Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
1.1. Влияние вибрации на человека и на эффективность использования землеройных и строительных машин 11
1.1.1. Физиологические аспекты воздействия вибрации
1.1.2. Влияние повышенной вибрации на производительность труда 12
1.2. Анализ причин и источников колебаний металлоконструкций роторных экскаваторов в местах установки кабин. Пути снижения общей динамики металлоконструкций 13
1.3. Опыт модернизации системы подвески кабины с целью уменьшения уровня вибрации 15
1.4. О возможности уменьшения низкочастотных колебаний металлоконструкций роторного экскаватора в местах установки кабин путем изменения параметров металлоконструкций .23
1.5. Методы изоляции человека-оператора от воздействия вибрации .29
1.5.1. Пассивные виброзащитные системы 30
1.5.2. Активные виброзащитные системы 32
1.6. Выводы по главе I и формулировка задачи 37
ГЛАВА 2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УРОВНЯ ВИБРАЦИИ
НА РАБОЧИХ МЕСТАХ МАШИНИСТОВ РОТОРНЫХ ЭКСКАВАТОРОВ 40
2.1. Методика экспериментальных исследований 40
2.2. Содержание экспериментальных исследований
2.3. Результаты экспериментальных исследований 44
2.4. Анализ результатов и выводы 49
2.5. Выводы по главе 2 58
ГЛАВА З АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ АКТИВНОГО
ДЕМПФИРОВАНИЯ КОЛЕБАНИЙ КАБИНЫ МАШИНИСТА РОТОРНОГО ЭКСКАВАТОРА 60
3.1. Выбор способов активного воздействия на колебания кабины и составление расчетной схемы 60
3.2. Определение параметров системы активного демпфирования колебаний кабины по схеме I 68
3.2.1. Определение коэффициента демпфирования в зависимости от заданной амплитуды вынужденных колебаний 69
3.2.2. Анализ устойчивости системы гашения 78
3.2.3. Определение параметров системы активного гашения колебаний кабины с учетом инерционности гидропривода 79
3.3. Определение параметров системы активного демпфирования колебаний при расположении ее в подвеске в соответствии со схемой 2 84
3.4. Исследование зарезонансных колебании 89
3.5. Выводы по главе 3 92
ГЛАВА 4 СИНТЕЗ УПРАВЕШОЩЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ПРИ АКГИШОМ
ДЕМПФИРОВАНИИ КОЛЕБАНИЙ КАШНЫ МАШИНИСТА РОТОРНОГО ЭКСКАВАТОРА 94
4.1. Формирование управляющего воздействия при демпфировании в соответствии со схемой 95
4.2. Формирование управляющего воздействия для варианта установки активного демпфирующего устройства в соответствии со схемой 2 (рис.3.2). 102
4.3. Влияние инерционности гидропривода на формирование управляющего воздействия 104
4.4. Исследование эффективности активного демпфирования при вынужденных колебаниях 107
4.5. Выводы по главе 4 116
ГЛАВА 5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ
АКТИВНОГО ГАШЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ КАБИНЫ 119
5.1. Разработка принципиальной схемы и конструкции установки 119
5.2. Вывод уравнения движения гидропривода и определение его постоянной времени 127
5.3. Экспериментальное определение динамических свойств гидропривода стенда 153
5.3.1. Определение инерционности гидроприовда стенда ,155
5.3.2. Определение амплитудно-частотных и фазово-частотных характеристик гидропривода стенда 139
5.4. Исследование влияния параметров системы демпфирования на эффективность гашения колебаний одномассовой системы /44
5.4.1. Гашение собственных колебаний 145
5.4.2. Гашение вынужденных колебаний одномассовой системы /47
5.5. Демпфирование вынужденных колебаний двухмассовой системы 152
5.6. Выводы по главе 5 158
РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОТ ВНЕДРЕНИЯ СИСТЕМЫ
АКТИВНОГО ДЕМПФИРОВАНИЯ КОЛЕБАНИЙ КАБИНЫ МАШИНИСТА
РОТОРНОГО ЭКСКАВАТОРА 161
ЗАКЛЮЧЕНИЕ /04
СПИС OK ЛИТЕРАТУРЫ 168
АКТ ВНЕДРЕНИЯ 180
ПРИЛОЖЕНИЯ 182
- Влияние вибрации на человека и на эффективность использования землеройных и строительных машин
- Методика экспериментальных исследований
- Выбор способов активного воздействия на колебания кабины и составление расчетной схемы
- Формирование управляющего воздействия при демпфировании в соответствии со схемой
- Разработка принципиальной схемы и конструкции установки
Введение к работе
Основные направления экономического и социального развития СССР на 1984*1985 годы и на период до 1990 года, намеченные ХХУІ съездом КПСС, предусматривают опережающие темпы создания комплексов землеройно-транспортных машин непрерывного действия, выполненных на базе роторных экскаваторов [ij. Применение таких комплексов дает огромный экономический эффект при производстве больших объемов земляных работ, а также при разработке карьеров строительных материалов по сравнению с выполнением тех же работ одноковшовыми экскаваторами. Согласно Постановлению ЦК КПСС и Совета Министров СССР от 21 декабря 1978 года В 1048 предусматривается использование роторных комплексов непрерывного действия производительностью 5000 м3/час при производстве земляных работ на строительстве канала переброски части стока сибирских рек в Казахстан и Среднюю Азию.
Особое внимание в директивных документах Партии и Правительства СССР обращается на необходимость улучшения условий труда и техники безопасности, разработки и внедрения методов и средств борьбы с промышленными шумами и вибрацией.
Создание эффективных виброзащитных систем человека-оператора является весьма актуальной задачей [42, 61, 89] , поскольку вибрация существенно влияет на производительность труда и состояние здоровья операторов строительных и горных машин [4, 46, 78, I04J. Применяемые в подвесках кабин различные по конструкции и принципу действия пассивные демпферы или их комбинации не всегда позволяют снизить уровень вибрации на рабочих местах машинистов экскаваторов до значений, регламентированных ГОСТ 12.I.012-78.
Одним из перспективных направлений в области снижения уровня колебаний на рабочих местах является использование демпфирующих устройств активного типа, оказывающих управляющее силовое воздействие на кабину машиниста. Реализация указанного способа демпфирования колебаний кабины требует решения научной задачи: исследования и обоснования рациональных параметров системы активного гашения колебаний кабины машиниста роторного экскаватора. Применение подобных систем позволит ограничить амплитуды колебаний кабины машиниста роторного экскаватора до заданного уровня и повысить эксплуатационную производительность за счет снижения потерь производительности при выполнении переходных и установочных операций. В связи с этим решаемая в диссертационной работе научная задача является актуальной.
Целью диссертационной работы является установление закономерностей процесса активного демпфирования колебаний кабины машиниста роторного экскаватора, необходимых для исследования и обоснования рациональных параметров системы активного демпфирования, что позволит снизить уровень вибрации на рабочем месте и, как следствие, повысить эксплуатационную производительность экскаватора.
Идея работы заключается в том, что уменьшение амплитуд колебаний кабины машиниста роторного экскаватора до допустимого ГОСТом 12.I.012-78 уровня осуществляется за счет управляемого силового воздействия на элементы подвески кабины, реализуемого при помощи следящего гидропривода.
Научные положения, разработанные лично диссертантом, и новизна.
Впервые дано обоснование применения и разработаны тех- нические приндипы реализации электрогидравлической системы активного гашения колебаний кабины машиниста роторного экскаватора, что позволяет обеспечить допустимые нормами ГОСТ 12.I.012-78 уровни вибраций на рабочих местах при различных режимах работы.
Разработана математическая модель процесса активного демпфирования колебаний кабины машиниста роторного экскаватора, отличающаяся тем, что учитывает совместное движение двухмассовой системы "подвеска-кабина" и гидравлического исполнительного органа, установленного последовательно с несу-щимиэ элементами подвески, и позволяет выявить закономерности и зависимости, необходимые для определения рациональных параметров системы активного демпфирования из условия обеспечения допустимого санитарными нормами уровня колебаний кабины.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов расчета параметров системы активного демпфирования, выполненного по разработанной методике, и результатов определения указанных параметров при экспериментальных исследованиях на стенде (расхождение не более 5-10$).
Решение дифференциальных уравнении колебаний, исследование динамической устойчивости, определение параметров системы активного демпфирования производилось методами теории автоматического регулирования и теории колебаний с применением ЭЦВМ и АВМ.
Экспериментальные лабораторные исследования проводились с использованием методов физического моделирования и тензомет' рии. Обработка результатов эксперимента производилась с при- менением методов математической статистики. Объем экспериментов по физическому моделированию достаточен для того, чтобы с вероятностью 0,95 отклонение результатов не превысило 10$.
Натурные исследования проводились с использованием методов тензометрии и виброметрии.
Значение работы. Научное значение работы заключается в том, что установленные закономерности процесса активного гашения колебаний кабины машиниста роторного экскаватора и разработанный метод синтеза управляющего воздействия дают возможность за счет использования различных алгоритмов управления в широких пределах регулировать динамические характеристики подвески кабины без изменения ее конструктивных параметров как на стадии проектирования, так и в процессе эксплуатации экскаватора, и в дальнейшем ставить на этой основе задачи оптимизации параметров подвесок кабин.
Практическое значение работы: разработана методика расчета рациональных параметров (коэффициента демпфирования, управляемого перемещения штока, рабочего давления в гидроцилиндре, подачи насоса и т.д.) системы активного демпфирования колебаний кабины машиниста, что обеспечивает повышение эксплуатационной производительности роторного экскаватора за счет снижения потерь производительности при выполнении переходных и установочных операций; разработана принципиальная электрогидравлическая схема, позволяющая реализовать необходимое силовое демпфирующее воздействие на колебания кабины машиниста роторного экскаватора; разработаны технические требования к аппаратуре, предназначенной для формирования сигнала управления силовым органом демпфирующего устройства.
Теоретическое обоснование и технические принципы реализации нового метода формирования демпфирующего воздействия, а также методика определения рациональных параметров системы активного демпфирования носят универсальный характер и могут быть применены не только для роторных экскаваторов, но и для другой строительной и землеройной техники (одноковшовые экскаваторы, перегружатели, грейдеры, скреперы и т.д.).
Указанные предложения и рекомендации могут быть использованы предприятиями Минтяжмаша и Минстройдормаша СССР, например ЖЗТМ, НШЗ, Воронежским и Ковровским экскаваторными заводами и др.
Реализация выводов и рекомендаций работы. Производственным объединением "Ідановтяжмаш" для проведения конструкторских разработок и дальнейшего внедрения на роторном экскаваторе производительностью 2500 и!3/час приняты к использованию: методика определения рациональных параметров системы активного демпфирования колебаний кабины машиниста роторного экскаватора; принципиальные электрическая и гидравлическая схемы демпфирующего устройства; технические требования, предъявляемые к аппаратуре, предназначенной для формирования сигнала управления силовым органом демпфирующего устройства, а также компоновочные схемы установки в подвеску силового органа и упругой вставки.
Расчетный экономический эффект от внедрения системы активного демпфирования колебаний кабины машиниста роторного экскаватора составляет 38,5 тысяч рублей в год на один экскаватор производительностью 2500 м3/ час.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ХЇЇ-ХУП научно-технических конференциях инженерного факультета Университета дружбы народов имени Патриса Лумумбы в I976-I98I гг., на научно-технических советах ОГК ГРО п/о "Ждановтяжмаш" в 1981 г. и п/о НКМЗ в 1984 г.
Публикация. По теме диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ, в том числе два авторских свидетельства.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и 10 приложений. Содержит 179 страниц, из них 125 страниц машинописного текста, 19 таблиц, 37 рисунков, список литературы из 106 наименований.
Влияние вибрации на человека и на эффективность использования землеройных и строительных машин
Установлено, что тело человека, подвергаясь механическим воздействиям, представляет собой некоторую колебательную систему. Различные внутренние органы и части тела человека рассматриваются как массы, соединенные между собой упругими элементами определенной жесткости. В результате ряда исследований [46, 61, 102, 104] были найдены резонансные частоты как для организма в целом, так и для отдельных органов и частей тела. Так, при вертикальных колебаниях для человека в положении "стоя" резонансная частота всего тела равна 3+5 Гц, для головы - 3,5+4,5 Гц, для бедра и плеч - 3,5+4,5 Гц, для спины - II Гц и т.д. Воздействующие через опорные поверхности на тело человека низкочастотные колебания (0,7 Гц) ощущаются как "качка" и могут вызвать неприятные ощущения ("морская болезнь"). Систематическое воздействие вибрации в резонансной или околорезонансной зонах системы "человек" может быть причиной вибрационной болезни, которая, в свою очередь, может быть причиной серьезных изменений в организме человека. Наблюдения показывают, что при вибрации имеет место процесс торможения в коре человеческого мозга, что приводит к потере производительности и может вызвать аварийные ситуации.
class2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УРОВНЯ ВИБРАЦИИ
НА РАБОЧИХ МЕСТАХ МАШИНИСТОВ РОТОРНЫХ ЭКСКАВАТОРОВ class2
Методика экспериментальных исследований
У большинства роторных экскаваторов отечественного и зарубежного производства производительностью более 1000 м8/час, в частности, у экскаватора СРс(к)-2000, а также в проектном варианте экскаватора ЭРП-2500 система подвески кабины машиниста экскаватора выполнена по схеме, приведенной на рис.2.1. К роторной стреле 3 в непосредственной близости от ротора жестко прикрепляется вертикальная мачта 2, представляющая собой пространственную ферму. К мачте в верхней ее части консольно . прикрепляется решетчатая балка 8. При помощи системы блоков 7, установленных на балке 8, на тросах подвешивается пространственная рама (траверса) 6, внутри которой устанавливается кабина I машиниста роторного экскаватора. Система полиспастов 7 служит для изменения расположения кабины относительно роторное го колёса с целью обеспечения на злучшей видимости машинисту при разработке различных уступов. В качестве направляющих устройств при подъеме или опускании кабины служат укрепленные на мачте двутавровые балк.и II, в контакт с которыми входят установленные на пространственной раме 6 ролики 4. Четыре группы роликов (по три ролика в каждой) фиксируют пространственную раму в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Параметры колебаний кабины машиниста и металлоконструкций стрелы в месте установки кабины фиксировались в точках 9 и 10 (рис.2.1). Измерение нагруженности рабочего органа осуществлялось при помощи тензодатчиков, установленных в подвеске роторной стрелы. Для измерения виброскорости при колебаниях с частотами от 2 Гц и выше использовался виброизмерительный прибор HBA.-I. Измерение виброскорости и виброперемещений в диапазоне частот 0 2 Гц осуществлялось с помощью датчиков ускорения. Измерительная цепь в этом случае кроме датчика ускорения включала также усилитель сигнала и интегрирующее устройство. Использовались следующие приборы:
class3 АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ АКТИВНОГО
ДЕМПФИРОВАНИЯ КОЛЕБАНИЙ КАБИНЫ МАШИНИСТА РОТОРНОГО ЭКСКАВАТОРА class3
Выбор способов активного воздействия на колебания кабины и составление расчетной схемы
Анализ существующих методов изоляции человека-оператора от воздействия вибрации (классификационная схема, п.1.5), а также результаты экспериментальных исследований, приведенные в гл.2, дают основание рекомендовать для снижения колебаний кабины машиниста роторного экскаватора использовать активную систему гашения с гидравлическим исполнительным органом, установленным последовательно с несущими элементами подвески.
Основными достоинствами подобного способа гашения являются следующие:
- возможность уменьшения уровня колебаний кабины по сравнению с уровнем колебаний металлоконструкций в месте ее установки;
- эффективность в широком спектре возмущения;
- относительно малые габариты;
- улучшенные динамические характеристики: высокое быстродействие и чувствительность, малая величина чистого запаздывания.
Конструктивное исполнение подвески кабины, соответствующее рис.2.1, допускает.два варианта размещения в ней гидравлического исполнительного органа (ГИО) системы активного гашения колебаний. В соответствии с первым вариантом ШО располагается в полиспастной подвеске 7, а во втором варианте - в элементах крепления 5 кабины I к пространственной раме (траверсе) 6.
На рис.3.1 и 3.2 приведены расчетные схемы, относящиеся соответственно к первому и второму вариантам расположения ЩО в подвеске кабины, а на рис.3,3 представлена компоновочная схема установки ГЙО в подвеску кабины для первого случая. Для обеспечения вертикального расположения мачты при изменении угла наклона роторной стрелы мачта подвешена шарнирно (рис.3.3). Подавление колебаний мачты в продольном относительно оси стрелы направлении осуществляется тормозом 5. Эффект гашения вертикальных колебаний и в том и в другом случае достигается за счет управляемого перемещения штока гидроцилиндра, в результате чего в упругих связях, последовательно связанных с гидроцилиндром, возникают усилия, препятствующие колебаниям защищаемого объекта.
Для формирования электрического сигнала, подаваемого на вход системы управления следящим гидроприводом 4 служит датчик ускорения I (рис.3.3), предварительный усилитель 2, формирователь 3. Шток ІИО через рычаг 6 связан с обоймой полиспаст-ной подвески. В частном случае, если в качестве формирователя 3 используется интегратор, то демпфирующее воздействие пропорционально по величине и противоположно по направлению скорости движения защищаемого объекта, т.е. имитируется вязкое сопротивление.
class4 СИНТЕЗ УПРАВЕШОЩЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ПРИ АКГИШОМ
ДЕМПФИРОВАНИИ КОЛЕБАНИЙ КАШНЫ МАШИНИСТА РОТОРНОГО ЭКСКАВАТОРА class4
Формирование управляющего воздействия при демпфировании в соответствии со схемой
В предыдущих наследованиях (пп.3.1 и 3.2) использована методика определения параметров системы активного демпфирования колебаний кабины машиниста роторного экскаватора исходя из заданных значений амплитуд. При этом применялись простейшие законы демпфирующего воздействия (3.14; 3.19), основанные на физических соображениях (иммитация вязкого сопротивления, компенсация возмущающего воздействия). Недостатком рассмотренных законов является необходимость проверки управляемой динамической системы на устойчивость, поскольку в некоторых случаях гашение одной из форм колебаний может сопровождаться усилением другой формы. Поэтому на данной стадии исследований возникает необходимость определения таких законов демпфирующего воздействия, которые позволяют обеспечить заданные динамические свойства системы: заданное значение логарифмических декрементов свободных колебаний, заданные значения амплитуд вынужденных колебаний, а также устойчивость всех форм колебаний.
Как известно [б, 67] , колебания являются затухающими (т. е. динамическая система устойчива), если действительные части всех корней характеристического уравнения отрицательны. При этом численные значения этих частей определяют как степень затухания свободных колебаний, так и величины амплитуд резонансных колебаний. Поэтому задачу синтеза демпфирующего воздействия целесообразно рассматривать как задачу обеспечения заданных значений действительных корней характеристического уравнения, соответствующего уравнениям колебаний системы подвеска-кабина.
class5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ
АКТИВНОГО ГАШЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ КАБИНЫ class5
Разработка принципиальной схемы и конструкции установки
Исследования проводились на стенде, моделирующем колебания двухмассовой динамической системы кабина-подвеска, представленной на рис.3.1 и 3.2.
Принципиальная схема стенда приведена на рис.5.1, где грузы 5 и 9 имитируют массы /77, и /772 , соответствующие рис.3.1, а упругие элементы 4 и 8 - жесткости С, и Q . Блок реализации возмущающего воздействия включает в себя исполнительный гидроцилиндр I, датчик относительного перемещения 12, электрогидравлический преобразователь - усилитель 13, гидравлическую станцию 15 и устройство формирования возмущающего воздействия 14, включающее генератор сигнала 18, элемент сравнения 19 и усилитель мощности 20.
В устройство для обеспечения активного демпфирования колебаний объекта (груза 9) входит исполнительный гидроцилиндр 6, электрогидравлический преобразователь-усилитель 16, акселерометр 10, датчик относительного перемещения II, система управления следящим гидроприводом 17 и гидравлическая станция 15.
В состав системы управления 17 входят тензоусилители 21 и 27, интеграторы 22 и 25, формирователь управляющего сигнала 23, сумматор 24, усилитель сигнала рассогласования 26 и усилитель мощности 28.
Для реализации возмущающего воздействия с частотой 5 Гц и более в установку предусмотрен электромагнитный вибратор 7.
На рис.5.2 показан общий вид экспериментальной установки. Установка представляет собой пространственную конструкцию. В.основании расположена изготовленная из швеллеров и уголков и прикрепленная к фундаменту сварная рама I, по углам которой жестко прикреплены четыре стальные направляющие штанги 2 высотой 2000 мм и диаметром 30 мм. Расположение штанг в плане квадратное со стороной квадрата 500 мм. В центре рамы предусмотрен узел для крепления силового гидроцилиндра 3, предназ наченного для создания возмущающего воздействия. В качестве элементов, служащих для передачи на исследуемый объект возмущающ ющего и демпфирующего воздействия используются крестовины 4, В центре каждой крестовины предусмотрен узел для крепления штока или гильзы гидроцилиндра. На концах крестовины расположены втулки 5, служащие в качестве направляющих устройств при возвратно-поступательном движении крестовин по штангам 2. На каждой втулке во взаимно-перпендикулярных плоскостях установлено четыре подшипника качения.
