автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Система автоматизации проектирования устройств виброзащиты кабин дорожных машин на базе колесных тракторов

На правах рукописи

□У3478Б2к: МАЛАХОВ ИВАН ИГОРЕВИЧ

СИСТЕМА АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ УСТРОЙСТВ ВИБРОЗАЩИТЫ КАБИН ДОРОЖНЫХ МАШИН НА БАЗЕ КОЛЕСНЫХ ТРАКТОРОВ

Специальность 05.13.12 — Системы автоматизации проектирования (промышленность)

- 1 окт 2009

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Омск-2009

003478622

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия"

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Щербаков Виталий Сергеевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Хомченко Василий Герасимович

кандидат технических наук, доцент Семенова Ирина Анатольевна

Ведущая организация:

Омский институт водного транспорта (филиал) ФГОУ ВПО "Новосибирская государственная академия водного транспорта"

.и

Защита диссертации состоится 23 октября 2009 г. в 16.00 ч. на заседании объединенного диссертационного совета ДМ 212.250.03 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия" (СибАДИ) по адресу: 644080, г. Омск, пр. Мира, 5, зал заседаний.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия" (СибАДИ) по адресу: 644080, г. Омск, пр. Мира, 5.

Отзывы на автореферат направлять по адресу: 644080, г. Омск, пр. Мира, 5, тел, факс: (3812) 650323, e-mail: Arkhipenko_m@sibadi.org.

Автореферат разослан 23 сентября 2009 г.

Ученый секретарь объединенного диссертационного совета ДМ 212.250.03

кандидат технических наук

М.Ю. Архипенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Проблема снижения уровней вибрации и шума на дорожных машинах (ДМ) в настоящее время приобретает все большую актуальность. Повышенная вибрация снижает ресурс силовых агрегатов ДМ, вызывает дополнительное потребление энергии в переходных режимах работы агрегатов, приводит к возникновению и развитию профессиональных заболеваний обслуживающего персонала. Повышенный уровень шума ухудшает экологические показатели транспортных средств, увеличивая дискомфорт, что приводит к снижению производительности труда. Поэтому в нормативные документы при создании ДМ вводятся жесткие требования по защите от вибрации и шума. В связи с этим возникает необходимость на этапе проектирования ДМ обеспечивать необходимые параметры систем виброзащиты и рассчитывать предполагаемую вибрационную нагрузку на рабочем месте человека-оператора.

На современном российском рынке предлагается достаточно большое количество инженерных CAE-систем (Computer Aided Engineering) с помощью которых можно исследовать колебания машин. Среди них есть системы инженерного анализа среднего уровня, такие как COSMOS/Works, COSMOS/Motion, COSMOS/FloWorks для SolidWorks; системы инженерного анализа, встроенные в тяжелые САПР, - Pro/MECHANICA для Pro/ENGINEER, Unigraphics NX CAE для Unigraphics NX, CATIA CAE для CATTA и системы полнофункционального инженерного анализа с мощными средствами и обширными библиотеками элементов - ANSYS/Multiphysics, APNASTRAN, MSC.NASTRAN и другие.

Для расчетов в этих системах обычно используется метод конечных элементов. Они позволяют осуществить полный цикл проектирования от построения трехмерной модели до расчета различных узлов на прочность, но использование этих систем для расчета вибрационной нагрузки достаточно сложно, трудоемко и нецелесообразно. Например, если есть трехмерная модель какой-либо машины, то для анализа колебаний необходимо задать все сопряжения и ограничения для деталей, нагрузки, либо создавать еще одну упрощенную модель.

В связи с этим, является актуальной задача создания специализированных систем для автоматизации проектирования (САПР) элементов виброзащиты ДМ.

Целью диссертационной работы является создание системы автоматизации проектирования элементов устройств, снижающих динамические воздействия на кабину ДМ на базе колесного трактора.

Объект исследования - процесс моделирования устройств снижающих динамические воздействия на кабину ДМ на базе колесного трактора.

Предмет исследования — закономерности процесса моделирования устройств, снижающих динамические воздействия на кабину ДМ на базе колесного трактора.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

— проанализированы и систематизированы современные отечественные и международные нормы в области вибрационной безопасности, сформулирован критерий оценки вибрационной нагрузки на рабочем месте человека-оператора;

— разработана пространственная математическая модель - сложной динамической системы «микрорельеф - дорожная машина - кабина -человек-оператор»;

— разработаны алгоритмы автоматизации процессов синтеза параметров устройств виброзащиты и обработки вибрационного сигнала на месте человека-оператора;

— разработана система автоматизации проектирования основных параметров устройств виброзащиты кабин дорожных машин на базе колесных тракторов.

Методы исследования. В работе использованы методы математического моделирования, прикладной математики и теории алгоритмов.

Научная новизна работы заключается в разработке пространственной математической модели сложной динамической системы «микрорельеф -дорожная машина - кабина - человек-оператор», позволяющей рассчитывать вибрационную нагрузку места человека-оператора на этапе проектирования ДМ. Разработке алгоритма автоматизации синтеза параметров устройств, снижающих динамические воздействия на кабину ДМ, позволяющего в автоматизированном режиме производить расчет оптимальных параметров устройств виброзащиты. Разработке методики имитационного моделирования для проектирования устройств, снижающих динамические воздействия на кабину ДМ, учитывающей влияние рабочего оборудования на формирование вибрационной нагрузки на мете человека-оператора.

Практическая ценность работы.

Использование разработанной САПР позволит:

— сократить затраты времени инженеров при проектировании устройств, снижающих динамические воздействия на кабины дорожных машин на базе колесных тракторов;

— повысить конкурентоспособность выпускаемой продукции за счет оптимизации параметров и сокращения времени разработки новых виброзащитных устройств и модернизацию существующих;

— повысить качество и оперативность получения проектных решений;

— повысить качество подготовки специалистов в высших учебных заведениях.

Применение разработанных алгоритмов и программного продукта в качестве модуля более мощной САПР позволит осуществлять полный цикл автоматизации проектирования дорожных машин и получать расчетные значения вибрационной нагрузки на месте человека-оператора на этапе проектирования.....

Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались на научно-практических конференциях: Всероссийская научно-техническая конференция «Роль механики в создании эффективных материалов, конструкций и машин XXI века» (г. Омск, СибАДИ, 2006 г.), Межвузовские научно-практические конференции студентов, аспирантов и молодых исследователей «Теоретические знания в практические дела» (г. Омск, РосЗИТЛП, 2007, 2008, 2009 г.г.), II Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования» (г. Омск, СибАДИ, 2007), III Международная научно-техническая конференция «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт» (г. Омск, НГАВТ, 2007 г.), IV Международный технологический конгресс «Военная техника, вооружение и современные технологии при создании продукции военного и гражданского назначения» (г. Омск, СибАДИ, 2007 г.), Международный конгресс «Машины, технологии и процессы в строительстве» (г. Омск, СибАДИ, 2007 г,), 62-ая научно-техническая конференция ГОУ "СибАДИ" (г. Омск, СибАДИ, 2008 г.), IV Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования» (г. Омск, СибАДИ, 2009 г.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 12 печатных работ.

Внедрение результатов работы. Система автоматизации проектирования устройств, снижающих динамические воздействия на кабину ДМ внедрена в Конструкторское бюро Транспортного машиностроения.

Структура и содержание работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников, включающего 127 наименование. Работа изложена на 104 страницах, содержит 4 таблицы и 52 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы диссертационного исследования, сформулированы научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе диссертационной работы рассмотрены и классифицированы вибрационные нагрузки, действующие на человека-оператора. Приведен анализ санитарных норм и правил, предъявляемых к вибрационной безопасности рабочего места человека-оператора, проанализированы и классифицированы способы и средства виброзащиты человека-оператора. Рассмотрены современные тенденции проектирования устройств виброзащиты и проанализированы различные виды их упругих характеристик. Проведен анализ предшествующих исследований по динамическим воздействиям на кабину ДМ. Рассмотрены современные

системы автоматизации проектирования, позволяющие проводить исследования колебаний ДМ. Сформулированы цели и задачи исследования.

Во второй главе обоснована общая методика исследования, которая носит комплексный характер. Теоретические разделы работы выполнены методами математического моделирования и направлены на решение задач анализа и синтеза основных параметров динамической системы. При моделировании сложной динамической системы «микрорельеф - дорожная машина - кабина - человек-оператор» были приняты следующие допущения: базовая машина представляет собой шарнирно-сочлененный многозвенник с наложенными на него упруго-вязкими динамическими связями; элементы рабочего оборудования представлены как абсолютно жесткие стержни с сосредоточенными массами; связи, наложенные на колебательную систему ДМ, являются голономными и стационарными; люфты в шарнирах отсутствуют; силы сухого трения в гидроцилиндрах отсутствуют; элементы ходового оборудования имеют постоянный контакт с грунтом. Разработана структура работы.

В третьей главе представлено математическое описание ДМ как сложной динамической системы. На рисунке 1 представлена обобщенная расчетная схема динамической системы «микрорельеф - дорожная машина -кабина - человек-оператор», представляющая собой систему с шестью массами, звеньями которой являются: базовый трактор массой Шь включающей в себя массу обвязочной рамы. Центр масс имеет координаты (хг,уг,гг); передний мост массой т2. Центр масс находится в точке (Хрт,Урш,2рт); отвал бульдозера массой т3, включающей в себя массу гидроцилиндра отвала. Центр масс находится в точке с координатами (х0„у0„го1); кабина трактора массой т». Центр масс находится в точке с координатами (х^Ук^к); человек-оператор массой т5, включающей в себя массу кресла. Центр масс находится в точке с координатами (ху,уу,гу); щетка снегоочистителя массой Шй, включающей в себя массу гидроцилиндра щетки. Центр масс находится в точке с координатами (ХсьУыиЗсь).

Пространственная колебательная динамическая система рассматривается в правой инерциальной системе координат О0 Х0 Уо начало которой -точка О0 в состоянии покоя совпадает с точкой Оь координаты которой заданы в локальной системе координат О1 Х1 У, 2,, связанной с рамой базовой машины. Ось Х0 совпадает с направлением движения, а ось Ъ() направлена вертикально вверх.

Положение звеньев расчетной схемы определяется положениями соответствующих правых локальных систем координат. Локальные системы координат связаны: О] Х| У] Ъ\ — с рамой базовой машины; Ог Х2 У 2 Т-г - с передним мостом; 03 Х3 У3 - с отвалом бульдозера; 04 Х4 У4 - с кабиной; 05 Х5 У5 - с человеком оператором; Об Х6 Уб ~ со щеткой снегоочистителя.

Реакции грунта на элементы ходового и рабочего оборудования представлены на расчетной схеме силами 1=1,.

На основании этой расчетной схемы была составлена модель в пакете БипМесИашсз, принципиальная блок-схема которой показана на рисунке 2.

с,. к? &

Рисунок 1 - Обобщенная расчетная схема динамической системы «микрорельеф - дорожная

!срагор»

Передача у еязий ОТ тф дерсдзессьсзесг

Передача уикий ог лев. тгереднетйксч1«а. (АсЦйЛО! ..ЬРК.)

ГТргтзкг л глобальной састеме хеердянат Шгр.чир прзвле аергдаее колесо-гжреданй (ЪийРРК)

Празязгак гло-Зальдай гястеме КверЛЮйТ Шарянр л«зое передям юалетг» -тхредаиЗмос! (То^ЬШ

Праааэъа к глоЗзэдаот сясте:-л

Отвал

задн«- »;с.чесо - рх&

Прага з*а х гло15а:тыюк системе зюорлжш (04)

Шграар празо?

Шз.рйяр передний мосг-рг^о

111арияр стаи -

Шлраир

ГВДрООЯЗИсЩЗ отвала -рта (ТотгСС Р.ал»>

Передача уси.таЗот яр. заднего шяеса.

Иерсгачал-иилхЗ оч лез задчеге казеса (АСШ2?С'Х_12Ю

Изрипр ка5гяа -челоге*-

Щарякр рама— тзцреляиил? гзетаз* сош Яатз_ОС)

Рисунок 2 - Принципиальная блок-схема динамической системы «микрорельеф - дорожная машина - кабина - человек-оператор» в пакете 81тМесЬашс$

Для каждого блока, моделирующего твердое тело, задается масса, координаты центра масс и характерных точек, осевые моменты инерции относительно осей локальных систем координат ]х, 1У, Ъх и центробежные моменты инерции ]у2, составляющие тензору инерции тела.

^[н ...........®

-ЕЬ

#.............

......г-.,

] "........-

- ............

г «:?•]■...........-

\ВЩ.................

вШ-щт: в&щзг............

115..............®Ц«г

...........

......ЙГ

.....!

-Л -IV':-.--' • 1

~—^гГ^

..т

..........."г^Ш^-*;'-";;^-

.............! ^

...........Ю

•и*?

♦С'......

•••■—«м х*";: .......'

......

ц±

Рисунок 3

- Математическая модель динамической системы «микрорельеф - дорожная машина - кабина - человек-оператор» в обозначениях

ЗнпМесЪапкв

Тела между собой связаны шарнирами, ограничивающими их взаимное перемещение.

На основании принципиальной блок-схемы составлена математическая модель, представленная на рисунке 3.

Разработанная математическая модель динамической системы "микрорельеф - дорожная машина - кабина - человек-оператор" позволяет определять влияние конструктивных параметров и динамических свойств элементов системы на уровень динамического воздействия на рабочем месте человека-оператора.

Динамическая система взаимодействия ходового оборудования с микрорельефом в транспортном режиме воспринимает стохастические воздействия со стороны микрорельефа на элементы ходового оборудования. Для формирования микрорельефа разработаны алгоритмы и программа, генерирующая неровности микрорельефа в соответствии с заданными корреляционными функциями, описывающими микропрофиль. Кинематические возбуждения, получаемые в результате работы программы, пересчитываются в силовые. Подсистема, пересчитывающая кинематическое возбуждение в силовое, реализована в МЛТЬЛВ 81тиНпк и представлена на

При решении задач анализа и синтеза элементов виброзащиты сложная динамическая система рассматривалась в транспортном режиме.

Разработанная модель была использована для проведения имитационного моделирования и проверки проектных решений элементов виброзащиты кабины ДМ.

В четвертой главе представлены результаты теоретических исследований сложной динамической системы, проведенных на ЭВМ.

9

Результаты теоретических исследований статических характеристик динамической системы показали, что величина статического отклонения, в диапазоне = 0 - 20 кН, линейно зависит от приложенной силы со стороны микрорельефа и не превышает: для линейных перемещений 0,06 м, для угловых - 0,05 рад. Расхождение с данными эксперимента не превысило 14%.

Анализ переходных характеристик динамической системы при приложении единичных ступенчатых воздействий показал, что динамические свойства ДМ не зависят от точки приложения внешнего воздействия и определяются только параметрами системы. Сравнение численных значений параметров переходного процесса с данными эксперимента показало, что расхождение по величине перерегулирования не превышает 12 %, по колебательности —10 %.

Проведенные исследования подтвердили адекватность математической модели сложной динамической системы и дали возможность использовать ее для проектирования устройств виброзащиты.

Пятая глава посвящена разработке алгоритмов системы автоматизации проектирования и разработке интерфейса программы.

Для защиты кабины от динамических воздействий используется виброзащитное устройство с «прогрессивной» статической характеристикой аппроксимируемой кусочно-линейной функцией. На рисунке 5 в качестве примера представлена статическая характеристика жесткости проектируемого устройства виброзащиты.

Упругая характеристика

Рисунок 5 — Статическая характеристика жесткости проектируемого устройства виброзащиты

Характеристика описывается уравнением (1):

,|4й-

М * са}

п3 =■

Cy'fnpaf

•/ + Мри£у (l)

гу ■ / 4- Ьг при / > /¡v.

Жесткость основной ветви статической характеристики с, находится из условия:

!

itt2~+l, (2)

(3)

(4)

Щср + са)!

где F - сила сжатия устройства виброзащиты, м; / - сжатие устройства виброзащиты, м; /,':у — сжатие до включения нижнего упора; fBу — растяжение до включения верхнего упора, м; ср - жесткость основной ветви характеристики, Н/м; су - жесткость упоров, Н/м; zu — максимальная амплитуда перемещения кабины в установившемся режиме в условиях резонанса, когда частота возмущений от воздействия микрорельефа совпадает с собственной частотой кабины; h — коэффициент затухания; u2=Q2+h2\ сш - радиальная жесткость шин, Н/м; к - коэффициент вязкого трения устройства виброзащиты кабины, Нс/м; М - масса кабины, кг; Q -собственная частота кабины, 1/с.

Из конструктивных соображений ср и к необходимо выбирать так, чтобы z„ —» min. Проведенные исследования показали, что для снижения амплитуды вертикальных колебаний кабины, необходимо увеличивать жесткость и уменьшать коэффициент вязкого трения устройств виброзащиты (рисунок 6).

о es

J,

с.ез; 0-Сг|

Перъмещ<!№* кабины

(Тврймвщвнив кабины

4 5

Жве/мзс-ти. Н.<м

а)

'"в".............

хЮ'

Ö.03-0.02-

O.Oli.--'' iirii

б)

Рисунок 6 - Зависимость максимальной амллтуды вертикальных колебаний кабины от, жесткости (а) и коэффицнеота вязкого трения (б) устройств внброзащцгы

Но при увеличении жесткости и уменьшении коэффициента вязкого трения устройств виброзащиты кабины происходит увеличение вертикальной составляющей виброускорения действующей на кабину (рисунок 7).

Для нахождения значений ср и к была решена задача оптимизации:

ги -* mirt,

2М ■& Хщах, г < г < Г

к уг у^ к,

где Сртд,, ср„/„ - максимальное и минимальное значения жесткости устройства виброзащиты; ктах, ктт — максимальное и минимальное значения коэффициента вязкости устройства виброзащиты; г„ - максимально допустимое ускорение кабины.

Уокомние кабины

«4

Жжпхисть, НЛ»

а)

Бижооь. б)

Рисунок 7 - Зависимость максимального значения ускорении кабины от жесткости (а) и коэффициента вязкого трения (б) устройств виброзащеты

z,. = u* I

4Л:

(6)

где z, — максимальное значение виброускорения кабины в установившемся режиме в условиях резонанса, м/с2.

Для решения задачи оптимизации был использован алгоритм, блок-схема которого представлена на рисунке $ . Алгоритм реализован в MATLAB с помощью логических массивов и пакета расширения Optimization Toolbox.

Полученное в результате оптимизации значение ср было использовано для построения основной ветви статической характеристики устройства виброзащиты.

Жесткость упоров рассчитывалась по формуле:

fy

где М - масса кабины, кг; g - ускорение свободного падения; кд -коэффициент динамичности; - динамический ход кабины вверх, м; /у -сжатие упругого элемента, м.

(8)

где zOT - среднеквадратическое относительное перемещение кабины, м.

Остальные коэффициенты уравнения (1) равны:

12

= М • д~ср' £л>< (9)

Ьг = (2 • /дл + - (2 • - /г) • ег (Щ

Статическое сжатие упругих элементов устройства виброзащиты рассчитывалось по формуле:

М-й

Полученная статическая характеристика жесткости устройства виброзащиты представлена в МАТЬАВ БшиНпк структурной схемой, показанной на рисунке 3-

Рисунок 8 - Блок-схема алгоритма оптимизации

Математическая модель устройства виброзащиты интегрирована в модель сложной динамической системы "микрорельеф - дорожная машина -кабина - человек-оператор", которая использовалась для имитационного моделирования, в результате которого определены значения виброускорения на рабочем месте человека-оператора.

Для расчета вибрационной нагрузки на месте человека-оператора была использована система обработки сигнала, блок-схема которой показана на рисунке 10.

Передаточные функции фильтров \Ук(р) и Wf(p) определяются полосовой и весовой передаточными функциями:

Н(р) = нк(р) • - НМ ■ ЯМ- (12)

Произведение Щф^Щр) дает полосовую передаточную функцию, эта функция одинакова для всех видов частотной коррекции за исключением \У1(р).

Рисунок 9 - Система, моделирующая характеристику жесткости устройств виброгащиты в

8|ШиИпк

Произведение Нг(р)-Н3(р) дает реальную весовую передаточную функцию для различных условий применения.

Ц \ЯТ(р>-ф;11ьтры г

| час1сгаойксфргкшшщ> I 'ГОСТ ЗП 91.1-2004

СишаяаЙ

!Шк(р) 4 5 ЛЛр^(р) ,[} дмауюгшвавня.м/с*-3

| ..■•.■,.•,.•,•■ ■:■■■■■: .■:■•■■:.:,•::-•:■■■■■■:•: ............... .................,• СреЛЯеКЗа^рАТатОС ЮТШШГ

I . '{■.■:.' ■:. ' ■ ■?:'••;••., % ^ОррвТЯрОВИШОГО уС*Ор«£МЯ

:^х-й' '* :: ' '1 Ю'"^; »»-[М'®2} Я вП> ХОГ&рафзЖЧДОХ

5 ......

. Фнльтрацийочгндлв ;

Эквивалентная доза вибрашш, м/с*-0

16!

I: Фкяьтрдцм* сигнала ;

Номера ткасс а . сйетгет^ткы с.

Доза вибрации, м.-с'-:-

Мазск>аальн0< текущее срсднекмфинтаое значена* заэррезпярсваггзохоуа

Рисунок 10 — Ьлок-схема системы обработки вибрационного сигнала на месте человека-

оператора

Яи»)

*"л ' \ р

(13)

1 + ,Я,.£..Л±.у

ОМ '\iO~J

1.+.-

V

р

(/Л • } '

14

(14)

_В_+ (PX

{(};. • i-.'::. ;

1 +'

где со, = 2-n-fi, f\ - fe - частоты, g4 - Q6 - коэффициенты добротности, являющиеся параметрами передаточных функций, определяющих общий вид частотной коррекции.

На основании передаточных функций (13) - (16) методом билинейного ъ-преобразования спроектирован цифровой рекурсивный фильтр, имеющий программную реализацию.

Для фильтрации вибрационного сигнала в третьоктавных полосах используются фильтры Баттерворта второго порядка.

Предложенный алгоритм работы системы обработки сигнала позволяет рассчитывать характеристики вибрационной нагрузки на месте человека-оператора и оценивать ее в соответствие с ГОСТ 31191.1 - 2004 и СН 2.2.4/2.1.8.556-96 такие как: MSDV, aw, Lw, VDV, eVDV, MTW, пик-фактор, значения MTW/aw и VDV/awT"4. А также строить графические зависимости среднеквадратических значений ускорений и их логарифмических уровней в третьоктавных полосах и сравнивать с действующими санитарными нормами.

В качестве примера на рисунке 11 приведены графические зависимости, полученные в результате моделирования: отфильтрованный вибрационный сигнал (рис. 11 а), спектр мощности отфильтрованного сигнала (рис. 11 в), среднеквадратические значения ускорений в третьоктавных полосах в сравнении с санитарными нормами (рис. 11 б) и их логарифмические уровни (рис. 11 г).

Разработанные алгоритмы легли в основу САПР созданную средствами визуальной среды MATLAB GUIDE. Блок-схема алгоритма САПР показана на рисунке 12.

Разработанный графический интерфейс позволяет в удобной форме вводить параметры ДМ и ее элементов в математическую модель. Введенные в форму значения автоматически присваиваются соответствующим элементам модели. Элементы, управления, расположенные в графических окнах, позволяют автоматически запускать процесс моделирования и получать результат.

На рисунках 13 - 14 показаны вид окна ввода параметров упруго-вязких элементов машины и вид окна моделирования микрорельефа.

Результаты моделирования выводятся в окно, представленное на рисунке 15. На рисунке 16 представлена блок-схема алгоритма автоматизированной оценки вибрационного сигнала, результат работы алгоритма выводится в соответствующие окна панели "Оценка вибрационной нагрузки".

График отфипьтроааж-пэго сигма ла

а)

1/5 осгэвяын анализ

•II

и

|||Шцш1||[1

С(х»тр мощности сигнала

г &

Рисунок 11 - Пример графических зависимостей, получаемых в результате моделирования

Я

Нуг-к-мятрьл упруги-в<*.ш« апвмвнтов

Рисунок 12 - Блок-схема алгоритма системы автоматизации проектирования

Рисунок 13 - Вид окна ввода параметров упруго-вязких элементов машины

Рисунок 15 - Вид окна результатов моделирования

При нажатии кнопок "График" на панели "Графические результаты" выводятся соответствующие графики, пример которых показан на рисунке 11.

Рисунок 16 —Блок-схема автоматизированной оценки вибрационной нагрузки

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведенный анализ и систематизация действующих норм и рекомендаций в области вибрационной безопасности позволили сформировать критерии оценки вибрационной нагрузки на месте рабочем человека-оператора заключающиеся в обеспечении требований по среднеквадратическому корректированному значению виброускорения ниже уровня 0.5 м/с2.

2. Разработанная математическая модель сложной динамической системы «микрорельеф - дорожная машина - кабина - человек-оператор» позволяет на этапе проектирования дорожной машины с помощью методов имитационного моделирования осуществлять оценку вибрационной нагрузки на рабочем месте человека-оператора.

3. Разработанный алгоритм автоматизации исследования модели позволил подтвердить ее адекватность и исследовать статические и динамические характеристики сложной динамической системы.

4. Разработанный алгоритм процесса автоматизации синтеза параметров виброзащитных устройств позволяет в автоматизированном режиме производить расчет оптимальных параметров устройств виброзащиты.

5. Разработанный алгоритм автоматизации обработки вибрационного сигнала позволяет в удобной форме представлять параметры вибрационной нагрузки на рабочем месте человека-оператора и сравнивать их с требованиями действующих отечественных и международных стандартов и санитарных норм в интервале частот от 0.5 до 80 Гц в третьокгавных полосах

с среднегеометрическими частотами 0.8, 1, 1.25, 1.6, 2, 2.5, 3.15, 4, 5, 6.3, 8, 10, 12.5, 16, 20, 25, 31.5,40, 50, 63, 80 Гц.

6. На основе предложенных алгоритмов разработана система автоматизации проектирования основных параметров устройств виброзащиты кабин дорожных машин на базе колесных тракторов.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

В изданиях рекомендованных экспертным советом ВАК:

1. Малахов И,И. Система моделирования устройств виброзащиты кабины строительно-дорожной машины / И.И. Малахов, В.С; Щербаков // Вестник Воронежского Государственного Технического Университета — Воронеж. - Том 5, № 9. - 2009. - С. 6 - 11.

В других изданиях:

1. Малахов И.И. Использование САЕ-систем в проектировании технических объектов / Сборник научных трудов: вып. 5. Юбилейный. -Омск: Омский филиал НГАВТ, 2006. - С. 48 - 51.

2. Малахов И.И. Виброзащита промышленных объектов / Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации транспортных сооружений: Материалы I Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых — Омск: Изд-во СибАДИ, 2006. — Книга 1. — С 159-161.

3. Малахов И.И. Активные системы виброзащиты / Межвузовский сборник трудов молодых ученых, аспирантов и студентов. - Омск: СибАДИ, 2007. - Вып. 4. - Ч. 1. - С. 207 - 209.

4. Малахов И.И. Использование SimMechanics для моделирования механических объектов / Военная техника, вооружение и современные технологии при создании продукции военного и гражданского назначения: IV Международный технологический конгресс - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2007. -Ч. 1.-С. 263-267.

5. Малахов И.И. Повышение качества виброзащиты / Управление качеством образования, продукции и окружающей среды: материалы 2-й Всероссийской научно-практической конференции — Бийск: Изд-во Алт. гос. Техн. Ун-та, 2007. - С. 241 - 242.

6. Малахов И.И. Системы активного гашения низкочастотных колебаний кабин землеройных машин / Теоретические знания - в практические дела: Сборник статей межвузовской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых исследователей - Омск: Филиал ГОУ ВПО "РосЗИТЛП" в г. Омске, 2007. - С. 131 - 132.

7. Малахов И.И. Использование системы MATLAB при проектировании систем виброзащиты / Теоретические знания - в практические дела: Сборник научных статей международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых исследователей — Омск: Филиал ГОУ ВПО "РосЗИТЛП" в г. Омске, 2008. - С. 126 - 128.

8. Малахов И.И. Создание математической модели микрорельефа в системе MATLAB / Межвузовский сборник трудов молодых ученых, аспирантов и студентов. - Омск: СибАДИ, 2008. - Вып. 5. — Ч. 1. - С. 203 -207.

9. Малахов И.И. Система автоматизированного моделирования сложной динамической системы "микрорельеф - базовая машина - кабина - человек-оператор" / Вестник СибАДИ: Научный рецензируемый журнал. - Омск: СибАДИ. -№ 4(10). - 2008. - С. 80 - 85.

Ю.Малахов И.И. Возможность применения SimMechanics как элемента САПР устройств виброзащиты / И.И. Малахов, А.О. Лисин // Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования: Материалы IV Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Омск: СибАДИ, 2009. - Книга 1. - С. 327 - 330.

П.Малахов И.И. Частотная коррекция вибрационного сигнала / Сборник научных трудов: вып. 7. - Омск: ОИВТ (филиал) ФГОУ ВПО НГАВТ. - 2009. -С. 69-73.

Подписано к печати 22.09.2009 Формат 60x90 1/16. Бумага офсетная Отпечатано на дупликаторе

Гарнитура Тайме Усл. п.л. 1,25; уч.-изд. л. 0,91 Тираж 100 экз. Заказ № 334

Отпечатано в ПО УМУ СибАДИ 644080, г.Омск, пр. Мира, 5

ВВЕДЕНИЕ.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Воздействие вибрации нл человека оператора.

1.2 Анализ санитарных норм и требований, предъявляемых к вибрационной безопасности.

1.3 Анализ способов и средств виброзащиты.

1.4 Анализ тенденций развития устройств виброзащиты.

1.5 Анализ упругих характеристик устройств виброзащиты. i 1.6 Анализ математических моделей микрорельефа грунта.

1.7 Анализ существующих систем автоматизированного проектирования устройств виброзащиты.

1.8 Цели и задачи исследования.

2 ОБЩАЯ МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1 Общая методика исследования.

2.2 Методика теоретических исследований.

2.2.1 Обоснование применения SimMechanics.

2.3 Методика экспериментальных исследований.

2.4 Структура работы.

3 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ВИБРОЗАЩИТЫ.

3.1 выбор и обоснование расчетной схемы.

3.2 Математическая модель сложной динамической системы "базовая машина -кабина-человек-оператор" с учетом рабочих органов.

3.3 Упрощенная математическая модель "кабина - дорожная машина".

3.4 Математическая модель «микрорельеф - элементы ходового оборудования».

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССА ПРОЕКТИРОВАНИЯ УСТРОЙСТВ ВИБРОЗАЩИТЫ КАБИНЫ ДМ.

4.1 Анализ статических характеристик сложной динамической системы "базовая машина - кабина- человек-оператор".

4.2 Анализ динамических характеристик сложной динамической системы "базовая машина-кабина - человек-оператор".

5 САПР УСТРОЙСТВ ВИБРОЗАЩИТЫ КАБИНЫ ДОРОЖНОЙ МАШИНЫ.

5.1 Проектирование упругой характеристики устройств виброзащиты.

5.2 Оптимизация параметров устройств виброзащиты.

1 5.2.1 Постановка задачи оптимизации.

5.2.2 Выбор метода оптимизации. f 5.2.3 Алгоритм оптимизации.

5.3 Имитационное моделирование.

5.4 Анализ вибрационной нагрузки нл рабочем месте человека-оператора.

5.4.1 Функции частотной коррекции.

5.4.2 Проектирование цифрового фильтра.

5.4.3 Алгоритм расчета MSD V, VD V, MTVV и aw.

5.5 Система автоматизации проектирования устройств виброзащиты кабины дорожной машины.

Проблема снижения уровней вибрации и шума на дорожных машинах (ДМ) в настоящее время приобретает все большую актуальность. Повышенная вибрация снижает ресурс силовых агрегатов ДМ, вызывает дополнительное потребление энергии в переходных режимах работы агрегатов, приводит к возникновению и развитию профессиональных заболеваний обслуживающего персонала. Повышенный уровень шума ухудшает экологические показатели транспортных средств, увеличивая дискомфорт, что приводит к снижению производительности труда. Поэтому в нормативные документы вводятся жесткие требования по защите от вибрации и шума. В связи с этим возникает необходимость на этапе проектирования ДМ обеспечивать необходимые параметры систем виброзащиты и рассчитывать предполагаемую вибрационную нагрузку на рабочем месте человека-оператора.

На современном российском рынке предлагается достаточно большое количество инженерных CAE-систем (Computer Aided Engineering) с помощью которых можно исследовать колебания машин. Среди них есть системы инженерного анализа среднего уровня, такие как COSMOS/Works, COSMOS/Motion, COSMOS/FloWorks для SolidWorks; системы инженерного анализа встроенные в тяжелые САПР — Pro/MECHANICA для Pro/ENGINEER, Unigraphics NX CAE для Unigraphics NX, CATIA CAE для CATIA, и системы полнофункционального инженерного анализа с мощными средствами и обширными библиотеками конечных элементов — ANSYS/Multiphysics, APNASTRAN и MSC.NASTRAN.

Для расчетов в этих системах обычно используется метод конечных элементов и они позволяют осуществить полный цикл проектирования от построения трехмерной модели до расчета различных узлов на прочность. Но использование этих систем для расчета вибрационной нагрузки достаточно сложно, трудоемко и нецелесообразно. Так, если есть трехмерная модель какой-либо машины, то для анализа колебаний необходимо задать все сопряжения и ограничения для деталей, нагрузки, либо создавать еще одну упрощенную модель.

Целью диссертационной работы является создание системы автоматизированного проектирования (САПР) элементов устройств снижающих динамические воздействия на кабину ДМ на базе колесного трактора.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведенный анализ и систематизация действующих норм и рекомендаций в области вибрационной безопасности позволили сформировать критерии оценки вибрационной нагрузки на месте рабочем человека-оператора заключающиеся в обеспечении требований по среднеквадратическому корректированному значению виброускорения ниже уровня 0.5 м/с2.

2. Разработанная математическая модель сложной динамической системы «микрорельеф — дорожная машина — кабина — человек-оператор» позволяет на этапе проектирования дорожной машины с помощью методов имитационного моделирования осуществлять оценку вибрационной нагрузки на рабочем месте человека-оператора.

3. Разработанный алгоритм автоматизации исследования модели позволил подтвердить ее адекватность и исследовать статические и динамические характеристики сложной динамической системы.

4. Разработанный алгоритм процесса автоматизации синтеза параметров виброзащитных устройств позволяет в автоматизированном режиме производить расчет оптимальных параметров устройств виброзащиты.

5. Разработанный алгоритм автоматизации обработки вибрационного сигнала позволяет в удобной форме представлять параметры вибрационной нагрузки на рабочем месте человека-оператора и сравнивать их с требованиями действующих отечественных и международных стандартов и санитарных норм в интервале частот от 0.5 до 80 Гц в третьоктавных полосах с среднегеометрическими частотами 0.8, 1, 1.25, 1.6, 2, 2.5, 3.15, 4, 5, 6.3, 8, 10, 12.5, 16, 20, 25, 31.5, 40, 50, 63, 80 Гц.

6. На основе предложенных алгоритмов разработана система автоматизации проектирования основных параметров устройств виброзащиты кабин дорожных машин на базе колесных тракторов.

1. Адлера Ю.-Ш Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий / Ю.П.'Адлер, Е.В.Маркова, Ю.В ^Грановский — М-: Наука,. 1976. —279 с. . . ; ;

2. Александров В.А. Статистические модели рельефа местности / В.А. Александров, А.С. Филлипов, СЛ. Репин // Строительные итдорожные машины. 1996. - №9.

3. Алексеев Е.Р. Решение задач вычислительной математики в пакетах Mathcad 12, MATLAB 7, Maple 97 Е.В1 Алексеев, 0:В. Чеснокова М.: ИТ Пресс, 2006. - 496 с.

4. Ануфриев? И.Е. MATLAB 7 / И.Е. Ануфриев,. А.Б. Смирнов, E.I-L Смирнова. СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 1104 с.

5. Аоки,:М.Введение в.методы оптимизации — М.: Наука, 1977. — 344 с.

6. Аринчев С.В. Теория колебаний неконсервативных систем: з^ебное: пособие. -М.: МГТУ им Н-Э. Баумана, 2002. 461 с.

7. Афанасьев B.JI. Статические характеристики микропрофилей автомобильных дорог и колебаний автомобиля / BJI. Афанасьев, А.А. Хачатуров // Автомобильная промышленность. — 1966: — № 2. — С. 21 —

8. Бабаков И.М; Теория колебаний. М:: Изд-во "НАУКА", 1986. - 560 с.

9. Балабин ИЖ: Автотракторные колеса: Справочник — М.: Машиностроение, 1985. —272 с.

10. Бал агула В.Я. Исследование активной; системы подвески рабочего' ; места оператора, самоходных колесных землеройно-транспортныхмашин:: Автореф. дис. . канд. техн. наук. — МС;: 1983. — 21 с.

11. Баловнев В.И. Моделирование процессов взаимодействия со средой рабочих органов дорожно строительных машин. — М.: Высш. школа, 1981.-335 с. * ■■

12. Бауман В.А. Вибрационные машины и процессы в строительстве / В.А: Бауман, И1И: Бь1ховский —М(: Высшая школа, 1977: — 255гс.

13. Белов: С.В. Средства защиты в машиностроении: Расчет и проектирование: Справочник/ С.В. Белов, А.Ф: Козьяков, О.Ф. Партолин и др.; Под ред. С.В. Белова.- М.: Машиностроение, 1989 — 368с. '

14. Беляев; В. В. Повышение точности планировочных работ автогрейдерами с дополнительными опорными элементами рабочего? органа: Дис. канд. техн. Наук: 05.05.04. -Омск: СибАДИ, 1987. -242с. " ■"

15. Бикел П. Математическая, статистика, / П.Бикел, К.Доксам — М.: Финансы и статистика. Вып. 1. 1983. 278 с.

16. Блехман ИЖ Вибрационная механика: Монография. — М.: Физматлит, 1994. 400 с.17