Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние механизации рубок леса 12
1.1 Обзор валочно-пакетирующих и валочно-сучкорезно-раскряжевочных машин 12
1.2. Методы исследования динамических нагрузок в грузоподъёмных машинах 20
1.3. Обзор исследований динамики лесосечных машин манипуляторного типа 21
1.4. Обзор исследований по вибронагруженности операторов лесосечных машин 34
1.5. Выводы. Задачи исследований 40
2. Исследование вибронагруженности оператора валочно-пакетирующей машины в процессе обработки дерева на динамических моделях 43
2.1. Натяжение ствола дерева поворотом захватно-срезающего устройства ЗСУ 43
2.2. Натяжение ствола дерева манипулятором 52
2.3. Вибронагруженность оператора валочно-пакетирующей машины в режиме подъема буреломного дерева стрелой 58
2.4. Режим работы – перенесение дерева облома поворотом платформы в горизонтальной плоскости 71
2.5. Вибронагруженность оператора валочно-пакетирующей машины от неравномерности движения гусеницы 83
2.6. Вибронагруженность оператора валочно-пакетирующей машины при ветровом воздействии 89
2.7. Выводы 96
3. Исследование вибронагруженности операторов валочно-пакетирующих и валочно-сучкорезно раскряжевочных машин на биодинамических моделях 99
3.1. Вибронагруженность оператора валочно-пакетирующей машины в процессе натяжения ствола дерева поворотом захватно-срезающего устройства 99
3.2. Натяжение ствола дерева манипулятором 108
3.3. Вибронагруженность оператора валочно-пакетирующей машины в процессе подъема дерева стрелой 115
3.4. Вибронагруженность оператора валочно-пакетирующей машины при технологических переездах 125
3.5. Вибронагруженность оператора валочно-сучкорезно-раскряжевочной машины 134
3.6 Выводы 142
4. Методика экспериментальных исследований вибронагруженности оператора валочно пакетирующей машины 145
4.1. Задачи исследований 145
4.2. Методика проведения экспериментальных исследований 145
4.3. Измерительная и регистрирующая аппаратура 147
4.4. Подготовка измерительной и регистрирующей аппаратуры к записи исследуемых параметров 152
4.5. Определение числа опытов 160
5. Экспериментальные исследования вибронагруженности оператора валочно-пакетирующей машины 163
5.1. Экспериментальные исследования вибронагруженности оператора валочно-пакетирующей машины в режимах подъема дерева сортимента стрелой 163
5.2. Оценка корректности математического моделирования вибронагруженности оператора при стендовых исследованиях 169
5.3. Экспериментальные исследования вибронагруженности оператора валочно-пакетирующей машины в производственных условиях 178
Общие выводы и рекомендации 184
Список использованных источников
- Обзор исследований по вибронагруженности операторов лесосечных машин
- Вибронагруженность оператора валочно-пакетирующей машины в режиме подъема буреломного дерева стрелой
- Вибронагруженность оператора валочно-пакетирующей машины в процессе подъема дерева стрелой
- Подготовка измерительной и регистрирующей аппаратуры к записи исследуемых параметров
Обзор исследований по вибронагруженности операторов лесосечных машин
Динамике стационарного лесного погрузчика-штабелёра посвящена статья Г.В. Рахманина [21]. Изучение динамики погрузчика, установленного на жёстком основании, выполнено на двухмассовой расчётной схеме. Массой гидрожидкости, поршня-штока пренебрежено ввиду их малости по сравнению с другими массами.
В публикациях В.А. Александрова [13, 14] исследована динамика лесосечных многооперационных машин, включая трелёвочный трактор, валочно-трелёвочные и валочно-пакетирующие машины, в пуско-тормозных режимах в процессе обработки деревьев, в режимах установившегося движения через обособленные неровности, а также в режимах «свободного повала» и валки дерева на пачку, уложенную в конике машины.
Исследования проведены на двух-четырёхмассовых расчётных схемах.
Работы [82,114] посвящены исследованию нагруженности валочно-пакетирующих машин на постепенных и выборочных рубках леса. Исследования проведены на математических моделях, позволяющих определить динамические нагрузки на технологическое оборудование и силовые установки ВПМ в режимах стопорения при выносе срезанного дерева из древостоя, разгона и движения по лесосеке.
Исследования З. Пацыньски [27] посвящены изучению процесса пакетирования деревьев во время «свободного повала». В работе получены аналитические зависимости, позволяющие определить в процессе пакетирования дерева нагрузки на машину. При этом манипулятор и дерево рассматриваются как абсолютно твёрдые тела. В работе П.Д. Безносенко [19] изучен процесс перемещения срезанного дерева поворотом платформы ВПМ ЛП-2. Исследования проведены на трёхмассовой расчётной схеме. В результате исследований выявлено, что демпфирующие свойства кроны в режимах торможения составляют 27 процентов и вызывают значительное снижение динамических нагрузок.
Отдельные вопросы взаимодействия многооперационных машин мани-пуляторного типа с деревьями отражены в работах В.Ф. Кушляева [25, 26], С.Ф. Орлова и В.М. Рубцова [26, 50]. В процессе этих исследований выявлено влияние сопротивления воздушной среды на пиковые нагрузки, а также определены нагрузки на манипулятор в момент фиксирования дерева в захватах, натяжения ствола и несовпадения вертикальных плоскостей манипулятора и захватно-срезающего устройства.
Исследования Д.Г. Шимковича [24] посвящены оптимизации параметров при проектировании грузоподъёмных механизмов рычажного типа для лесозаготовительных машин. В работе разработана система критериев для многокритериальной оптимизации геометрических параметров манипуляторов, обеспечивающая наивысшую производительность при минимальных массе и габаритах манипулятора, предназначенного для работы в заданной зоне обслуживания.
Работа Лащинского В.П. [29] посвящена повышению эффективности трелёвочного трактора с манипулятором совершенствованием гидропривода. В процессе исследований разработана математическая модель гидроманипулятора, учитывающая параметры дерева и начальное содержание нераство-рённого газа в гидрожидкости.
Милютиковым В.Ю. 30] решена задача синтеза механического согласующего устройства. Выполнен сравнительный анализ функционирования механической системы «манипулятор – согласующее устройство» серийного манипулятора, а также разработана модель системы для исследования динамики.
В диссертационной работе Демакова В.М. [28] исследована динамика рубительных установок. Автором разработана математическая модель руби-тельной установки, включающей базовый трелёвочный трактор ЛП-18А с манипулятором и рубительную машину. Исследованиями отмечен высокий уровень динамических нагрузок в элементах загрузочного манипулятора.
Повышению эффективности работы технологического оборудования лесосечной машины посвящена диссертационная работа Орлова А.Н. [32]. Автором предложена комплексная расчётно-эксперементальная методика оценки влияния характеристик системы пропорционального управления на долговечность и производительность лесосечных машин с гидроманипуляторами. Методика учитывает вероятностные характеристики и законы распределения динамических нагрузок в элементах конструкций.
В результате установлено, что применение систем пропорционального управления позволяет уменьшить пиковые значения динамических нагрузок на гидроманипулятор на 9-11 процентов и увеличить производительность трелевки на 20-25 процентов.
В работе Максимова Л.П. [31] получены и проанализированы данные о нагрузочных режимах силовых насосных установок валочно-пакетирующей машины ЛП-19А по элементам технологического цикла; определены условия согласованной и устойчивой работы замкнутых систем привода ВПМ, а так же решена задача определения технико-экономических показателей лесозаготовительных машин манипуляторного типа.
Диссертация Ле Тан Куиня [33] посвящена изучению динамики взаимодействия трелёвочного трактора с манипулятором и выравнивателем платформы или ВТМ на его базе с предметом труда – деревом на горных склонах и пересеченном рельефе. Исследования проведены на трехмассовой расчётной схеме. В результате установлено, что введение в конструкцию базы выравнивателя платформы улучшает условия работы операторов, но одновременно повышает уровень динамических нагрузок на машину.
Исследования В.Ф. Логинова [35] посвящены разработке и изучению способов валки деревьев с целью снижения нагруженности манипуляторов валочно-трелёвочных машин. В работе предложен способ валки дерева на пачку, уложенную в конике ВТМ и изучена динамика процесса. Расчётная схема математической модели представлена приведёнными массами манипулятора и предмета труда – дерева.
Вибронагруженность оператора валочно-пакетирующей машины в режиме подъема буреломного дерева стрелой
Александрова [14] изложена методика теоретического определения вибронагруженности оператора лесосечных машин на стадии разработки конструкторской документации на машину; приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований вибронагруженности операторов трелевочных тракторов рубительных установок в процессе выполнения основных операций, а также при технологических переездах; рассмотрены способы защиты операторов от вибрации.
Физико-гигиеническая оценка трелевочных тракторов ТДТ-55 дана в статье Э.И. Гольдман [96]. Автором в процессе экспериментальных исследований процесса трелевки пачки деревьев по волоку выявлен высокий уровень ускорений на сиденье тракториста, превышающий допустимый по санитарно-гигиеническим нормам в 5 – 7 раз.
Вопросы вибронагруженности операторов рубительных установок исследованы в кандидатской диссертации В.М. Демакова [28]. Автором на основе математического моделирования и экспериментальных исследований установлен уровень вибронагруженности операторов рубительных установок. В процессе загрузок и переработки древесины оператор подвергается вибрационному воздействию, как со стороны базы, так и загрузочного устройства (манипулятора). Вибрационное воздействие на сиденье превышает допустимое. Причем, вибрация при функционировании рубительной машины превышает вибрацию, возникающую от работы манипулятора в пуско-тормозных режимах.
В статье С.Д. Мурашкина и В.А. Александрова [135] приведены математическая модель системы «среда-человек-машина с манипулятором-предмет труда» и биодинамическая модель оператора, позволяющие произвести расчет основных динамических характеристик систем при переезде обособленных неровностей.
В.Я. Котиком в работе [136] рассмотрены методы и средства снижения вибрации на рабочем месте оператора самоходных лесозаготовительных машин; приведены результаты экспериментальных исследований вибронагру-женности операторов лесопромышленных тракторов ТТ-4, ТБ-1М. Установлено, что наибольшие уровни вибрации имеют место при движении тракторов без нагрузки на холостом ходу. Вызвано это тем, что на холостом ходу операторами используются повышенные скорости, а также то, что при трелевке пачка деревьев увеличивает инерционность машины и является дополнительным элементом, демпфирующим толчки и удары. Работа технологического оборудования, в данном случае манипулятора, характеризуется более низким уровнем вибрации. Кроме того, важной особенностью работы самоходных лесозаготовительных машин является сопоставимость по уровню в вертикальном и горизонтальном направлениях, вибраций на рабочем месте оператора.
Н.Н. Горбачёвым [98, 108] исследовались колебательные характеристики трелёвочных тракторов ТДТ-75 и ТТ-4.
В результате было установлено: - частоты собственных колебаний тракторов (115 и 120 кол/мин) – высокие, что свидетельствует о значительных жесткостях рессор передних кареток. В авто – и тракторостроении нижний предел частот собственных коле 39 баний ограничивается началом зоны укачивания (35-40 кол/мин). Верхней границей комфорта принято состояние человека соответствующее колебаниям с частотой 120 кол/мин. - при максимальной жёсткости подвески сиденья (12.5 кН/м) частоты собственных колебаний остова трактора ТТ-4 (120 кол/мин) и его сиденья (118 кол/мин) имеют близкие значения. При этом возможны неблагоприятные резонансные колебания. Н.Д. Ромашкиным в диссертационной работе [107] теоретическими и экспериментальными исследованиями выявлено, что современные валочно-пакетирующие машины, обладая высокими технико-экономическими показателями, не в полной мере обеспечивают нормальные условия труда машинистам; дано обоснование некоторых параметров рабочего места машиниста. В работе [106] представлены материалы исследований, раскрывающие эргономические требования к лесозаготовительным машинам и оборудованию, методы оценки эргономических параметров и снижения вибрации на рабочем месте оператора.
Н.Б. Бучниковой Мартыновой[112, 113] изучена вибронагружен-ность операторов валочно-пакетирующих машин при разборе завалов леса после ветровалов.
Рассмотрена вибронагруженность в процессе выравнивания платформы, перенесения срезанного дерева в вертикальном положении поворотом платформы, стопорения с последующим обрывом связей (ветвей и сучьев), в процессе технологических переездов, а также в процессе очистки ствола дерева от сучьев.
Исследования проведены на двух, трех и четырехмассовых расчетных схемах. При этом оператор представлен в виде одной сосредоточенной массы. Практически во всех случаях установлен уровень вибронагруженности оператора, превышающий санитарные нормы.
Вибронагруженность оператора валочно-пакетирующей машины в процессе подъема дерева стрелой
Таким образом, при максимально допустимой скорости ветра при работе ВПМ ЛП-19М на середине вырубки - 14,6м/с уровень вибровоздействия на оператора ВПМ незначителен.
Учитывая, что при выборочных рубках ВПМ наиболее вероятно работает под пологом леса, когда скорость ветра и его порывистость еще ниже, этот режим работы с позиции вибронагруженности оператора является не определяющим.
В результате исследований процесса натяжения ствола дерева поворотом захватно-срезающего устройства выявлено, что наиболее вибронагруженным режимом работы является режим стопорения. В этом случае ускорения на сиденье оператора в зависимости от скорости перемещения (поворота) ЗСУ находятся в диапазоне 0,765…3,69м/с2. При этом виброперемещения оператора на сиденье достигают предельно допустимых уже на скоростях 0,2… 0,3рад/с и составляют 20,55… 30,75 см.
Режимы разгона менее вибронагруженны. Превышение виброускорений оператора, допускаемых по санитарным нормам СН2.2.4/2.1.8.566-96, происходит при ускорениях разгона системы свыше 0,3рад/с2. 2. Процесс натяжения ствола дерева манипулятором вал очно пакетирующей машины также сопровождается значительным вибровоздействием на оператора. В зависимости от скорости натяжения ствола уровень ускорений на сиденье превышает допускаемые по санитарным нормам в 1,4…5,7 раз. В целях снижения вибронагруженности оператора этот прием необходимо выполнять на минимальном вылете манипулятора и минимальной скорости его перемещения. 3. Вибронагруженность оператора в режиме подъема буреломного дерева стрелой манипулятора ВПМ превышает санитарные нормы в 2…3,5 раза и определяется форсированием пуско-тормозных режимов и объемом обрабатываемого дерева. С увеличением объема обрабатываемого дерева уровень вибровоздействия на оператора снижается. Объясняется это большой массой дерева, которая как бы прижимает машину к поверхности лесосеки и уменьшает амплитуду ее колебаний. Для снижения вибровоздействия на оператора в этом режиме работы целесообразно ограничивать скорость перемещения груза-дерева стрелой до 0,8…1 м/с (ф2 = 0,125 … 0,2рад/с). При этом время разгона или торможения не должно быть меньше 0,4 - 0,5 с. 4. Режимы стопорения при подъеме буреломного дерева стрелой, с позиций вибровоздействия на оператора, еще более значительны по сравнению с режимами разгона стрелы и достигают 3,354…5,03м/с2. При этом виброперемещения оператора на сиденье составляют 14,2…21,3 см. 5. Вибронагруженность оператора валочно-пакетирующих машин в процессе перенесения деревьев поворотом платформы в горизонтальной плоскости по ускорению превышает санитарные нормы в 1,4…2,9 раза. Для снижения вибровоздействия на оператора необходимо ограничивать ускорения разгона динамической системы до 0,2…0,25рад/с2. 6. Исследованиями выявлено, что вибронагруженность оператора от циклической неравномерности движения ВПМ, вызванной звенчатостью гусениц, и ветрового воздействия незначительна и находится в пределах допустимой по санитарным нормам. 7. В связи с тем, что в режимах стопорения операторы часто применяют прием реверсирования, в инструкцию по эксплуатации валочно пакетирующей машины целесообразно ввести пункт, запрещающий операторам применять этот прием на скоростях, превышающих 0,3…0,4 рад/с. 8. В наиболее вибронагруженных режимах работы частоты колебаний оператора на сиденье составляют 1,93…12,56 рад/с. 3. Исследование вибронагруженности операторов валочно-пакетирующих и валочно-сучкорезно-раскряжевочных машин на биодинамических моделях
Вибронагруженность оператора валочно-пакетирующей машины в процессе натяжения ствола дерева поворотом захватно-срезающего устройства.
Как уже отмечалось ранее, при срезании рядом растущих деревьев затрудняется процесс подведения захватно-срезающего устройства к основанию дерева. Чтобы высота пня соответствовала лесоводственным требованиям, операторы применяют прием захвата дерева несколько выше требуемого, затем наклоняют ствол поворотом захватно-срезающего устройства (ЗСУ) или рукояти «на себя» с последующим опусканием ЗСУ.
Подготовка измерительной и регистрирующей аппаратуры к записи исследуемых параметров
Как уже отмечалось ранее [13,14], наблюдения за работой лесосечных машин показывают, что нагрузки значительной величины воздействуют на машину и технологическое оборудование не только при обработке дерева, но и при технологических переездах по лесосеке от дерева к дереву. Поверхность лесосеки представляет собой пересеченный рельеф с наличием большого числа обособленных неровностей (валежные деревья, выступающие корневые системы и т.д.). При преодолении неровностей на машину через опорные катки и подвеску передаются возмущения, приводящие к возникновению колебательной нагрузки на базу, технологическое оборудование, а следовательно и на оператора.
В предыдущих работах [138] были установлены уровни вибрации на сиденье операторов валочно-пакетирующих машин в режимах движения по поверхности без неровностей, преодоления обособленной неровности методом «вывешивания» или переориентирования ходовой системы. Исследования проводились на динамических моделях системы «Оператор-машина-предмет труда-дерево». При этом модель оператора представлена одномассовой. В данном разделе рассмотрим человека-оператора как биодинамическую модель. Исследованиями[100] установлено, что при малых колебаниях и достаточно малых частот возмущения (до 100Гц) тело человека можно рассматривать как линейно вязкоупругую механическую систему. В отличие от водителей автотранспорта, которые в основном подвержены вертикальным колебаниям, операторы многооперационных машин в основном подвержены угловым колебаниям.
Расчетная схема схема биодинамической системы «Оператор-валочно-пакетирующая машина-дерево» Принятые обозначения: J1, J2 и J3 – соответственно моменты инерции поворотной платформы, захватно-срезающей головки и манипулятора, дерева, приведенные к оси поворота платформы, проходящей через точку О; фі, ф2,и фз, - угловые перемещения масс системы соответственно с моментами инерции Ji J2j и J3; Со, Ci2, С23, сс, - приведенные угловые жёсткости соответственно привода платформы, манипулятора, дерева, сиденья и ягодиц; GR - сила тяжести дерева; Joi, J02 и J03 - моменты инерции соответственно таза и частей нижних конечностей, массы груди и части верхних конечностей и головы относительно оси поворота платформы; фоь фо2, и фоз - угловые перемещения масс соответственно с моментами инерции Job J02, и J03; Сщ, спс - соответственно жёсткости шеи и позвоночного столба; гь г2 и г3 - соответственно радиусы поворота масс с моментами инерции J0i, J02 и J03 относительно оси поворота платформы. Поставленную задачу решаем в два этапа: - на первом этапе, рассматривая систему «Валочно-пакетирующая машина предмет труда-дерево», определяется угловое перемещение платформы «фо» и частота воздействия «р»; - на втором этапе определяем последствия вибрационного воздействия в теле человека от колебаний корпуса (платформы) машины. Так как ранее первая часть задачи, нами решена, то остановимся на рассмотрении второй части.
Кинетическая энергия системы Решая систему уравнений (3.26), получим выражения для нахождения максимальных (пиковых) значений виброперемещений частей тела человека-оператора ВПМ:
Соответственно текущие значения виброперемещений, виброскорости и виброускорений найдутся как ф01 = Аsinpt, ф01 = Apcospt, ф01 = —Ap2sinpt; ф02 = Вsinpt 02 = Вpcospt,(p02 = -Вp2sinpt; Фоз = Сsinpt, фоз = Сpcospt, фоз = —Сp2sinpt; (3.30) Здесь буквами А, В и С обозначены выражения для ф0і, Фог и Фозв формулах (3.27), (3.28)и(3.29) 130 Пример. Примем режим работы - движение ВПМ через обособленную неровность „p 2nfl т, z = ZZQSIII — t, 0 t Т, s0 где 2ZQ - высота неровности; So - длина неровности; Т - период колебаний; v - скорость движения. Пусть 2ZQ = 23СМ; SO =0,3м; и =0,5... 1,5км/ч/0,14...0,42м/с; L =8м. При этих значениях ф0 = 0,0115...0,014 рад [114]. Примем и =0,14м/с, тогда р =2,93 1/с. Исходные данные [100]: Масса таза и нижних конечностей mi = 43кг; масса груди и части верхних конечностей т2 = 23,5кг; масса головы т3 = 5,1кг; жесткость шеи Сш = 189 —; жесткость позвоночного столба м Спс = 97—. м Для ВПМ ЛП-19А с выравнивателем платформы: Гі =0,9м; г2 = 1,3м; г3 =1,7м, тогда с12= 97 1,32 = 163,93 кНм; с2з= 189 1,72 = 546,21 кНм; сс = сн rf .Примем сн = 5кН/м сс = 5 х\ — 4,05кН м В таблицах 3.5, 3.6 приведены результаты вычислений вибрационного воздействия на оператора при движении валочно-пакетирующей машины ЛП-19А через обособленную неровность с выравнивателем платформы (1) и выводы: 1. Из рассмотренных случаев нагружений оператора санитарным нормам удовлетворяет валочно-пакетирующая машина с выравнивателем платформы. В этом случае при преодолении обособленной неровности высотой 23см на минимальной скорости =0,5км/ч уровень виброускорений головы оператора не превышает 0,235м/с2. При этом угловые перемещения составляют 0,0161 рад или 2,74 см. При преодолении тех же неровностей при тех же скоростях движения ВПМ классической компоновки уровень виброускорений повышается до 3,624м/с2. Возрастают также угловые перемещения и виброскорость. 2. С увеличением скорости движения ВПМ до 1км/час ( =0,28м/с) уровень виброускорений головы возрастает до 13,35м/с2, что превышает нормативный по санитарным нормам. 3. В процессе вибровоздействия уровень горизонтальных составляющих перемещений, скорости и ускорений превышает вертикальные составляющие в среднем в 1,3 раза.