автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.02, диссертация на тему:Системы безопасности жизнедеятельности в чрезвычайных ситуациях при эксплуатации машин, оборудования и механизмов в энергетике

На правах рукописи

МАНСУРОВ ОЛЕГ ИБРАГИМОВИЧ

СИСТЕМЫ БЕЗОПАСНОСТИ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ В ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЯХ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ МАШИН, ОБОРУДОВАНИЯ И МЕХАНИЗМОВ В ЭНЕРГЕТИКЕ

05.26.02 - Безопасность в чрезвычайных ситуациях (в энергетике), (по техническим наукам)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2004

**

Работа выполнена на кафедре промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности экологического факультета Российского университета дружбы народов и в Научном Центре нелинейной волновой механики и технологии РАН.

Научный руководитель:

кандидат технических наук, профессор В. И. Тагасов.

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор Р. И. Нигматулин

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Д. К. Гришин

доктор физико-математических наук, профессор. А. А. Соловьев

Ведущая организация:

Государственный научный центр РФ-физико-энергетический институт

в /¿асов на заседании диссертационного совета К 212.203.12 в Российском университете дружбы народов по адресу: 117302, г. Москва, ул. Орджоникидзе, 3.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Российского университета дружбы народов по адресу: 117198, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6.

Защита диссертации состоится

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

Л. В. Виноградов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертационной работы. Рабочий процесс добычи ископаемых топлив для энергетических объектов связан с использованием машин, мобильных систем и механизмов, эксплуатация которых обусловлена высокой вероятностью возникновения чрезвычайных факторов, опасных для жизнедеятельности обслуживающего персонала. Это вызвано воздействием на человека мощных низкочастотных колебаний и ударов высоких энергий, носящих случайный характер. Поражающее действие этих факторов характеризуется тем, что 41% всех работников страдают от виброболезни и глухоты. При этом превышение предельно допустимых норм общего уровня вибрации в энергетике составляет 2,5-4 раза. Рост числа заболеваний, связанных с внешними динамическими воздействиями, главными га которых являются вибрация и шум, свидетельствуют о том, что борьба с этими вредными факторами становится острой социальной проблемой. Спектры динамических возмущений большинства используемых машин и механизмов находятся в наиболее опасном для здоровья человека диапазоне. Влияние низкочастотных вибраций приводит к нарушению функций сердечнососудистой системы и опорно-двигательного аппарата, развитию нервных заболеваний, поражению зрения, мышечных тканей и суставов.

Применение систем способных обеспечить одновременную защиту от вибрации и ударов является проблемной задачей. По этой причине возникает необходимость создания нового поколения виброударозащитных устройств, обеспечивающих эффективную защиту персонала от широкого спектра опасных динамических воздействий посредством одной конструкции. В диссертации преследовалась цель исследовать принципиально новый подход к решению задачи по созданию особого класса виброударозащитных систем на основе теоремы об упруго-вязких пластических деформациях.

До настоящего времени проблемы зашиты от интенсивных и случайных вибраций и ударов в чрезвычайных ситуациях не решены в полном объеме и потому разработка и создание наиболее экономичных и технически целесообразных способов снижения риска опасностей с применением виброшумоизо-ляционных платформ и площадок является важной задачей. Таким образом, снижение виброударных перегрузок, предаваемых через основание до допустимых уровней и обеспечение безопасных условий труда обслуживающего персонала мобильных систем, является актуальной и до конца не решенной задачей.

Целью работы является:

- обеспечение безопасности рабочих мест обслуживающего персонала мобильных систем при воздействии на них виброударных воздействий и мощных низкочастотных колебаний, как в чрезвычайных, так и штатных ситуациях; - разработка и создание практических кинематических систем виб-роударозащиты в виде платформ для установки на них кабин и других объек-

тов весом до 500 кг.

Для достижения указанной цели в работе решались следующие основные задачи:

1. На- базе исследований, моделей объемных упругодемпфирующих подвесов (ОУДП) сформулированы .требования по выбору кинематических схем защиты от одновременной защиты от ударов и вибрации.

2. , С учетом современных тенденций использования стальных гибких тросов в качестве элементов пассивных систем защиты, обоснованы требования к выбору упругодемпфирующих элементов, встраиваемых . в систему групповой (общей) защиты объектов.

3. Проведены исследования тросово-торсионных упругодемпфирующих элементов последовательного типа.

Основу разработанных кинематических схем виброударозащитных платформ вывешенного типа для объектов массой до 500 кг - составили предложенные автором тросово-торсионные упругодемпфирующие элементы «сухого» ; трения, встраиваемые в пассивную нелинейную пространственную групповую защитную систему в вывешенном варианте.

В результате исследований установлено, что система групповой защиты с упругодемпфирующими элементами последовательного типа позволяют:

создавать требуемое объемное перемещение (ход) основания платформы, обеспечивающее плавное снижение энергии ударного импульса до безопасных пределов;

выводить собственную частоту системы из зоны резонанса и обеспечивать при этом диссипацию в требуемом диапазоне;

обеспечивать возврат защищаемого объекта в исходное положение при эффективном уровне демпфирования. .

Методы исследования. При выполнении работы . применялись расчетные и экспериментальные исследования с применением макетных образцов упругодемпфирующих тросово-торсионных элементов последовательного типа, использованных при разработке кинематических схем виброударо-защиты объектов.

Достоверность научных ■ положений и полученных результатов подтверждена сходимостью теоретических и экспериментальных результатов и обусловлена точностью использованной измерительной аппаратуры и достоверным объемом экспериментов.

Научная новизна работы. На основании теоремы об упруго-вязких пластических движениях впервые сформулирован вывод о возможности создания особого класса объемных защитных систем, которые способны обеспечить пространственную защиту от вибраций и ударов одновременно. Для достижения этой цели предложено использовать главные достоинства тросовых систем: мощное необратимое межвитковое трение и минимальные остаточные деформации при снятии нагрузок. За счет этого появилась возможность получения высоких значений диссипативных характеристик требуемые

1 л-м:'Г'

уровни диссипации в области низких частот и значительные подвижки (ход) при ударных перегрузках.

Предложена математическая модель особого класса для расчета параметров объемных упругодемпфирующих подвесов (ОУДП), которая предназначена для создания кинематических схем групповых (общих) систем эффективной защиты кабин операторов и постов управления от внешних динамических воздействий.

Исследованы упругодемпфирующие тросово-торсионные элементы последовательного типа, на базе которых разработаны кинематические схемы виброударозащитных платформ, используемых для виброудароизоляции рабочих мест обслуживающего персонала самоходных машин и мобильных систем энергетики.

Практическую ценность работы представляют оригинальные конструктивные решения виброударозащитных платформ, предназначенных для виброударозащиты кабины оператора самоходной машины и поста управления, расположенного внутри имеющейся кабины. В разработанных конструкциях реализована кинематическая схема рычажного тросово-торсионного элемента и использованы упругодемпфирующие элементы последовательного типа с применением цилиндрических пружин.

Предложенные разработки могут найти широкое практическое применение для защиты от мощных пространственных низкочастотных колебаний и ударов высоких энергий, в том числе и сейсмовоздействий, для различных объектов массой до 500 кг. Системы защиты от мощных низкочастотных ударных и вибрационных воздействий могут быть использованы как средство безопасности персонала различных самоходных систем, защиты трубопроводов, прокладываемых в сейсмоопасных районах, жизненно важных объектов и пунктов управления в чрезвычайных ситуациях, в том числе при воздействии землетрясений, мощных взрывов, соударений, падений, а также для транспортировки прецизионных грузов.

Внедрение результатов работы и публикации. Конкретные результаты диссертационной работы нашли применение в проектно-конструкторской деятельности ОАО «Комбинат КМАруда» при разработке средств и методов защиты виброактивного оборудования, в том числе дробилок и инструмента, а также рабочих мест операторов горных машин и мобильных систем от виброударных нагрузок. Приняты к применению технические предложения по выполнению конструктивных схем систем виброзащиты, результаты экспериментальных исследований, методики расчета и моделирования, а также эскизные проекты.

Результаты работы докладывались на 9-м Международном симпозиуме "Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред", март 2003 г. и обсуждались на заседаниях кафедры промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности экологического факультета РУДН, научных семинарах НЦ нелинейной волновой механики и

технологии РАН, экологических семинарах географического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. По результатам исследований и представленных разработок, вошедших в диссертационную работу, опубликовано 5 печатных работ и получено 7 патентов на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 140 страницах, состоит га введения, четырех глав основного содержания, выводов, заключения и списка литературы. Она содержит 4 таблицы, 28 рисунков и графиков, список литературы из 87 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности выбранного направления исследования, формулируются цель и задачи работы. Раскрывается научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приводятся сведения о внедрении разработок, перечисляются основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ работ, посвященных исследованию бирлогических аспектов поражающего действия вибраций и ударов.

Разработка методов и средств защиты обслуживающего персонала подвижных систем от внешних динамических воздействий, возникающих при эксплуатации машин и механизмов в промышленности, ведется как в России, так и за рубежом. Следует отметить ведущую роль в этой области академика РАН Фролова К. В. и возглавляемой им научной школы по взаимодействию системы человек-машина. Большой вклад в исследования по воздействию на человека вибраций, ударов и шума внесли отечественные ученые: Диментберг Ф.М., Бутовская З.М., Романов С.Н., Гужовский А.А., Торопов В.А. и другие. Крупный вклад в область исследований виброзащиты операторов мобильных систем внесли представители научной школы, возглавляемой проф. Миги-ренко Г.С. (Новосибирский электротехнический институт).

Отправляясь от анализа научных и прикладных исследований отечественных и зарубежных ученых, в обзорной части первой главы изучены вопросы воздействия вибраций на человека, рассмотрены проблемы безопасности обслуживающего персонала мобильных систем, обсуждены способы решения эффективной защиты и дана критическая оценка подходов к техническому решению задач.

В первом разделе рассмотрены биологические аспекты воздействия вибраций на обслуживающий персонал самоходных машин и мобильных систем, описаны симптомы виброболезней и их поражающее действие на человека. Отмечено, что уровни транспортно-технологических вибраций в несколько раз превышают предельные гигиенические нормы.

Во втором разделе главы рассмотрены особенности виброзащиты операторов мобильных систем. Приведены спектры вибрационных воздействий эксплуатируемых машин и механизмов и отмечено их совпадение с наиболее опасным для человека низкочастотным диапазоном вибраций. Особо отмеча-

ется скрытый и непредсказуемый характер уровней воздействий, вероятностный характер их пространственной ориентации и наличие в этом спектре случайных нестационарных ударов высоких энергий.

В третьем разделе этой главы рассмотрены физические основы систематизации виброизоляторов. Показано, что соединение- упругих и диссипа-тивных элементов определенным образом дает смещение собственной частоты из зоны резонанса и изменение суммарной жесткости амортизации, что делает амортизацию более эффективной. Использование такой конструкции приводит к увеличению смещения (хода) всей системы амортизации, что особенно важно при защите объектов от ударов большой амплитуды и длительности. В целом, последовательное соединение упругих и демпфирующих элементов амортизации может быть использовано при выборе модели общей (групповой) системы защиты объектов от внешних динамических воздействий.

В четвертом разделе представлен развернутый анализ существующих конструкций и систем вибрационной и ударной защиты с точки зрения возможности их использования для целей эффективной виброизоляции кабин и рабочих мест (постов управления) операторов и обслуживающего персонала мобильных систем. Отмечено, что защита от вибраций и ударов имеет ряд особенностей, которые носят противоречивый характер. Так для гашения мощных ударных воздействий необходима крутая (жесткая) силовая характеристика, а для качественной защиты от вибрации в области низших частот требуется пологая (мягкая) силовая характеристика. При этом для снижения резонансных выбросов нужна мощная диссипация и в то же время не должна ухудшаться виброизоляция в зарезонансной зоне. По этой причине системы амортизации проектировались с учетом преобладающих нагрузок в каждом отдельном случае. Такие амортизаторы не являлись взаимозаменяемыми.

Подавляющее большинство существующих амортизаторов относится к категории опорных, однонаправленных, единичных конструкций, количество и место установки которых определяется массой и приведенным центром тяжести защищаемого от вибраций объекта. Эти амортизаторы не могут обеспечить эффективной защиты от ударов большой амплитуды и длительности в силу их малого «хода», неоптимальности силовых ударных характеристик и относительно низкого неупругого сопротивления.

Обзор противоударных систем защиты показал, что большинство этих систем выполнены в виде противосейсмических подвесов, виброударозащит-ных площадок и модулей, не получивших распространения в силу их громоздкости и существенных недостатков. Анализ устройств систем виброизоляции показа!, что существует устойчивая тенденция использования тросовых конструкций. Появились системы индивидуальной и групповой защиты на базе тросовых элементов, в том числе и системы способные обеспечить защиту от вибраций и ударов одновременно.

Во второй главе обоснован выбор математической модели общей защиты .рабочих мест от виброударных пространственных воздействий, передаваемых через основание.

В первом разделе рассмотрены особенности проектирования виброизоляции на подвижных объектах. Показано, что частотные спектры воздействий: большинства машин лежат в области относительно низких частот порядка 130 Гц, т.е. в диапазоне наиболее опасном для здоровья- человека-оператора. Если легковые автомобили имеют сравнительно хорошую подвеску, то мобильные системы, такие как экскаваторы и самоходные механизмы не содержат эффективной системы защиты человека. Воздействие высоких динамических уровней передается практически без демпфирования через массу механизма, не имеющего вертикальной подвески, на сиденье оператора (водителя).

Из-за высокого расположения сидения самоходных машин и транспорта, горизонтальная вибрация различной интенсивности также может передаваться через сидение человеку во время работы. - Нестационарное положение машин и наклоны, а также то, что оператору приходится длительное время находиться под воздействием виброударных нагрузок, шума, пыли и загазованности ухудшает условия труда операторов.

Во втором разделе главы рассмотрены виды и спектры внешних динамических воздействий, возникающих при эксплуатации мобильных систем. Известно, что максимальное воздействие на человека оказывают возмущения более сложной формы, чем синусоидальные вибрации. Достаточно универсальной характеристикой, учитывающей характер изменения колебательной величины во времени является среднеквадратическое отклонение амплитуды, которая характеризует энергию процесса.

В разделе также рассмотрены воздействия на объект полигармонических и случайных сил, являющихся главными источниками эксплуатационного воздействия при работе и передвижении мобильных объектов.

В третьем разделе представлен анализ вибрационных и ударных воздействий, передаваемых на объект защиты через основание. При решении задач, связанных с вибрацией, внешние возбуждающие факторы известны, а силы, действующие на механическую систему, не определены. Необходимость подробного рассмотрения ударных процессов вызвана тем, что в спектрах внешних. воздействий проявляются ударные импульсы различной амплитуды и формы с непредсказуемой частотой повторения и уровня энергии. Ударный импульс определяется выражением: .

(+г

Р~ \р(1№, где

I

- закон изменения силы, возникающей в процессе удара,

- длительность

ударного импульса в сек.

Характерно, что при этом вносится важный дополнительный параметр - время воздействия. Например, при малом времени воздействия задача ударной защиты может быть разрешима сравнительно легко. При более дли- -тельном воздействии," например при амплитуде. 18-20 g и длительности ударного . импульса т = 0,03-0,06 с последствия : могут иметь катастрофический характер.

В четвертой части главы ■ рассмотрены особенности ударозащиты объектов. Для систем ■ ударозащиты характерны следующие отличительные особенности.

1. При. ударном возбуждении происходит ■значительное перемещение объекта.

2. Характеристики упругих . и демпфирующих элементов амортизации существенно нелинейны, а выбор оптимальных характеристик может дать выигрыш в относительных перемещениях объекта.

3. Серийные амортизаторы не могут быть применены из-за малых ходов и неоптимальности ударных характеристик.

4. Применение упругих элементов регламентируется необходимостью фиксации в исходном положении и возврата в него после воздействия.

Для количественной характеристики ударозащитных систем амортизации использовалось следующее соотношение:

хям:- максимальный относительный ход защищаемого объекта;.

- максимальное абсолютное перемещение основания. Исследования : показали, что эффективность ударной защиты, существенно зависит от закона воздействия (формы импульса). На рис. 1 приведен график, характеризующий эффективность вибрационной и ударной системы амортизации при различных отношениях максимального уровня ускорения основания ' Ао и допускаемых уровней ускорения для рассматриваемых объектов Ad.

где

ю

О 2 5 10 20 30 50

Рис. 1. График динамики амортизации при различных видах воздействия

Кривые 2 и 4 соответствуют пассивной системе амортизации, а кривые 1 и 3 соответствуют упругопластической деформации и гидродемпфированию.. Наибольший эффект в системах амортизации* достигается при малых значениях Ац/ Аа.

Информация о разрабатываемых системах и конструкциях защиты от ударных воздействий свидетельствует о том, что существует устойчивая тенденция широкого применения тросовых систем и канатных виброизоляторов в качестве систем, отличающихся высокой эффективностью гашения энергии мощных низкочастотных колебаний и ударных импульсов высоких энергий. К достоинствам упругих элементов-торсионов относится тот факт, что стержень круглого сечения, благодаря относительно равномерному распределению усилий, способен воспринимать большее количество энергии на единицу массы крутящего материала, а изменение длины или угла рычага торсиона может обеспечить гибкость при конструировании, недоступную в других системах. Торсионам легко придать форму, удобную для размещения в конструкции.

В пятом разделе рассмотрены конструктивные формы стальных гибких канатов (тросов) и их основные физико-механические характеристики. Выбор стальных канатов в качестве упругодемпфирующих элементов виброударо-защитных систем обусловлен хорошими физико-механическими свойствами и широкой возможностью варьирования упругих и демпфирующих свойств в зависимости от его конструктивного оформления. Структурные признаки канатов заключаются в их винтовой свивке, посредством которой обеспечивается наибольшее заполнение контура поперечного сечения металлом и достигается определенный контакт между проволоками.

Разнообразие конструкций, типоразмеров, строения фасонных прядей и различные размеры создают широкие возможности выбора требуемого образца для целей виброзащиты. Наряду с жесткостными демпфирующими характеристиками каната, которые определяются экспериментально или приближенным расчетом, критерием при выборе являются его прочностные характеристики и коррозийная стойкость. Еще одним отличительным свойством каната служит его транстропность, т.е. одинаковые упругие характеристики в поперечном направлении. Это свойство позволяет его использовать для конструирования пространственных систем виброудароизоляции. Стальные канаты широко применяются и являются доступными материалами.

В шестом разделе представлены основные физико-механические свойства каната. К недостаткам тросов следует отнести сложность их расчета, так как трос обладает свойством конструктивной анизотропии. В связи с этим аналитическое определение модулей Е и О находят по экспериментальным данным в ходе статических испытаний каната на изгиб и кручение. Постоянство жесткости соответствует практически независимой работе проволочек вследствие их взаимного проскальзывания. При этом момент инерции сечения каната определяется по формуле:

J = (642^midl где

i-i

т,- количество проволочек в канате, dt - диаметр каната, . N - число применяемых диаметров проволочек в данной конструкции каната;

Значения экспериментально определенных модулей упругости первого и- второго рода находятся в пределах: Е = (!£—!,9 )!0> Мпа; G = (1.4—¡.9)16' Мпа. при: изменении' диаметров каната, в пределах d = {4,1-9.9)} О'* м.

Наряду с характеристиками жесткости и пластичности важное значение имеет гибкость каната, определяющая его способность к перегибу в пределах -упругой -деформации благодаря 1 внутреннему скольжению проволочек. Эта ■ величина характеризуется коэффициентом гибкости -К^ = d/d„,, где d„- начальный : диаметр проволочек в канате. Этот коэффициент, составляет К^ = ПА —14, а наибольшим значением К^ = 42 обладает канат . типа ЛКР

6x7x19 (1+6+6/6) +1 o.e. ГОСТ 2688-80.

Следует учесть, что при деформации каната наибольший - вклад в рассеяние энергии вносят силы сухого и вязкого трения, обусловленные видом деформации, скорости нагружения, конструкции каната, смазки и пр.' Для того чтобы напряжение в отдельных проволочках троса не превышали допустимые значения диаметр цилиндрического стержня, который охватывает трос, должен быть в - 10-15 раз больше диаметра самого троса.

В седьмом разделе представлено обоснование выбора кинематической " схемы модели защиты от низкочастотных колебаний и ударов высоких энергий.- Упругодемпфирующие системы последовательного типа и торсионно-тросовые системы могут быть применимы при использовании модели - групповой и общей защиты от внешних динамических воздействий в силу ряда преимуществ. Известно, что наиболее эффективными среди пассивных систем виброзащиты являются системы со встроенными динамическими гасителями колебаний; их реализация противодействует колебаниям объекта защиты и поглощает часть энергии возмущений. Общие системы могут быть представлены в виде опорного варианта, подвесной системы и системы в вывешенном варианте. Из этих систем наиболее приемлемым в нашем случае является вывешенный вариант, так как трос работает на растяжение, то есть в наиболее благоприятном для троса режиме.

Таким образом, представляется обоснованным выбор -модели защиты" для эффективной изоляции объектов от низкочастотных колебаний и ударов больших энергий в виде пассивной нелинейной пространственной вывешенной системы со .встроенными упругодемпфирующими элементами «сухого» трения.

В третьей главе обоснован выбор кинематической схемы виброударо-защиты, представлены теоретические предпосылки и расчет характеристик упругодемгтфируюгцих элементов.

В первом разделе главы обоснован выбор расчетной модели системы защиты от внешних динамических воздействий пространственного характера, для чего выбрана упрощенная математическая модель процесса в виде некоторой рационально выбранной приближенной схемы, пригодной для решения задачи с заданной степенью точности. При этом используется расчетная модель системы с сосредоточенными упругими и демпфирующими связями.

Аналитически динамическое поведение конструкции предоставляется в виде дифференциальных уравнений, связывающих элементарные массы и жесткости. Так как энергия в системе из-за трения рассеивается, все физические системы подчинены демпфированию, которое не всегда поддается математическому описанию. Поскольку силы демпфирования для реальной конструкции нельзя оценить с той же точностью, что и упругие силы и силы инерции, то строгое математическое моделирование явлений демпфирования невозможно. Для объяснения сил диссипации можно сделать предположение о виде демпфирования, что позволит оценить эти силы на практике.

Среди пассивных систем защиты наиболее эффективны системы - со встроенными динамическими гасителями колебаний; при этом, как правило, используются системы демпфирования с «сухим» трением. Однако такого ро--да системы требуют экспериментального исследования, так как теоретическое описание их крайне затруднено.

Во втором • разделе представлено теоретическое обоснование выбора кинематической схемы подвески на тросах для создания защитных платформ. Известно, что необходимое условие совмещения центра тяжести и центра жесткости системы виброизоляции, приводящее к развязке колебаний сдвига и вращения, по конструктивным соображениям не всегда возможно. Однако существует прием совмещения обоих центров в одной точке за счет наклона амортизаторов под некоторым углом с таким расчетом, чтобы равнодействующие их опорных реакций проходили через центр тяжести. Этот прием часто применяется при установке двигателей. Существенным недостатком такой системы амортизации является малый «ход», ограничивающий возможности эффективной пространственной защиты.

Другой моделью повышения эффективности виброударозащиты является подвеска на тросах, которые работают на растяжение. При этом можно получить низкие значения собственной частоты системы. Подвеска должна исключить какие-либо соударения в любой плоскости.

Рассмотрен случай, когда объект подвергается воздействию инерционных сил, вызывающих «опрокидывающий» эффект. Как правило, такие наклоны происходят при мощном ударном воздействии в горизонтальной плоскости. В этом случае системы растяжек должны быть рассчитаны так, чтобы угол закрутки (наклона тела) не превышал допустимых пределов по условиям эксплуатации.

В третьем разделе представлена теория и расчет тросовых элементов систем виброудароизоляции объектов. В связи со сложностями аналитическо-

го описания физических свойств каната значения Е и С определяются экспериментально, а . обработка данных, полученных в результате испытаний тросов различного диаметра, позволила сформулировать зависимости для определения частоты резонанса (по различным направлениям как функцию от определяющих параметров амортизатора. Уточненная нами .зависимость для тросового амортизатора подвесного типа равна:.

„ОЛ^2.34 I ^ Ш .0,13 рО.И

где

п - число тросовых стержней, - диаметр троса и проволоки в мм, п- число проволок в тросе, Р- статическая нагрузка на один изолятор в Н, - амплитуда смещения основания в мм, - длина плеча тросового элемента в мм.

Из полученных выражений для / определялись коэффициенты динамической жесткости . С и коэффициенты демпфирования у. В частности, для тросового С = ¡¿4x10

элемента, работающего по трем координатам: для оси ; для осей ХУ, С = ¡,4x10'', у =0,44/г0'".

В четвертом разделе главы рассмотрены результаты исследования уп-" ругодемпфирующих элементов последовательного типа. Показано, что для выявления зависимости степени деформации упругих элементов от осевой нагрузки за счет натяжения троса под действием нагрузки были проведены исследования упругодемпфирующего элемента. Автором выбран вариант сжатия пружин за счет натяжения троса (рис.2). Трос пропускается внутрь пружины и закрепляется на противоположной стороне пружины.

Под действием силы , по мере нарастания стрелы прогиба , трос сжимает пружины на величину Л1. Анализ результатов показал, что эта зависимость имеет нелинейный характер, а график этой зависимости носит всё более пологий характер при росте длины самого отрезка троса.

Д1

-1.lt

-*г

II

/77Т7

птп

Рис. 2. Схемаработыупругодемпфирующего элемента последовательного типа '

Графические построения зависимости величины уменьшения длины от смещения троса в вертикальной плоскости для различных длин отрезков представлены на рис. 3.

Рис.3. График. Уточненная зависимость сжатия

пружины от стрелы провиса троса при различных значениях отрезков троса.

L=100.120,150,170,200мм.

Для минимизации суммы в соответствии с поставленной в работе задачей использован метод наименьших квадратов:

S = Y,(A!(ht)-àtit где

¡-I

ht,Aît- значения опытных данных, значения функции взяты из эмпи-

рической зависимости, и- число опытов.

Эмпирическая формула выбиралась с помощью таблиц, после чего в нее подставлялись исходные данные. Уточненные эмпирические зависимости получены по результатам использования компьютерных программ MatLab6.2 и Microsoft Excel. Основная зависимость принимает вид: , где - значения опытных данных.

В пятом разделе рассмотрены результаты оценки демпфирующих свойств тросовых конструкций, обусловленных проскальзыванием проволок и стренг (конструкционное трение) и потерями в материале. Силовая характеристика тросового амортизатора имеет участки с максимальной постоянной жесткостью. Будем считать, что на этих участках нет проскальзывания, про-слабления стренг и проволок, т.е. FHp = 0, где F - сила конструкционного трения.

На участках, где происходит проскальзывание, сила конструкционного трения равна , где - деформация упругого элемента тросового

амортизатора.

На основе экспериментальных исследований был сделан вывод о том, что эта зависимость может быть аппроксимирована следующей функцией:

Fmp - mJmJOTj

é*-t

И'*-').

где

- число упругих элементов в тросовом амортизаторе, т3 - коэффициент, учитывающий неравномерность включения упругих элементов в амортизаторе, т} - корректирующий коэффициент, определяемый экспериментально, Л -длина симметричной зоны при деформации

Для оценок максимальной величины конструкционного трения 'Ртас использовалась формула:

к - коэффициент, учитывающий конструктивные особенности упругого элемента, Р,,Рг~ амплитудные значения сил трения прослабленных стренг и сил трения в стренгах.

Потери в упругих элементах за счет конструкционного трения за один цикл колебаний определялись из выражения:

Ат=2\Ртр(х)дх. »

В работе показано, что приведенные зависимости позволяют адекватно рассчитывать величину конструкционного трения и вызываемые им необратимые потери энергии в упругих элементах тросовых конструкций. Определение оптимальных характеристик технологического трения требуют проведения экспериментальных работ по выбору способа демпфирования тросовых систем. В этом случае наиболее оптимальным является способ подбора стренг, а само число стренг определяется необходимой величиной демпфирования. Этот способ достаточно просто реализуется на практике.

В шестом разделе главы рассмотрено влияние технологических факторов на характеристики упругих элементов виброударозащиты. Установлено, что при изменении диаметра -проволоки на 5% величина осевой силы при одинаковой степени деформации изменяется на 20%. Изменение среднего диаметра пружины на 5% вызывает изменение осевой силы на 15%. С учетом изложенного возникает необходимость подбора пружин и тросов из имеющейся номенклатуры выпускаемой промышленностью.

В четвертой главе представлены описания кинематических схем и конструкторско-технологические решения виброударозащитных платформ. В первом разделе главы рассмотрены пути реализации модели объемного упру-годемпфирующего подвеса в виде общей (групповой) пространственной пассивной нелинейной вывешенной системы защиты со встроенными упруго-демпфирующими элементами последовательного типа. Во втором разделе главы представлены кинематические схемы виброударозащитной платформы для изоляции кабины оператора мобильной системы и площадки для защиты от ударов и вибрации поста управления, жестко закрепляемой на корпусе кабины (рис.4 и рис.5).

Торсионно-тросовое уда роза щитное устройство предназначено для зашиты объектов массой до 500 кг от ударов высоких энергий и низкочастотных вибраций, передаваемых через основание в любой плоскости.

1а

Рис.4. Кинематическая схема торсионно - тросового ударозащитного устройства.

1. Платформа:

2. Наружная рама

3. Штанги платформы

4. Штанги наружной рамы

5. Торсионы

6. Стальной трос-

Платформа устроена следующим -образом. Штанги , на ' наружной , 'платформе соединены .■ с верхними. концами торсионов, которым придана форма, обеспечивающая требуемое отклонение верхних штанг при самых больших амплитудах внешних воздействии.' Требуемая упругость и жесткость обеспечивается необходимым количеством стержней и их диаметром, при различном значении плеч торсионов. Сочетание упругого торсиона с намоткой троса, обеспечивающего мягкое демпфирование системы, и выбранная схема вывешивания объекта обеспечивает эффективную защиту от толчков и ударов большой амплитуды и длительности, передаваемых через основание.

Виброударозащитная площадка предназначена для защиты операто--ров мобильных систем от пространственных вибровоздействий и ударов.

Рис.5. Кинематическая схема виброударозащитной площадки.

1. Опорная рама

2. Платформа

3. Втулки

4. Трос

5. Сегменты

6. Упругие элементы (пружины)

Виброударозащитная площадка работает следующим образом. При виброударном воздействии в вертикальной плоскости происходит смешение площадки с объектом относительно се статического положения, которое посредством тросов передается через сегменты на пружины. Сами тросы выполняют кроме несущих функций роль эффективных демпферов в сочетании с «сухим» трением в сегментах и втулках. Пружины, воспринимая энергию ударов, после прекращения их возвращают систему в исходное положение. При горизонтальном воздействии площадка с объектом смещается в направлении вектора удара вдоль тросов, проскальзывающих во втулках, закрепленных на сторонах площадки. Одновременно, растягиваются тросы расположенные поперек вектора удара, обеспечивая гашение энергии воздействия в горизонтальной плоскости. Размещение упругих элементов в нижней части внешней стороны наружной раны позволяет в статическом положении располагать опорную часть кабины на уровне внешней раны.

При создании платформ были решены следующие задачи, связанные с технической реализацией кинематических схем.

1. Конструкции платформ обеспечивают достаточный «ход» внутренней площадки для плавного гашения амплитудных импульсов в вертикальной и горизонтальной плоскостях, исключая при этом какие-либо соударения с другими элементами системы защиты.

2. Гашение энергии нестационарных колебаний и ударов осуществляется в пределах минимального «хода» площадки с объектом.

3. Возврат в исходное положение после динамического возбуждения осуществляется площадкой с объектом защиты без остаточных колебаний и наклонов сверх допустимых пределов.

Предложенные схемы могут быть использованы в энергетике при добыче твердого и жидкого топлива, для защиты от вибраций операторов горных машин и бурильных установок; защите от сейсмоударных воздействий нефтепроводов, подстанций; защите при транспортировке хрупких материалов и прецизионного оборудования.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ II ВЫВОДЫ 1. Выполнен анализ данных мониторинга и литературного материала по изучению безопасности функционирования машин и механизмов, используемых в энергетике при добыче твердого и жидкого топлива Установлено, что:

- уровень вибрационных воздействий подвижных объектов и мобильных систем в энергетической промышленности на порядок превышает допустимые гигиенические нормы;

- в спектре преобладают случайные колебания и внезапные импульсы различной формы, амплитуды и длительности. Степень опасности удара зависит от формы импульса и его длительности;

- вибрационные и ударные воздействия, возникающие при эксплуатации мобильных систем, носят случайный характер;

- наиболее опасными для человека и механизмов являются мощные низкочастот-

18 1

I

ные колебания в диапазоне I - 30 Гц, а удары высоких амплитуд 15-2(^ и длительности 30-50 мс могут носить катастрофический характер, I -существующие средства виброизоляции в силу малого «хода» не обеспечивают защиту от ударов большой длительности.

2. Анализ существующих средств защиты от внешних динамических воздействий показал, что индивидуальные амортшаторы в виде опорных конструкций не обеспечивают эффективной защиты от вибраций в дорезонансной низкочастотной | зоне и не пригодны для пространственной защиты от ударов больших энергий в

силу осевой ориентации и малого «хода». До настоящего времени не разработаны I ■

системы амортизации для эффективной защиты от пространственных низкочастотных колебаний и ударов одновременно.

3. Сделан вывод о том, что существующие системы защиты от мощных ударов (сейсмовоздействий) весьма громоздки, имеют ряд технических недостатков, ограничивающих их применение и не пригодны для защиты рабочих мест операторов мобильных систем. Предложено создание эффективных систем виброударозащиты на базе объемных упругодемпфирующих подвесов (ОУДП) с использованием свойств стальных гибких тросов.

4. Обоснован выбор кинематической схемы комплексной защиты объектов от мощных низкочастотных колебаний и ударов больших энергий, представленной в виде общей (групповой) пассивной нелинейной пространственной системы вывешенного типа с элементами «сухого» трения.

5. Рассмотрены конструктивные формы и физико-механические свойства стальных тросов (канатов), ставших основой тросово-торсионных упругодемпфи-рующих элементов последовательного типа Использование тросов позволило обеспечить требуемые уровни диссипации за счет технологического, конструкционного и эйлерова трения.

6. Экспериментально исследованы тросово - торсионные элементы при различных вариациях длин плеч тросовых составляющих. По результатам исследований выявлены универсальные аналитические зависимости, пригодные для практического использования в схемах групповой защиты со встроенными тросово- ' ]

торсионными упругодемпфирующими элементами в виде пространственных пассивных нелинейных систем вывешенного типа.

7. Исследованы конструктивно - технологические требования и предложены предложения по учету статических и кинематических параметров при создании и

практической реализации систем виброударозащиты для кабины оператора и рабочего места машиниста, расположенного внутри кабины. Даны описания разработанных тросово-торсионных виброударозащитных устройств, не имеющих аналогов в мировой практике и защищенных семью патентами РФ на изобретения. Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Журавский ВТ., Мансуров О.И. Канатная сейсмоударозащитная платформа // Радиопромышленность.-2001. № 1 .-С.53-57.

2. Журавский В.Г., Гольдин В.В., Мансуров И.Я., Мансуров О.И. Некоторые вопросы применения тросовых систем для создания средств защиты РЭА от сейсмо-

ударных воздействий // Информационные технологии в проектировании и строи-тельстве.-2002. №2.-С.36.

3. Мансуров О.И., Мансуров И.Я. Платформа для битья // Изобретатель и рационализатор.- 2002.- Ж7.-С. 17-19.

4. Мансуров И.Я., Мансуров О.И., Журавский В.Г. Тросовая сейсмозашитная платформа. Патент на изобретение Патент № 2167350 от 20.05.2002 г. РФ.

5. Мансуров О.И., Мансуров И.Я., Журавский В.Г, Гольдин В.В. Ударозащит-ная платформа. Патентна изобретение №2180059 от 27.02.2002г. РФ.

6. Мансуров И.Я., Мансуров О.И., Торсионно-тросовое ударозащитное устройство. Патент на изобретение № 2180412 от 10.03.2002 г. РФ.

7. Мансуров О.И., Мансуров И.Я. Демпфирующее устройство. Патент на изобретение № 2179271 от 10.02.2002 г. РФ.

8. Мансуров О.И., Мансуров И.Я. Сейсмоударная защитная платформа. Патент на изобретение № 2178845 от 27.01.2002 г. РФ.

9. Мансуров О. И. Виброударозащитная площадка. Патент на изобретение № 2190132 от 27.09.2002 г. РФ.

10. Мансуров О.И., Синев А.В. Обеспечение безопасности рабочих мест операторов и кабин мобильных систем при воздействии пространственных колебаний и ударов высоких энергий.- 2003.-12 с- Деп. в ВНИТИ РАН 26.03.03 № 537-В2003.

11. Мансуров О.И., Нигматулин Р.И., Тагасов В.И. Обеспечение безопасности работы операторов мобильных объектов, машин, оборудования и аппаратуры при мощных низкочастотных колебаниях и ударах больших энергий // Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред: Материалы IX Международного симпозиума.-2003.- С. 245-250.

Мансуров Олег Ибрагимович

СИСТЕМЫ БЕЗОПАСНОСТИ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ В ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЯХ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ МАШИН,' ОБОРУДОВАНИЯИ МЕХАНИЗМОВ В ЭНЕРГЕТИКЕ

Предложены новые эффективные средства групповой защиты операторов и кабин мобильных объектов, механизмов и оборудования, используемых в энергетике от виброударных нагрузок, возникающих при их эксплуатации. На базе объемных упругодемпфирующих подвесов созданы устройства групповой защиты одновременно от ударов и вибрации. Основой этих устройств стали тросово-торсионные элементы последовательного типа с использованием видов трения. Разработаны оригинальные схемы групповой защиты со встроенными тросово-торсионными упругодемпфирующими элементами в виде пространственных пассивных нелинейных систем вывешенного типа. Разработки не имеют аналогов и защищены патентами на изобретения. Результаты работы могут найти практическое применение в энергетике, горной

и нефтедобывающей промышленности для защиты от вибраций операторов горных машин и бурильных установок. Разработки приемлемы для защиты от сейсмовоздействий нефтепроводов и подстанций, а также для виброудароза-щиты хрупких материалов и прецизионного оборудования при транспорти-

SECURITY SYSTEMS OF HABITABILITY IN EXTRAORDINARY SITUATIONS AT EXPLOITATION OF MACHINES, EQUIPMENT AND GEARS IN POWERENGINEERING

The new effective means of formation protection of the operators and cabins of mobile objects, gears and equipment used in power engineering from vibratory-percussion loads arising at their, exploitation are offered. On the basis volumetric elasticity damping pendants the devices of formation protection simultaneously from strokes and chattering are built. On the basis of these devices become cordtorsion members of a series type using kinds of friction. - The original schemes of formation protection -with built-in by cord-torsion elasticity damping members as spatial passive non-linear systems of the hung out type are designed. The minings. have no clones and are protected by the patents for the inventions. The outcomes of activity can find operational use in power engineering, mining and oil producing industry for vibration protection of the operators of mining machines and ' drilling rigs. The minings are reasonable for protection from seismic effects of oil pipelines and substations, and also for protection against chattering and strokes of brittle materials and precision equipment at haul.

ровке.

Mansuorov Oleg Ibragimovich (Russia)

a

I

I

У

1 \

) .1

i

0

ï

• л

!

1

I !

i

¡ '

r

>

I

I

I

\

i »

¡8-758 t

Введение.

Глава I. Состояние вопроса и постановка задач исследования

1.1. Биологические аспекты воздействия вибрации на обслуживающий персонал самоходных машин и мобильных систем в энергетике.

1.2. Особенности виброударозащиты рабочих мест операторов мобильных объектов.

1.3. Основы систематизации виброизоляторов.

1.4. Обзор существующих средств защиты от вибраций и ударов.

Выводы по главе 1.

Глава II. Обоснование и выбор схемы общей защиты рабочих мест от вибраций и ударов

2.1. Особенности проектирования виброизоляции на транспортных машинах.

2.2. Виды внешних динамических воздействий, возникающих при эксплуатации мобильных систем.

2.3. Анализ вибрационных и ударных воздействий.

2.4. Особенности ударозащиты объектов.

2.5. Основные конструктивные формы и свойства стальных канатов (тросов).

2.6. Основные физико-механические свойства канатов.

2.7. Кинематические схемы защиты от низкочастотных колебаний и ударов высоких энергий.

Выводы по главе II.

Глава III. Выбор кинематической схемы. Теория и расчет характеристик упругодемпфирующих элементов систем виброударозащиты

3.1. Обоснование выбора расчетной модели систем защиты от динамических воздействий.

3.2. Теоретическое обоснование выбора кинематической модели подвески на тросах для создания защитных платформ.

3.3. Теория и расчет тросовых элементов систем виброудароизоляции объектов.

3.4. Исследования характеристик упругодемпфирующих тросово-торсионных элементов последовательного типа.

3.5. Исследование демпфирующих свойств тросовых конструкций.

3.6. Влияние технологических факторов на характеристики упругих элементов защиты.

Выводы по главе III.Ill

Глава IV. Конструкторско-технические решения и описание кинематических схем виброударозащитных платформ

4.1. Особенности конструктивных решений по защите рабочих мест операторов от внешних динамических воздействий.

4.2. Описание кинематических схем и конструкции виброударозащитных платформ.

Выводы по главе IV.

Значительное расширение открытых разработок угольных месторождений с использованием мощных экскаваторов (одноковшовых и роторных) приводит к тому, что на ТЭЦ поступает топливо с кусками до 1200 мм и более при норме стандартных размеров до 300 мм. Кроме того, топливо сильно смерзается. Для измельчения угля наиболее эффективными оказались самоходные агрегаты и фрезерно-дробильные машины [1].

Характерно, что рабочий процесс с точки зрения механики разрушения и погрузки горных пород не отличается от рабочих процессов других горных машин, таких как выемочные и очистные комплексы, буровые машины и другие механизмы, используемые в горнорудной и угледобывающей промышленности. К этой категории относятся и машины четвертой группы: экскаваторы, погрузочно-доставочные машины, дробилки, бурильные установки, проходческие комплексы. Большинство этих машин используется при строительстве гидроэнергетических сооружений [2].

Эксплуатация таких комплексов связана с рядом вредных для здоровья человека факторов, главными из которых являются вибрации, удары и шум.

Рост числа заболеваний, связанных с динамическими воздействиями — вибрацией и шумом, свидетельствует о том, что борьба с этими вредными факторами становится острой социальной проблемой. Неблагоприятное и поражающее действие этих факторов, возникающих при эксплуатации машин на здоровье людей, взаимодействующих с этими машинами, характеризуется тревожными цифрами. Так, например, в настоящее время на предприятиях Кузбасса на первом месте стоит виброболезнь, на втором - глухота (тугоухость). Этими заболеваниями страдает 41% всех трудящихся отрасли

3].

Превышение допустимых гигиенических норм общего уровня транспортно-технологической вибрации составляет 8-13 Дб, т.е. в 2,5-4 раза. Уровень вибраций при работе погрузочных и доставочных машин достигает

111 Дб, а шума 95-110 Дб. Установлено, что спектры возмущений большинства машин и механизмов, используемой в энергетике, лежат главным образом в низкочастотной области, т.е. в наиболее опасном диапазоне для организма человека [4,5].

Влияние низкочастотных вибраций приводит к развитию нервных заболеваний, нарушению функций сердечно-сосудистой системы и функций опорно-двигательного аппарата, а также к поражению мышечных тканей и сосудов [6, 7, 8, 9].

Известно, что наиболее тяжелые динамические режимы наблюдаются при работе экскаваторов, установок для дробления скальных пород, погрузочно-доставочных машин и бурильных механизмов [10]. Внешние динамические воздействия, возникающие при их эксплуатации, носят случайный характер, обусловленный сопротивлением скальных пород разрушению, перемещению, погрузке и т.д. Работа подобных машин характеризуется высокими уровнями вибрационных и ударных возмущений, а эксплуатируются они очень часто в среде с высоким уровнем шума, пыли и загазованности. Обслуживающий персонал этих машин подвергается опасному воздействию широкого спектра мощных низкочастотных и ударных воздействий высоких уровней, носящих пространственный и непредсказуемый характер. По этой причине защита персонала от внешних динамических воздействий является весьма актуальной и до конца не решенной задачей.

Применение систем виброзащиты на базе резинометаллических, гидравлических, пневматических, резинокордовых и других устройств не получило широкого распространения из-за ряда существенных недостатков, а сами средства виброизоляции человека-оператора сводятся в основном к созданию подрессоренных сидений (кресел), подножек и площадок [11].

Получила признание концепция того, что наиболее экономически целесообразным способом защиты операторов мобильных систем является применение виброзащиты кабин, которые защищены также от шума и пыли. При этом во многих случаях амортизация пола (площадки), на которой расположены органы управления контроля и кресло оператора, может быть осуществлена гораздо проще, чем виброизоляция всей кабины [12].

До настоящего времени проблемным является создание систем защиты от вибрации и ударов одновременно. Антивибрационные и противоударные изоляторы предназначены для выполнения различных, порой противоречивых функций. По этой причине проблемы защиты решаются в зависимости от преобладающих нагрузок в каждом случае отдельно.

Известно, что для гашения мощных ударных воздействий необходима крутая «жесткая» характеристика, а для обеспечения качественной защиты от низкочастотных вибраций пологая «мягкая» характеристика. Для снижения резонансных пиков необходима мощная диссипация и, в тоже время, не должна ухудшаться виброизоляция в зарезонансной зоне, где диссипация вообще не желательна. При этом спектр внешнего динамического воздействия носит объемный характер, т.е. направленность вектора воздействия может быть в любой плоскости.

На основе теоремы об упруго-вязких пластических движениях пространственных систем сделан вывод о возможности создания особого класса объемных защитных систем, которые могут обеспечить эффективную пространственную защиту объектов одновременно от вибраций и ударов [40]. Для этого было предложено использовать главные достоинства тросовых систем: мощное необратимое межпроволочное трение и минимальные остаточные деформации при снятии нагрузок. Таким образом, появилась возможность получения высоких эксплуатационных характеристик тросовых систем за счет нового типа трения — технологического и трения эйлерова типа. При этом происходит повышенное демпфирование в области низких частот и эффективное гашение ударных импульсов.

Цель работы

Целью работы является исследование и создание систем эффективной групповой пространственной защиты от вибраций и ударов обслуживающего персонала мобильных машин и механизмов, используемых при сооружении объектов энергетики и первичном измельчении смерзшегося негабаритного топлива на тепловых электростанциях.

При решении этой задачи были использованы современные тенденции по созданию объемных виброударозащитных систем. Для достижения этой цели в работе решались следующие основные задачи:

- Определены и сформулированы требования по созданию кинематических схем групповой (общей) системы пространственной защиты объектов от ударов и вибраций, носящих случайный характер.

- Теоретически обоснованы и экспериментально исследованы упругодемпфирующие тросово-торсионные элементы, встраиваемые в объемные упругодемпфирующие подвесы (ОУДП), ставшие основой ряда кинематических схем виброударозащитных платформ для защиты рабочих мест персонала и операторов машин.

- Разработана основная схема физической модели виброудароизоляции объектов в виде пассивной нелинейной пространственной системы в вывешенном варианте со встраиваемыми упругодемпфирующими элементами с использованием технологического и эйлерова трения на базе торсионно-тросовых систем петлевого и последовательного типа. Проведены испытания методом ударного воздействия на платформы, которые подтвердили правильность теоретических предпосылок и высокую эффективность защиты.

Методы исследования

Анализ современных тенденций по созданию кинематических схем и выбора перспективных материалов позволил четко сформулировать круг решаемых задач и требуемых исследований.

При выполнении работ применялись расчетные и экспериментальные методы исследований с использованием необходимого объема макетирования.

Достоверность научных положений и предпосылок, а также полученных результатов испытаний подтверждена сходимостью теоретических и экспериментальных данных.

Научная новизна работы

Научно обоснована возможность использования основных теоретических положений особого класса объемных упругодемпфирутощих подвесов (ОУДП) для создания групповых пространственных систем защиты от вибраций и ударов рабочих мест операторов, с использованием технологического трения.

Исследованы упругодемпфирующие элементы кольцевого и последовательного типа на базе тросово-торсионных систем, встраиваемых в конструкции виброударозащитных платформ и площадок для защиты рабочих мест персонала от мощных пространственных низкочастотных колебаний и нестационарных ударов больших энергий, передаваемых через основание при эксплуатации механизмов.

Разработан ряд кинематических схем платформ с использованием тросово-торсионных элементов кольцевого и последовательного типов. На разработанные кинематические схемы групповой защиты объектов от всенаправленных виброударных воздействий, передаваемых через основание, получено семь патентов на изобретения.

Практическая ценность и результат работы

На базе результатов проведенных исследований разработаны конструкции трех виброударозащитных платформ. В одной из них реализована схема кольцевого тросово-торсионного элемента, в других -использованы тросово-торсионные элементы последовательного типа. Первая конструкция предназначена для защиты кабины оператора целиком. Другие представляют собой виброударозащитиую площадку для поста управления и размещаются внутри самой кабины.

Изготовленные макеты рассчитаны на грузоподъемность до 500 кг. Испытания макетов платформ проводились методом ударного возбуждения на специальном стенде.

Результаты испытаний подтвердили правильность выбранного направления, теоретических предпосылок и конструктивных решений, показав высокую эффективность всех разработанных платформ. Схемы и конструктивные решения виброударозащитных платформ могут быть использованы для защиты магистральных газопроводов, прокладываемых в сейсмоопасных районах, транспортировке прецизионных грузов, защите аппаратуры и оборудования, работающих на подвижных системах, мобильных энергетических установок, центров управления и т.п.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы 140 страниц машинописного текста, в том числе 25 рисунков и графиков, 4 таблицы, список литературы из 87 наименований.

Выводы по главе IV

Рассмотрены конструктивно - технологические требования к средствам защиты рабочих мест при их практической реализации. Представлены предложения по учету влияния статических и кинематических параметров на систему виброудароизоляции при создании систем групповой защиты.

Даны описания торсионно - тросового ударозащитного устройства и ударозащитной платформы, не имеющих аналогов. Указанные конструкции являются характерными для ряда разработанных различных платформ защищенных семью патентами РФ на изобретения. Торсионно-тросовое ударозащитное устройство большей грузоподъемности рекомендуется для защиты кабины оператора Ударозащитная платформа может быть использована для защиты поста управления, расположенного внутри имеющейся жестко закрепленной кабины.

131

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Анализ публикаций показал, что уровень вибрационных воздействий подвижных объектов и мобильных систем в большинстве случаев превышает допустимые для человека гигиенические нормы. Анализ спектров воздействий, возникающих при работе горных машин, показал, что в спектре преобладают случайные колебания и внезапные импульсы различной формы импульсы различной формы амплитуды и длительности. Показано, что степень опасности удара зависит от формы импульса и его длительности.

Вибрационные и ударные воздействия, возникающие при эксплуатации мобильных систем, носят случайный характер. При этом наиболее опасными для человека и механизмов являются мощные низкочастотные колебания в диапазоне 1 - 30 Гц, а удары высоких амплитуд и длительности могут носить катастрофический характер. Анализ существующих средств виброизоляции показал, что они не могут обеспечить защиту от ударов большой длительности в силу малого «хода». Для этой цели необходимы специальные разработки. Для наиболее распространенных типов рабочих мест обслуживающего персонала мобильных систем наиболее экономичным и целесообразным способом защиты является применение, как общей защиты кабин операторов, так и рабочего места машиниста, расположенного внутри кабины.

Рассмотрены конструктивные основные формы и физико-механические свойства стальных тросов (канатов), ставших основой тросово-торсионных уттругодемпфирующих элементов последовательного типа Обоснован выбор кинематической схемы защиты обтлктов от мощных низкочастотных колебаний и ударов больших энергии, представленной в виде общей (групповой) пассивной, нелинейной пространственной системы вывешенного типа с элементами «сухого» трения.

Экспериментально исследованы тросово - торсионые элементы при различных вариациях длин плеч тросовых составляющих. По результатам исследований построены графики и представлены аналитические зависимости, пригодные для практического использования.

Рассмотрены конструктивно — технологические требования и представлены предложения по учету статических и кинематических параметров при создании и практической реализации систем виброударозащиты под конкретные объекты.

Даны описания разработанных тросово-торсионных ударозащитных устройств и ударозащитной платформы, не имеющих аналогов. Эти конструкции являются характерными для ряда разработанных различных платформ, защищенных семью патентами РФ на изобретения

133

1. Дьяков А.Ф. К расчету параметров процесса первичного измельчения смерзшегося и негабаритного топлива на ТЭЦ // Энергетик.-2003.№11.-С.2-7.

2. Флавицкий Ю.В., Резников И.Г. Выбор системы виброзащиты по заданным условиям виброизоляции горных машин // Известия вузов.-Горный журнал.- 1982. №12.- С. 74.

3. Красиков Ю.Д., Мельников A.C. Концептуальные предложения к оценке динамики горных машин // Горные машины и автоматика-2003.-№2.-С.2-4.

4. Проблемы виброзащиты в гигиеническом аспекте. Применение средств вибропоглащения и виброгашения в промышленности и транспорте/ Сост. Бутовская З.М- Ленинград: ЛДНТП, 1988.- 87 с

5. Проблемы вибрационной защиты персонала строительных и дорожных машин Информационная серия по технике безопасности и охране труда/ ЦНИИТЭстроймаш.-1970.-59 с

6. Романов С.Н. Биологическое действие механических колебаний.-Л.:Наука, 1983.- 210 с.

7. Борщевский И.Д. и др. Общая вибрация и ее влияние на организм человека-М.'.Медгиз, 1964.- 156 с.

8. Диментберг Ф.М., Фролов К.В. Вибрации в технике и человек.-М.: Знание, 1987.-160 с.

9. Влияние вибраций на организм человека и проблемы виброзащиты: Тез. докл. Науч. техн. конф.-М.:Наука, 1982.-103 с.

10. Вибрационная болезнь в условиях современного производства Межвузовский сборник научных трудов/ Сост. М.И. Лосева, Т.М. Сухаревская.-Новосибирск: НЭТИ, 1980.- 185 с.

11. Вожжова А.И. Защита от шума и вибрации на современных средствах транспорта-Ленинград: Медицина, 1968.- 325 с.

12. Гужовский В.В. Борьба с шумом и вибрацией в горных машинах для открытых работ.- М.: Недра, 1980.- 152 с.

13. Животовский А.А., Афанасьев В.Д. Защита от вибраций и шума на предприятиях горнорудной промышленности.- М.: Недра, 1982.-182 с.

14. Борьба с шумом и вибрацией в угольной промышленности // Информационно-обозревательная серия техники безопасности и охраны труда.-М.: ЦНИИЭуголь.-Вып. 6.- 1983.- С. 38.

15. Торопов В.А. и др. Обобщение отечественного и зарубежного опыта по борьбе с шумом бурового оборудования // Обзорная информация,- Серия т.б. и охрана труда на предприятиях цв. металлургии.- 1983.-Вып. 2.-С.37.

16. Машины горные. Методика установления значения шумовых и вибрационных характеристик // РД 12.23.102-85.- Москва, 1986.- С.68.

17. Флавицкий Ю.В. и др. Защита от шума и вибрации на предприятиях угольной промышленности // Справочное пособие. М.: Недра, 1990.- С. 368.

18. Головин B.C. Эргономика горнорудного оборудования.- М.: Недра, 1990,- С. 133.

19. Вибрации в технике. Защита от вибраций и ударов // Справочник.в6 томах. М.: Машиностроение, 1981.-Т.6.-С. 456.

20. Левитский Н.И. Колебания в механизмах.- М.: Наука, 1988.- С. 446.

21. Круглов Ю.А. Ударовиброзащита машин, оборудования, аппаратуры.-Ленинград: Машиностроение, 1986.-320 с.

22. Власенков В.М., Феоктистов С.И. Удар, теория и практика-Владивосток: ДВУ, 1987.- 156 с.

23. Коловский М.В. Нелинейная теория виброзащитных систем.- М.: Наука, 1966.-318 с.

24. Горбунов В.Ф., Резников И.Г. Канатные виброизоляторы для защиты операторов горных машин.- Новосибирск.- Наука- Сиб.Отд.,1988.- 163 с.

25. Справочник конструктора РЭА. Общие принципы конструирования / Под ред. Р.Г. Варламова-М.: Советское радио, 1980.- 479 с.

26. Ильинский B.C. Защита РЭА и прецизионного оборудования от динамических воздеиствий.-М.: Радио и связь, 1982.- 318с.

27. Справочник конструктора машиностроителя / В.И. Анурьев.- М.: Машиностроение, 1982.- Т.3.-312 с.

28. Даммер A.B., Гриффин Б.С. Испытания РЭА и материалов на воздействие климатических и механических условий.- М.: Энергия, 1989.-567 с.

29. Ильинский B.C. Защита аппаратов от динамических воздействий.- М.: Энергия, 1970.-294 с.

30. Суровцев Ю.А. Амортизация радиоэлектронной аппаратуры.- М.: Советское радио, 1974.- 294 с.

31. Грибов М.М. Регулируемые амортизаторы РЭА.- М.: Советское радио, 1974.-142 с.ц- 32. Мясников Н.М. О преимуществах тросовых амортизаторов. Вопрсыдинамики механических систем виброударного воздействия.-Новосибирск: НЭТИ, 1975.-54 с.

32. Применение тросовых элементов в виброзащитных устройствах: Сб. науч. тр / Иркутский политех, ин-т / Мигиренко Г.С.- ИПИ, 1985.- 16 с.

33. Большаков Б.В., Логинов Л.А. Тросовые амортизаторы / Машиностроитель.-1978. №6.- С. 19-20.

34. Особенности применение тросов в качестве элементов виброзащиты операторов транспортных средств: Сб. науч. тр./ Мигиренко Г.С.- Новосибирск: НИИЖТ, 1986.- 83-92 с.

35. Горбунов В.Ф., Резников И.Г. Исследование упругих элементов тросовых амортизаторов, применяемых в машинах ударного действия // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых.- 1974. №3-С. 81-86.

36. Резников И.Г., Савенко В.Ю. Расчет параметров канатных модулей в системе виброзащиты площадки // Известия вузов.- Горный журнал.-1985. №3- С.57-60.

37. Резников И.Г. и др. Экспериментальное определение параметров стержневого канатного изолятора// Изв. вузов.- Горный журнал.- 1984. №11-С. 54-57.

38. Мансуров И.Я. и др. Тросовый амортизатор а/с СССР №1670233 от 01.04.1991.

39. Чедвиг П., Кокс А., Гопкинс Г. Механика глубинных подземных взрывов,- М.: Мир, 1966.- 450 с.

40. Системы управления ракетой «Минитмен» // Вопросы ракетной техники.-1966. №5.- С. 4.

41. Поновко Я.Г., Губанова И.И. Устойчивость и колебания упругих систем.- М.: Наука, 1967.-213 с.

42. Принципы конструирования объемных упругодемпфирующих подвесок для защиты объектов от всенаправленных динамических воздействий: Сб. науч. тр./ Мигиренко Г.С., Георгиади Л.Г.Новосибирск: НЭТИ, 1982.- 85 с.

43. Системы виброизоляции квазинулевой жесткости: Сб. науч. тр./ Гернер И.И.-Новосибирск: НЭТИ, 1989.- 65 с.

44. Разработка и сравнительные испытания цельнометаллических амортизаторов // Изв. Вузов.-Горный журнал.-1977. №11.-С. 15.

45. Некоторые новые конструкции объемных упругодемпфирующих подвесок для защиты объектов от всенаправленных динамических воздействий: Сб. науч. тр./ Георгиади Л.Г., Гернер И.И.Новосибирск: НЭТИ, 1982.- 18 с.

46. Резников И.Г., Совенко В.Ю. Экспериментальное определение параметров стержневого канатного изолятора // Изв. Вузов.-Горный журнал,- 1984.№ 11- с. 54-57.

47. Козлов B.B. Резников И.Г. Расчет канатных торсионов // Изв. Вузов.-Горный журнал.- 1982.№ 9- с. 43.

48. О выборе схемы и параметров устройства для снижения жескости подвески: Сб. науч. тр. // Новосибирск: НИИЖТ, 1973.-Вьпт.145.- С. 152159.

49. Олимпиада Б.В. Исследование и разработка средств виброзащиты операторов самоходных машин: Автореф. дис. канд. техн. наук. Новосибирск. 1991.- 170 с.

50. Красиков Ю.Д. Колебания в механизмах // Горный журнал.- 1999.ЖЗ.- С. 67.

51. Фурунжиев Р.И. Проектирование оптимальных виброзащитных систем.-Минск: Высшая школа, 1971.-182 с.

52. Коленкович Н.И. Механические воздействия и защита РЭС.- Минск: Высшая школа, 1989.-212 с.

53. Решенкин A.C., Тихомиров А.Г. Упругопластические торсионные амортизаторы // Машиностроитель.- 2003. №4.- С. 26.

54. Токарев МФ. и др. Механические воздействия и защита РЭА.- М.: Радио и связь, 1984.-228 с.

55. Волков Ю.А. О защите РЭА от механических возмущений. Серия ТТТС // М.: Техника средств связи, 1989.- Вып.6.- С. 76.

56. Елохин Ю.М. Измерение средств вибропоглощения в конструкциях с помощью ударного возбуждения и цифрового аначгоа // Семинар. Применение средств вибропоглащения и виброгашения в промышленности и транспорте. М.: ЛДНТП, 1986.- С 79-83

57. Математическая модель вынужденных колебаний тросовой подвески кресла машиниста: Сб. науч. тр./ Мигиренко Г.С.Новосибирск: НИИЖТ, 1985.- 78 с.

58. Пасика В.Р. Влияние параметров динамического гасителя с трением на вибронагруженность объекта защиты // Машиностроение.- 1985. №3.-С. 16.

59. Карпушин В.Г. Вибрации и удары в радиоаппаратуре.- М.: Сов. Радио, 1971.-С. 16.

60. Олимпиада Б.В. Результаты сравнительных испытаний упругого подвеса, применяемого для защиты РЭА с корректором жесткости и без него: Тез. докл. XXVII обл. науч.-техн. конф НТО РЭС им. Попова-Новосибирск: НЭИС, 1985.- 50 с.

61. Тихомиров А.Г. Упругопластическая система амортизации // Машиностроитель.- 2002. №11.- С.З.

62. Мясников И.М., Хон В.Ф. К теории тросовых амортизаторов // Семинар. Механика и процессы управления.- 1975.- Вып.2.-С. 76.

63. Горбунов В.Ф., Резников И.Г. Рассеяние энергии в тросовых амортизаторах: Тез. докл. Четвертая науч.-техн. конф.- Томск: ЦИТИ, 1972.-53 с.

64. Горбунов В.Ф. и др. Расчет основных параметров тросовых амортизаторов // Строительные и дорожные машины.-1975. №4.- С. 13.

65. Георгиади А.Г. К определению реакции тросовых амортизаторов: Сб. науч. тр / Иркутский политех, ин-т.- ИПИ, 1976.- 41 с.

66. Применение упругих тросовых элементов для виброзащиты машинистов локомотивов: Сб. науч. тр./под.ред. Мигиренко Г.С.Новосибирск: НИИЖТ, 1985.- 93-103 с.

67. Журавский В.Г. Мансуров О.И. Канатная сейсмозащитная платформа // М: Радио и связь.- 2001. №1.- с. 53-57.

68. Справочник по математике для экономистов / Под. ред. В.И. Ермолова-М.: Высшая школа, 1987.- 50 с.

69. Бабенко А.Ф., Земанова Р.В. Экспериментальное исследование параметров механического гистерезиса в сгалепроволочных канатах // Научные записи Омского политех, инст-та ОПИ.-Том 48.-1962.-18 с.

70. Бабенко А.Ф., Анивенсон Р.В. Экспериментальное исследование рассеивающего усилия между проволоками спирального каната с учетомтрения // Научные записи Омского полттгех. инст-та ОПИ.- Том 36.-1962.-45 с.

71. Земакова Р.В. Исследование предельных характеристик затухания при колебаниях. Рассеяние энергии при колебаниях упругих систем.- Киев: Наукова думка, 1963.-120 с.

72. К методике расчета конструкционного трения в упругих элементах тросового амортизатора: Меж.Вуз. сб. науч. тр. / Иркутский политех, институт / Георгиади А.Г., Хон В.Ф.-Иркутск: ИЛИ, 1978.- С.218

73. Пружины винтовые цилиндрические сжатия и растяжения 1 класса из стали круглого сечения. ГОСТ 764-86, ГОСТ 13769-86.

74. Колосов А.Л. Новые технологические решения по виброизоляции горных машин // Горный журнал.- 1999.№2.- С. 57.

75. Изоляция ударных возмущений при помощи виброзащитных систем с дополнительными инерционными элементами: Меж.Вуз. сб. науч. тр. / Колосов А.Л.-Новосибирск: НЭТИ, 1986.-С. 155.

76. Мансуров О.И., Мансуров И.Я. Демпфирующее устройство. Патент на изобретением217971 от 10.02.2002. РФ.

77. Мансуров И.Я., Журавский В.Г., Мансуров О.И. Сейсмоударное защитное устройство. Патент на изобретение №2163985 от 10.03.2001г. РФ.

78. Мансуров О.И., Мансуров И.Я., Журавский В.Г., Гольдин В.В. Ударозащитная платформа. Патент на изобретение №2180059 от 27.02.2002г. РФ.

79. Мансуров О.И. Виброударозащитная площадка. Патент на изобретение №2190132 от 27.09.2002г. РФ.

80. Мансуров И.Я., Журавский В.Г., Мансуров О.И. Тросовая сейсмозащитная платформа. Патент на изобретение №2167350 от 20.05.2002г. РФ.

81. Мансуров О.И., Мансуров И.Я. Торсионно-тросовое ударозащитное устройство. Патент на изобретение №2180412 от 10.03.2002г. РФ.

82. Мансуров О.И., Синев A.B. Обеспечение безопасности рабочих мест операторов и кабин мобильных систем при воздействии пространственных колебаний и ударов высоких энергий // Рукопись деп. в ВИНИТИ РАН 26.03.03 № 537-В2003.-12 с.

83. Мансуров И.Я., Мансуров О.И. Платформа для битья // Изобретатель и рационализатор.- 2003.№7.- С. 17.

84. Мансуров О.И., Мансуров И.Я. Сейсмоударная защитная платформа. Патент на изобретение №2178845 от 27.01.2002г. РФ.

85. Журавский В.Г., Гольдин В.В., Мансуров И.Я., Мансуров О.И. Некоторые вопросы применения тросовых систем для создания средств защиты РЭА от сейсмоударных воздействий // Информационные технологии в проектировании и строительстве.-2002. №2.-С.36.