Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследования 8
1.1. Требования к виброзащищенности рабочего места оператора СДМ
1.2. Анализ причин и путей распространения динамических воздействий на оператора автогрейдера
1.3. Взаимодействие ходового оборудования автогрейдера с микрорельефом
1.4. Методы и средства вибрационной защиты оператора 21
1.5. Анализ предшествующих исследований по снижению динамических воздействий на операторов ЗТМ
1.6. Биодинамическая модель тела оператора 40
1.7. Основная идея работы 42
1.8. Критерий эффективности 43
1.9. Цель и задачи исследования 48
2. Структура работы. общая методика исследований
2.1. Общая методика исследований 49
2.2. Методика математического моделирования 51
2.3. Метод формирования возмущающих воздействий на элементы ходового оборудования автогрейдера
2.4. Методика экспериментальных исследований 62
2.5. Структура работы 65
3. Математическое описание динамической системы «микрорельеф - автогрейдер - человек - оператор»
3.1. Выбор и обоснование расчетной схемы 69
3.2. Уравнение геометрической связи элементов системы 76
3.3. Уравнения кинематики 82
3.4. Уравнения кинематики упруговязких элементов 84
3.5. Уравнения динамики автогрейдера 86.
3.6. Математическое описание возмущающих воздействий 96
Выводы по главе 99
4. Теоретические исследования автогрейдера
4.1. Статические характеристики динамической системы «микрорельеф - автогрейдер - человек - оператор»
4.2. Исследование переходных процессов динамической системы «микрорельеф — автогрейдер - человек - оператор»
4.3. Анализ амплитудно - частотных характеристик базового автогрейдера
4.4. Анализ влияния параметров жесткости и вязкости упруговязких элементов автогрейдера на уровень динамического воздействия на рабочем месте оператора
4.5 Исследование зависимости уровня динамических воздействий на рабочем месте оператора от параметров микрорельефа и скорости движения автогрейдера
4.6 Анализ амплитудно - частотных характеристик автогрейдера с измененными характеристиками упруговязких элементов
Выводы по главе 130
5. Результаты экспериментальных исследований автогрейдера
5.1. Определение параметров динамической системы 132
5.2. Подтверждение адекватности математической модели 141
5.3 Система виброзащиты рабочего места оператора 4 автогрейдера
Основные результаты и выводы по работе 150
Список литературы 153
Приложения 166
- Анализ причин и путей распространения динамических воздействий на оператора автогрейдера
- Методика математического моделирования
- Уравнение геометрической связи элементов системы
- Исследование переходных процессов динамической системы «микрорельеф — автогрейдер - человек - оператор»
Введение к работе
Современные рыночные условия требуют высокопроизводительных, высокоскоростных и мощных землеройно-транспортных машин (ЗТМ). Постоянное повышение энерговооруженности ЗТМ приводит к увеличению динамических нагрузок, действующих как на человека-оператора, так и на саму машину. Динамические воздействия, возникающие при эксплуатации ЗТМ, являются причиной нарушения работы узлов и механизмов машины, а иногда и выхода из строя всей машины.
Колебания и удары приводят к быстрой утомляемости, снижению внимательности и увеличению времени реакции человека-оператора. И, как следствие, снижению производительности труда и эффективности использования машины.
На большинстве серийно выпускаемых ЗТМ используется пассивная система защиты оператора от динамических воздействий.
Необходимо изыскание новых устройств виброзащиты операторов ЗТМ, эффективно работающих при динамически изменяющихся возмущающих воздействиях.
В связи с вышеперечисленным тема работы, направленная на повышение виброзащищенности рабочего места оператора, является актуальной.
Научная новизна работы заключается: в разработке пространственной расчетной схемы математической модели автогрейдера как сложной динамической системы, включающей в себя подсистемы «микрорельеф», «человек - оператор» и «автогрейдер»; в подтверждении выдвинутой гипотезы о возможности использования рабочих органов автогрейдера в качестве динамических гасителей колебаний; в получении зависимостей изменения величины виброускорения на рабочем месте оператора при изменении упруго вязких свойств гидроцилиндров подъема и опускания рабочего оборудования автогрейдера
Практическая ценность состоит: в предложенной схеме, обеспечивающей снижение уровня динамических воздействий на рабочем месте оператора автогрейдера; разработанном техническом устройстве, позволяющем снизить уровень динамических воздействий на рабочем месте оператора по сравнению с серийно выпускаемой машиной; предложенной инженерной методике по выбору параметров элементов системы, обеспечивающих допустимый уровень динамического воздействия на рабочее место оператора.
На защиту выносятся: математическая модель сложной динамической системы, которая состоит из подсистем «микрорельеф», «автогрейдер» и «человек -оператор»;
рекомендации по выбору параметров упруговязких элементов системы результаты теоретических и экспериментальных исследований;
Анализ причин и путей распространения динамических воздействий на оператора автогрейдера
Источниками динамических воздействий на автогрейдер в транспортном режиме являются /1/: - двигатель внутреннего сгорания (ДВС); - вспомогательные агрегаты; - ходовые части машины при взаимодействии их с микрорельефом. ДВС является причиной возникновения периодической вибрации, основная частота которой численно совпадает с частотой вращения вала. Причины возникновения вибрации на опорах ДВС: 1 опрокидывающий момент от газовых сил, действующий в поперечной плоскости; 2 опрокидывающие моменты (1-го и 2-го порядков) от сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс шатунно-поршневой группы; 3 неуравновешенные силы вращения вращающихся масс; 4 неуравновешенный момент от сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс, действующий в вертикальной плоскости. Моменты инерции 1-го порядка ДВС при частоте вращения коленчатого вала от 1200 до 3000 об/мин генерируют наиболее опасную вибрацию в диапазоне частот 20-50 Гц.
Ходовые части машин генерируют случайную вибрацию, основная энергия которой расположена в низкочастотном диапазоне 1,5-3,0 Гц /1/.
При распространении вибрации от ДВС по конструктивным элементам машины могут наблюдаться случаи, когда собственные частоты отдельных элементов оказываются близкими или равными частотам гармонических составляющих возмущающих сил. При этом возникают резонансные колебания элементов машины /10/.
На рисунке 1.1 представлена блок-схема путей распространения вибрации от источников к человеку-оператору автогрейдера в транспортном режиме. В виде отдельных блоков на схеме представлены узлы и агрегаты автогрейдера /8/. На схеме выделены: темным цветом -источники вибрации; пассивные блоки, передающие динамическое воздействие без искажения, обозначены сплошной линией; блоки, преобразующие передаваемое динамическое воздействие, обозначены прерывистой линией.
Источниками вибрационного воздействия автогрейдера являются: элементы ходового оборудования при взаимодействии их с рельефом; ДВС; трансмиссия. Перечисленные источники вибрации передают вибрационное воздействие на раму машины, которая в свою очередь передает колебания на кабину.
Исследования показывают, что оператор автогрейдера подвергается воздействию не только общей вибрации со стороны кабины и кресла, но и локальной. Локальная вибрация передается через органы управления в частности: рулевое колесо; рычаг коробки перемены передач (КПП) /8/; педали.
Анализ причин и источников воздействия вибрации на оператора автогрейдера показал, что одним из основных источников являются элементы ходового оборудования при взаимодействии их с опорной поверхностью.
Существуют два основных типа математических моделей описания взаимодействия машины с поверхностью грунта - детерминированные и стохастические /8/.
Детерминированные математические модели - описывают профиль грунта в виде детерминированных функциональных зависимостей. Такие, модели представляют меньше возможностей для решения динамических задач по сравнению со стохастическими /8/.
В настоящее время все большее применение находят стохастические модели. Они сочетают в себе методы статистической динамики с использованием стохастических моделей рельефа. Данные модели позволяет с применением ЭВМ решать разнообразные задачи движения машин по опорной поверхности с учетом реального профиля /8/.
Рельеф местности можно разделить на три составляющие: макропрофиль, микропрофиль и шероховатости. Шероховатости представляют собой неровности длина волны, которых менее 0,01м. Практического влияния на возникновение колебаний машины они не оказывают, так как полностью сглаживаются пневмошинами /8/.
Макропрофиль это неровности с длинной волны более 100м. Вызывают очень медленное изменение вертикальной координаты машины. Практически не вызывают колебаний ЗТМ, поэтому интереса для изучения также не представляют. Микропрофиль состоит из неровностей с длинной волны от 0.01м до 100м, и вызывают заметные колебания машины.
Неровности микрорельефа являются одной из основных причин, вызывающих неуправляемые перемещения рамы машины, а, следовательно, и кабины, и рабочего места оператора, и являются основным источником динамических воздействий в транспортном режиме /8/.
Математическое описание микрорельефа представлено в работах таких авторов как: Н.М. Антышев, Э.Н. Кузин, В.Л. Афанасьев, Б.Д. Кононыхин, А.А. Силаев, Я.М. Певзнер, Е.Ю. Малиновский и др.
В настоящее время достаточно хорошо изучены вероятностные характеристики микропрофиля дорог различного типа, исследованы микропрофили сельскохозяйственных полей, пересеченной местности и бездорожья, выполнен анализ микропрофиля подъездных путей в строительстве и др.
Микропрофиль грунтовой поверхности можно представить случайной функцией, обладающей следующими свойствами: функция стационарна; ординаты микропрофиля подчиняются нормальному закону распределения; длины неровностей ограничены по верхнему и нижнему пределам; микропрофиль меняется случайным образом только в вертикальной продольной плоскости /8/.
Методика математического моделирования
Математическое моделирование составляет основу теоретических исследований работы, при этом исследуемый объект заменяется его математической моделью, которая отражает с достаточной степенью точности исследуемые свойства объекта. Наиболее распространенным способом представления математической модели является система каких-либо уравнений, выбор которых соответствует уровню принятой математической модели с необходимыми для ее решения данными -начальными, граничными условиями, численными значениями коэффициентов. Наиболее рациональный, а часто и единственный реальный путь решения системы уравнений - это расчеты на ЭВМ численным методом /82/.
Такое исследование называется вычислительным экспериментом. Вычислительный эксперимент обладает рядом преимуществ по сравнению с натуральным: вычислительный эксперимент, как правило, намного дешевле, легче и быстрее реализуем; допускает вмешательство извне на любой стадии; позволяет моделировать условия эксперимента, которые зачастую вообще невозможно воспроизвести в реальных условиях, и выполнять эксперименты на критических режимах, воспроизведение которых в условиях натурного эксперимента затруднительно, дорого, а порой и небезопасно /82/.
В работе вычислительный эксперимент проводился на ЭВМ. Для автоматизации обработки результатов экспериментов; графической их интерпретации, получения графиков переходных процессов использовался пакет прикладных программ Matlab 6.5. Имитационное моделирование проводилось в приложении системы Matlab - Simulink.
Система Matlab одна из старейших, тщательно проработанных и проверенных временем систем автоматизации математических расчетов, построенная на расширенном представлении и применении матричных операций. Матрицы и матричные операторы являются основой автоматического составления и решения уравнений состояния динамических объектов и систем. Эту функцию выполняет главное расширение MATLAB-Simulink. MATLAB и Simulink представляют собой единый программный комплекс. Они предоставляют пользователю удобные и простые средства, в том числе визуального объектно-ориентированного программирования, для моделирования линейных и нелинейных динамических систем. Некоторые из них являются наиболее доступными и эффективными инструментальными средствами для развития и применения новых направлений науки и техники, таких как средства анализа и обработки сигналов изображений, средства анализа, идентификации и моделирования различных систем и т.д.
Для каждой математической модели какой-либо подсистемы, при математическом моделировании, (ходовая часть, колебания РО, колебания кабины и тд.) была составлена структурная схема, что упрощает сборку модели в Simulink.
При невозможности реализации подсистемы в Simulink, она моделируется на языке Matlab. Основные требования, предъявляемые к моделям при математическом моделировании /80/ точность отражения исследуемых процессов; однозначное соответствие между параметрами модели и исследуемого объекта; возможность обработки на ЭВМ. При составлении математической модели автогрейдер рассматривается как сложная динамическая система, на которую действуют возмущающие воздействия, имеющие различное происхождение. Для описания использовался метод однородных координат. Отличительной особенностью этого метода является возможность преобразования систем координат путем умножения на соответствующую матрицу размером 4x4. Данное обстоятельство значительно упрощает переход из одной системы координат в другую.
Любая математическая модель является идеализированным объектом. Степень идеализации зависит от правильности выбора основных допущений, позволяющих не учитывать малозначимые параметры при рассмотрении физических процессов /81/.
В работах ряда авторов показано, что жесткость металлоконструкции рабочего оборудования в 15-20 раз выше жесткостей гидролиний. Поэтому все элементы рабочего оборудования представлены как абсолютно жесткие стержни. При рассмотрении объемного гидропривода силы сухого трения в гидроцилиндрах не учитываются ввиду их малой величины (не более 10% от сил, действующих на шток гидроцилиндра) /1, 7, 81/.
Для математической модели автогрейдера принимаются следующие допущения/78, 81, 83, 84, 85/: 1. автогрейдер представляет собой пространственный шарнирно сочлененный многозвенник с наложенными на него упруговязкими динамическими связями - телами Фохта; 2. связи, наложенные на колебательную систему, являются голономными и стационарными; 3. звенья расчетной схемы представлены как абсолютно жесткие стержни с сосредоточенными массами; 4. люфты в шарнирах отсутствуют; 5. силы сухого трения в гидроцилиндрах отсутствуют; 6. элементы ходового оборудования имеют постоянный контакт с грунтом; 7. уплотнение грунта колесами пренебрежимо мало; 8. автогрейдер движется прямолинейно с постоянной скоростью. В качестве инерциальной системы координат в данной работе использовалась правая система декартовых координат /1,81/. Каждому звену системы придавалась своя локальная система декартовых координат /1, 86/. При этом соблюдаются следующие правила /1, 7, 87/: - начала координат расположены в осях шарниров; - ось О, Xi направлена так, чтобы проходила через шарнир i+l звена; - ось Oi Yt совпадает с осью шарнира; - ось Oi Zj перпендикулярна осям Ot Xt и Ot Yt одновременно и дополняет их до правой триады.
Уравнение геометрической связи элементов системы
Анализ работ /7, 8, 88, 96/ позволяет сделать вывод, что любой четырехзвенный механизм может быть представлен четырьмя векторами (рис. 3.2.). Вектором RQi, соединяющим начала і - той и / - той локальных систем координат, векторами Reu и Ruu, соединяющими начала локальных систем координат с точками упруговязкого элемента и вектором Rn, соединяющим концы упруговязкого элемента.
Для упрощения расчетов вектор подвижного конца упруговязкого элемента переведем в систему координат / неподвижного конца.
Rn=ru Reu RHu (3.15) где Ги - матрица перехода из системы координат і подвижного конца упруговязкого элемента в систему координат / неподвижного конца; Reu -вектор точки координат подвижного конца упруговязкого элемента в системе координат /; RHU — вектор точки координат неподвижного конца упруговязкого элемента в системе координат /.
Таким образом, получена математическая модель автогрейдера, представляющая собой систему с тринадцатью дифференциальными уравнениями 2 порядка с переменными коэффициентами, являющимися функциями конструктивных параметров и больших значений обобщенных координат.
Для расчета на ЭВМ, стандартными средствами программного продукта MATLAB, была составлена программа «MOTOR GRADER», блок - схема которой представлена на рис 3.3.
Исходными данными для программы «MOTOR GRADER» являются: геометрические размеры и массы звеньев, коэффициенты жесткости и вязкости упруговязких элементов системы. Исходные данные были введены в программу в виде составленного на языке программирования MATLAB М-файла. М-файл является типичным объектом языка программирования системы MATLAB. Одновременно он является полноценным модулем с точки зрения структурного программирования, поскольку содержит входные и выходные параметры и использует аппарат локальных переменных. Текст М-файла представлен в приложении 3 /97-103/.
В расширении Simulink стандартными средствами библиотеки элементов построена структурная схема. Структурная схема (рис. 3.4 и 3.5) состоит из одиннадцати крупных подсистем соединенных линиями связи. Каждая подсистема представляет собой одну обобщенную координату автогрейдера. Линии связи передают изменения геометрического состояния одной координаты к другой. Отдельными подсистемами представлены возмущающие воздействия от действия микрорельефа и силовой установки.
Построенная структурная схема соответствует геометрическим и линейным показателям автогрейдера тяжелого класса и позволяет: 1. проследить влияние изменения геометрического положения одного из опорных элементов на изменение геометрического положения различных элементов машины и на саму машину в целом; 2. задавать различные возмущающие воздействия, тем самым моделировать движение автогрейдера по различным поверхностям с различной скоростью; 3. изменением коэффициентов жесткости и вязкости упруговязких элементов получить требуемые характеристики подвески кабины и кресла оператора, отвечающие санитарным нормам; 4. Проследить распространение вибрации по структуре машины. Программа «MOTOR GRADER» позволяет решать как уравнения статики, так и уравнения динамики при различных вариантах приложения внешних сил. Выходными данными могут быть перемещения, скорости и ускорения элементов системы. Полученная математическая модель и составленная на ее основе программа «MOTOR GRADER» позволяют проводить теоретические исследования автогрейдера как динамической системы. 3.6Математическое описание возмущающих воздействий В данной диссертационной работе для исследования автогрейдера были приняты два типа возмущающих воздействий:
- единичное ступенчатое воздействие;
- воздействие со стороны микрорельефа;
Единичное ступенчатое воздействие в основном использовалось для получения переходных процессов и подтверждения на их основе адекватности математической модели.
Исследование переходных процессов динамической системы «микрорельеф — автогрейдер - человек - оператор»
При исследовании переходных процессов в качестве возмущающего воздействия используется единичное ступенчатое воздействие. Единичное ступенчатое воздействие легко получить в виде резкого снятия или приложения нагрузки. В реальных условиях оно моделирует наезд (съезд) колеса на препятствие /7, 8/.
В качестве примера представлены переходные характеристики по трем обобщенным координатам — вертикальной составляющей виброускорения рамы автогрейдера ( )и кабины (q\) и кресла человека-оператора (q-j), полученные при приложении единичного ступенчатого воздействия к элементам ходового оборудования.
Исследование амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) такой сложной многомассовой системы, какой является автогрейдер, позволяет проследить влияние частоты возмущающей силы на уровень динамического воздействия на рабочем месте человека-оператора, определить резонансные частоты и коэффициент передачи возмущающего воздействия.
Диапазон изменения частоты возмущающей силы выбирался из анализа спектра возмущающего воздействия со стороны микрорельефа (п. 1.3). Анализ показал, что внешние возмущающие силы действуют в диапазоне 0,1...100 Гц.
В качестве примера на рис. 4.4. представлены АЧХ подсистем "остов - кабина автогрейдера" и "остов - кабина автогрейдера - кресло человека-оператора".
Представленный график наглядно показывает наличие двух резонансных областей для подсистемы "рама - кабина автогрейдера". Центральная частота первой резонансной зоны - 2,5 Гц, второй - 4 Гц. Для подсистемы "рама - кабина автогрейдера - кресло человека-оператора" наблюдается одна резонансная зона - 2,7 Гц.
Изменить вид АЧХ можно выбором рациональных значений параметров жесткости и вязкости упруговязких элементов автогрейдера. Следовательно, необходимо было исследовать влияние жесткости и вязкости элементов системы на уровень динамического воздействия на рабочем месте человека-оператора.
Анализ влияния параметров жесткости и вязкости упруговязких элементов автогрейдера на уровень динамического воздействия на рабочем месте оператора
Проведенный анализ причин и источников динамического воздействия показал, что одним из наиболее неблагоприятных режимов является транспортный режим, который занимает существенное место в, рабочем цикле автогрейдера. Возмущающее воздействие со стороны микрорельефа на элементы ходового оборудования формировалось с использованием стохастических моделей микрорельефа (п. 1.3). При этом моделировалось движение автогрейдера по грунтовой дороге первого класса со скоростью до 40 км/ч. Моделирование микрорельефа по правой и левой колее осуществлялось с использованием корреляционных функций (1.18)и(1.19).
В гл. 1 было высказано предположение о том, что изменяя коэффициенты жесткости колес автогрейдера можно добиться снижения уровня динамических воздействий на рабочем месте человека-оператора. Для проверки данного предположения необходимо провести на ЭВМ ряд опытов, которые позволили бы выявить зависимости изменения виброускорения рамы автогрейдера q\, кабины q\, и кресла человека-оператора д7 от коэффициентов жесткости колес автогрейдера.
Влияние шин на плавность хода транспортного средства обуславливается такими основными их характеристиками, как радиальная статическая и динамическая жесткости и демпфирующая способность /105 - 108/.
Изменить жесткость шины, не изменяя ее конструкцию возможно только изменением внутреннего давления воздуха в ней.
Давление воздуха оказывает большое влияние на срок службы шины (рис. 4.5.). Для конкретной шины и нагрузки имеется определенное давление воздуха, при котором она имеет максимальный срок службы. Как уменьшение, так и увеличение давления воздуха от его оптимального значения приводит к уменьшению срока службы шины, причем уменьшение ее срока службы при повышении давления воздуха происходит в результате повышения напряжений в нитях корда и напряжений от сдвиговых деформаций в межкордной резине. При увеличении давления воздуха шина становится более жесткой, площадь контакта ее с дорогой уменьшается /109, 110, 111/.
Уменьшение срока службы шины при уменьшении давления воздуха в ней от его оптимального значения происходит в результате увеличения деформации шины. Большие деформации приводят к быстрой усталости материала и к быстрому повышению температуры шины.
