автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Интегрированная система снижения вибрации рабочего места оператора

На правах рукописи

□ О34о 1 1 -I г

С

^ г//ГоХ1

ПАХОМОВА ЛЮДМИЛА ВЛАДИМИРОВНА

ИНТЕГРИРОВАННАЯ СИСТЕМА СНИЖЕНИЯ ВИБРАЦИИ РАБОЧЕГО МЕСТА ОПЕРАТОРА

Специальность: 05.08.05 - Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Новосибирск-2009 ? 9 о; ¡у 2059

003481117

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Барановский Александр Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Новосёлов Александр Леонидович

кандидат технических наук, доцент Бурков Сергей Николаевич

Ведущая организация: Институт горного дела Сибирское

отделение Российской Академии наук

Защита состоится «26» ноября 2009 г в 14 часов (ауд. 227) на заседании диссертационного совета Д223.008.01 при ФГОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта» по адресу: 630099, г. Новосибирск, ул. Щетинкина, 33, ФГОУ ВПО «НГАВТ» (тел/факс (383)-222-49-76, E-mail: ngavt@ngs.ru или ese sovet@mail.ru).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта»

Автореферат разослан 23 октября 2009 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

Малышева Е.П.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Проблема снижения воздействия судовой вибрации на оператора возникла вследствие необходимости нахождения человека рядом с рабочей установкой. Это приводит к передаче вибрации на контактирующие поверхности и вызывает общую вибрацию оператора. Характер проблемы обусловлен близостью вынуждающих и собственных частот человека. Основные частоты вибрации двигателей речных судов находятся в диапазоне (2-63) Гц. Стандартные частоты человека (ГОСТ 12.4.094-88) занимают диапазон (2-80) Гц. Сочетание этих факторов часто приводит к профессиональным заболеваниям.

Традиционный подход использует дискретные инерционно-упругие системы, количество частот в которых ограничено и зависит от числа масс модели. Эти системы не могут динамически соответствовать человеку. Близкие к человеку динамические модели являются непрерывными, но весьма сложными для расчёта. Кроме того, источник вибрации является детерминированным и не учитывает взаимодействие между сидящим оператором и защитным устройством.

С точки зрения динамики человек является сложной структурой сочетающей инерционные, упругие и вязкие элементы. Границы этих элементов являются причиной отражения волн, что приводит к образованию форм колебаний данного тела. Для тел сложной формы разработаны вычислительные процедуры, основанные на методе конечных элементов. Вместе с тем существующие вычислительные методики требуют определенной адаптации к свойствам биологических объектов. В работе рассмотрена интегрированная система снижения вибрации оператора н методы её исследования.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование конструкции интегрированной системы защиты оператора сочетающей низкую собственную частоту, малую статическую просадку и практическая проверка предложенного решения.

Методы исследования. Основным методом исследования был принят метод компьютерного трёхмерного моделирования человека-оператора. Стандартные размеры человека и их представление проводилось в программе КОМПАС-ЗБ. Для расчета собственных частот была использована программа АРМ \VinMachine. Аналитическое исследование проводилось для оболочек вращения заполненных жидкостью. Для простейших форм эллипсоида, цилиндра и тора в работе были получены собственные частоты колебаний жидкого объёма в упругой оболочке.

Научная новизна заключается в разработке защитного устройства снижающего передачу вибрации на оператора.

Практическая ценность работы. Получены трёхмерные модели оператора, спектр собственных частот и формы колебаний. Предложен метод пересчёта собственных частот модели человека, повышающий достоверность результата. Предложены конструкции оболочек используемых в качестве защитного устройства. Снижены до уровня санитарных норм вибрационные нагрузки на оператора.

На защиту выносятся

1 Устройство для снижения вибрации оператора судовых энергетических установок и методы его расчета.

2 Результаты исследований динамического поведения живых объектов и, в частности, человека.

3 Принцип интеграции защищаемого объекта и защищающего устройства в единый комплекс.

4 Методика моделирования трехмерных антропоморфных объектов для расчета методом конечных элементов.

5 Результаты численных исследований интегрированных систем, состоящих из защищаемого объекта, защитного устройства.

Апробация работы. Основные положения и результаты докладывались и обсуждались на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава и инженерно-технических работников речного транспорта и других отраслей (Новосибирск, 2007), на межвузовской научной конференции Философия науки и техники: тезисы и материалы (Новосибирск, 2008), на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава «Водный транспорт России вчера, сегодня, завтра» (Новосибирск 2009).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в двенадцати печатных работах, в том числе в трех статьях периодического издания по перечню ВАК.

Структура и объём диссертации. Диссертация изложена на 132 страницах, состоит из введения, четырёх глав и основных выводов по диссертации и содержит 56 рисунков, 18 таблиц. Список литературы состоит из 59 источника. В 2 приложениях приведены вспомогательные материалы.

Основное содержание работы

Введение содержит анализ вибрации технических объектов и её влияние на человека. Показана особенность динамических свойств оператора состоящая в низкой собственной частоте. Подчеркивается

волновой характер вибрации защищаемого объекта. С формулированы цели и задачи исследования и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрена проблема защиты от вибрации сидящего человека. Отмечается, что судовые механизмы опасны по вибрации для здоровья экипажа. В трудах П.М. Алабужева, В.В. Турецкого, В.Ф. Горбунова, Г.С. Мигиренко, К.В. Фролова, А.К. Зуева, И.С. Никифорова, А.Г. Георгиади, А.А. Грнтчина, И.И. Тернера, C.B. Елисеева, Б.В. Олимпиади и др. показано, что среди различных систем защиты наиболее эффективно упругое подвешивание сиденья.

Если рассмотреть вязкое сопротивление человеческого тела в зависимости от частоты (рисунок 1), то заметна та же тенденция усиления импеданса в области низких частот.

3000

s 2ЕИ О х

а 20 00 s

1500 1000 500-

А

/ ' У/

// \

л. 4

2 2,5 3,15 4 5 В,3 В 10 12.Е 18 25 31.5 40 50 63 80

Частота, Гц

Рисунок 1 - Входной импеданс сидящего человека

Импеданс, полученный на реальных объектах, характеризует амплитуду колебаний, которая наиболее выражена в диапазонах частот (4-6) Гц и (8-10) Гц. Поскольку проблема виброзащиты человека приводит к недопустимым статическим смещениям, наиболее перспективным методом защиты от вибрации может быть защитное устройство, согласованное по динамическим параметрам с защищаемым объектом в заданном диапазоне частот.

Требования стандартов показывают (рисунок 2) изолинии допустимой вибрации, имеющие минимум в диапазоне (4-8) Гц и сохраняющие характер для всех временных воздействий.

Существенно то, что изолинии являются зеркальным отражением графика импеданса измеренного для оператора с точностью до частоты 4 Гц.

Рисунок 2 - Рекомендуемое длительное предельное ускорение

Новый научный подход к защите оператора основан на комплексном исследовании совместного динамического поведения защитного устройства и защищаемого объекта.

Задачи исследования включают:

1 Изучение динамических свойств оболочек заполненных жидкостью имитирующих биологические объекты.

2 Отыскание виброзащитной структуры, достаточно жесткой для ограничения статической просадки в пределах 10 мм.

3 Создание устройства для защиты оператора на неприятной для человека частоте 4-8 Гц.

Во второй главе исследованы принципы построения виброзащиты. В системе защиты оператора выделяется три элемента: источник вибрации, защищаемый объект и защитное устройство. Стандартный диапазон частот судовой вибрации от 2 до 63 Гц. Внутри этого диапазона преобладают частоты (8-30) Гц. Простейшая модель оператора должна отражать его главную особенность - наличие сильного резонанса на частоте (4-8) Гц. Выбранная вязко-упруго-инерционная модель, с бесконечным числом степеней свободы, показала соответствие поставленным задачам. Общий вид системы представлен на рисунке 3.

В работе рассмотрен принцип построения интегрированной защиты оператора, основанный на совместном использовании упругих и динамических свойств защитного устройства.

Для оценки жесткости биологических тканей был использован резонанс сидящего человека. Поскольку вибрация, в которой участвует оператор, имеет наименьшую частоту (5-7) Гц, а характерный размер

сидящего человека равен 1 метр, скорость возмущений составит(10-14) м/с.

Рисунок 3 - Структурная схема защитного устройства

Первая частота упругой консервативной системы обратно пропорциональна скорости звука в упругой среде, найденной по формуле

V р

где Е - модуль упругости материала; р - плотность.

Численная подстановка позволяет получить модуль упругости оператора в целом

Е

■с = 1000-12 = 144■ 103 Па.

(2)

При использовании метода Рэлея для отыскания первой собственной частоты оболочки, необходимо получить значение приведенной массы жидкости от геометрических параметров эллиптической оболочки вращения с полуосями а и г. Для этого выделим бесконечно малый дисковый элемент (рисунок 4) лежащий в плоскости с абсциссой х < а , с центром на оси X .

у

шШшШ

г Я

Рисунок 4 - Малый дисковый элемент с постоянной скоростью

Допустим, что распределение скоростей вдоль оси х определено линейной зависимостью от V - скорости на вершине эллипсоида

V = у„-

(3)

Кинетическая энергия от осевой скорости всего эллипсоида получается путём интегрирования и выражается конечной формулой

V:

.5 V

3 5а

(4)

/о

После интегрирования получим кинетическую энергию осевой деформации эллипсоида в момент наименьшей деформации

^=0,1 УрУ2а Дж. (5)

Характер зависимости приведённой массы от длины полуоси эллипсоида вращения (рисунок 5) показывает асимптотическое приближение массы к 20% от общей массы. Если полуось тела становится малой в сравнении с полуосью равновеликой сферы, приведенная масса возрастает весьма быстро.

1.5

1

\

________

-

Отношение полуоси а к радиусу равновеликой сферы

Рисунок 5-Зависимость приведенной массы оболочки от длины полуоси

В частном случае сферической оболочки приведенная масса равна

1,466 а3 р (6)

Эта величина составляет 35% от полной массы сферы. По аналогии с упругим телом определим жёсткость оболочки через максимальную деформацию и потенциальную энергию.

с = -

2Ц (Да)2

(7)

где Да - амплитуда деформации полуоси эллипсоида. Введём допущения:

1 Тонкая оболочка деформируется изотропно в любой точке её поверхности, вследствие чего коэффициенты, характеризующие сдвиговые деформации равны нулю.

2 Предположим, что ввиду низкой прочности биологических тканей коэффициент поперечной деформации Ц близок к 0,5, а объёмная

деформация в - несущественна.

Выражение удельной потенциальной энергии имеет вид

и- 20е2 . (8)

Поскольку относительная деформация оболочки будет всюду одинаковой, получим удельную энергию деформации

е(Д5)2

и = ■

2 52

Дж/м .

Жёсткость оболочки для расчета собственной частоты

с = ■

в5( Д^

Да

Н/м.

(9)

(10)

У

Жёсткость имеет минимум равный нулю для сферы (рисунок 6) и возрастает при вытягивании или сплющивании оболочки. Поскольку малые деформации сферической оболочки не вызывают изменения упругой деформации, частота собственных колебаний должна быть равна нулю.

М Полуось, м

Рисунок 6 - Площадь поверхности оболочки защитного устройства

Фактически наблюдаются колебания сферической оболочки с определенной частотой, что указывает на положительную жёсткость.

В работе доказано, что сферическая оболочка, имеет жёсткость пропорциональную внутреннему давлению Р и размеру Г.

с=Рпг (1])

Тонкая цилиндрическая оболочка длиной Ь имеет жёсткость, которая не зависит от её диаметра

с=2РЬ (12)

Для торообразной оболочки со средним диаметром О жёсткость не зависит от размера сечения и равна

с— 2Рл О (13)

Малые высокочастотные колебания можно отыскать по методу Рэлея, если задать форму колебаний (таблица I). Вынужденные колебания развиваются при целом числе волн.

Таблица 1 - Частоты и формы оболочки защитного устройства

Волновое число, ^ 2 4 6

Частота колебаний, со 2,83 8 14,7

Форма колебаний Дику -'■ИШ ^Н Ч : /' У

Обозначим через Я волновое число, и тогда собственная частота будет равна

со =

\Рл2Хъ

2 Ш2р

(14)

где Я = 2, 4, 6....;

к - коэффициент, учитывающий присоединенную массу. Следует отметить, что спектр резонансных частот образует закономерную последовательность, которая отличается от аналогичного спектра однородного упругого тела.

В третьей главе проведено численное моделирование защитного устройства. Твердотельное трёхмерное моделирование и метод конечных

элементов был основой для расчёта собственных частот защитного устройства, модели оператора и системы включающей оба указанных элемента.

Считая оболочку тонкой можно использовать плоские конечные элементы, что существенно сокращает время счёта. Задавая расчётное давление и внешнюю нагрузку от веса оператора или комбинацию указанных факторов, получим карту смещений (рисунок 7).

*

Рисунок 7 - Карта смещений оболочки: с давлением и осевой силой, только силой, только давлением

Из анализа карты смещений при линейности малых деформаций, определяется жёсткость оболочки при осевом воздействии.

Для защитного устройства, заполненного жидкостью, определение собственных частот проводится с использованием объёмных конечных элементов. Поскольку программа ориентирована на конструкционные материалы, модуль упругости которых в сотни тысяч раз больше, был необходим пересчёт, основанный на том, что в двух одинаковых по размеру системах частоты совпадают при совпадении отношения модуля упругости к плотности.

Вычисление частоты СО проводилось по формуле, учитывающей экспериментальный модуль упругости человека

со = 0,0023 7аРе, (15)

где (0!с - собственная частота стальной модели оператора

Из 16 частот существенны только первые (таблица 2), поскольку судовая вибрация не содержит интенсивных высокочастотных колебаний.

Таблица 2 - Частоты и формы защитного устройства

Номер частоты Частота ^ Ре , Гц Частота * ,Гц Форма колебаний защитного устройства

1 2244 5,318

2,3 2988 7,082 €

4 3443 8,16 Щш

Моделирование оператора проводилось для двух моделей. Первая модель имела форму эллиптической оболочки (рисунок 8), и размеры сидящего человека.

Рисунок 8 - Объёмные конечные элементы модели оператора

Полученная методом конечных элементов информация о спектре собственных частот защитного устройства подтвердила значения частот, полученных ранее в аналитическом исследовании.

Вторая модель оператора была антропоморфной (рисунок 9) и по размерам соответствовала стандартным размерам мужской фигуры

массой (70-80) кг. Соответствие модели реальному человеку контролировалось по массе, которая вычисляется при моделировании.

Рисунок 9 - Форма колебания модели оператора на частоте 7,93 Гц

Исследование спектра модели показало хорошее совпадение со стандартными измерениями динамического отклика оператора.

Третья группа численных экспериментов состояла в определении собственных частот интегрированной системы оператор-защитное устройство, смоделированное в виде двух инерционно-упругих тел соединенных между собой. Подготовленная к расчёту модель состоит из объёмных конечных элементов (рисунок 10).

Рисунок 10 - Конечно-элементная модель интегрированной системы защиты оператора

В результате моделирования установлено, что защитное устройство существенно понижает первую частоту без снижения статической жесткости. Весь спектр частот смещается вниз и не пересекается с частотами вынуждающих сил. Этот эффект не наблюдается в традиционных системах защиты с безмассовыми упругими элементами и объясняется добавочной массой защитного устройства.

В четвертой главе приведены экспериментальные исследования защитного устройства. Во второй главе было показано, что спектр собственных частот жидкого объёма образует последовательность, основанную на представлениях о потенциальном характере течения. Исследование колебаний оболочки при постоянном объёме выполнялось на модели сферической формы. В качестве генератора сигнала (рисунок 11) использован источник синусоидального напряжения от 0 до 10 В с частотой от 2 до 2000 Гц. Наибольшая толкающая сила стенда равна 7 Н.

Рисунок 11-Электродинамический вибростенд (а) и генератор сигнала (б)

Экспериментальные исследования показали, что первоначальное предположение о постоянстве присоединенной к оболочке массы жидкости является неточным (таблица 3).

Таблица 3 - Весовые коэффициенты для собственных частот оболочки

Номер частоты 1 2 3 4 5 6

Волновое число 2 4 6 8 10 12

Отношение теоретическое 1 2,83 5,2 8 11,2 14,7

Отношение экспериментальное 1 2,74 4,63 6,63 8,9 10,8

Поправка 1 1,03 1,12 1,21 1,26 1,36

Коэффициент А; (14) 1 1,07 1,25 1,46 1,58 1,85

Таким образом, эксперимент показал, что с ростом частоты колебаний относительное количество жидкости, присоединенной к поверхности оболочки, нарастает. Скорее всего, это связано с тем, что для коротких волн поле скоростей может уйти от поверхности значительно дальше из-за малой относительной кривизны оболочки.

Другой эксперимент подобного рода был проведен с целью проверки гипотезы возникновения поверхностных волн. Вибрация жидкого объёма, заключенного в эластичную оболочку, вызывает поверхностные волны с частотой, вычисленной по формуле (14). Расхождение теории и эксперимента по частоте не превышает 6%.

Для сферической оболочки было предсказано при определенном диаметре, давлении, плотности жидкости и частоте вынуждающей силы появление восьми волн. Проведенный эксперимент (рисунок 12) полностью подтвердил первоначальное предположение.

Рисунок 12 - Схема исследования поверхностных волн сферической оболочки

Цикл экспериментов был проведен для уточнения реакции живого организма, которая обусловлена скоростью передачи возбуждения в мышцах. В работе установлена наибольшая частота, на которой оператор реагирует на внешние воздействия. Выше частоты (4-6) Гц объект защиты приобретает пассивные свойства ограниченного жидкого объёма. По двум методикам проводилось измерение скорости передачи нервных импульсов. Метод падающего груза и метод Ахиллова рефлекса дали близкий результат по скорости возмущений, которая составила 11 м/с, что согласуется с собственной частотой сидящего человека (5-7) Гц (глава 2).

Нелинейные свойства оболочек проявляются при больших деформациях. Большие обратимые деформации полимеров можно предсказать в рамках закона Гука, если учитывать изменение сечения материала. Для пластины, цилиндра, тора и сферы внешнее усилие падает с ростом деформации, следовательно, жёсткость является отрицательной.

Схема опытной установки (рисунок 13) позволяла измерять давление внутри оболочки и диаметр оболочки.

Рисунок 13 - Схема исследования упругости сферической оболочки

По результатам экспериментов была построена зависимость (рисунок 14), которая показала падение внутреннего давления при увеличении диаметра. В то же время для больших деформаций жёсткость становится положительной, что связано с необратимым изменением молекулярной структуры полимера, т.е. большие деформации недопустимы для защитного устройства.

0,05

Диаметр оболочки, м

Рисунок 14 - Зависимость давления в оболочке защитного устройства от диаметра

Судовые испытания проводились для проверки частного случая конструкции защитного устройства. На учебном теплоходе «Меридиан» класса ОМ проект № 780 в рубке были замерены уровни вибрации

рабочего места оператора. Для измерения использовалась стандартная поверенная аппаратура по ГОСТ 12.4.012 ВШВ-003 с датчиком ДН-4. Замеры проводились в полосах частот судовой вибрации.

Источником вибрации были два главных судовых двигателя марки 6L160PNS «Skoda », и дизель-генератор 44 8,5/11. Частота вращения главных двигателей сохранялась постоянной в течение всех испытаний. Объектом испытаний было виброзащитное кресло оператора энергетической машины, выполненное в виде металлического каркаса, с установленным защитным устройством.

Судовые испытания (рисунок 15) интегрированной системы виброзащиты оператора показали эффективность виброизоляции от 15 до 20 дБ в диапазоне частот (16-500) Гц.

ю-----

о -,-1-,-,-,-

16 31,5 63 125 250 500

Полоса частот, Гц

Рисунок 15-Результаты судовых испытаний: 1 - средняя вибрация на полу; 2 - вибрация на штатном кресле; 3 - вибрация на новом кресле

Основные выводы н рекомендации

Комплексное теоретическое, расчётное и экспериментальное исследование показало:

1 Установлено, что плотность человеческого тела в восемь раз ниже плотности стальных конструкций, а жесткость в 1,5-10браз ниже, что предполагает специальные методы динамгтческого исследования.

2 Показано, что особенностью живого объекта защиты является его компенсирующая реакция на низкочастотные воздействия, а наиболее неприятна для оператора вибрация с частотой от 4 до 8 Гц.

3 Установлено, что для эффективной виброзащиты необходимо обеспечить собственную частоту защитного устройства ниже 2 Гц, при этом статическая просадка становится недопустимо большой.

4 Исследованиями установлено, что защита оператора от вибрации возможна, если оператор и защитное устройство составляют единое динамическое целое по плотности и модулю упругости.

5 Разработана система защиты от вибрации сидящего человека основанная на расчёте собственных частот методом конечных элементов. Проведены численные эксперименты, которые показали низкую собственную частоту и достаточную статическую жесткость защитного устройства.

6 Проведенные судовые испытания защитного устройства показали существенное снижение вибрации оператора. В диапазоне частот от 16 до 250 Гц эффективность виброизоляции составила (15-20) дБ.

Список научных трудов, опубликованных по теме диссертации

Статьи в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК

1 Пахомова, Л.В. Методика совершенствования системы виброзащиты на транспорте/ Л.В. Пахомова, М.К. Романченко // Судостроение. - 2009. - № 1. - С. 23-24.

2 Пахомова, JI.B. Виброзащитное кресло-оператора транспортных машин/ JT.B. Пахомова // Науч. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. - 2008. -

. № 1. - С. 163-164.

3 Пахомова, JI.B. Совершенствование виброзащитных свойств подвесок на транспорте/ Л.В. Пахомова, М.К. Романченко, A.M. Романченко // Науч. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. - 2008. - № 2. - С. 158- 162.

Статьи в российских изданиях, материалы международных конференций

4 Пахомова, Л.В. Результаты испытаний виброизоляторов с распределенными упругими элементами, установленными под судовой дизель-генератор / Л.В. Пахомова, М.К. Романченко, А.Ю. Гнездило //Науч.пробл. трансп.Сиб. и Дал. Вост.-2006. - №1 . С. 132-134.

5 Пахомова, Л.В. Крутильные колебания в СЭУ / Л.В. Пахомова, С.С. Глушков /Материалы науч.-техн. конф. профессорско-препод. состава и инженерно -техн. работников речн. трансп. и др. отраслей. 4.2, Новосибирск, 16-19 апр. 2007 г. - Новосибирск. - 2007. - С. 101-102.

6 Пахомова, Л.В. Снижение вибраций на конструктивные элементы судов от ДВС/Л.В. Пахомова // Сибир. науч. вестник. - 2007. - № 10. - С.

7 Пахомова, Л.В. Определение колебаний судовых ДВС / Л.В. Пахомова, С.С. Глушков // Науч. вестник НГТУ.- 2007. - № 4(29). - С. 185- 189.

8 Пахомова, Л.В. Исследование вибрации скоростных пассажирских судов на экипажи/ Л.В. Пахомова // Науч. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. - 2007. - № 2. - С. 109-112.

9 Пахомова, Л.В. Развитие судостроения и обеспечение виброзащиты экипажей / Л.В. Пахомова, A.C. Ярославцева / Философия науки и техники: тезисы и матер, межвуз. науч. конференции. - 2008. - С. ¡55-157.

10 Пахомова, Л.В. Проектирование механизма виброзащитного кресла / Л.В. Пахомова // Сибир. науч. вестник. - 2008. - № 12. - С. 138 -141.

11 Пахомова, Л.В. Частотные характеристики оператора энергетической машины/ Л.В. Пахомова, А.М. Барановский // Дизельные энергетические установки речных судов. - 2009. - С.77 -79.

12 Пахомова, Л.В. Моделирование антропоморфных объектов методом конечных элементов / Л.В. Пахомова, А.М. Барановский //Дизельные энергетические установки речных судов. - 2009. - С. 80 - 85.

Личный вклад в статьях, опубликованных в соавторстве, составляет не менее 50 %.

Подписано в печать 05.10. 2009г с оригинал-макета.

Бумага офсетная №1, формат 60х 84 1/16, печать трафаретная-Riso.

Усл. печ. л.1,0. Тираж 130 экз., заказ № 95. Бесплатно.

ФГОУ ВПО «Новосибирская государственная академия

водного транспорта», (ФГОУ ВПО «НГАВТ»)

630099, Новосибирск, ул. Щетинкина, 33

Отпечатано в издательстве ФГОУ ВПО «НГАВТ»

70 -72.

ВВЕДЕНИЕ

1 СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ ОПЕРАТОРА ВИБРИРУЮЩИХ МАШИН

1.1. Влияние вибраций на организм человека.

1.2. Состояние средств защиты оператора от вибрации.

1.3. Механические характеристики тела человека.

1.4. Моделирование механических характеристик.

1.5. Выбор направления и постановка задачи исследования Выводы по главе.

2 СИНТЕЗ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ ВИБРОИЗОЛЯЦИИ

2.1. Принципы построения виброзащиты.

2.2. Потенциальные движения жидкости.

2.2.1. Кинетическая энергия жидкого объема.

2.2.2. Жесткость упругой оболочки.

2.2.3. Жесткость нерастяжимой оболочки.

2.3. Малые колебания оболочек.

2.4. Нелинейная деформация оболочек.

Выводы по главе.

3 ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ВИБРОИЗОЛЯЦИИ

3.1. Моделирование защищаемого объекта.

3.2. Моделирование защитного устройства.

3.3. Расчет системы виброизоляции.ЮЗ

Выводы по главе.

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМЫ СНИЖЕНИЯ ВИБРАЦИИ

4.1. Исследование вибрации жидкости в ограниченном объеме

4.2. Нервно-мышечные реакции оператора как объекта защиты

4.3. Нелинейные свойства полимерных оболочек.

4.4. Судовые испытания виброзащитного устройства.

Выводы по главе.

Проблема судовой вибрации и связанных с ней явлений возникла в-результате естественного развития технического прогресса. Характер этой проблемы является временным с точки зрения исторического процесса и, по-видимому, будет продолжаться не более 150 лет. Стечение нескольких факторов явилось причиной неблагоприятного действия вибрации на человека, в частности на экипаж судна.

Феномен вибрации технических объектов заключается в постоянном увеличении количества машин и в необходимости присутствия оператора на этих машинах или рядом с ними. Непосредственный контакт человека и машины приводит к передаче вибрации на контактирующие поверхности и далее на весь корпус оператора. Это может быть причиной отклонения здоровья от средней нормы и даже являться причиной профзаболеваний. Человек как объект исследования рассматривается- с точки зрения биомеханики в виде сочетания вязкоупругой среды с переменной структурой.

В упругой среде могут распространяться волны сжатия и разряжения; а также сдвиговые волны. Если края системы тел или одного тела можно с некоторой надежностью обозначить, например, измененной плотностью или упругостью, то такое тело является ограниченным. Границы являются причиной отражения волн. Считается, что упругие колебания в силу своей линейности могут накладываться без искажения по законам геометрии. Это приводит к появлению стоячих волн в теле. Количество этих волн, их интенсивность и расположение образуют форму колебаний данного тела.

Для тел сложной формы разработаны вычислительные методы, при которых тело разбивается на мелкие части. В настоящее время существует много программ основанных на методе конечных элементов и позволяющих рассчитывать десятки собственных частот.

Основные частоты вибрации двигателей речных судов находятся в диапазоне 8 — 30 Гц. Эти частоты негативно влияют на здоровье экипажа в ряду других вредных факторов. Более того, вибрация на скоростных судах является главным фактором риска для здоровья экипажа.

Цель данной работы — наметить пути совершенствования средств и методов защиты человека оператора от вредного действия вибрации. Для этого в работе проведен анализ известных методов защиты человека от вибрации. Отмечены некоторые общепринятые упрощения, приводящие к неточности моделей взаимодействия средств защиты. Выбрано направление совершенствования методики подхода к моделированию системы защиты. Предложена методика проектирования основных элементов подвески сидящего оператора. Рассмотрены объемные модели человека, воспроизводящие свойства реального объекта при исследовании методом конечных элементов. Проведены натурные судовые испытания упруго-инерционных систем защиты оператора от вибрации.

На защиту выносится метод расчета и устройство для снижения вибрации оператора судовых энергетических установок:

• Представление об особенностях динамического поведения живых объектов и, в частности, человека;

• Принцип интеграции защищаемого объекта и защищающей части системы в единый комплекс;

• Метод конечных элементов для расчета динамической модели человека и результаты численных исследований интегрированных систем, состоящих из модели защищаемого объекта элементов системы защиты и детерминированного источника вибрации;

• Рекомендации по расчету виброзащиты операторов судовых энергетических установок.

Выводы по главе:

1. Спектр собственных частот ограниченного жидкого объема образует закономерную последовательность, основанную на

123 представлениях о потенциальном характере течения при малых колебаниях;

2. Реакция живого организма обусловлена скоростью передачи возбуждения в мышцах. На низких частотах оператор парирует внешние воздействия, после частоты 4 - 6 Гц объект защиты приобретает пассивные свойства ограниченного жидкого объема;

3. Большие обратимые деформации полимеров можно предсказать в рамках закона Гука, если учитывать изменение сечения материала. Для пластины, цилиндра, тора и сферы жесткость оболочки является отрицательной;

4. Судовые испытания интегрированной системы виброзащиты оператора показали эффективность от 10 до 20 дБ в диапазоне частот 16 — 500 Гц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Вибрация энергетических машин является нежелательным фактором, оказывающим вредное влияние на обслуживающий персонал. Существующие стандарты ограничивают дозу и уровень вибрации действующей на человека. Вибрация делится на общую и местную. Общая вибрация нормируется для стоящего и сидящего человека. Динамические характеристики тела человека исследуются при детерминированном уровне источника вибрации;

2. Частоты сидящего человека находятся в диапазоне от 2 до 100 Гц. Ниже этого диапазона наблюдается укачивание, выше частоты 100 Гц вибрация ограничивается местом приложения и носит местный характер. Плотность, жесткость и прочность человеческого тела существенно отличаются от таких же характеристик неживых объектов, что предполагает специальные методы исследований;

3. Чувствительность человека к вибрации различается по частотам. Наиболее неприятна вибрация с частотой от 4 до 8 Гц. Особенностью живого объекта защиты является его реакция на низкочастотные воздействия;

4. Для качественной виброзащиты необходимо обеспечить частоту подвески на уровне 2 Гц. При данной частоте статическая просадка становится недопустимо большой, а устойчивость недостаточной для выполнения профессиональных обязанностей;

5. Эффективная защита оператора от вибрации основания возможна при значительной массе промежуточных элементов защитного устройства или при нелинейной силовой характеристике. При этом оператор и защитное устройство должны составлять единое динамическое целое, как по собственным частотам, так и по плотности и модулю упругости;

6. Расчет и проектирование системы защиты от вибрации человека возможно только при использовании сложных расчета основанных на методе конечных элементов. Экспериментально найденные значения динамических характеристик оператора могут быть использованы при расчетах и дают близкие к реальным значениям первые частоты собственных колебаний;

7. Испытания макетов защитных устройств на судне показали существенное снижение вибрации оператора. В диапазоне частот от 16 до 250 Гц эффективность составила 15-20 дБ.

1. Андреева-Галанина Е.Ц. Вибрация и её значение в гигиене труда. Л.: Медгиз, 1956.-190 с.

2. Антомошкин А.Ю. Особенности виброзащиты судовых приборов автоматизации. //Техн. эксплуат. судовых энергетических установок. -Л.-1986.- С. 89-93.

3. Арустамов Э.А. Безопасность жизнедеятельности. М.: 2001.

4. Бабаев Н.Н., Лентяков В.Т. Некоторые вопросы общей вибрации судов. Л.: Судостроение, 1961. - 308 с.

5. Великсон Д.М., Белькевич В.М. Виброизоляция главных и вспомогательных механизмов// Произв. техн. сб./РСФСР МРФ.-Вып.69. 1968,- С.8-18.

6. Вибрации в технике: Справочник. В 6-ти т. /под ред. В.Н. Челомея М.: Машиностроение, 1984. Т. 1 Колебания линейных систем/ Под ред. В.В. Болотина, 1978, 352 с.

7. Вибрации в технике: Справочник. В 6-ти т. /под ред. В.Н. Челомея М.: Машиностроение, 1984. Т. 2 Колебания нелинейных механических систем/ Под ред. И.И. Блехман, 1978, 352 с.

8. Вибрации в технике: Справочник. В 6-ти т. 6/под ред. В.Н. Челомея -М.: Машиностроение, 1984. Т. 6 Защита от вибрации и ударов/ Под ред. К.В. Фролова, 1981, 456 с.

9. Вибрация на производстве: вопросы физики, гигиены и физиологии труда, клиники, патофизиологии и профилактики, под ред. А.А. Летавета, Э.А. Дрогичиной, "Медицина", Москва, 1971, с. 122-237.

10. Гарин В.М. Экология для технических вузов. Ростов-на-Дону: 2001

11. Герчев Г. О практической применимости метода потенциала ускорений в расчёте периодических сил гребного винта //Вопросы судостроения. Сер.: Проектирование судов. Вып. 39. - 1984, С.15-21.

12. ГОСТ 12.1.012-2004 ССБТ. Вибрационная безопасность. Общие требования.

13. ГОСТ 12.1.012-90 ССБТ. "Вибрационная безопасность. Общие требования".

14. ГОСТ 12.1.047-85 ССБТ. Вибрация. Метод контроля на рабочих местах и в жилых помещениях морских и речных судов.

15. ГОСТ 12.4.094-88 ССБТ. Вибрация. Динамические характеристики тела человека при воздействии вибрации. Методы определения.

16. ГОСТ 21889-76. "СЧМ. Кресло человека-оператора. Общие эргономические требования".

17. ГОСТ 24346-80 Вибрация. Термины и определения.

18. ГОСТ 24347-80 Вибрация. Обозначения и единицы.

19. ГОСТ 25980-83 Вибрация. Средства защиты. Номенклатура параметров

20. ГОСТ 27242-87 Вибрация. Виброизоляторы. Общие требования к испытаниям.

21. ГОСТ 31191-1-2004 Вибрация и удар. Измерение общей вибрации и оценка ее воздействия на человека. Общие требования.

22. ГОСТ 31319-2006 Вибрация. Измерение общей вибрации и оценка ее воздействия на человека. Требования к проведению измерений на рабочих местах.

23. ГОСТ ИСО 10326-1-2002 Вибрация. Оценка вибрации сидений транспортных средств по результатам лабораторных испытаний. Часть 1. Общие требования.

24. ГОСТ ИСО 8041-2006 Вибрация. Воздействие вибрации на человека. Средства измерений.

25. Елисеев С.В., Нерубенко Г.П. Динамические гасители колебаний. -Новосибирск: Наука, 1982. 144 с.

26. Замрий А.А. Проектирование и расчет методом конечных элементов трехмерных конструкций в среде АРМ Structure3D. — М.: Издательство АПМ. 2006.-288 с.

27. ИСО 2017:1982 Вибрация и удар Изоляторы - Методы определения характеристик.

28. ИСО 2017-1:2005 Вибрация и удар Опоры упругие - Часть 1: Технические данные для проектирования систем виброизоляции.

29. ИСО 20283-3:2006 Вибрация Измерения вибрации на судах - Часть 3: Измерения вибрации судового оборудования во время приемочных испытаний.

30. ИСО 2631-1:1997 Вибрация и удар Оценка воздействия общей вибрации на человека - Часть 1: Общие требования.

31. ИСО 2631-2:2003 Вибрация и удар Оценка воздействия общей вибрации на человека - Часть 2: Вибрация в зданиях в диапазоне частот от 1 до 80 Гц.

32. ИСО 3046-5:2001 Двигатели внутреннего сгорания поршневые -Характеристики Часть 5: Угловая вибрация.

33. ИСО 5982:2001 Вибрация и удар Диапазон идеализированных характеристик для описания биодинамического отклика сидящего человека на воздействие вибрации в вертикальном направлении.

34. ИСО 6954:2000 Вибрация Руководство по измерению, представлению и оценке вибрации на пассажирских и торговых судах с позиции ее воздействия на пассажиров и членов экипажа.

35. ИСО 8727:1997 Вибрация и удар Воздействие на человека -Биодинамическая система координат.

36. Криксунов Е.А., Пасечник В.В., Сидорин А.П. Экология. М.: «Дрофа», 2004.

37. Лойцянский Л. Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1973. - 847 с.

38. Марченко О.Я., Янчеленко В.А. Уравновешивание и балансировка в дизелях для снижения низкочастотной вибрации. Совершенствование технико-экономических показателей дизелей: Труды /ЦНИДИ. -Л., 1981.-С. 118-128.

39. Пахомова JI.В. Снижение вибраций на конструктивные элементы судов от ДВС//Сибирский научный вестник. 2007. - №10. - С. 70-72.

40. Пахомова Л.В. Виброзащитное кресло-оператора транспортных машин//Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. -2008. -№1.- С. 163-164.

41. Пахомова Л.В. Методика совершенствования системы виброзащиты на транспорте//Судостроение. 2009. - №1. - С. 23-24.

42. Пахомова Л.В. Проектирование механизмов виброзащитного кресла//Сибирский научный вестник. -2009. №12. - С.138-141.

43. Поляков В.И. и др. Расчётное прогнозирование уровней вибрации надстроек транспортных судов//Судостроение. 1986. - № 5. - С.7-9. 154.

44. Руководство по профессиональным заболеваниям, под ред. Н.Ф. Измерова, том 2, "Медицина", Москва, 1983, с. 113-163.

45. Санитарные нормы СН 2.2.4/2.1.8.582-96 "Производственная вибрация, вибрация в помещениях жилых и общественных зданий".

46. СанПиН 2.5.2-703-98 "Суда внутреннего и смешанного (река-море) плавания".

47. Синев А. В., Соловьев В. С., Бобров Б. Ф. НИЛ «Технологии безопасности» (НИЛ ТБ) СибГУТИ 25 лет.

48. Скуридин А.А., Михеев Е.М. Борьба с шумом и вибрацией судовых ДВС. Л.: Судостроение, 1970. - 220 с.

49. Трусов А.П. Изоляция корпуса и корпусных конструкций от усилий вызывающих вибрацию: Автореф. дисс. к. т. н./ГИИВТ. Горький, 1983.

50. Трясина на колесах, Вадим Владимиров, «8 часов» №3 Декабрь 2007.51. 39ТН UK CONFERENCE ON HUMAN RESPONSE TO VIBRATION RMS Vibration Test Laboratory, Ludlow, Shropshire, 15th-17th September 2004

51. Discussion of human resonant frequency, Brownjohn, James M.; Zheng, Xiahua, Proc. SPIE Vol. 4317, p. 469-474, Second International Conference on Experimental Mechanics, Fook S. Chau; Chenggen Quan; Eds, 06/2001.

52. Pub.No.:WO/2007/066979InternationalApplicationNo.:PCT/KR2006/00524 7PublicationDate:14.06.2007InternationalFilingDate:06.12.2006.

53. Julian Edgar. Springs and Natural Frequencies. J. Marciniak. Przegl Nd Kolejowy, 1999, N3, s.l- 4.

54. SIMNON™. Department of Automatic Control, Lund Institute of Technology, Sweden, 1986.

55. Springs and Natural Frequencies, The physics of the bounce, by Julian Edgar, Autospeed, issue 418.

56. Title:Combination of a seating system and a shared sensor Document Type and Number:United States Patent 7068178.

57. United States Patent 5536059 Seat suspension system using human body responses.