Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ состояния вопроса. цель и задачи исследования
1.1 Влияние вибрации на организм человека 1..1
1.2 Нормирование вибрации. Обоснование выбора критерия эффективности 17
1.3 Способы и средства вибрационной защиты оператора 2 3
1.4 Техника, используемая в городском жилищно-коммунальном хозяйстве 3. 0
1.5 Анализ конструкций кресел оператора .3 7
1.6 Обзор предшествующих работ в области виброзащиты оператора строительно-дорожных машин 4. 5
1.7 Цели и задачи исследования 4..9.
Глава 2 Общая методика исследования и структура работы 51
2.1 Общая методика исследования .5. 1
2.2 Методика теоретических исследований 5..3
2.3 Методика экспериментальных исследований .5..5
2.4 Структура работы 6. 0
Выводы по второй главе 6. 2
Глава 3 Математическая модель сложной динамической системы «возмущающие воздействия – подметально-уборочная машина – оператор» 63
3.1 Модель оператора .
3 3.2 Модели возмущающих воздействий 6. 7
3.2.1 Математическая модель микрорельефа .6 7 .
3.2.2 Математическая модель двигателя внутреннего сгорания .7..2...
3.2.3 Математические модели рабочих органов 7.8...
3.3 Выбор и обоснование расчетной схемы 8.4
3.4 Математическая модель дорожной подметально-уборочной машины 9..0
3.5 Уравнения геометрических связей элементов динамической системы 9. 2
3.6 Уравнения кинематики упруговязких элементов 9..5
3.7 Уравнения динамики подсистемы
«подметально-уборочная машина – оператор»
Выводы по третьей главе .1 07
Глава 4 Теоретические исследования динамической системы 108
4.1 Статические характеристики динамической системы 1 09
4.2 Переходные процессы динамической системы .1 11
4.3 Анализ влияния конструктивных параметров дорожной подметально-уборочной машины на величину динамических воздействий на рабочем месте оператора 11 3
4.3.1 Анализ влияния коэффициентов жесткости и коэффициентов сопротивления элементов подвески кабины на величину динамических воздействий 1 14
4.3.2 Анализ влияния коэффициентов жесткости и коэффициентов сопротивления элементов подвески кресла на величину динамических воздействий 11 9
4.3.3 Анализ влияния упругих свойств шин
на величину динамических воздействий 12 2
4.4 Анализ влияния величины динамических воздействийна рабочем месте оператора от параметров микрорельефа и скорости машины 125
4.5 Анализ влияния оборотов двигателя внутреннего сгорания и частоты вращения щеточного рабочего органа
на величину динамических воздействий 136
Выводы по четвертой главе .1 39
Глава 5 Результаты экспериментальных исследований 141
5.1 Экспериментальные исследования базовой модели дорожной подметально-уборочной машины.. 14 1
5.2 Подтверждение адекватности математической модели 152
5.3 Испытания модернизированной машины
5.3.1 Предлагаемая конструкция подвески кресла оператора 15. 5
5.3.2 Подтверждение эффективности работы предложенных инженерных решений .
5.4 Методика выбора параметров элементов подвесок кабины и кресла оператора подметально-уборочной машины 1 61
Выводы по пятой главе 164
Общие результаты и выводы 1.6. 5
Список условных обозначений .1 67
Список сокращений
Список литературы
- Способы и средства вибрационной защиты оператора
- Методика экспериментальных исследований
- Математическая модель двигателя внутреннего сгорания
- Анализ влияния конструктивных параметров дорожной подметально-уборочной машины на величину динамических воздействий на рабочем месте оператора
Введение к работе
Актуальность темы исследования
На современном этапе развития, отличительными чертами отрасли машиностроения, являются интенсификация производственных процессов, создание машин повышенной мощности, увеличение скоростей движения при выполнении различного рода операций с одновременным стремлением к уменьшению масс и габаритов машины на единицу мощности. Такой путь развития неизбежно сопровождается увеличением вибрации механизмов и узлов, несущих рам и рабочего места оператора строительно-дорожных машин.
Одним из направлений повышения технологических характеристик строительно-дорожных машин, наряду с увеличением их производительности и универсальности, внедрением в их работу дистанционных систем управления, является создание комфортных условий труда для обслуживающего персонала путем повышения безопасности и улучшения эргономических показателей машины. Вибрация – один из основных эргономических показателей, дающих представление об условиях труда оператора строительно-дорожной машины. Требования международных стандартов безопасности регламентируют стремление к минимально возможной величине вибрации на рабочем месте оператора.
Дорожные подметально-уборочные машины (ПУМ) на базе тракторов МТЗ-80 широко применяются в коммунальном хозяйстве городов как для патрульной скоростной уборки в составе транспортной колонны, так и для одиночной уборки дорог, площадей и тротуаров от смета, грязи и свежевыпавшего снега. Машины этой модели имеют интенсивные источники вибрации, находящиеся в непосредственной близости от рабочего места оператора и оказывающие на него свое негативное воздействие, которое приводит к снижению производительности труда и способствует развитию профессиональных заболеваний, таких как вибрационная болезнь, расстройства нервной системы, нарушение обменных процессов, опущение и язвенная болезнь желудка, деформация позвоночника.
В связи с вышеизложенным, исследование, направленное на снижение величины динамических воздействий на рабочем месте оператора, путем обеспечения необходимых параметров системы виброзащиты рабочего места оператора, с учетом предполагаемых вибрационных нагрузок, является актуальным.
Степень разработанности темы исследования
Решению проблемы защиты оператора и оборудования от вибрационных нагрузок посвящено множество работ. Фундаментальными в этой области можно считать труды М.З. Ко-ловского, В.В. Болотина, П.М. Челомея, К.В. Фролова, В.А. Ивовича, Н.И. Иванова и др.
Исследованиям в области систем подрессоривания колесных и гусеничных машин посвящены работы М.М. Гайцгори, Т.Д. Ходаковой, О.В. Фоминовой, О.П. Ивакиной, В.Я. Балагулы, С.Б. Елисеева. Известны работы В.Л. Афанасьева, А.А. Хачатурова, А.А. Силаева, Е.Ю. Малиновского, М.М. Жилейкина, В.С. Васильева и др., посвященные в большей степени расчетам и моделированию плавности хода строительно-дорожных машин.
В СибАДИ вопросами защиты строительно-дорожных машин от воздействия вибрации занимались А.И. Джилкичиев, А.И. Громовик, П.А. Корчагин, И.И. Малахов, А. Н. Пивцаев, А.И. Степанов, В.В. Столяров, И.А. Чакурин и др.
Объект исследования – динамические воздействия, действующие на оператора дорожной подметально-уборочной машины.
Предмет исследования – зависимости, связывающие параметры элементов системы виброзащиты, возмущающие воздействия и величину вибрации на рабочем месте оператора дорожной подметально-уборочной машины.
Целью диссертационной работы является разработка научно обоснованных рекомендаций по выбору параметров системы виброзащиты, обеспечивающих снижение дина-
мических воздействий на рабочем месте оператора дорожной подметально-уборочной машины.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Обосновать критерий эффективности системы виброзащиты рабочего места оператора дорожной подметально-уборочной машины.
-
Разработать математическую модель сложной динамической системы «возмущающие воздействия - ПУМ - оператор».
-
Выявить зависимости, связывающие параметры подвесок кабины и кресла, возмущающие воздействия, действующие на машину, и величину вибрации на рабочем месте оператора дорожной подметально-уборочной машины.
-
Разработать методику выбора параметров элементов подвесок кабины и кресла оператора дорожной подметально-уборочной машины.
Диссертация соответствует пункту 5 «Методы повышения долговечности, надежности и безопасности эксплуатации машин, машинных комплексов и систем» паспорта специальности 05.05.04 - «Дорожные, строительные и подъёмно-транспортные машины».
Научная новизна работы заключается:
в разработке расчетной схемы дорожной ПУМ;
разработке математической модели ПУМ как сложной динамической системы, включающей в себя подсистемы: «возмущающие воздействия», «ПУМ», «оператор»;
разработке алгоритма расчета значений виброускорения на рабочем месте оператора в рабочем и транспортном режимах;
установлении зависимостей, связывающих параметры элементов подвесок кабины и кресла оператора, возмущающие воздействия и величину вибрации на рабочем месте оператора ПУМ;
разработке методики выбора параметров элементов системы виброзащиты ПУМ.
Теоретическая и практическая значимость работы
Использование полученных результатов при проектировании системы виброзащиты рабочего места оператора ПУМ позволяет снизить величину динамических воздействий на рабочем месте оператора. Программный продукт «DPUM», в основе которого заложен алгоритм расчета значений виброускорения на рабочем месте оператора в рабочем и транспортном режимах машины, позволяет определять величину вибрации на рабочем месте оператора в зависимости от конструктивных и эксплуатационных параметров ПУМ.
Методология и методы исследования
Методологической базой диссертационной работы послужил системный анализ причинно-следственных связей процесса возникновения динамических воздействий на рабочем месте оператора ПУМ. Исследования носят комплексный характер, содержат теоретические и экспериментальные разделы.
Положения, выносимые на защиту:
-
Математическая модель сложной динамической системы «возмущающие воздействия - ПУМ - оператор».
-
Алгоритм расчета значений виброускорения на рабочем месте оператора в рабочем и транспортном режимах.
-
Методика определения параметров элементов подвесок кабины и кресла оператора ПУМ.
-
Результаты теоретических и экспериментальных исследований.
Степень достоверности обеспечена корректностью принятых допущений, применением математического моделирования в качестве основного инструмента исследования, достаточным количеством экспериментальных исследований.
Апробация результатов работы
Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на: Международной научно-практической конференции «Современные научные исследования: актуальные проблемы и тенденции», ОИВТ филиал ФГБОУ ВО «НГАВТ» в г. Омске, 2014; Междуна-
родной научно-практической конференции «Развитие дорожно-транспортного и строительного комплексов и освоение стратегически важных территорий Сибири и Арктики: вклад науки», ФГБОУ ВПО «СибАДИ», Омск, 2014; XV Международной научно-инновационной конференции аспирантов, студентов и молодых исследователей с элементами научной школы «Теоретические знания в практические дела», ФГБОУ ВПО «МГУТУ им. К.Г. Разумовского», филиал в г. Омске, 2015; Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Фундаментальные и прикладные науки – основа современной инновационной системы», ФГБОУ ВПО «СибАДИ», Омск, 2015; Международной научно-практической конференции «Архитектура. Строительство. Транспорт» (к 85-летию ФГБОУ ВПО «СибАДИ»), Омск, 2015; Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы науки и техники глазами молодых ученых», Омск, 2015; 75-й студенческой научно-технической конференции на лучший научный доклад, Омск, 2015.
Публикации
По результатам исследований опубликованы: 14 печатных работ, в том числе 8 статьей в сборниках материалов научных конференций; 5 статьей в журналах, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией Минобрнауки РФ; 1 свидетельство о регистрации электронного ресурса РФ. Получена приоритетная справка на патент на полезную модель.
Реализация результатов работы
Предложенная система виброзащиты внедрена в ООО «Мостовое ремонтно-строительное управление». Методика выбора параметров упруговязких элементов подвесок кабины и кресла оператора с учетом конструктивных и эксплуатационных параметров машины, и конструкция подвески кресла, оснащенная пневматической подвеской на базе РКО, внедрены в ООО «Спецтранс».
Результаты диссертационных исследований приняты к внедрению и используются в учебном процессе ФГБОУ ВО «СибАДИ» при курсовом и дипломном проектировании при обучении специалистов по направлению подготовки «Наземные транспортно-технологические средства», а также бакалавров и магистров по направлениям «Наземные транспортно-технологические комплексы» и «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов».
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы 201 страницу, включая 78 рисунков, 16 таблиц и 9 приложений. Список литературы содержит 133 источника.
Способы и средства вибрационной защиты оператора
Ударные виброгасители не могут осуществлять полную компенсацию колебаний при моногармоническом возбуждении, и речь в этом случае может идти только о частичном подавлении. Также недостатком ударного гашения является возбуждение гасителем высокочастотных колебаний системы, которые появляются в результате уменьшения колебаний на частоте внешнего воздействия [98].
Динамический гаситель создает дополнительное силовое воздействие, передаваемое на объект. Это служит отличительной чертой динамического гашения от других способов снижения колебаний [71,77].
При присоединении к объекту динамического гасителя происходит изменение характера колебаний следующими способами: либо за счет перераспределения колебательной энергии от объекта к гасителю колебаний, либо за счет увеличения рассеяния энергии колебаний [41]. В первом случае речь идет об инерционных динамических гасителях, которые обычно применяют для подавления моногармонических колебаний или узкополосных случайных вибраций. Второй подход оказывается предпочтительным в случае широкополосной вибрации [41,57,76].
Конструктивно динамические гасители колебаний могут быть реализованы как на основе пассивных, так и на основе активных элементов. На сегодняшний день разработано большое количество устройств и систем гашения колебаний, которые можно классифицировать по источнику энергии, принципу действия, материалу упругого элемента, виду статических характеристик и другим признакам. Недостатком этих систем является избирательно узкий диапазон частот, в котором может быть достигнуто эффективное гашение вибрации. В связи с этим обстоятельством и по ряду других причин виброизоляцию можно считать основным путем для снижения вибрации [22,50].
Средства виброизоляции (СВ) по конструктивному признаку разделяются на простые и составные. Составные СВ по порядку включения бывают: с последовательным включением простых СВ; параллельным включением простых СВ; комбинированным включением простых СВ [105]. Простые СВ в зависимости от использования дополнительных источников энергии подразделяются на пассивные и активные [127]. СВ, использующие энергию дополнительного источника, считаются активными [11, 13]. Управление в системах с использованием активных СВ сводится к компенсации дополнительным источником энергии внешних вынуждающих сил, вызывающих вибрацию защищаемого объекта [37,44].
В зависимости от вида исполнительного устройства СВ могут быть с гидравлическими, пневматическими, пневмогидравлическими, электромеханическими амортизаторами [51,55]. Выбор типа системы зависит от предъявляемых к ней требований. Так, при необходимости обеспечения высокой жесткости применяют гидравлическую систему. Пневматические системы обладают малой статической жесткостью. Электромеханические системы обладают малой инерционностью и позволяют в широких пределах варьировать амплитудно-частотные характеристики [24].
Виброзащитная система с использованием активных СВ содержит чувствительные элементы, управляющие усилительные и исполнительные устройства. В качестве чувствительных элементов используют датчики, регистрирующие силы возбуждения и реакции объекта или его кинематические параметры, такие как перемещение, ускорение, скорость. Сигналы датчиков используют для формирования сигналов управления, осуществляемого элементами обратной связи. После усиления сигналы подаются в исполнительное устройство, создающее управляющее воздействие [9,94,132].
Главные причины того, что активные СВ не нашли широкого применения, несмотря на свою высокую эффективность, - сложность конструкции и высокая цена этих СВ [22].
В настоящее время наибольшее распространение на СДМ получили пассивные системы виброизоляции (таблица 1.3). В пассивных системах виброизоляция достигается смягчением подвески виброизолируемого объекта и уменьшением коэффициента передачи [23,46]. Для снижения вибрации, воздействующей на оператора, устанавливают виброзащитные кресла, виброизолирующие настилы и виброизолирующие кабины [97]. Выбор типа СВ машины зависит от ее конструктивных особенностей, условий работы оператора, характера и интенсивности вибрационных воздействий. Виброзащитные кресла должны устанавливаться на самоходных машинах для защиты оператора как от вибрации силовой установки, активного рабочего органа и т.д., так и для снижения воздействия на него случайных вибраций, толчков [58].
Методика экспериментальных исследований
Системный подход предполагает проведение как теоретических, так и экспериментальных исследований. Проведение экспериментальных исследований является одним из ключевых этапов работы. Основными этапами экспериментальных исследований являются: постановка задачи, предварительный анализ, эксперимент, интерпретация результатов [10,36].
Задачами, которые ставятся перед экспериментом, являются: - определение численных значений параметров для расчета математической модели (коэффициентов жесткости и сопротивления); - изучение влияния значимости факторов на результат наблюдений; - подтверждение адекватности математической модели сложной динамической системы; - оценка эффективности и работоспособности инженерных разработок [36].
При проведении экспериментальных исследований используются пассивные и активные методы их проведения. Принципиальные отличия методов заключаются в следующем: - при пассивном эксперименте информация об исследуемом объекте накапливается путем наблюдения в условиях обычного функционирования объекта, без искусственного вмешательства в его работу. Наблюдение сопровождается обязательным измерением выбранных переменных состояния объекта исследования. Важным при проведении пассивного эксперимента является получение необходимых показателей при наименьшем числе опытов с заданной надежностью результатов [1,75]; - при активном эксперименте информация об объекте, необходимая для проведения исследования, получается с применением искусственного воздействия на объект и появляется возможность контролировать вход и выход исследуемой системы. Активные методы дают возможность минимизировать число измерений, варьировать математический аппарат. Именно эти методы наиболее целесообразно использовать для подтверждения адекватности математической модели, а также получения численных значений расчетных коэффициентов [1,67].
В диссертационной работе использовались методы как пассивного, так и активного эксперимента. Основные требования, которые предъявляются к объекту исследования при активном эксперименте: на объекте исследования должны воспроизводиться результаты эксперимента; объект, на котором проводятся экспериментальные исследования, должен быть управляемым.
Пассивный эксперимент применялся для оценки работоспособности и эффективности инженерных разработок, а также определения характера и величины возмущающих воздействий, которые действуют на рабочее место оператора.
Адекватность математической модели исследуемого объекта подтверждается правомерностью выводов, сделанных при ее исследовании, ключевым условием которых является способность математической модели с достаточной точностью отображать характеристики исследуемого объекта при варьировании его параметров.
Процесс подтверждения адекватности включал: 1) проведение натурного эксперимента, цель которого - получение необходимого массива экспериментальных данных; 2) проведение машинного эксперимента, цель которого - получение необходимого массива теоретических данных; 3) сравнение экспериментальных и теоретических исследований [34]. При проверке достоверности экспериментальных данных использовался такой показатель, как доверительная вероятность , в данной диссертации равный 0,95. Необходимое число опытов для получения более достоверной и точной доверительной оценки можно получить с помощью неравенства [89] где р - доверительная вероятность (надежность оценки); є – доверительная оценка; D - дисперсия (квадрат среднеквадратичной оценки а). Величина случайной ошибки результатов измерений обычно оценивается по среднеквадратичной ошибке серии измерений [89] 3 J( ) ( ) где zlc - абсолютное значение разности между средним значением измеряемой величины и результатом отдельных измерений. Абсолютная погрешность результата измерения определяется по формуле [34,89] q ( ) где - коэффициент Стьюдента; a - величина надежности (для практических задач обычно ос=0,95) [34]. Результаты измерений имеют вид [89] q (24) где q среднее значение измеряемой величины. Для исключения грубых ошибок по данным выборки х1 х2 … хn находилось среднее арифметическое значение выборки [67] — У ( ) и дисперсия У ( ) ( ) где - число наблюдений; xi - значение i-го наблюдения.
Оценка качества регрессионных зависимостей, полученных в результате теоретических исследований, была проведена с помощью таких показателей, как коэффициент детерминации R , скорректированный коэффициент детерминации R , стандартная ошибка уравнения регрессии Sy.
Стандартная ошибка уравнения регрессии измеряет величину квадрата ошибки, приходящейся на одну степень свободы [89]: ( ) где N - число опытов; n - число независимых переменных в уравнении регрессии. Коэффициент детерминации R отражает то, на сколько процентов построенное уравнение регрессии объясняет вариацию значений переменной относительно своего среднего уровня, т.е. показывает долю общей дисперсии результативной переменной y, объясненной вариацией факторных переменных xi…xm, включенных в уравнение регрессии. Коэффициент детерминации может быть определен с помощью теоремы о разложении сумм квадратов по формуле [34,36] где - полная сумма квадратов.
Чем ближе значение R2 к единице, тем лучше уравнение регрессии характеризует взаимосвязь между переменными. Наряду с коэффициентом детерминации R необходимо рассчитывать скорректированный коэффициент детерминации R , в котором учитывается количество факторных переменных, включенных в уравнение регрессии [1,89].
Скорректированный коэффициент детерминации R дает представление о том, какова доля объясняемой дисперсии с учетом числа переменных уравнения регрессии [1,10]: R ( ) (2.10) Скорректированный коэффициент детерминации не превосходит по вели-чине коэффициент детерминации R2 . При увеличении объема выборочной совокупности значения обычного и скорректированного коэффициентов детерминации практически не будут отличаться [1,10].
Методом оценки влияния одного или нескольких факторов на результат наблюдений является дисперсионный анализ. Если на результаты наблюдений влияют сразу несколько независимых между собой факторов, допускается разде 59 ление вкладов этих факторов, для анализа соотношения между их межгрупповой ( ) и внутригрупповой ( ) дисперсиями [1,89].
Математическая модель двигателя внутреннего сгорания
Координаты центров масс заданы векторами R в локальных системах координат соответствующих звеньев. В поле тяготения массы формируют силы тяжести, которые показаны на расчетной схеме векторами G [125]: G [ ] (3.47) Реакции микрорельефа на элементы ходового оборудования показаны на расчетной схеме силами F F и представляют собой результирующие силы. Сила, действующая со стороны ДВС, представлена на расчетной схеме F [57,59]. Реакция от взаимодействия ковша погрузчика с обрабатываемой средой представлена силой F. Реакция микрорельефа на опорное колесо ЩРО представлена силой F. Реакция от взаимодействия ЩРО с обрабатываемой средой представлена силой F.
Динамическая система рассматривается в правой инерциальной системе координат O0X0Z0. В состоянии покоя начало системы координат - точка O0 -совпадает с точкой O1. Координаты точки O1 заданы в локальной системе координат O1X1Z1, которая связана с рамой дорожной подметально-уборочной машины. Направление оси O1X1 совпадает с направлением движения дорожной подметально-уборочной машины, ось O1Z1 направлена вертикально вверх.
При выборе локальных координат элементов рабочих органов соблюдаются правила [87,127]: - начала координат расположены в осях шарниров элементов; - ось OiXi направлена так, чтобы проходила через шарнир (i+1) звена; - при i = n ось OnXn проходит через центр масс звена n; - ось OiZi направлена по нормали оси OiXi. Всем звеньям расчетной схемы поставлена в соответствие локальная система координат: - O1X1Z1 – локальная система координат, связанная остовом трактора. Центр O1 совпадает с центром масс S1 трактора. Ось X1 направлена в сторону движения дорожной подметально-уборочной машины, ось Z1 направлена вверх; - O2X2Z2 – локальная система координат, связанная с кабиной дорожной подметально-уборочной машины. Центр O2 совпадает с центром масс S2 кабины дорожной подметально-уборочной машины. Ось X2 направлена в сторону движения дорожной подметально-уборочной машины, ось Z2 направлена вверх; - O3X3Z3 – локальная система координат, связанная с креслом оператора дорожной подметально-уборочной машины. Центр O3 совпадает с центром масс S3. Ось X3 направлена в сторону движения дорожной подметально-уборочной машины, ось Z3 направлена вверх; - O4X4Z4 – локальная система координат, связанная со стрелой погрузчика. Центр O4 расположен в шарнире крепления стрелы. Ось X4 проходит через центр масс S4. Ось Z4 направлена вверх по нормали к O4X4; - O5X5Z5 – локальная система координат, связанная с ковшом погрузчика дорожной подметально-уборочной машины. Центр O5 расположен в шарнире крепления ковша. Ось X5 проходит через центр масс звена 5. Ось Z5 направлена вверх по нормали к O5X5; - O6X6Z6 – локальная система координат, связанная со ЩРО дорожной подметально-уборочной машины. Центр O6 расположен в шарнире крепления ЩРО к трактору и проходит через центр масс 6 звена. Ось O6Z6 направлена вниз по нормали к O6X6.
Для описания положения элементов динамической системы в пространстве принято 8 обобщенных координат (j=1,…8) (таблица 3.5). Таблица 3.5 – Обобщенные координаты расчетной схемы Обобщенная координата Независимая переменная Значение q1 Z1 Перемещение центра масс S1 вдоль оси O1Z1 q2 1 Поворот рамы вокруг оси O1 q3 Z2 Перемещение центра масс S2 вдоль оси O2Z2 q4 2 Поворот кабины вокруг оси O2 q5 Z3 Перемещение центра масс S3 вдоль оси O3Z3 q6 3 Поворот стрелы погрузчика вокруг оси O4 q7 4 Поворот ковша погрузчика вокруг оси O5 q8 5 Поворот ЩРО вокруг оси O6 Динамические связи, наложенные на звенья системы, характеризуются коэффициентами жесткости Ci и коэффициентами сопротивления bi. Упруго вязкие свойства динамических связей, наложенных на звенья системы, харак теризуются в динамических моделях гидроцилиндров рабочего оборудования погрузчика коэффициентами жесткости , и коэффициентами вязкого трения , ; в динамических моделях ходового оборудования и микрорель ефа – коэффициентами жесткости , и сопротивления , ; коэффици ентами жесткости ( ) и коэффициентами сопротивления ( ) ЩРО в динамической модели опорного колеса и микрорелье фа [57]. Упуговязкие свойства амортизаторов кабины характеризуются коэффициентами жесткости , и коэффициентами сопротивления , . Упуговязкие свойства подрессоренного кресла оператора характеризуются коэффициентами жесткости и коэффициентами сопротивления . Звенья расчетной схемы характеризуются также моментами инерции , и центробежными моментами инерции относительно связанных си стем координат, которые определены по формулам [90] , (3.48) где , – координаты точки массой в локальной системе координат. 3.4 Математическая модель дорожной подметально-уборочной машины
При составлении математической модели дорожная подметально-уборочная машина рассматривалась как сложная динамическая система, на которую действуют возмущающие силы различного происхождения. Для упрощения процесса составления математической модели в работе используется метод однородных координат и векторно-матричная форма записи уравнений. Особенностью метода обобщенных координат является возможность преобразования систем координат путем умножения на соответствующую матрицу размером 3х3 [40].
Инерциальная система координат O0X0Z0 движется равномерно и прямолинейно вместе с дорожной подметально-уборочной машиной относительно системы координат опорной поверхности. Инерциальная система считается условно неподвижной, координаты материального тела, перемещающегося в этой системе, - обобщенными координатами [57,87].
Для того, чтобы описать движение машины в инерциальной системе координат, необходимо присвоить дорожной подметально-уборочной машине локальную систему координат O1X1Z1, которая жестко связана с рамой машины и перемещается вместе с ней, оставаясь неподвижной относительно системы O0X0Z0 [48].
Обобщенные координаты позволяют любую точку, заданную в инерциальной системе координат OiXiZi вектором R, представить в локальной системе координат Oi-1Xi-1Zi-1 вектором R. Уравнение перехода будет иметь вид [48] R % ( ) [ ] ( ) где - блочная матрица размером 3х3; - матрица поворота осей в декартовой системе координат размером 2х2; - матрица параллельного переноса системы OiXiZi при совмещении с началом системы координат Oi-1Xi-1Zi-1
Анализ влияния конструктивных параметров дорожной подметально-уборочной машины на величину динамических воздействий на рабочем месте оператора
Конструкцией колесного трактора МТЗ-80 не предусмотрено наличие в ходовой части устройств, которые могли бы существенно повлиять на плавность хода машины [81,120]. В ходе проведения исследования было сделано предположение о том, что добиться снижения величины динамических воздействий на рабочем месте оператора можно путем изменения коэффициентов жесткости колес.
Характеристиками колес, которые могли бы повлиять на плавность хода машины, являются радиальная статическая и динамическая жесткость, демпфирующая способность шин [120]. Изменить динамическую жесткость шины, не изменяя ее конструкции, возможно только путем изменения давления воздуха в ней (рисунок 4.11) [32,57].
Вместе с тем давление воздуха в шине оказывает существенное влияние на ее срок службы (рисунок 4.12). Для любой шины и нагрузки на нее установлено определенное рекомендуемое давление воздуха. Соблюдение этих рекомендаций обеспечивает максимальный срок службы шины [72,91].
Уменьшение либо увеличение давления воздуха в шине, то есть любое отклонение от оптимального значения, влечет за собой сокращение срока службы шины (таблица 4.2).
Сокращение срока службы шины при снижении давления воздуха в ней от его оптимального значения происходит в результате увеличения деформации шины. Большие деформации влекут за собой быструю усталость материала и быстрое повышение температуры шины в процессе эксплуатации [80,120].
Третий этап проведения теоретических исследований был направлен на определение зависимостей изменения среднеквадратических значений виброускорения на раме, полу кабины и кресле оператора от коэффициентов жесткости колес дорожной подметально-уборочной машины.
Фиксированными параметрами динамической системы при проведении данного этапа исследований были следующие:
1. Большие значения обобщенных координат, соответствующие положению элементов машины рабочему режиму, имели следующие значения: q1 = 0 м; q2 = 0 рад; q3 = 0,702 м; q4= 3,14 рад; q5 = 0,5 м; q6 = 0 рад; q7 = 0 рад; q8 = 0 рад.
2. Коэффициенты жесткости и коэффициенты сопротивления гидроцилиндров рабочих органов, элементов ходового оборудования, элементов подвески кабины, элементов подвески кресла принимали следующие значения: С з - 625-10 Н/м; С4 = 625-10 Н/м; С5 = 10-10 Н/м; Сб = 20-10 Н/м; Су = 2,0-10 Н/м; Cg= 1,0-10 Н/м; і 1 л4 тт „ и 1 л4 тт „ и 1 л4 тт „ и 1 лЗ тт „ bi - 2,57-10 Н-с/м; Ьг - 1,99-10 Н-с/м; Ьз - 80-10 Н-с/м; D4 - 8,0-10 Н-с/м; і Зтт„ и З тт „ и 1 л4 тт„ и 1 л4 т т „ D5— 5,0-10 Н-с/м; Ьб— 5,0-10 Н-с/м; D7- 1,0-10 Н-с/м; о%— 1,0-10 Н-с/м.
Варьируемые параметры при проведении исследования: коэффициенты жесткости колес переднего (Сі) и заднего (Сг) моста, которые изменялись в пре 1 л5 5 делах 0,5-10 ...12-10 Н/м.
Давление воздуха в шинах трактора МТЗ-80, рекомендуемое заводом-изготовителем и установленное ГОСТ 7463-2003, а также указанное в руководстве по эксплуатации, может изменяться в пределах: передних колес 0,12 - 0,26 МПа, задних 0,1 - 0,18 МПа. Это давление соответствует коэффициентам жестко 1 л5 Ь 1 л5 Ь сти переднего колеса 2,9-10 ...4,6-10 Н/м, заднего колеса 2,7-10 ...3,6-10 Н/м [32]. Из графических зависимостей видно, что изменение давления воздуха в шинах колес передних и задних мостов (рисунок 4.14) и в шинах колес заднего моста (рисунок 4.13), в пределах, в которых может сохраняться продолжительность срока службы шин, позволяет снизить величину динамических воздействий на полу кабины и раме машины. Величина динамических воздействий на кресле оператора при этом существенно не изменяется.
Зависимость изменения среднеквадратических значений виброускорения от коэффициентов жесткости шин: 1 – рама трактора; 2 – пол кабины; 3 – кресло оператора; – допустимый интервал коэффициента жесткости шин заднего моста; ----- – допустимый интервал коэффициента жесткости шин переднего моста Подводя итог данного этапа исследования, можно сделать вывод, что путем изменения давления в шинах достичь снижения динамических воздействий на кресле оператора невозможно. Выбор минимально допустимого заводом-изготовителем давления в шинах позволяет снизить величину динамических воздействий на раме машины и полу кабины дорожной подметально-уборочной машины на 35
Проведенные выше исследования позволили определить рациональные значения коэффициентов жесткости и коэффициентов сопротивления элементов подвесок кабины и кресла дорожной подметально-уборочной машины, в значительной степени снижающие величину динамических воздействий на рабочем месте оператора. Исследования конструктивных параметров дорожной ПУМ были проведены при фиксированном значении скорости и определенном виде дорожного покрытия.
Научный и практический интерес представляют зависимости величины динамических воздействий от скорости движения машины, вида дорожного покрытия и величины неровностей микрорельефа [59].