Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. цель и задачи исследования 7
1.1. Санитарные нормы вибрационного воздействия на оператора СДМ 7
1.2. Взаимодействие ходового оборудования автогрейдера с микрорельефом 8
1.3. Методы и устройства защиты оператора от вибрационных воздействий 13
1.4. Подвески сидений СДМ 18
1.5. Подвески кабин СДМ 23
1.6. Упругодемпфирующие элементы подвесок кабин СДМ 27
1.7. Выбор критерия эффективности 39
2. Общая методика исследовании и структура работы
2.1. Общая методика исследований 43
2.2. Метод теоретических исследований 45
2.3. Метод формирования возмущающих воздействий на элементы ходового оборудования автогрейдера 50
2.4. Методика экспериментальных исследований 51
2.5. Структура работы 53
3. Математическая модель динамической системы «автогрейдер - оператор» 56
3.1. Выбор и обоснование расчетной схемы 56
3.2. Уравнение геометрической связи элементов динамической системы «автогрейдер - оператор»
3.3. Матрицы частных производных системы «автогрейдер -оператор» 66
3.4. Уравнения движения упруговязких элементов 68
3.5. Уравнения динамики системы «автогрейдер - оператор» 75
3.6. Математическая модель взаимодействия рабочего органа автогрейдера с разрабатываемым грунтом 80
Выводы по главе 85
4. Результаты теоретических исследований динамической системы «автогрейдер - оператор» 87
4.1. Оценка адекватности математической модели 92
4.2. Определение уровня динамического воздействия на рабочем месте оператора с существующими элементами виброзащиты
4.3. Анализ влияния параметров жесткости и вязкости элементов подвески кабины на уровень динамического воздействия на рабочем месте оператора 95
4.4. Анализ подвески кабины с линейной статической характеристикой 99
4.5. Расчет РКО 101
4.6. Анализ подвески кабины с нелинейной статической характеристикой 109
Выводы по главе
5. Экспериментальные исследования динамической системы «автогрейдер - оператор» 114
5.1. Определение параметров динамической системы 114
5.2. Инженерная методика расчета упругих оболочек 122
Основные результаты и выводы по работе
Библиографический список 126
- Методы и устройства защиты оператора от вибрационных воздействий
- Метод формирования возмущающих воздействий на элементы ходового оборудования автогрейдера
- Уравнение геометрической связи элементов динамической системы «автогрейдер - оператор»
- Анализ влияния параметров жесткости и вязкости элементов подвески кабины на уровень динамического воздействия на рабочем месте оператора
Методы и устройства защиты оператора от вибрационных воздействий
Вредное воздействие вибрации на оператора СДМ характеризуется: объективно регистрируемыми реакциями организма, субъективной оценкой восприятия и результатами труда /34, 37, 74/.
Воздействие вибрации на оператора СДМ определяется спектральной характеристикой, амплитудой, направлением, местом приложения и продолжительностью действия. Воздействия с частотой 1 Ец вызывают укачивание оператора. Наиболее неблагоприятные воздействия с частотой 1.. .30 Ец. В этом диапазоне находятся резонансные частоты основных частот тела человека: внутренние органы имеют резонансные частоты 6... 10 Ец; голова - 20... 30 Ец; позвоночник - 4... 6 Ец /64, 71,124/.
По данным НИИ «Еигиены труда и профзаболеваний» 40...60% обследованных операторов СДМ жалуются на боли мышц спины. Боли в пояснице связаны с микротравмирующим действием вибрации на опорно-двигательный аппарат оператора. В настоящее время темп прироста частоты жалоб на боли в пояснице в среднем за год увеличивается на 5,8%. Вибрация 2,5; 1,3; 0,6; 0,3; 0,2; 0,1 (м/с ) повышает прирост соответственно на 8,2; 6,7; 4,5; 3,2; 2,1; 0,9 %. В предшествующих исследованиях доказано, что вибрация СДМ является причиной вибрационных нарушений здоровья у операторов (до 30...50 %) /19, 30, 124, 128/.
ЕОСТ 12.1.012-90 устанавливает три основных показателя: обеспечение комфортности; сохранение работоспособности; сохранение здоровья и обеспечение безопасности оператора.
Количественно при санитарном нормировании и контроле вибрационное воздействие на оператора оцениваются средними квадратическими значениями виброускорения а или виброскорости 0, а также по их лога 8
рифмическим уровням, выраженным в децибелах /47/. Логарифмический уровень виброускорения (La) и виброскоро-сти(Ъ$), ДБ определяются по формулам /47, 124/ La = 20-lg f а ио 6/ (1.1) Ґ ч Л Ls = 20-lg , (1.2) Is-кг5 J где а - среднее квадратическое значение виброускорения, м/с2; & - среднее квадратическое значение виброскорости, м/с.
Вибрационные воздействия можно разделить на общие и локальные. Локальное вибрационное воздействие характеризуется колебаниями отдельных частей тела при относительной неподвижности тела оператора в целом. Общая вибрация характеризуется колебаниями всего тела оператора как единого целого /19, 34, 124/.
В приложениях 1, 2 и 3 представлены допустимые санитарные нормы значений вертикальной и горизонтальной вибрационной нагрузки на оператора С ДМ, установленные ГОСТом 12.1.012-90. Нормативы даны из условия восьмичасового рабочего дня оператора.
Эксплуатация СДМ запрещается, если вибрационное воздействие на 12 дБ (в 4 раза) превышают установленные нормами величины. При превышении нормативных уровней вибрации на каждые 3 дБ время работы оператора СДМ должно быть снижено вдвое /111, 124/.
Неровности микрорельефа, действующие на ходовое оборудование автогрейдера, можно подразделить на макрорельеф, микрорельеф и шероховатость. Макрорельеф соответствует неровностям протяженностью более 100 м и вызывает сравнительно большие вертикальные перемещения. Макрорельеф приводит к медленному изменения координат автогрейдера. Шероховатость имеет неровности протяженностью менее 0,5 м и вызывает малые отклонения вертикальных координат автогрейдера. Шероховатость практически полностью компенсируется сглаживающей способностью элементов ходового оборудования автогрейдера/22, 72, 135, 138, 141/.
С позиций виброзащиты оператора, особый интерес представляет воздействие микрорельефа на элементы ходового оборудования автогрейдера. Неровности микрорельефа являются одной из основных причин, вызывающих воздействия на раму машины, а следовательно, и оператора. Математическая модель процесса взаимодействия элементов ходового оборудования автогрейдера с неровностями микрорельефа является одной из важнейших частей математической модели динамической системы формирования динамических воздействий на оператора.
Связи между понятиями «длина неровности», «частота» возмущающего воздействия, «угловая частота» возмущающего воздействия, создаваемого неровностями микрорельефа, могут быть установлены, если принять, что каждая неровность длиной Lz образует полуволну, близкую по форме к синусоиде, это позволяет воспользоваться известными формулами /135/: TZ=2LZ/V; (1.3) fz = 1/TZ = V/2LZ ; (1.4) C0z = 2% fz = TTV/LZ , (1.5) где V- скорость машины, м/с; Tz- период возмущающего воздействия, с; fz- линейная частота возмущающего воздействия, с"1; C0Z- угловая частота возмущающего воздействия, рад/с. Неровности микрорельефа носят стохастический характер. В ряде работ доказана возможность представления микрорельефа стационарной и эргодической случайной функцией /32, 45, 72, 81/. Известно, что двумер 10 ная корреляционная функция поверхности дает исчерпывающую характеристику неровностям микрорельефа/28, 118, 135/. х У ВДЛ)=Пт Т1- J Jy(X,Y)-y(X + /1,Y + /2)dXdY. (1.6) у— 00 При решении задач виброзащиты удобнее использовать понятие "вертикальная координата" микрорельефа. В работах /82, 135/ показано, что двумерная функция микрорельефа может быть заменена на две некоррелированные функции вертикальных координат под левой и правой колеей автогрейдера.
Математическое описание стохастических свойств неровностей микрорельефа может быть представлено спектральными характеристиками /137, 138/. Спектральный состав микрорельефа характеризуется спектральной плотностью, S(co), которая может быть получена преобразованием Фурье корреляционной функции /118, 120/ со S()= R(/)-e jC0/d/. (1.14) —00 Спектральный состав неровностей микрорельефа описан в предшествующих работах функциями спектральных плотностей и нормированных спектральных плотностей/79, 120/. Известные модели микрорельефа можно представить в виде /45/ pCO Aje- .coslty, (1.15) i=l n где Aj =1; otj - параметры, характеризующие затухание корреляции; Pi -i=i параметры, характеризующие периодичность корреляции. В приложении 4 представлены численные значения нормированных корреляционных функций вертикальных координат ру(/) наиболее распространенных видов поверхности, по которым перемещается автогрейдер /135/. Иногда используют и другие уравнения, например, /117/ p(/) = A0e-aoi/l.(l + a0/) + I) 171 ГУ + XAie (cosPi/ + -LsinPi/). (1.16) i=l Pi В /134/ неровности грунтового аэродрома описаны pz(/) = e"aii/-(cosP1/ + a2sinP2/), (1.17) где 0 =0,53 ; a2=0,138c_1; =0,79 с"1; р2=3,7с_1. В /122/ микрорельеф целины описан уравнением вида R2(/) = l,9fA1e-ail/+A2e-a2l/lsin —], (1.18) где Aj=l; А2=0,72; 0 =3,5 с-1; а2=0,67с ; (3=3,05 с . В /135/ отмечается, что численные значения параметров нормированных корреляционных функций имеют широкие диапазоны, а неровности микрорельефа могут быть аппроксимированы выражениями с различным числом параметров. Абсолютные значения высот неровностей даже для одного типа микрорельефа имеют отличия. Полевые дороги разбиты на три класса. К 1-му классу относятся дороги с высотами неровностей az 0,1 м. Ко 2-му классу дороги с cz= 0,1 ... 0,2 м. К 3-му - дороги с az 0,2 м. Чаще других встречаются дороги с az« 0,15 м /135/.
Метод формирования возмущающих воздействий на элементы ходового оборудования автогрейдера
Системный подход служит методом комплексного изучения сложных систем и процессов с точки зрения того, как устроены системы, в каких отношениях и связях находятся элементы системы, какова функция элементов и системы в целом, каков характер взаимодействия системы с другими системами и внешней средой /110/.
Любую сложную систему можно рассматривать с позиций системного подхода при условии, если эту систему можно условно или физически расчленить на совокупность более простых взаимосвязанных между собой частей, выступающих как единое целое. Отношения характеризуют связи между частями и их свойствами, посредством которых части объединяются в систему. В свою очередь, каждую часть можно рассматривать как сложный объект, состоящий из более простых элементов /110/.
Применительно к данной работе суть системного подхода заключается в исследовании процесса движения автогрейдера с оператором по микрорельефу как системы, состоящей из совокупности элементов, связанных между собой причинно-следственными связями /140/.
Под сложной системой «микрорельеф - автогрейдер - оператор» понимается ограниченное множество элементов, объединенных определенными связями и образующих единое целое. Системный подход включает вопросы формирования методов формализации сложных неопределенных задач и представление их в виде, доступном для решения с применением различных методов моделирования. Важнейшими принципами системного подхода являются: целостность исследуемой системы; ее структурность; иерархичность; взаимосвязь системы и среды
Метод математического моделирования, принятый в работе, является важной методологической основой, позволяющей решать поставленные в работе задачи. Математические модели целесообразно применять на всех этапах системного анализа путем моделирования исследуемой системы /27/.
Системный подход предусматривает комплексный метод в достижении поставленной в работе цели. Важными этапами работы являются не только разработка математической модели системы «микрорельеф - автогрейдер -оператор» и ее теоретические исследования, но и проведение экспериментальных исследований в реальных условиях. Задачами экспериментальных исследований являются: получение численных значений параметров для построения математической модели; подтверждение адекватности математической модели, а следовательно, правомерности результатов теоретических исследований; проверка эффективности предложенных инженерных решений в производственных условиях /135/.
При решении поставленных в работе задач методом системного подхода можно выделить следующие основные этапы /25, 71/: разработку структурной схемы сложной динамической системы «микрорельеф - автогрейдер - оператор»; выявление основных закономерностей, влияния на уровень динамического воздействия на оператора, элементов структурной схемы; введение при необходимости новых элементов и связей или устранение «вредных», отрицательно влияющих на качество виброзащиты; разработку инженерных решений, снижающих уровень динамического воздействия на оператора; теоретические и экспериментальные исследования новой сложной динамической системы, доработка, а при необходимости, разработка новых инженерных решений; определение эффективности результатов исследований. 2.2. Метод теоретических исследований
Основным методом теоретических исследований в данной работе принят метод математического моделирования. Для описания сложносочленен-ных пространственных систем целесообразно использовать метод однородных координат. Основным достоинством этого метода является возможность преобразования систем координат путем умножения на соответсвующую матрицу размером 4x4. Это позволяет не только упростить, но и формализовать переход из одной системы координат в другую /71, 111, 113, 115/.
Математическая модель является идеализированным представлением объекта. Степень адекватности модели зависит от правильности основных допущений, позволивших пренебречь малозначимыми факторами при исследовании физических процессов /111, 124/.
Анализ предшествующих работ /71, 111, 135/ показал, что жесткость металлоконструкции рабочего оборудования в 15...20 раз выше жесткостей гидролиний. Это позволяет все элементы расчетной схемы представить как абсолютно жесткие стержни. При математическом описании элементов объемного гидропривода силами сухого трения в гидроцилиндрах можно пренебречь ввиду их сравнительно малой величины ( 10 % от сил, действующих на шток гидроцилиндра) /71, 111, 124/.
Уравнение геометрической связи элементов динамической системы «автогрейдер - оператор»
Таким образом, получена математическая модель динамической системы "автогрейдер - оператор", представляющая собой систему с девятнадцатью дифференциальными уравнениями 2 порядка с переменными коэффициентами, являющимися функциями конструктивных параметров и больших значений обобщенных координат.
Для решения поставленных задач исследования необходимо разработать математическую модель, позволяющую адекватно формировать воздействия на РО автогрейдера в процессе копания.
Теории копания грунта можно условно разделить на две группы /135/: - эмпирические теории, основанные на результатах экспериментов и дающие математические модели процессов копания, которые, не отражая физической сущности процессов, позволяют в заданных граничных условиях параметров грунта и РО получать необходимые результаты. К этой группе относятся труды В.П. Горячкина /46/, Н.Т. Домбровского /56, 57/, А.Н. Зеленина /63/, И.А. Недорезова /78/ и др.; - теории, основанные на положениях статики сыпучей среды и условиях предельного равновесия. Это работы К.А. Артемьева /21/, В.И. Баловнева /25/, Ю.А. Ветрова /36/ и др.
Однако этим теориям присущи детерминизм и статичность. Динамика процесса копания рассматривается в работах Э.А. Абрамен-кова /18/, В.Л. Баладинского /24/, A.M. Завьялова /62/, Д.И. Федорова /133/ и Др.
Обоснование модели процесса взаимодействия РО автогрейдера с разрабатываемым грунтом базируется на следующих допущениях: грунт разрыхлен, а толщина срезаемой стружки грунта 0,07 м /116/. Сопротивление копанию зависит от таких факторов, как физико-механические свойства грунта, толщина стружки, параметры РО автогрейдера. Принятые допущения позволяют рассматривать сопротивление копанию как вектор, состоящий из двух слагаемых: тренда и флюктуации /133/ рро=рт+Рф (3.55) где Fpo- вектор силы реакции разрабатываемого грунта на РО; FT- вектор сил низкочастотной составляющей силы реакции (тренд); Fl - вектор сил высокочастотной составляющей силы реакции (флюктуация). Корреляционную функцию флюктуации при резании грунтов можно аппроксимировать выражением /133/ Кф(т) = Оф-е аФТк1-со8Рфтк, (3.56) где Бф- дисперсия флюктуации; ои и (Зф - параметры корреляционной функции; тк- интервал времени корреляции.
Вектор силы реакции высокочастотной составляющей имеет компоненты, значения которых зависят от предела прочности разрабатываемого грунта /133/. В табл. 3.7, 3.8 приведены значения параметров корреляционных функций и компонентов вектора Рф.
Допущения о том, что процесс копания грунта автогрейдером осуществляется ножом криволинейного профиля с постоянным радиусом кривизны, с острой режущей кромкой, дает основание использовать математиче 82 скую модель низкочастотной составляющей силы реакции, предложенную в работе /41/ FTX =(ЕХ +EY Ц])sin ф + РПРХзіпф, (3.57) где FTX- компонента вектора силы сопротивления копанию; EX,EY - компоненты вектора силы сопротивления резанию; щ - коэффициент трения грунта по металлу; ф - угол захвата РО; FnPX - сила сопротивления перемещению призмы волочения при лобовом копании.
Сила сопротивления перемещению призмы волочения определяется по формулам/21, 41/ ) F _п р.7 т н2 COS2(Pr+Sr cos єг -cos(p0 -sr) (3.61) h, Hr R T J h, R / Єр = arcsin I 1 ,1 +-arcsin J1 cosaP / cosai V arcsin 2R, a, T J + (3.62) f hr 2 arcsin arccos cosaP (3.63) CCi R Hr=2RrsinO,5 ry v 2Rr где g - ускорение свободного падения; ур - объемная масса грунта в призме волочения; LP0 - длина РО; Нг - высота отвала по хорде без участка, погруженного в грунт; ег - угол, образованный вертикалью и линией, соединяющей верхнюю точку отвала с точкой его контакта с поверхностью разрабатываемого грунта; р0 - угол внешнего трения; рг- угол внутреннего трения грунта; ар - угол резания; пг - толщина срезаемой стружки; Rr- радиус кривизны отвала; Н0 - высота отвала по хорде.
Значения компонент Ех и EY определяются по уравнениям /41/ Ex=M]R-hp-Lpo[K1R(0,5ypghr+CrCtgpp)-Cr-ctgpr]; (3.64) EY=M2R-hr-LpO[K1R(0,5yrghp+Crctgpp)-Cp-ctgPp]; (3.65) M1R=l + tgp0g((3r-0,5cor); (3.66) M2R=tg((3p-0,5(or)gp0; (3.67) COSp0l COSPo+VSm Pr cos PO KlR = , У Х cos2pr(l-sinpp) (3.68) x sinpr-cos(p1R + Jl-sin pp-sin ф,р cop = arccos cosaP V Rrv aP; (3.69) ФІК= Рг- - - гсзі„= , (3.70) где Yp - объемная масса грунта; Рр- угол, образованный подпорной стенкой и вертикалью; сог- центральный угол дуги ножа криволинейного профиля, погруженного в грунт; Сг- коэффициент сцепления грунта.
Анализ известных моделей копания грунта РО автогрейдера показал, что для решения поставленных в работе задач процесс взаимодействия РО с разрабатываемым грунтом может быть представлен математической моделью (3.55), содержащей низкочастотную составляющую сопротивления копанию, выраженную детерминированными выражениями сил реакции разрабатываемого грунта на РО от физико-механических свойств грунта, толщины срезаемой стружки, параметров призмы волочения, формы отвала, а также высокочастотную составляющую, возникающую в результате случайных явлений (неоднородностью грунта, механическими включениями в грунт, переменным значением толщины стружки грунта, неуправляемыми колебаниями РО и другими причинами).
Анализ влияния параметров жесткости и вязкости элементов подвески кабины на уровень динамического воздействия на рабочем месте оператора
Проведенный анализ (п.4.3) позволил определить рациональные значения параметров подвески кабины, обеспечивающие установленные санитарными нормами значения виброскорости на рабочем месте оператора. Рассмотрим работу подвески с линейной статической характеристикой при совместном воздействии ударной и вибрационной нагрузки. Подобная ситуация может возникнуть, когда при движении автогрейдера по микрорельефу колесо (колеса) попадают во впадину или на какой-либо выступ. Удар моделируется импульсом синусоидальной формы продолжительностью т=0,001.. .0,005 с. При этом амплитуда виброускорения базового трактора z i=2g, х i=2g, у i=g. Вибрационное воздействие формируется полигармоническим сигналом.
Для этого в тело основного цикла расчета введена подпрограмма формирования ударного импульса продолжительностью т. Сочетание фаз выбирается таким образом, чтобы импульс и низкочастотная составляющая совпадали по фазе, это наиболее тяжелый вариант динамического воздействия.
Большие значения обобщенных координат расчетной схемы соответствовали транспортному положению и принимали следующие значения: qoi=qo2=qo3=0 м; qo4=qo5=0 рад; qo6=0 рад; qo7=:-0,374 м; qos=0,302 м; qo9=0 м; qoio=qon=qoi2=0 рад; qoi3=-06 м; qoi4=0,7 м; qoi5=0 м; qoi6=-0,295M; qoi7=qoi8=qoi9=qo20=0 рад.
Параметры жесткости и вязкости элементов подвески кабины были выбраны с учетом проведенного анализа (см. п.4.3) и принимали следующие значения: коэффициент жесткости 2,5-Ю4 Н/м, коэффициент вязкости 4,5-Ю4 Н-с/м.
Параметры жесткости и вязкости остальных упруго-вязких элементов соответствовали параметрам серийно выпускаемой машины и принимали следующие значения: С і=С2==3,26-10 Н/м; Сз б б-Ю3 Н/м; Сз=С4=2,33-106 Н/м; С7=С8=1,6-105 Н/м; С21=С23=0,2-106 Н/м; С22=0,5-106 Н/м; С24=С25=0,5-106 Н/м; С26=0,5-106 Н/м; b,=b2= 1,99-105 Н-с/м; b5=b6=2,27-104 Н-с/м; b3=b4=2,89-105 Н-с/м; b7=b8-l,6-106 Н-с/м; b21=b23=0,2-104 Н-с/м; Ь22=0,5-105 Н-с/м; b24=b25=0,5-105 Н-с/м; Ь26=0,5-105Н-с/м. Проведенные при таких условиях испытания на математической моде у ли показали, что при значениях амплитуды базового трактора больше 110" м и действии удара система с линейной статической характеристикой теряет свои виброзащитные способности. В качестве примера на рис. 4.10 показаны виброускорения на полу кабины при совместном действии удара и вибрации с различными амплитудами. Из графика видно, что виброускорения на полу кабины значительно превышают допустимые значения, установленные ГОСТ 12.1.012-90.
Таким образом, можно сделать вывод, что виброзащитные системы с линейной статической характеристикой не обеспечивают достаточной виброзащищенности оператора при совместном вибрационном и ударном воздействиях.
Проведенный анализ конструкций подвесок кабин и сидений СДМ показал, что наибольшую возможность перестройки параметров системы виброзащиты в широком диапазоне частот обеспечивают пневматические амортизаторы.
Известны различные способы изменения параметров пневматической подвески. Один из способов заключается в том, что параллельно основной рабочей оболочке, работающей при различных деформациях, устанавливается вторая оболочка, работающая при малых деформациях. Данный способ позволяет снизить частоту собственных колебаний системы до 1 5 Гц.
Другой способ позволяет изменять параметры подвески за счет изменения рабочей площади РКО /50/. Рассмотрим РКО (рис 4.11), нагруженную силой P = mg + Рд , (4.4) где m - масса виброизолируемого объекта; g - ускорение свободного падения; Рд - динамическая нагрузка на РКО. Уравнение равновесия РКО примет вид /50/: Р+Рм=Руп, (4.5) где Р - вертикальная составляющая сил меридионального напряжения; Руп -упругая сила оболочки. Из условия равенства работ силы Руп и силы давления определим Руп /50/ Руп = Ризб-S =(рабс - Ратм) S, (4.6) где р„зб - избыточное давление; S - рабочая площадь РКО; рабс - абсолютное давление в оболочке; ратм - атмосферное давление.
Абсолютное давление рабС и рабочий объем V в РКО связаны между собой следующим соотношением /50/: Рабс = Рабс-(V/VJK, (4.7) где Рабе" абсолютное давление в начальный момент времени; V0 - начальный объем РКО; к - показатель политропы. Продифференцируем выражение (5.3) по перемещению h, с учетом выражения (5.4) и собственной жесткости оболочки Соб, получим /50/ Как видно из формулы, жесткость РКО возрастает при увеличении рабочей площади S и уменьшении рабочего объема V при деформации РКО. Кроме того, жесткость возрастает прямо пропорционально скорости увеличения рабочей площади РКО /50/.
Таким образом, можно сделать вывод, что жесткостные характеристики РКО зависят от ее конструктивных параметров, а так же вида функции изменения рабочей площади при деформации РКО /50/.
