Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
ПОДРУБАЛОВ Максим Валерьевич
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ВИБРОЗАЩИТЫ ОПЕРАТОРА ТРАНСПОРТНОГО МОТОБЛОКА В СИСТЕМЕ МАЛОЙ МЕХАНИЗАЦИИ ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННОЙ И ЛЕСОПАРКОВОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
Специальность 05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва - 2012
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московский государственный университет леса
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Лапшин Юрий Геннадьевич, Мясищев Дмитрий Геннадьевич
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В.
омоносова, профессор кафедры Транспортные машины;
Макаренко Андрей Владимирович кандидата технических наук, доцент ФГБОУ ВПО Московский государственный университет леса, доцент кафедры Технология и оборудование лесопромышленного производства.
Ведущая организация Всероссийский научно-исследовательский институт лесоводства и механизации лесного хозяйства (ФБУ ВНИИЛМ).
Защита диссертации состоится л23 ноября 2012 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.146.03 при ФГБОУ ВПО Московский государственный университет леса по адресу: 141005, г.
Мытищи-5, Московская обл., 1-я Институтская ул., дом
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО Московский государственный университет леса Автореферат разослан л____ октября 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Б.М. Рыбин
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Мотоблоки (МБ) и созданные на их базе транспортные и трелвочные агрегаты (ТА) включены в систему машин для лесного и лесопаркового хозяйства. С учтом минимального воздействия на окружающую среду (уплотнение почвы, сохранение е поверхностного слоя, возможность движения под пологом крон без повреждения древостоя) указанные ТА начинают играть в настоящее время в этой области вс большую роль. Это касается, прежде всего, их использования на рубках ухода (подтрелвка длинномерных грузов, вывоз сучьев при санитарной рубке) и в лесопарковых зонах. ТА МБ повсеместно применяются в ландшафтном строительстве. Весьма перспективным следует признать также возможность работы при тушении пожаров (точечная транспортировка воды и оборудования).
Эксплуатация ТА МБ с прицепами (МБсП) различных конструкций показывает, что они имеют высокую низкочастотную вибрацию при движении по лесным и грунтовым дорогам, а также фонам, характерным для лесного хозяйства и садово-паркового строительства. Это заставляет оператора существенно снижать скорость движения ТА и тем самым уменьшать производительность труда.
Недоиспользование возможностей применения традиционных систем виброзащиты транспортных средств в конструкциях ТА МБсП при явно высоком уровне низкочастотной вибрации на сиденье оператора является следствием отсутствия обоснованных доказательств необходимости применения этих систем. Поэтому исследования, направленные на развитие методов расчета рациональных параметров систем виброзащиты ТА МБсП (шины - подвеска сиденья, подвеска руля) на стадиях их проектирования и модернизации, экспериментальное получение оценок вибронагруженности в реальных условиях эксплуатации и создание эффективных конструкций этих систем, являются весьма актуальными.
Целью работы является совершенствование теоретических методов расчета низкочастотной вибрации ТА МБсП на стадии проектирования и разработка эффективной подвески сиденья с рациональными параметрами.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
- проведены исследования расчтных оценок статистических характеристик эталонных профилей пути и обоснованы основные положения, принятые при аналитическом описании подсистемы воздействие и выборе параметров системы виброзащиты МБсП;
- разработана математическая модель стационарных пространственных колебаний многомассовой динамической системы МБсП - оператор при случайных воздействиях от профиля пути, позволяющая определять выходные спектральные характеристики процессов по любой обобщенной координате и проводить выбор ее параметров;
- проведены теоретические исследования по выбору рациональных параметров подвески сиденья оператора, а также оценке уровня низкочастотной вибрации на нм на соответствие нормам отечественного и международного стандартов для различных вариантов системы виброзащиты и режимов движения;
- выполнены экспериментальные исследования по оценке уровня низкочастотной вибрации на сиденье оператора и руле ТА мотоблока с варьированием типов и давления воздуха в шинах мотоблока на различных фонах и режимах движения на соответствие нормам отечественного и международного стандартов, а также показана сходимость результатов теоретических и экспериментальных исследований;
- разработана конструкция регулируемой по весу оператора подвески сиденья с рациональными параметрами.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования является транспортный агрегат мотоблока класса 0,1 с прицепом, на котором установлено сиденье человека-оператора, а предметом исследования - комплекс входных и выходных параметров, оценивающих свойства динамической системы "воздействие-машина-оператор".
Методы исследования. В работе применены следующие методы исследования: анализ литературных источников, посвящнных эксплуатации ТА МБ в лесном и лесопарковом хозяйстве, а также оценка их уровня вибронагруженности в реальных условиях, анализ методов математического моделирования случайных колебаний масс динамических систем мобильных машин и оценке их воздействия на человека-оператора. В работе использованы классические методы теоретической механики, спектральной теории для эргодических стационарных процессов, статистическая обработка и спектральный анализ результатов натурных экспериментальных исследований на ЭВМ, статистическая и энергетическая линеаризация сил сопротивления в подвеске сиденья при синтезе ее параметров.
Научная новизна работы. Разработан метод оценки воздействий по ускорению от профилей пути на движущуюся машину, позволяющий более полно определять характеристики подсистемы воздействие и обоснованно выбрать представительный режим движения при определении рациональных параметров системы виброзащиты МБсП.
Разработаны математическая модель стационарных пространственных колебаний многомассовой динамической системы МБсП-оператор и алгоритм расчета спектральных плотностей выходных процессов, которые позволяют на стадии проектирования машины проводить оценку уровня вибрации на сиденье оператора и руле в соответствии ГОСТ 12.2.019-86 (2005) и ИСО 2631-2003 с точностью натурного эксперимента.
Получены рациональные параметры подвески сиденья МБсП и осуществлена теоретическая оценка его эффективности при различных вариантах типов и давлений воздуха шин мотоблока.
Получены теоретический и экспериментальный материал, устанавливающий качественную и количественную картины изменения характеристик вибрации на сиденье оператора и руле МБсП при варьировании его массово-геометрическими и упруго-демпфирующими параметрами, дорожным фоном и скоростью движения с оценкой соответствия уровня вибрации нормам стандартов.
Практическая значимость работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований позволили:
- обоснованно выбрать один представительный эталонный фон стандартов ИСО 5008-2002 и ГОСТ 12.2.002-91 при расчтных и экспериментальных оценках вибронагруженности мобильных машин и применить инженерную методику по выбору рациональных параметров системы виброзащиты на стадии их проектирования и модернизации;
- реализовать на ЭВМ методы расчета колебаний ТА МБсП, учитывающие пространственность и многомассовость его динамической системы с учтом массы человека-оператора и дающие достоверный прогноз по параметрам вибрации машины для типичных в реальной эксплуатации скоростей движения;
- обосновать потенциальные возможности подрессоривания сиденья по снижению уровня вибрации МБсП и выполнения нормативов ГОСТ 12.2.019-(2005) и ИСО 2631-2003 средствами пассивной системы виброзащиты с рациональными параметрами, структура которой включает в себя лишь две ступени (пневматические шины, подвеска сиденья);
- сформировать основу экспериментальной базы данных для состава транспортного и почвообрабатывающего агрегатов мотоблока по оценкам уровня вибрации на сиденье оператора и руле и их сравнения с нормами ГОСТ 12.2.019-86 (2005) и ИСО 2631-2003 при различных типах шин, внутреннего давления воздуха в шинах, массы груза, скорости движения и фонах;
- разработать для ТА мотоблока конструкцию регулируемой по весу оператора подвески сиденья с рациональными параметрами.
Реализация результатов работы. Основные положения диссертации использованы при создании подвески колс для трактора класса 2 на ОАО "НПК" "Уралвагонзавод" Апробация. Основные положения диссертационной работы и е разделов доложены на Международных симпозиумах Наджность и качество (г.
Пенза, ПГУ) в 2007 и 2009 годах, на заседании НТС Липецкого представительства ОАО НПК Уралвагонзавод в г. Липецке (2009 год), на совместном заседании кафедр Теория и конструирование машин и Сопротивление материалов в 2011 году, на научно-технических конференциях МГУЛ в 2007-2010 годах.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано девять научных работ, в том числе шесть работ в изданиях, рекомендованных ВАК для публикаций результатов диссертационных исследований.
Структура и объм диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка используемой литературы и трех приложений. Содержание работы изложено на 158 страницах машинописного текста, иллюстрировано 42 рисунками и 8 таблицами. Список использованных источников содержит 133 наименования.
Основные научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту.
1. Методологический подход, результаты расчтных оценок статистических характеристик воздействий от эталонных фонов, принятых в отечественных и международных стандартах, и обоснование представительности одного из них при выборе параметров системы виброзащиты машины.
2. Математическая модель стационарных пространственных колебаний многомассовой динамической системы "МБсП-оператор" при случайных воздействиях от профиля пути.
3. Результаты теоретических исследований по выбору рациональных параметров подвески сиденья оператора и обоснование достаточности двух уровней в структуре системы виброзащиты (шины-подвеска сиденья).
4. Результаты экспериментальных исследований вибронагруженности ТА МБсП с различными типами и давлением воздуха в шинах мотоблока на различных фонах и режимах движения.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении содержится общая характеристика работы, е актуальность и основные положения диссертации, выносимые на защиту.
В первой главе проведены обзор исследований по применению мотоблоков в лесном хозяйстве и систем виброзащиты колсных машин, включающий рассмотрение путей по снижению низкочастотной вибрации ТА МБсП, выполнен анализ работ по динамике колсных мобильных машин и методов формирования воздействия на них от профилей пути, а так же норм и методов оценки вибрации по отечественным и международным стандартам.
Сформулированы цель и задачи исследования.
Теоретическим и экспериментальным исследованиям, направленным на совершенствование техники для лесосечных работ, посвящены работы Добрынина Ю.А., Александрова В.А., Гобермана В.А., Гобермана Л.А., Мясищева Д.Г., Быкова В.В., Редькина А.К., Макуева В.А., Алябьева В.И., Котикова В.М., Захарикова В.М., Bredberg K.J. и других.
В них рассматривается широкий круг вопросов отражающих:
формирование систем лесосечных машин, включая ТА МБ, и обоснование их параметров для различных условий; исследования по влиянию машин на лесную среду и почву; поведение динамических систем машин при различных воздействиях; проблемы наджности и технической эксплуатации.
Анализ этих исследований подтверждает актуальность и правильность выбора направления предлагаемой работы, ставящей своей целью улучшение условий труда на ТА МБсП.
В тоже время в этих работах отсутствуют методические и практические материалы, необходимые при создании системы виброзащиты ТА МБсП.
Вопросам теоретического и экспериментального исследования виброзащиты машин различных классов и назначения, связанного с воздействиями от неравномерностей пути, посвящены работы Дмитриченко С.С., Кутькова Г.М., Антышева Н.М., Волошина Ю.Л., Субботина В.И., Никитенко А.Н., Ротенберга Р.В., Платонова В.Ф., Хачатурова А.А., Яценко Н.Н., Дербаремдикера А.Д., Claar, Stayner и многих других.
В этих областях рассмотрен большой круг задач. Однако следует отметить, что оценка вибронагруженности машин проводилась в них в основном по упрощнным расчтным схемам с представлением динамических систем плоскими моделями с подачей на вход систем единичного и (или) гармонического воздействия. Результаты таких расчтов не обладают представительностью, что приводит их к несовпадению или неоднозначности с экспериментальными данными.
Вопросы теоретических исследований низкочастотной вибрации ТА МБсП с пространственной динамической системой и горизонтальным шарниром, соединяющим мотоблок и прицеп с оператором, на вход которой податся воздействие от случайного профиля пути, в рассмотренных работах не представлены.
Исходя из изложенного были сформулированы цель и задачи настоящей работы.
Во второй главе помешены материалы, в которых на основе полученных расчтных оценок статистических характеристик эталонных профилей пути изучены свойства кинематических воздействий от них на движущуюся машину и обоснованы основные положения, принятые в аналитическом описании подсистемы воздействие. Сформулированы критерии качества для выбора рациональных параметров системы виброзащиты ТА МБсП.
ТА МБсП относится по ГОСТ Р 50908-96 к машинам, оценка уровня низкочастотной вибрации при сертификации которых должна осуществляться по ГОСТ 31191-2004, ИСО 2631-2003 (методы регистрации и оценки вибрации) и ГОСТ 12.2.002-91, ИСО 5008-2002 (методы испытаний). Испытания должны проводиться на двух искусственных фонах каждого стандарта при различных регламентированных скоростях движения.
Однако при использовании в расчтах характеристик фонов всех стандартов будет получаться, что решений будет четыре (для каждого трека и соответствующей ему скорости движения), что неудобно и будет существенно увеличивать объм вычислений и получаемых для анализа данных, которые могут быть между собой противоречивы.
Поэтому в работе в качестве критерия качества были выбраны характеристики представительного эталонного фона. В этом случае для сиденья оператора критерий качества будет = 2 2 , , , , , (1) Э где [ 2 ] - допускаемые стандартами среднеквадратические значения (СКЗ) ускорений в i - ых ОДЧ; M, L, C, K - векторы конструктивно реализуемых массово-геометрических и упруго-демпфирующих параметров динамической системы МБсП, малые буквы- компоненты векторов; QЭ - вектор параметров функции воздействия от эталонного фона; Q, SQ - символ представительного эталонного фона и его спектральная плотность.
Для обоснования такого подхода и выбора представительного трека реализован метод анализа и задания характеристик воздействий по ускорению, т.е. = 4(), который ставит в соответствие физическую сущность оцениваемых выходных (виброускорения масс) и входных (воздействие по ускорению от случайного профиля пути) параметров динамической системы "местность-машина". В отличие от традиционного метода (анализ по и коэффициентам аппроксимации и корреляционной функции) разработанная методика позволила получить новые оценки характеристик эталонных воздействий.
Было установлено (рис. 1), что спектры воздействий по ускорению от эталонных фонов ГОСТ (v=2,22 м/с - агрофон, v=4,17 м/с - дорога) и СТ ИСО (v=3,33 м/с - дорога) имеют монотонный практически линейный рост. Это говорит о том, что эти возбуждения в качественном отношении к динамической системе машины практически одинаковы. Иная картина у спектра воздействий от агрофона СТ ИСО при v=1,39 м/с. В четвртом ОДЧ (5,6-11,2 Гц) он имеет практически на всей ширине этого диапазона приблизительно постоянный характер, т.е. является белым шумом по ускорению.
Для получения численных оценок уровня возбуждения было проведено интегрирование спектров воздействий (рис. 1) в ОДЧ с последующим вычислением СКЗ воздействий по ускорению (табл. 1). Из табл. 1 видно, что уровень воздействий по ускорению от профилей левой, правой колеи и их среднего значения ровной колеи (дороги) СТ ИСО при скорости машины v=3,м/с (12 км/ч) весьма близки (отличие до 1,2-1,3 раза) к СКЗ воздействий по ускорению от искусственного трека, имитирующего грунтовую дорогу ГОСТ при скорости v=4,17 м/с (15 км/ч). Причм, это наблюдается как для ОДЧ, так и в суммарном диапазоне 0-11,2 Гц. Несколько большие числовые различия по оценкам СКЗ по отношению к указанным выше у воздействий по ускорениям от агрофона ГОСТ при v=2,22 м/с (8 км/ч). Наибольшая разница видна в 3-м ОДЧ (2,8-5,6 Гц), где она достигает 1,45 раза.
Таким образом, позволил разработанный метод обоснованно выбрать эталонный фон для исследованийи системы виброзащиты МБсП. Этим фоном является трек грунтовой дороги ГОСТ 12.2.002-91. Параметры его кинематических воздействий на машину практически идентичны эталонному треку (ровная колея) ИСО 5008 и весьма близки треку агрофона из самого же стандарта, т.е. данные, полученные при расчтном и натурном экспериментах с ТА МБсП будут являться представительными и обладать общностью в смысле достижения критерия качества (1).
, Гц Ц - - левая колея - правая колея СT ИСО 5008 - агрофон, v=1,39 м/с;
ХХ - ГОСТ 12.2.002-91 - агрофон, v=2,22 м/с (1) , Гц Ц - - левая колея; - правая колея.
CT ИСО 5008 - дорога, v=3,33 м/с; ХХ - ГОСТ 12.2.002-91 - дорога, v=4,17 м/с (2) Рис. 1. Нормированные спектральные плотности воздействий по ускорениям от эталонных фонов Таблица СКЗ воздействий по ускорению от профилей эталонных треков, м/сДиапазоны частот, Гц Наименование Скорость Фон Колея 0,0- 5,6- 0,0стандарта м/с 0,7-1,4 1,4-2,8 2,8-5,0,7 11,2 11,Агрофон 2,22 0,16 0,41 1,09 2,87 5,92 6,ГОСТ Колеи Грунтовая 12.2.002-91 4,17 совпадают 0,21 0,36 0,92 2,09 5,87 6,дорога Л 0,41 1,08 1,92 4,07 6,62 8,Неровная колея 1,П 0,28 0,91 1,66 3,32 4,5 5,(агрофон) Сред 0,35 0,99 1,79 3,69 5,56 6,ИСО 500820Л 0,16 0,29 0,76 1,91 6,19 6,Ровная колея 3,П 0,16 0,31 0,65 2,06 5,78 6,(дорога) Сред 0,16 0,3 0,71 1,98 5,98 6,В третьей главе представлена разработанная математическая модель пространственных колебаний многомассовой динамической системы МБсП - оператор при случайных воздействиях от профиля пути. Приведены теоретические исследования по выбору рациональных параметров подвески сиденья оператора, а также оценке уровня низкочастотной вибрации на нм на соответствие нормам отечественного и международного стандартов для различных вариантов системы виброзащиты и режимов движения.
На схеме (рис. 2) агрегат с оператором интерпретируются в виде динамической системы четырех твердых тел, соединенных упругодиссипативными связями и шарниром, имеющей четыре входа и семь степеней свободы. При построении линейной математической модели, описывающей малые пространственные колебания масс, применены общепринятые допущения.
Qi - (i=1, 4 )-кинематические воздействия от профиля пути;
qi - (i=1,7 ) - обобщенные координаты;
Р1 - центр инерции мотоблока;
Р2 - центр инерции прицепа;
О1 - проекция точки Р1 на ось горизонтального шарнира;
О2 - проекция точки Р2 на ось горизонтального шарнира;
О3 - центр инерции оператора и сиденья;
О4 - центр инерции руля;
А, В - точки регистрации ускорений;
F1, F2, F3, F4 - точки крепления колес;
1, 2 - точки крепления подвески сиденья;
Е1, Е2 - точки крепления подвески руля;
Е3, Е4 - точки соприкосновения руля с руками и рук с туловищем;
сi (i=1,8 ) - жесткости упругих элементов;
ki (i=1,8 ) - коэффициенты диссипации;
Рис. 2. Расчтная схема динамической системы ТА МБсП-оператор Дифференциальное уравнение малых колебаний многомерной динамической системы МБсП-оператор, полученное с помощью уравнений Лагранжа второго рода и записанное в матричной форме, имеет вид (D2M DK C)q (DB1 B2)Q, (2) d D где Т - оператор транспонирования; - оператор дифференцирования;
dt T q q1, q2,...,q7 - вектор-столбец обобщенных координат системы;
T Q Q1, Q2, Q3, Q4 - вектор-столбец кинематических воздействий;М, К, С - матрицы коэффициентов сопротивления и жесткости;В1, В2 - матрицы коэффициентов сопротивления и жесткости при кинематических воздействиях.
После применения к уравнению (2) при нулевых начальных условиях преобразования Лапласа, получим алгебраическое уравнение ( p2 M p K C)q( p) ( p B1 B2)Q( p). (3) В рассматриваемом многомерном случае выражение для вычисления матрицы передаточных функций имеет вид:
W( p) A ( p) B( p), (4) A( p) p2 M p K C, B( p) p B1 B2.
где -1() - обратная матрица Для физически осуществимых устойчивых многомерных систем матрицу передаточных функций при установившемся режиме колебаний можно заменить без потери информации матрицей частотных характеристик, которая является исчерпывающей характеристикой многомерной динамической W( p) W( j) j системы, т.е.,.
p j Матрица спектральных плотностей n-ой производной компонент вектора выхода линейной динамической системы вычислялась по предварительно рассчитанным матрицам спектральных плотностей компонент вектора кинематических воздействий () и матрице частотных характеристик системы W(j):
Sq ( j) ( j)n W( j) SQ( j)W ( j)( j)n, ( n) (5) где () и () - сопряженная и транспонированная матрицы частотных характеристик; - матрица спектральных плотностей компонент вектора кинематических воздействий 1 H12 e j H12e j H12 1 H12e j e j SQ ( j) S11() j j e H12e 1 H12, (6) j j H12e e H12 где Н12(j)=e-j - частотная характеристика фильтра линейного преобразования воздействия от левой колеи в воздействие, поступающее от правой колеи; для фазового сдвига =0 (колеи совпадают) Н12(j)=1, при =/2 (колеи не совпадают) Н12(j)=j; - - оператор сдвига для воздействий от передних колс к задним колсам; =L/v- запаздывание воздействия на задние колеса; L - продольная база МБсП; v - скорость движения.
Матрица спектральных плотностей n-ых производных деформаций упругих элементов вычислялись по соотношению S ( j) ( j)n Sq( j) ( j)n, (7) ( n) q q1,q2, q7,Q1,Q2,Q3,Q4 - расширенный вектор кинематических где:
Sq ( j) перемещений; - расширенная матрица спектральных плотностей расширенного вектора кинематических перемещений; - матрица деформаций упругих элементов.
При разработке алгоритма расчта показателей уровня вибрации на сиденье и руле (точек А и В на рис. 2) было принято, что вектор перемещений этих точек rA,B Uq, (8) где: U - матрица перехода от точек O1, O2, O3 и O4 к точкам А и В.
Тогда матрица спектральных плотностей n-х производных компонент вектора , Sr (n)( j) U Sq(n)( j)U. (9) A В работе основными критериями качества являются оценки СКЗ виброускорений на сиденье оператора в соответствии с ГОСТ 12.2.019-86, ГОСТ 31191-2004 и СТ ИСО 5008-2002. В математической модели СКЗ вторых производных перемещений в ОДЧ вычисляются по формуле ii SX,YB,ZB( ()d, 2) (10) XB,YB,ZB( 2) B i где i - номер полосы частот, (i = 1,5); i и i+1 - нижняя и верхняя границы полосы частот.
Аналогично вычислялись СКЗ ускорений на руле и прогибов по спектрам (7) (вспомогательные критерии). Для расчета СКЗ ускорений на руле в формуле (10) индекс В заменялся на индекс А.
Последовательность алгоритмов (2)-(10) была реализована на ЭВМ.
Основным принципом расчтного эксперимента по выбору параметров системы виброзащиты ТА МБсП являлся ограниченный классический двухфакторный план с несбалансированной матрицей. Диапазоны варьирования параметрами динамической системы устанавливались исходя из ранее полученных данных по параметрам узлов ТА МБсП и мобильных машин, имеющихся в публикациях и документации.
Расчты показали, что уровень вибрации на неподрессоренном сиденье шинах размера 4.00-10 модели Ф-106 и массивной очень высок (рис. 3). СКЗ вертикальных ускорений составляют, например, в диапазоне 2,8-5,6 Гц 5,5-м/с2. Применение на мотоблоке мягких шин с радиальной жесткостью 10-кН/м может снизить уровень указанной выше вибрации на сиденье лишь до 3,55 м/с2.
Теоретические исследования выявили (рис. 3), что введение в систему виброзащиты ТА мотоблока подвески сиденья с жесткостью 6,7 кН/м и коэффициентом сопротивления 0,2-0,3 кНс/м во много раз снижает вибрацию на сиденье мотоблока и с шинами 4.00-10 модели Ф-106 на транспортных скоростях 2-3 м/с (7-11 км/ч), доводит ее практически до норм отечественного (в скобках) и международного стандартов, созданных для тракторов, мобильных лесных и сельскохозяйственных машин: ОДЧ 0,7-1,4 Гц - 1,1 м/с2;
1,4-2,8 Гц - 0,79(1,15) м/с2; 2,8-5,6 Гц - 0,57 (0,8) м/с2; 5,6-11,2 Гц - 0,6 м/с2;
11,2-22,4 Гц - 1,14 м/с2 (вс по вертикальному направлению). При применении на МБ весьма жстких массивных шин 4.00-10 (c1,2=320 кН/м) введение такой подвески снижает горизонтально-продольную и вертикальную вибрацию на сиденье (в 6 раз в ОДЧ 1,4-2,8 Гц; в 7 раз в 2,8-5,6 Гц; в 4 раза в 5,6-11,2 Гц) и обеспечивает ее уровень, на котором возможна эксплуатация ТА.
3 без подвески, v=3,18 м/c с подвеской, v=3,18 м/с с подвеской v=2,2 м/с 2 4 с подвеской, v=3,18 м/с с подвеской, v=3,18 м/с с подвеской, v=3,18 м/с Рис. 3. Зависимости СКЗ вертикальных ускорений на сиденье ТА МБсП (1-5) и прогибов подвески сиденья (6) от упруго-демпфирующих параметров. Для (3-6) - шины 4.00-10 мод. Ф-106: pw=0,1 МПа, c1,2=85 кН/м, k1,2=0,3 кНс/м; подвеска:
с6=6,7 кН/м, k6=0,2 кНс/м. ЧЧЧ - 0,7 - 1,4 Гц; - 1,4 - 2,8 Гц; - - - - - 2,8 - 5,6 Гц; - 5,6-11,2 Гц; ЧЧЧ - 11,2 - 22,4 Гц Анализ расчетных зависимостей показал, что основным средством снижения вибрации на руле является применение более эластичных шин на МБ.
Применение подрессоренного сиденья также положительно (до 2 раз) сказывается на уменьшении горизонтально-продольной и вертикальной вибрации на руле.
Расчты показали (рис. 3), что СКЗ прогибов подвески сиденья с выбранной жесткостью с6=6,7 кН/м и коэффициентом сопротивления k6=0,2-0,кНс/м при наиболее вибронагруженном режиме движения составляют величину 11-14 мм в зависимости от жесткости шин, что определяет выбор вполне реализуемых на практике минимальных величин динамических ходов подвески 35-45 мм. Подрессоренное сиденье с такими параметрами будет оказывать положительное влияние и на динамические прогибы шин мотоблока и прицепа.
Снижение СКЗ этих параметров при использовании пневматических шин, может достигать соответственно 1,1 и 1,39 раза.
Четвертая глава посвящена анализу результатов экспериментальной оценки вибронагруженности мотоблока. Исследования проводились на серийном образце мотоблока М-3, который мог оснащаться шинами 4.00-модели Ф-106 и массивными, прицепной тележкой для проведения транспортных работ с шинами модели К-82 и двумя фрезами-культиваторами.
При проведении испытаний использовался комплекс приборов, основой которого была индуктивная шестиканальная виброизмерительная аппаратура ВИ6-6ТН в комплекте с датчиками ускорений ДУ-5С, пультом управления, питания, аналого-цифрового преобразователя и ЭВМ.
Исследования проводились на эталонном треке грунтовой дороги по ГОСТ 12.2.002-91, гладком бетонном треке, используемым для испытаний тракторов по оценке их тягово-сцепных свойств, и агрофоне. Профилирование трека с шагом квантования 10см проводилось методом, аналогичным методу нивелирования.
Исследованиями было установлено (рис. 4), что уровень СКЗ вертикальных, горизонтально-продольных и горизонтально-попepечных ускорений на сиденье оператора ТА при его движении на 1-й передаче (3,км/ч) по эталонному треку соответствует ГОСТ12.2.019-86 (2005) и ИСО 26312003. При движении на 2-й передаче (11,4 км/ч) с грузом 200 кг стандарты не выполняются (превышение до 1,5-6 раза) в диапазонах частот 2,8-5,6 и 5,6-11,Гц (среднегеометрические частоты СГЧ 4 и 8 Гц). При этом было выявлено, что уровень СКЗ ускорений на сиденье и на руле при движении ТА холостым ходом по эталонному треку до 1,8-2,2 раз выше, чем у груженого.
Испытания показали, что тип шин и давление воздуха в шинах мотоблока практически не оказывают влияния на уровень вертикальной вибрации на сиденье. Установлена лишь тенденция (в пределах 10-20% от максимального) снижения уровня ускорений при уменьшении давления до 0,04 МПа у шин модели Ф-106. Выяснилось, что применение массивных шин 4.00-отрицательно влияет на вибронагруженность руля в диапазонах частот свыше 5,6 Гц. Вибрация руля с такими шинами в 1,5 раз выше, чем с шинами модели Ф-106 при давлении 0,04 МПа. Кроме того, эксперимент показал, что суммарный уровень СКЗ ускорений на руле при фрезеровании почвы на 1-й передаче до 1,8 раз ниже, чем у транспортного агрегата при движении с аналогичной скоростью.
1-ая передача v=3,3 км/ч (0,92 м/с) 2-ая передача, v=11,4 км/ч (3,17 м/с) Рис. 4. СКЗ ускорений в ОДЧ для МБсП при движении его с грузом по эталонному треку грунтовой дороги ГОСТ 12.2.002-91: Ц - - шины 4.00-мод. Ф-106, pw=0,07 МПа; - шины 4.00-10 массивные; - Х - Х - - допустимые (для Z) и рекомендуемые (для X и Y) значения по ГОСТ 12.2.01986 (2005) Единый методический подход по теоретической и экспериментальной оценкам вибрации ТА МБсП с использованием натурного эталонного трека и его характеристик позволил обоснованно провести сравнение результатов расчета и эксперимента. Полная оценка точности эксперимента определила общую относительную ошибку 18-32%.
Сравнение показало, что различие расчетных и экспериментальных оценок СКЗ вертикальных ускорений в диапазоне 0,7-22,4 Гц при движении ТА со скоростью 11,4 км/ч по треку составило для сиденья 30% и руля 9%. Это свидетельствует о достаточной адекватности пространственной расчетной схемы динамической системы МБсП-оператор и реальной машины и правомочности применения на стадии проектирования линейной математической модели и методики задания функции кинематического возбуждения от профиля пути. Кроме того, такое совпадение результатов сделало надежными выводы по совершенствованию системы виброзащиты ТА мотоблока, полученные при расчетном выборе ее параметров.
Пятая глава, посвящена разработке конструкции регулируемой подвески сиденья оператора, установленного на прицепе ТА МБ.
Синтез характеристики демпфирования в подвеске осуществлялся с использованием методов энергетической и статистической линеаризации сил сухого трения в е направляющем устройстве. Исследованиями показано, что подвеска сиденья свечного типа, Рис. 5. Расчетная упругая характеристика которая с наименьшими подвески сиденья МБсП; масса оператора конструктивными 100(I), 80(II) и 60(III) кг. 1- работа только трудностями и затратами пружины; 2 и 3 - пружины с буферами сжатия и может быть применена в отбоя серийном прицепе, только за счт сухого трения в шкворне имеет средний эквивалентный коэффициент сопротивления для всех расчтных вариантов (варьировалась сила трения и масса оператора) 0,21-0,26 кНс/м, что соответствует рациональной величине.
Здесь также была показана нецелесообразность применения в свечной подвеске сиденья гидроамортизатора (k=0,5 кНс/м), который при его установке будет повышать СКЗ вертикальных ускорений на сиденье в критическом по допускаемым нормам 3-ем ОДЧ при движении МБсП по эталонному треку на 2-ой передаче (11,4 км/ч) почти в 2 раза (рис. 3.4).
На основании проведнных исследований была разработана регулируемая по весу оператора свечная подвеска сиденья ТА мотоблока, которая обладает рациональными параметрами (с6=6,9 кН/м, k6=0,21-0,26 кНс/м, =60мм), имеет независящий от нагрузки коэффициент динамичности Kд=2 (рис. 5) и позволит с малыми дополнительными затратами на е производство и минимальными изменениями в несущей конструкции прицепа существенно повысить технический уровень МБсП и его конкурентоспособность.
Общие выводы 1. Разработанная методика спектрального анализа реализаций от профилей пути с использованием критерия "воздействия по ускорению" позволила установить практическое равенство характеристик исскуственных треков грунтовой дороги отечественного стандарта и ровной колеи международного стандарта для регламентируемых при испытаниях скоростях движения машины 15 и 12 км/ч и выбрать для теоретической и экспериментальной оценок вибрации транспортного мотоблока один трек (ГОСТ) как наиболее представительный для обоих стандартов.
2. Разработанная математическая модель стационарных пространственных колебаний масс многомерной динамической системы "МБсП-оператор", представленная в виде четырех тврдых тел, соединнных восемью упруго-диссипативными связями, имеющая четыре входа и семь степеней свободы, позволяет определять частотные и выходные спектральные характеристики по любой обобщнной координате, проводить выбор е параметров и оценивать эффективность каждой ступени системы виброзащиты.
3. Анализ расчтных оценок виброускорений показал:
- уровень виброускорений на неподрессоренном сиденье оператора при применение любых типов шин очень высок (до 6 м/с2);
- введение в конструкцию сиденья подвески с жскостью 6,7 кН/м и коэффициентом сопротивления 0,2-0,3 кНс/м во много раз снижает вибрацию и доводит ее до норм отечественного и международного стандартов, при этом СКЗ прогибов подвески составляет величину 11-14 мм;
- эффективными средствами снижения вибрации на руле (до 2 раз) являются применение более эластичных шин на мотоблоке и подрессоренного сиденья с рациональными параметрами.
4. Проведнными экспериментальными исследованиями установлена общая картина вибронагруженности мотоблока:
- уровень ускорений на сиденье оператора при его движении на 1-ой передаче (3,3 км/ч) по эталонному треку грунтовой дороги соответствует нормам, при движении на 2-ой передаче (11,4 км/ч) с грузом 200 кг стандарты не выполняются (превышение до 1,5-6 раз); при движении холостым ходом (без груза) уровень этих ускорений в 1,8-2,2 раза выше, чем у гружного; тип шин и давление воздуха в шинах мотоблока практически не оказывают влияния на уровень вертикальной вибрации на сиденье; применение массивных шин 4.0010 отрицательно влияет на вибронагруженность руля в диапазонах частот свыше 5,6 Гц. Вибрация руля с такими шинами в 1,5 раз выше, чем с шинами модели Ф-106 при давлении 0,04 МПа.
5. Использование характеристик трека грунтовой дороги стандарта при теоретических исследованиях и проведение на нем натурных испытаний мотоблока позволили провести сравнение расчтных и экспериментальных данных (различия 9-30%) и обоснованно реализовать в разработанной конструкции подвески сиденья оператора рациональные параметры.
6. Разработанная регулируемая по весу оператора свечная подвеска сиденья ТА мотоблока обладает рациональными параметрами (с6=6,9 кН/м, k6=0,21-0,26 кНс/м, =60мм), имеет независящий от нагрузки коэффициент динамичности Kд=2 (без учта буферов отбоя и сжатия) и позволит с малыми дополнительными затратами на е производство и минимальными изменениями в несущей конструкции прицепа существенно повысить технический уровень мотоблока и его конкурентоспособность.
Основные положения диссертации опубликованы в работах:
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК 1. Подрубалов, М.В. Математическая модель пространственных колебаний масс динамической системы транспортного агрегата мотоблока при стационарном кинематическом воздействии. /М.В. Подрубалов//Вестн. Моск.
гос. ун-та леса - Лесной вестник. Ц2007. - №6 (48). - С. 142-146.
2. Славкин, В.И. Исследование возмущающих воздействий, действующих на входе рабочих органов самоходного картофелеуборочного комбайна. /В.И.
Славкин, С.В. Белов, М.В. Подрубалов и др.//Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2007. - № 12. С. 26-28.
3. Подрубалов, М.В. Анализ отечественных и международных стандартов по нормам и методам оценки вибрации на колсных мобильных машин. /М.В.
Подрубалов// Вестн. Моск. гос. ун-та леса - Лесной вестник. Ц2009. - №2 (65). - С. 98-100.
4. Подрубалов, В.К. Результаты испытаний отечественной и зарубежных шин для малогабаритной техники. /В.К. Подрубалов, Л.А. Дмитриева, М.В.
Подрубалов//Известия МГТУ МАМИ. -2011. -№1(11). -С. 76-82.
5. Подрубалов, М.В. Формирование функции цели при оптимизации системы виброзащиты транспортного агрегата мотоблока. /М.В.
Подрубалов//Вестн. Моск. гос. ун-та леса - Лесной вестник. Ц2011. - №3 (79). - С. 110-113.
6. Тулузаков, Д.В. Характеристики воздействий от эталонных искусственных треков для испытаний мобильных машин. /Д.В. Тулузаков, Ю.Г.
апшин, М.В. Подрубалов и др.//Вестн. Моск. гос. ун-та леса - Лесной вестник.
Ц2011. - №3 (79). - С. 110-113.
Публикации в трудах МГУЛ и других изданиях 7.Лапшин, Ю.Г. Расчтная оценка вибронагруженности транспортного агрегата мотоблока с различной комплектацией шин. /Ю.Г. Лапшин, М.В.
Подрубалов//Наджность и качество: тез. док. межд. симп. - Том 2.- Пенза, 2007. -С. 73-75.
8.Лапшин, Ю.Г. Исследование эффективности применения подрессоренного сиденья человека-оператора транспортного агрегата мотоблока. /Ю.Г. Лапшин, М.В. Подрубалов// Наджность и качество: тез. док.
межд. симп. - Том 2. - Пенза, 2009. -С. 258-260.
9.Подрубалов, М.В. Методика и расчтная оценка демпфирования от сил сухого трения в подвеске транспортного агрегата мотоблока. /М.В.
Подрубалов//Технология и оборудование для переработки древесины: сб. науч.
тр. - Вып. 345. - М.: МГУЛ, 2009. - С. 94-99.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям