Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 7
1.1. Источники вибрации на тракторе 7
1.2. Экспериментальные методы исследования вибрации кабин 11
1.3. Теоретические методы исследования вибрации кабин 15
1.4. Пути снижения воздействия звуковой вибрации на кабину трактора 18
1.5. Выводы и постановка задач исследования 19
2. Моделирование колебательной системы «кабина трактора на подвеске» 21
2.1. Расчетная схема 22
2.1.1. Моделирование блока фильтров 23
2.1.2. Моделирование баков системы микроклимата 23
2.1.3. Моделирование стекол кабины 24
2.1.4. Частота конечно-элементной сетки 25
2.2. Математическая модель кабины трактора на основе метода конечных элементов 27
2.2.1. Матрица жесткостей конструкции 29
2.2.2. Матрица масс конструкции 36
2.2.3. Матрица демпфирования конструкции 40
2.2.4. Вектор нагрузок конструкции 42
2.2.5. Вектор перемещений конструкции 44
2.2.6. Напряжения в элементах конструкции 44
2.2.7. Уровень звукового давления в кабине 47
2.3. Выводы : 49
3. Установка и методика экспериментального исследования динамических характеристик виброизоляторов кабины трактора 50
3.1. Определение постоянных параметров механической системы 52
3.2. Описание программного обеспечения экспериментальной установки.54
3.2.1. Согласование параметровреохордного датчика и аналого-цифрового преобразователя
3.2.2. Согласование АЦП с программным обеспечением 55
3.2.3. Обработка контрольного сигнала 56
3.2.4. Предварительная обработка результатов эксперимента 58
3.2.5. Определение параметров виброизолятора 60
3.3. Методика исследования виброизоляторов тракторных кабин 62
3.4. Экспериментальное исследование виброизоляторов 63
3.4.1. Методика эксперимента 63
3.4.2. Результаты исследования 66
3.5. Выводы 68
4. Экспериментальное исследование динамических характеристик кабины трактора 70
4.1. Цель и объект исследования 70
4.2. Методика испытания 70
4.3. Испытательное оборудование 71
4.4. Точность измерений 72
4.5. Сходимость результатов теоретического и экспериментального исследований 76
4.6. Выводы 89
5. Оптимизация параметров виброизоляции кабины .91
5.1. Мето дика оптимизации 91
5.2. Программный комплекс для исследования динамических характеристик машиностроительных конструкций 94
5.2.1. Программный модуль dataforce 96
5.2.2. Программный модуль paroptim 103
5.3. Кинематические возмущения колебаний кабины
5.4. Анализ результатов 114
5.5. Выводы 115
6. Основные выводы и рекомендации 117
Список литературы
- Теоретические методы исследования вибрации кабин
- Математическая модель кабины трактора на основе метода конечных элементов
- Согласование параметровреохордного датчика и аналого-цифрового преобразователя
- Программный комплекс для исследования динамических характеристик машиностроительных конструкций
Теоретические методы исследования вибрации кабин
Экспериментальные методы исследования вибрации конструкций основаны на фазовом, энергетическом или частотном методе [17].
Фазовый метод заключается в определении углов сдвига колебаний элементов относительно возмущающего воздействия. Сдвиг фаз между колебаниями по различным степеням свободы является основным механизмом, обеспечивающим приток энергии в колебательную систему. Выбор оптимального сдвига фаз позволяет снизить колебания объекта. Данный метод не получил широкого применения из-за сложности определения сдвига фаз.
Энергетический метод базируется на определении распределения энергии возмущающего воздействия по отдельным степеням свободы колебательной системы. Этот метод, как и фазовый, практически не используется из-за сложной зависимости оценки энергии колебательной системы со многими степенями свободы, каковой является кабина трактора.
Частотный метод заключается в определении амплитудно-частотных и фа-зо-частотных характеристик колебательного процесса. Этот метод исследования получил самое широкое применение при исследовании вибраций в кабинах тракторов.
По характеру возбуждения колебательного процесса в конструкции экспериментальные методы исследования можно разделить на следующие три группы:
Периодическое воздействие, как правило, применяется для определения амплитудно-частотных характеристик колебательных систем [18]. Для этого возбуждаются гармонические или периодические колебания входной координаты с заданной частотой и регистрируются установившиеся колебания выходной координаты. Опыты проводятся при ряде значений частот.
При импульсном возмущении элементы конструкции совершают затухающие колебания, максимальные значения ускорений которых определяются ударным спектром [19]. Импульс может быть получен тарированным ударом или взрывом. Данный метод возмущения позволяет оценить переходные процессы в колебательной системе.
Наиболее широкое применение нашел частотный метод со случайным возмущением, заключающийся в анализе отклика конструкции. В ходе анализа сравнивают амплитудно-частотные характеристики на входе и выходе колебательной системы и получают амплитудно-фазо-частотную характеристику, которая позволяет проследить изменение амплитуд колебаний от частоты. Зная амплитудно-частотную характеристику колебательной системы и спектральную плотность возмущающего воздействия получают спектральную плотность энергии колебаний на выходе системы или ее отдельного элемента. Спектральная плотность входного сигнала не зависит от параметров системы, следовательно характеристику спектральной плотности на выходе при создании оптимальной колебательной системы, приспособленной к эксплуатационным воздействиям, можно получить изменяя амплитудно-частотную характеристику. Выходной сигнал изменяют посредством снижения максимального усиления в интервале частот, на которых значение спектральной плотности воздействия минимально [20,21,22,23].
По месту проведения экспериментальные исследования делятся на лабораторные (стендовые), полигонные и эксплуатационные.
Полигонные испытания применяются в основном для испытания трактора в целом и не используются для доводочных работ его узлов, каковым является кабина трактора из-за экономической нецелесообразности. Наиболее эффективными являются стендовые испытания, позволяющие исследовать влияние на колебания кабины конструктивных и технологических факторов, которыми трудно управлять при испытаниях на полигоне и в условиях эксплуатации.
Развитие стендовых испытаний агрегатов и узлов трактора обусловлено необходимостью сокращения сроков и стоимости испытаний и идет в направлении совершенствования методов и средств имитации эксплуатационных факторов [24,25,26,27].
Для создания воздействия, возбуждающего колебательные процессы в конструкции, в стендах используются вибрационные машины [28,29,30,31], которые по принципу действия делятся на механические, электромеханические и электрогидравлические.
Весьма распространенными являются машины кинематического возбуждения нагрузок кривошипным механизмом. Они характеризуются большим разнообразием конструкции и схем, среди которых наиболее широко используются кривошипно-шатунный механизм. Среди преимуществ вибраторов данного типа можно отметить следующие:
Основным недостатком этих вибраторов является искажение формы гармоники ускорения из-за ударов, возникающих в связи с наличием зазоров между движущимися частями. Широкое применение в испытательных машинах получили возбудители динамических нагрузок в виде механических вибраторов, в которых используются силы инерции вращающихся неуравновешенных масс.
В автомобильной и тракторной промышленности широко используются стенды для вибрационных испытаний и исследования кабин и кузовов, использующие вышеописанные методы и средства возбуждения колебаний [34,35,36,37,38,39].
Математическая модель кабины трактора на основе метода конечных элементов
В условиях, когда полигонные или стендовые исследования дорогостоящи и сопровождаются большими временными затратами, а так же когда создание исследуемой ситуации на реальном объекте затруднено, небезопасно или просто невозможно, исследование выполняется на модели объекта.
Моделирование является одним из широко распространенных способов изучения окружающей действительности. Его использование позволяет существенно сократить процессы проектирования, снизить временные и трудовые затраты, обеспечить безопасность проведения исследования. При этом обычно различают физическое и математическое моделирование.
Методами моделирования могут быть решены следующие основные задачи [40]:
1. Синтез объекта. По заданному соотношению между входными и выход-ными параметрами устанавливается характеристика объекта для прогнозирования возможных направлений его совершенствования.
2. Оптимизация. Отыскание такого набора факторов, при котором выходные параметры достигают оптимального (приемлемого) значения.
3. Прогнозирование качества работы машины без натурных испытаний при изменении условий работы, параметров конструкции, при одновременном изменении условий работы и параметров конструкции.
В последнее время все большее распространение при исследовании разнообразных явлений приобретает физическое моделирование, базирующееся на теории подобия, разработанной трудами М. В. Кирпичева [41,42], П. И. Алубаже-ва [43], А. И. Седова [44] и других. При использовании физического моделирования создается модель-макет изучаемого объекта, в котором необходимым условием является сохранение физической природы изучаемого объекта. Тогда обработка экспериментальных данных, полученных на физических объектах, осуществляется на основе положений теории подобия, которая с помощью описывающих систему дифференциальных уравнений позволяет определить безразмерные комплексы физических величин и установить между ними экспериментальные зависимости, так называемые критериальные уравнения.
Использование законов физического моделирования позволяет получить большой экономический эффект, благодаря снижению затрат времени при проектировании и себестоимости экспериментов по сравнению с натурными испытаниями. Однако, оно имеет определенные ограничения в сфере применения, так как далеко не для каждого объекта может быть построен в уменьшенном масштабе его физический аналог.
Для моделирования колебательных процессов в кабинах тракторов физическое моделирование не нашло применение главным образом из-за сложности варьирования параметров.
Математическое моделирование более универсально по своим возможностям. Оно применимо при исследовании реальных сложных объектов, основывается на использовании описаний в дифференциальном виде поведения объекта и его элементов на базе существующих физических оценок параметров.
Развитие средств вычислительной техники позволило эффективно использовать методы математического моделирования для исследования вибрации кабин тракторов и применять для исследования более сложные модели. С ростом возможностей вычислительной техники возросла и эффективность использования математического моделирования в задачах поиска оптимальных параметров колебательной системы «кабина трактора на подвеске».
Распространенным в настоящее время является рассмотрение кабины трактора как одномассовой колебательной системы. Такое представление кабины характерно при моделировании плавности хода автомобилей и тракторов [45,46,47,48,49,50], а также при проектировании виброизоляции кабины [51,52,53,54]. Так в работе В. П. Олейникова [55] проведено исследование колебаний кабины грузового автомобиля. Решались задачи выяснения причин воз 17 никновения колебаний и их закономерности, влияния системы подрессоривания автомобиля на характер вертикальных колебаний кабины. Кабина представлялась жестким телом, установленным на одном амортизаторе. Качественные характеристики определялись с помощью частотного анализа, количественные оценивались среднеквадратичными значениями ускорений. Колебательная система в работе значительно упрощена и позволяет решать вопросы выбора подвески только для снижения динамических возмущений.
Наиболее полно в настоящее время разработаны аналитические методы расчета автобусных и автомобильных кузовов [56,57,58,59]. Расчет строится на представлении конструкции в виде пространственных стержневых систем, включающих оболочки с приложенными к ним статическими или динамическими силами и моментами. Такой подход использован в работе В. В. Никонова [60], где рассматриваются расчетные методы оценки прочности отдельных элементов кабины. Недостатком его является то, что при этом теряется физическое представление кабины, как колебательной системы.
В работе В. Н. Орешкина [61] теоретическая модель кабины представлена отдельными панелями кабины с целью изучения формирования структурного шума в ней. Такое представление кабины не дает возможности оценить колебательные процессы, протекающие в ее несущих конструкциях (каркасе кабины).
О, Д. Косов [62] в своей работе, анализируя динамические характеристики кабины, рассматривает кабину как трехмассовую колебательную систему, где остов кабины, топливный бак и крыша рассматриваются как сосредоточенные массы. Сиденье водителя и сам водитель из расчета колебательной системы исключены. Недостатком такого представления кабины является то, что невозможно оценить колебательные процессы в ее отдельных элементах с целью подбора их параметров. Кроме того, невозможно контролировать соблюдение санитарных норм по виброускорению на рабочем месте оператора.
Согласование параметровреохордного датчика и аналого-цифрового преобразователя
Для виброизолятора, установленного на стенде, создаются необходимые условия нагружения, после чего определяется статическая жесткость способом, аналогичным описанному в п. 3.1.
Далее проводится динамическое нагружение виброизолятора (сбрасывание груза) с записью и обработкой результатов.
Для проверки корректности записанных и обработанных результатов необходим просмотр графика колебаний. Колебания должны носить устойчивый периодический гармонический характер. Зазоры в креплении виброизолятора, грузов, в шарнирах установки, неустойчивое положение основания установки приводят к существенному искажению формы колебаний и, как следствие, к искажению результатов эксперимента.
После подтверждения корректности эксперимента результаты заносятся в базу данных для дальнейшего использования при сравнительной оценке качеств виброизоляторов.
Для увеличения достоверности результатов и исключения случайных сбоев, эксперимент необходимо повторить несколько раз и статистически обработать результаты.
Так как виброизолятор в условиях эксплуатации обычно работает под различными нагрузками, необходимо провести испытания по выше описанной методике на всех эксплуатационных нагрузках. 3.4. Экспериментальное исследование виброизоляторов.
Конструкция виброизоляторов кабины, устанавливаемых на тракторе ВТ-100, допускает их предварительное поджатие. Поэтому значения жесткости установленных на тракторе виброизоляторов могут отличаться от требуемых значений. При расчете рациональной виброизоляции кабины трактора ВТ-100 необходимо учитывать влияние предварительного поджатия. С этой целью было выполнено исследование влияния усилия предварительного поджатия на характеристики виброизоляторов кабины трактора ВТ-100.
Для проведения исследования использовалась измерительная установка [92,93] описанная в данной главе. Испытываемый виброизолятор состоит из двух резиновых упругих элементов (рис. 3.7), установленных параллельно между кабиной и остовом трактора.
Виброизолятор кабины трактора ВТ-100. На измерительной установке сымитировано крепление виброизолятора на тракторе. Упругий элемент 1 (рис. 3.8) установлен на нижней опорной площадке 3 (имитирует крепление кабины) стенда и связан с упругим элементом 2, расположенным под нижней опорной площадкой, болтовым соединением 4. Рычаг 5 стенда (имитирует остов трактора) опирается верхней опорной площадкой 6 на болтовое соединение виброизолятора через опорный шарик 7.
Виброизолятор на измерительной установке. Для создания усилия предварительного поджатия виброизолятора на рычаг механической системы на определенном расстоянии от оси качания устанавливают грузы. Под действием силы тяжести рычага и грузов верхний упругий элемент деформируется, а между нижним упругим элементом 2 и нижней опорной площадкой 3 появляется зазор /0БЩ, который выбирается посредством закручивания гайки крепления виброизолятора рукой до заранее определенного значения затяжки. Таким образом, после снятия с рычага механической системы грузов, состояние равновесия виброизолятора будет описываться системой уравнений вида:
Определение предварительного поджатия виброизолятора по упругим характеристикам элементов. Этот метод реализован в разработанной автором программе. Исходными данными для программы являются упругие характеристики, получаемые интерполяцией методом квадратных сплайнов экспериментальных значений двух параллельно установленных упругих элементов и суммарная деформация этих элементов. Программа рассчитывает деформацию каждого из упругих элементов и суммарное усилие в них. При определении РЗАТ для верхнего упругого элемента используется ветвь разгружения петли гистерезиса, а для нижнего ветвь нагруже-ния, так как при снятии грузов с рычага происходит разгружение верхнего упругого элемента и нагружение нижнего. Зазор /ОБщ определялся по упругой характеристике нагрузочной ветви петли гистерезиса верхнего упругого элемента полученной интерполяцией методом квадратных сплайнов экспериментальных значений. Статическая жесткость виброизолятора определялась по методике, описанной в п. 3.1, а динамическая жесткость по методике, описанной в п. 3.2.5.
Программный комплекс для исследования динамических характеристик машиностроительных конструкций
Основная идея метода случайного поиска заключается в случайном выборе направления движения на каждом последующем шаге. Такой подход делает его малоэффективным по сравнению с другими методами.
При оптимизации методом градиента оптимум исследуемого объекта ищут в направлении наиболее быстрого убывания выходной переменной, то есть в направлении противоположном градиенту целевой функции. Направление каждый раз корректируют. Метод наискорейшего спуска объединяет в себе достоинства градиентных методов. В отличие от метода градиента, направление поиска корректируется не после каждого следующего шага, а при достижении в некоторой точке на данном направлении частного экстремума функции.
Особенностью метода симплексов является объединение процесса изучения объекта и процесса поиска оптимума, что достигается специальным построением плана поиска в виде симплекса. Симплекс в п- мерном пространстве имеет п+1 вершину (где п - число варьируемых параметров исследуемого объекта). Последовательно отбрасывая одну вершину симплекса с самым плохим значением выходной переменной, можно достичь оптимума. Основное преимущество метода состоит в сокращении числа итераций при высокой эффективности поиска оптимума.
Из вышеперечисленных методов, метод симплексов обеспечивает наиболее быстрое нахождение оптимальных значений варьируемых параметров. К недостаткам метода можно отнести невозможность гарантированного попадания в глобальный экстремум функции цели. Для устранения этого недостатка в данной работе использован модифицированный метод симплексов. Идея метода заключается в том, что сначала выполняется сканирование области поиска с крупным шагом, а затем выполняется поиск оптимума методом симплексов, начальными значениями параметров варьирования для которого служат значения в точке с минимальной функцией цели, полученной при сканирование. Если при сканировании выявлено несколько минимумов, то поиск оптимума методом симплексов выполняется для каждого из них, а за конечный результат принимаются значения параметров варьирования в точке с наименьшим значением функции цели. Области варьирования параметров оптимизации выбраны исходя из основного условия виброизоляции записываемого в виде [74]:
Применение метода конечных элементов к разработке алгоритмов решения задач статики и динамики машиностроительных конструкций позволяет в полной мере использовать его преимущества при программной реализации. Представляется возможным создание проблемно-ориентированного программного комплекса, состоящего из программных компонентов, которые в совокупности позволяют решать широкий круг задач анализа напряженно-деформированного состояния и динамических характеристик машиностроительных конструкций, а также выполнять подбор их оптимальных значений.
Для проблемно-ориентированных программ характерны высокая степень универсальности и инвариантности по отношению к объекту исследования. Они предназначены для решения широкого класса задач, например для расчета стержневых, пластинчатых и комбинированных систем.
Все программы программного комплекса написаны на языке Delphi [107,108,109,110,111,112,113,114,115] и предназначены для использования на ПЭВМ типа IBM PC/AT в операционной среде Windows 95 и выше. Доступность программного обеспечения и использование для написания текста программы языка высокого уровня открывают возможность для совершенствования программного комплекса.
Программный модуль DataForce представляет собой специализированную экспериментальную установку (ЭУ) [116], которая была разработана из условия максимального ускорения проведения замеров и обработки результатов. Сокращение времени на измерения достигается одновременной записью сигналов от нескольких датчиков, а применение ПЭВМ обеспечивает быструю обработку результатов (1-5 мин. в зависимости от объема выборки).
Экспериментальная установка позволяет производить запись и последующую обработку (статистический и спектральный анализ) вибрационных величин (ускорений, скорости и смещения) в диапазоне частот от 1Гц до 5 кГц.
Схема экспериментальной установки приведена на рис. 5.2. Она состоит из измерительных датчиков 1, количество которых определяется числом каналов АЦП и числом исследуемых точек объекта, многоканального усилителя 2, блока согласования 3, ПЭВМ типа IBM PC/AT с установленным в ней АЦП 4, блока питания измерительного комплекса 5, генератора звуковой частоты 6, монитора 7, клавиатуры 8 и печатающего устройства 9.
В качестве усилителя в ЭУ используется интегрирующий усилитель Robotron 00 028 являющийся функциональным блоком лабораторных приборов звуко- и виброизмерительной техники. В связи с пьезоэлектрическим датчиком ускорения в составе ЭУ усилитель служит для измерения вибрационных величин: виброускорений (а), виброскорости (V), вибросмещения (S) в диапазоне частот от 1Гц до 20кГц. В описываемой экспериментальной установке усилитель используется как усилитель напряжения. В этом режиме он обладает высокой измерительной чувствительностью и следовательно может быть использован для регистрации малых величин вибросмещений.
В экспериментальной установке используется десятиразрядный шестнадца-тиканальный аналогово-цифровой преобразователь модуля аналоговых входов-выходов PC fl-812G.
Для задания контрольного сигнала используется генератор сигналов Robotron 03 005, который является функциональным блоком системы лабораторных приборов техники измерения звука и колебаний. Небольшой коэффициент нелинейных искажений (Киск 0,3%) в диапазоне частот от 2 Гц до 30 кГц, а так же возможность установки частоты как в ручном режиме, так и посредством управляющего напряжения (подаваемого с цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) модуля аналоговых входов выходов РСД-8120) делает предпочтительным его применение в описываемой экспериментальной установке.
Для питания генератора и интегрирующих усилителей применен сетевой блок питания Robotron 04 024. Блок питания предусмотрен для работы от сети и батарей, что позволяет использовать ЭУ в полевых условиях.
Конструктивно интегрирующие усилители, генератор сигналов и блок питания установлены в системный корпус Rodotron 04 012.
Аналогово-цифровой преобразователь установлен в системном корпусе ПЭВМ типа IBM PC/AT.
Для обработки сигналов, снимаемых с датчиков, разработана программа, обеспечивающая интерфейс пользователь-АЦП.
Так как в экспериментальной установке применено АЦП интегрального типа, у которого время преобразования зависит от величины преобразуемого (входного) сигнала, то для получения характеристики исследуемого сигнала во времени необходимо производить запись контрольного сигнала по отдельному каналу АЦП.
