компенсируется программным путем.
Предусилитель LP-04 Для измерений в тензометрии применяется модуль LC-210, который работает на переменном токе и представляет собой 4-х канальный усилитель - тензопреобразователь на несущей частоте с перестраиваемым коэффициентом усиления со встроенным перестраиваемым ФНЧ 3-го порядка. В модуле имеется возможность компенсировать программным путем начальный разбаланс тензомоста. Настройки параметров усилительного тракта производятся индивидуально для каждого канала. Предусмотрена возможность синхронизации несущей частоты модулей, установленных в одном крейте. Режим выбирается установкой межмодульных перемычек внутри крейта. На модуль LC-210 может быть дополнительно установлен субмодуль LC-021T, представляющий собой перестраиваемый ФНЧ 8-го порядка. Кроме основных модулей, которые используются непосредственно при измерениях, в крейте имеются вспомогательные модули, необходимые для настройки крейта (калибровка измерительного тракта, компенсация смещения "нуля"): модуль LC-302 - ЦАП и модуль LC-352 -многофункциональный генератор (рис. 50). В качестве первичных преобразователей при исследованиях использовались следующие типы индустриальных датчиков: акселерометры; датчики перемещения; датчики силы; В качестве акселерометра применялись датчики АНС-014-03, AT 1105-2А(10А) и ENDEVCO 7290А-10. (рис. 51). Выбор типа датчика определялся в основном способом крепления на исследуемом объекте. Краткая техническая характеристика датчиков приведена в таблице 9.
Как следует из таблицы, при измерениях удобнее использовать акселерометр ENDEVCO 7290А-10, поскольку при лучших характеристиках он имеет меньшие габариты и удобнее в креплении на исследуемом объекте. Перемещения измерялись с помощью датчиков реостатного типа ЛХ-706 (705) рис. 52. Краткая техническая характеристика датчиков приведена в таблице приложения. Датчики, используемые при измерениях физических величин Датчик измерения усилия представляет собой полый цилиндр, закрытый с обеих сторон тонкими пластинами, на одну из которых наклеены тензодатчики, соединенные в полумостовую схему. Обеспечение работы вышеописанного оборудования не возможно без специализированного программного обеспечения. С его помощью производится настройка самого крейта, настройка параметров регистрации и собственно регистрация исследуемых процессов. На рис. 53 приведен интерфейс программы регистрации "Adifes", которая позволяет гибко настроить аппаратуру для проведения исследований. Программа позволяет настроить такие параметры, как частота дискретизации (максимальное значение зависит от числа регистрируемых каналов); длительность регистрации - непрерывная или задается в секундах; для каждого канала его параметры (чувствительность датчика, параметры фильтрации, коэффициент усиления, размерность процесса и пр.); смещение "нуля". После настройки всего комплекса оборудования производится регистрация процессов, после чего, результаты сохраняются в файл, имеющий строго определенный формат. Для работы с файлами регистрации разработаны служебные утилиты: утилита для изменения "шапки" файлов данных (используется для изменения названий процессов и их размерностей в зарегистрированных файлах); утилита для нарезки файлов (для сохранения в отдельном файле выбранных участков процессов или выбранных процессов из множества зарегистрированных, а также для разделения файлов с длительным временем регистрации на несколько частей). Рассмотренные выше программы определяют первый этап работ в исследованиях. После получения файлов регистрации необходима их математическая и статистическая обработка. Для этого также были разработаны специальные программы. Для первичной оценки результатов измерений используется программа "Viewer50", интерфейс и возможности обработки файлов показаны на рис. 54.
