автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Снижение уровня вибронагруженности рабочего места оператора трактора за счет применения динамических гасителей колебаний в системе подрессоривания кабины

На правах рукописи

\ Шеховцов Кирилл Викторович

СНИЖЕНИЕ УРОВНЯ ВИБРОНАГРУЖЕННОСГИ РАБОЧЕГО МЕСТА ОПЕРАТОРА ТРАКТОРА ЗА СЧЕТ ПРИМЕНЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ГАСИТЕЛЕЙ КОЛЕБАНИЙ В СИСТЕМЕ ПОДРЕССОРИВАНИЯ КАБИНЫ

05.05.03 - Колёсные и гусеничные машины

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

31 ОКТ 2013

Волгоград - 2013

005536699

Работа выполнена на кафедре «Автомобиле- и тракторостроение» в Волгоградском государственном техническом университете

Научный руководитель кандидат технических наук, профессор

Победин Аркадий Викторович.

Официальные оппоненты: Новиков Вячеслав Владимирович,

доктор технических наук, профессор, Волгоградский колледж газа и нефти, заместитель директора;

Морозов Андрей Валериевич, кандидат технических наук, Волжский подшипниковый завод № 15 — ОАО «ВПЗ», технический директор.

Ведущая организация Нижегородский государственный

технический университет.

Защита состоится «22» ноября 2013 г. в 12— часов на заседании диссертационного совета Д 212.028.03, созданного на базе Волгоградского государственного технического университета по адресу: 400005, г. Волгоград, проспект Ленина, 28, ауд. 210-

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан « » октября 2013 г.

Ученый секретарь .

диссертационного совета А/л Ожогин Виктор Александрович.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Энерговооруженность и скорости движения тракторов постоянно увеличиваются, что приводит к увеличению динамической нагруженности деталей ходовой части и трансмиссий и повышению уровня генерируемых ими колебаний. Вибрационные нагрузки отрицательно воздействуют на узлы и детали трактора, на окружающую среду и оператора. Их долговременное действие приводит к повышенной утомляемости оператора и увеличению количества ошибок в управлении, что сказывается на производительности тракторного агрегата. Развиваются также профессиональные заболевания, в частности, вибрационная болезнь, которая вышла на второе место среди профессиональных заболеваний операторов. Кроме того, часто появляются расстройства нервной системы, нарушения обменных процессов, опущение и язвенная болезнь желудка, деформация позвоночника. В связи с этим тема данной работы, направленной на снижение уровня вибронагруженности рабочего места оператора, является актуальной.

Цель работы: обоснование и разработка системы подрессоривания кабины трактора с использованием динамических виброизоляторов, обеспечивающей снижение вибронагруженности рабочего места оператора в диапазоне частот эксплуатационных воздействий.

Для достижения данной цели работы поставлены следующие задачи:

1. Анализ схем, конструкций и характеристик систем подрессоривания кабин и сидений современных тракторов, технических решений и характеристик используемых виброизоляторов.

2. Экспериментальные исследования вибронагруженности кабины и сиденья оператора трактора.

3. Разработка стендового оборудования для испытаний виброизоляторов, проведение статических и динамических испытаний штатных виброизоляторов кабин тракторов ВгТЗ.

4. Создание новых технических решений виброизоляторов с улучшенными виброзащитными свойствами, работающих по принципу динамического гашения колебаний.

5. Разработка методики, алгоритма и программы для анализа упругодемпфи-рующих свойств и рационального выбора конструктивных параметров динамических виброизоляторов в соответствии со спектром действующих нагрузок.

6. Создание модели систем подрессоривания остова, двигателя, кабины и сиденья для оценки виброзащитных свойств системы подрессоривания кабины с динамическими виброизоляторами.

Методы исследования. Теоретические исследования систем подрессоривания с помощью программных пакетов «Универсальный механизм» и МаЛаЬ на основе созданных математических моделей. Экспериментальные исследования с использованием, в том числе, оригинального испытательного оборудования.

Объекты исследований. Объектами исследований являлись системы подрессоривания кабины и сиденья тракторов семейств ДТ и ВТ производства ВгТЗ со штатными и динамическими виброизоляторами.

Научная новизна:

1. Предложено использование в системах подрессоривания кабин сельскохозяйственных тракторов динамических гасителей колебаний как средств эффек-

тивной виброзащиты рабочего места оператора.

2. Создана математическая модель, основанная на пространственно-динамическом представлении гусеничной ходовой системы трактора и систем подрессоривания остова, двигателя, кабины и сиденья оператора, позволяющая исследовать совместную работу систем подрессоривания с установкой штатных и динамических виброизоляторов кабины в разных условиях движения трактора с различной нагрузкой на крюке и передачей системе подрессоривания кабины возмущений от всего эксплуатационного комплекса кинематических и силовых возмущений, генерируемых в ходовой части.

3. Предложена, обоснована и программно реализована методика определения инерционных и упругих параметров элементов динамических виброизоляторов из условия соответствия парциальных частот этих элементов частотам основных эксплуатационных вибровоздействий.

Практическая ценность:

1. Использование предложенных технических решений динамических виброизоляторов позволяет улучшить виброзащитные свойства систем подрессоривания кабин сельскохозяйственных тракторов.

2. Созданное стендовое оборудование для испытания штатных и динамических виброизоляторов позволяет получать их экспериментальные упругодемп-фирующие характеристики.

3. Созданная математическая модель, основанная на пространственно-динамическом представлении гусеничной ходовой системы трактора и систем подрессоривания остова, двигателя, кабины и сиденья оператора, может быть использована в системах автоматизированного проектирования тракторов для оценки виброзащитных свойств вариантов конструктивного решения систем подрессоривания кабины с динамическими виброизоляторами.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы в 2009-2013 г.г. были представлены на 12 внутренних, региональных, всероссийских и международных научно-технических конференциях, в том числе на III регион, н.-практ. студ. конф. «Городу Камышину - творческую молодёжь» (Камышин, 2009), междунар. н.-пр. конф. «Прогресс транспортных средств и систем» (Волгоград, 2009), XXIX Seminarium Kôi Naukowych "Mechaniköw" (Варшава, 2010), всерос. науч.-техн. конф., посвящ. 100-летию начала подгот. инж. по автомобильной специальности в МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, 2010), VI всерос. науч.-практ. конф. «Инновационные технологии в обучении и производстве» (Волгоград, 2010), XIV регион, конф. мол. исслед. Волгогр. обл., 69-й междунар. науч. техн. конф. Ассоциации автомобильных инженеров «Какой автомобиль нужен России?» (СибАДИ, Омск, 2010), 30th Anniversary Seminar of the Students' Association for Mechanical Engineering (Варшава, 2011), ежегодных научных конференциях ВолгГТУ (Волгоград, 2009-2013). ^

Публикации. По теме диссертации опубликовано 26 печатных работ, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 8 патентов и 1 положительное решение на полезные модели.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 305 наименований (из них 19 на иностранных языках), и приложения. Работа содержит 194 страницы машинописного текста, включающего 12 таблиц и 128 рисунков.

4

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод снижения вибронагруженности рабочего места оператора трактора за счет использования в системах подрессоривания кабины виброизоляторов -динамических гасителей колебаний.

2. Математическая модель, основанная на пространственно-динамическом представлении гусеничной ходовой системы трактора и систем подрессоривания остова, двигателя, кабины и сиденья оператора.

3. Новые технические решения динамических виброизоляторов с улучшенными виброзащитными свойствами.

4. Новые технические решения стендового оборудования для испытаний штатных и динамических виброизоляторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, заявлена цель и поставлены задачи работы, сформулированы положения научной новизны, теоретической и практической значимости, положения, выносимые на защиту и приведена информация, касающаяся апробации работы.

В первой главе «Направление исследований и состояние вопроса» приведены требования российских и международных стандартов, регламентирующие параметры вибровоздействий на оператора трактора, и описание систем подрессоривания кабин и сидений отечественных тракторов с их критической оценкой. Известными научной общественности являются работы в области теории систем подрессоривания колесных и гусеничных машин таких российских ученых, как Афанасьев Б.Л., Генкин М.Д., Забавников H.A., Коловский М.З., Левитский Н.И., Пановко Я.Г., Платонов В.Ф., Силаев A.A., Чудаков Д.А. и других ученых. Прямо или косвенно свой вклад в развитие этой теории вложили и ученые ВолгГТУ, такие, как Варфоломеев В.В., Горобцов A.C., Дьяков A.B., Дьяков A.C., Косое О.Д., Ляшенко М.В., Новиков В.В., Opeui-кин В.Н., Победин A.B., Рябов И.М. и другие. Исследованию именно систем подрессоривания кабин посвящены работы Корчагина А.П., Косова О.Д., Кухарчука А.И., Реунова C.B., Рябкова А. Л., Ходаковой Т.Д., Хрипунова Д.В., Шакулина О.П., Юшина А.И. и других.

Авторами предложены разные методы защиты рабочего места оператора от вибровоздействий, предложены конструктивные решения виброизолирующих устройств, созданы математические модели систем подрессоривания, при использовании которых выполнены численные эксперименты, подтверждающие эффективность разработок. В большинстве работ утверждается, что наиболее трудно разрешимой задачей является эффективная защита оператора от колебаний в диапазоне 1-10 Гц, которую не обеспечивает ни одна из систем подрессоривания кабин отечественных тракторов, практически в каждой из которых используются моноблочные резиновые виброизоляторы, упругий ход которых недостаточен для снижения воздействий от низкочастотных колебаний. Для обеспечения возможности решения этой задачи в настоящей работе предложено использовать динамические гасители колебаний с уменьшенной жесткостью.

Во второй главе «Анализ конструкций и характеристик устройств для подрессоривания кабин и сидений операторов современных TTC» выполнены сравнительная оценка конструкций и эффективности систем подрессоривания кабин и сидений ряда отечественных и зарубежных тракторов и анализ технических решений использующихся в них виброизолирующих элементов, в том числе по патентной литературе. Проанализировано несколько сотен технических решений виброизоляторов с металлическими, эластомерными, пневматическими и

комбинированными упругодемпфирующими элементами, изучены способы формирования их упругих и демпфирующих характеристик. В результате разработаны классификация технических решений и система технических требований к виброизоляторам кабин, в соответствии с которой они должны обладать:

• высокой надежностью и долговечностью;

• отсутствием требований частого технического обслуживания и регулировок в процессе эксплуатации;

• свойством сохранения постоянства упругих и демпфирующих характеристик в течение всего времени эксплуатации;

• способностью эффективно работать в диапазонах низких, средних и высоких частот воздействий;

• автоматически адаптационно подстраивающейся под характер воздействий упруго-демпфирующей характеристикой;

• способностью воспринимать и эффективно гасить как осевые, так и боковые нагрузки, возникающие при вертикальных и угловых колебаниях кабины.

В третьей главе «Экспериментальные исследования виброизоляторов и систем подрессоривания кабины и сиденья» описывается созданное стендовое оборудование и результаты экспериментальных исследований.

При участии автора на кафедре создано стендовое оборудование для исследования статических, динамических и ресурсных характеристик виброизоляторов. На стенде для испытаний в режиме свободных колебаний (рис. 1 ) записывается процесс изменения деформации виброизолятора (рис. 2) и действующей на него при колебаниях осевой нагрузки.

ж

£В

==і4" ^

■ '

Рис. 1. Схема стенда

Рис. 2. Виброизолятор: а - схема; б - общий вид

На стенде выполнены исследования статической и динамической жесткости репрезентативной партии штатных резинометаллических виброизоляторов кабин тракторов производства ВгТЗ (рис. 3-6).

1200 -осредненмая =—за цикл ....... жесткая - - "мягкая"

-оередненная

5, нлм

Рис. 3. Упруго-демпфирующие характеристики виброизоляторов

Рис. 4. Зависимость осевой жесткости виброизоляторов от деформации

На рис. 3 показаны самая «жесткая», самая «мягкая» и осредненная для партии упругие характеристики, на рис. 4 - зависимости осевой жесткости виброизоляторов от деформации. Упругая характеристика виброизоляторов близка к линейной, нелинейность наблюдается только в начале нагрузки и разгрузки.

Динамическая жесткость определялась в соответствии с ГОСТ 27242-87:

р

где Р - амплитуда действующей на виброизолятор динамической силы;

5 - амплитуда виброперемещения;

Дф - сдвиг фаз между динамической силой и виброперемещением.

При исследовании для каждого виброизолятора записывался процесс изменения во времени усилия и деформации при затухающих колебаниях. На рис. 5 приведена усредненная для партии запись. Угол ср определялся из отношения величины запаздывания по времени амплитудных точек нагрузки Р и деформации 5 на графике для каждого цикла колебаний. На рис. 6 показана зависимость динамической жесткости виброизоляторов от деформации.

1,6 1.2 Р в . .. - ----- I ' 1 700 КО 300 200 0 ■•100 4,2 3,В - 2 2 X 3,6 О 3.2

\ - С --- ------ - - *4-.....- . ...

2 0.В Г И Т Т" " —7ч—1-- /А

Г! " гг / \ ___ .... г

0.2 0 •Из . - -5-

— 3

.6 94.9 94,7 * .В 94.0 35 ЗЕ «,0 1 95,2 86.3 в 8, мм

Рис. 5. Изменение усилия и деформации при затухающих колебаниях Рис, 6. Изменение динамическом жесткости от деформации

Выполнено также экспериментальное определения упруго-демпфирующих характеристик подвески штатного сиденья оператора и опытной конструкции с пневматическим упругим элементом. Характеристика штатной подвески в рабочей области близка к линейной, но из-за действия демпфера обладает существенной нелинейностью в начале нагрузки и в конце разгрузки. Характеристики подвески сиденья фирмы СИБЕКО получены при давлении в пневмобаллоне 0,1, 0,15 и 0,2 МПа. Они обладают еще большей нелинейностью в начале нагрузки и в конце разгрузки. Обе подвески обеспечивают упругий ход в пределах 130-140 мм при массе оператора 80 кг.

Для выявления действительной картины вибронагруженности остова, двигателя, кабины и сиденья трактора выполнена серия экспериментальных исследований при использовании оборудования фирмы БУАМ. В результате получены спектры частот виброперемещений, виброскоростей и виброускорений характерных точек остова, двигателя, кабины и сиденья на стоянке при работающем двигателе и при движении на 3 передаче (пример на рис. 7). Их анализ свидетельствует о том, что в области низкочастотных колебаний пиковые значения имеют место в диапазонах 1-2, 4-5 и 9-13 Гц.

Выполнено сопоставление этих данных с результатами экспериментальных исследований других авторов (Кузнецова Н.Г. и Косова О.Д.), которое подтвердило наличие пиковых значений в спектрах в тех же диапазонах частот.

В четвертой главе «Разработка и исследование динамических и математических моделей колебательных систем подвески остова, двигателя, кабины и сиденья» описываются созданная на первом этапе плоская, на последующем

этапе пространственная модель систем подрессоривания.

в™, М/С

а„ м/с

L 10 100 1000 10000 100000 f: Гц

Ускорение продольных перемещений сиденья

Рис. 7. Спектры виброускорений сиденья

Схема плоской динамической модели приведена на рис. 8

10 100 1000 10000 100000 Гц Ускорение вертикальных перемещений сиденья

г

J 4

i^jjka C,^jk4

в'

iza Фг^^пг

>Ji

Z21 211

Z2S

Z12

1Z4 I *Г14

Via

Z31 Z13

Z414-Z33

Z32 Z14

Рис. 8. Динамическая модель

Ее математическая модель имеет следующий вид:

а) уравнения, описывающие вертикальные колебания:

от,г, - [2С,(г,, - гК1) + 2*,(¿,5 - г*,)] + [2С2(г,6 - г*,) + 2£г(¿,6 - ¿К2)]-[2С3(г„ - г„> + 2кг(г2, - г,,)] -[2С4(222 -г,2) + 2к^г1 -¿12)] + [2С5(г31 -2,3) + 2к5(¿31 - г13)] -[2С6(ги -г14) + 2к6(¿32 - г,4)] = т22г + [2С3(г21 -ги) + 2к,(¿21 -г„)] + [2С4(г22 -г12) + 2£4(¿22 -г,2)] = /иг£;

т3г3 + [2С5(г31 -г,3) + 2£5(23, -¿„)] + [2С6(г32 -г,4) + 2*6(г32 -г14)]-[2С7(г41 -г33) + 2кп(¿41 -¿33)] = = Щё\

т4г4 + [2С, (*„, - г33) + 2к7 (¿4, - г„)] = т^

б) уравнения, описывающие продольно-угловые колебания: /,Ф, +[2С,(215 +2^,(2,5 -¿х,)]а-[2С2(г,6 -гХ2) + 2Л2(г,б — гА:2)]^-[2С3(221 -гп) + 2Л3(г21 +2„)]с-[2С4(222 -212) + 2Л4(г22 -2,2)]^ + [2С5(2з, -Г,з) + 2Л5(231 -г|3)]е + + [2Сб (232 - 214) + 2к6 (232 - 2,4)]/ = 0;

У2ф2 + [2С3 (г2, - г,,) + 2к3 (¿21 - ¿„ )](с - и) - [2С4 (г22 - 212) + 2к< (г22 - г,2 )](и - О) = 0; 73ср3+[2С5(231 -213) + 2^(231 -2,3)](Й-е)-[2С6(г32 -ги) + 2¿6(г32-¿,4)](/-й) = 0.

в) уравнения, описывающие связи:

dzn = dz¡ + d(pte;

zu = z< -212 = Z zu=z

Zm =2

Ф,с; -Ф А

+ Ф./; + ф ¡a; -q>,b;

Z2¡=Z2+<P 2 (с-И);

z22 =г2 -ФзС"-«'); z31 = z3+(p3(h-e);

z32 =z3 -ф3(/-/г); гзз =2з +<P3(h-Jc); dzn -dzx+ íftp,c; üfe,2 = ¿fc, +й?ф,с/;

í¿z14 =üfe, +й?ф,/; úfe, 5 = ¿fe, + с/ф,а;

dzi\ = dz7 + <^Ф2 (c - "); cfe22 =dz2- d(p2 (n - c/);

= dz3 + cáp3 (A - e); dz32 =dz3 -dq>3 (/-/?); cfc33 = úfe3 + dy3 (h-к).

Здесь mi - i-я подрессоренная масса; J¡ - момент инерции z'-й подрессоренной массы; zt> z,, z, - соответственно вертикальные перемещения, скорости и ускорения г'-й подрессоренной массы; áz¡¡ - соответствующие скорости вертикальных перемещений; , ф., <р,- соответственно угловые перемещения, скорости и ускорения z'-й подрессоренной массы; С, - z-я жесткость связи; к, - 2-й коэффициент демпфирования; а, Ъ, с, d, e,f,h,k,n- геометрические параметры элементов; g - ускорение силы тяжести.

На основе плоской модели при использовании пакета Симулинк получены АЧХ колебательных систем остова, кабины и сиденья, а также графики перемещений, скоростей и ускорений при переезде через единичную неровность и движении по полигону с типовыми периодическими неровностями на 3 и 7 передачах. Плоская модель обладает ограниченными возможностями исследования, поэтому с использованием пакета «Универсальный механизм» создана пространственная модель (рис. 9), позволяющая анализировать совместную работу систем подрессоривания остова, двигателя, кабины и сиденья. Ее достоинством является то, что она включает в себя пространственную модель ходовой системы (рис. 10), и во время движения учитывается весь комплекс кинематических и силовых возмущений со стороны ходовой системы.

Рис. 9. Пространственная модель Рис. 10. Модель ходовой системы

Модель позволяет задавать характеристики опорного основания. В нее введены полученные опытным путем характеристики изменения крутящего момента двигателя и тягового сопротивления. С использованием модели выпол-

нен ряд исследований процессов нагружения подвесок со штатными виброизоляторами при движении без нагрузки и с нагрузкой на 3 и 7 передачах по указанным полигонам, при этом получено более 100 цифровых осциллограмм.

В 3 главе показано, что даже при максимальной нагрузке деформация штатных виброизоляторов кабины составляет всего 2,6 мм, что недостаточно для эффективной защиты оператора от низкочастотных колебаний. В настоящей работе предложено использовать в системе подрессоривания кабины динамические виброизоляторы пониженной жесткости (рис. 11). Виброизолятор (рис. 11, а) включает в себя 3 подвижные в осевом направлении массы с расположенными между ними упругодемпфирующими элементами. Предварительно для колебательной системы определяют основные частоты спектра эксплуатационных воздействий, а инерционные и упругодемпфирующие параметры каждого элемента подбирают так, чтобы их парциальные частоты соответствовали основным частотам спектра эксплуатационных воздействий. В соответствии с теорией колебаний, при действии вибронагрузок с одной из этих частот колебания с большой амплитудой совершает та из подвижных масс, парциальная частота которой равна частоте воздействия, а подрессориваемая масса остается практически неподвижной. При действии нагрузок с другими частотами колебания с большими амплитудами совершают другие подвижные массы при почти неподвижной подрессориваемой.

Рис. 11. Схемы динамических виброизоляторов: а- с тремя подвижными массами; б- с двумя подвижными массами и пневмоэлементом Для гашения низкочастотных колебаний упругие перемещения самой значительной массы виброизолятора должны быть большими, и во втором варианте конструкции (рис. 11, б) вместо одного из элементов из эластомера предложено использовать пневмоэлемент.

Для сравнительной оценки виброзащитных свойств созданы динамические модели штатного и динамического виброизоляторов (рис. 12).

а

б

Рис. 12. Динамические модели виброизоляторов: а - штатного; б - динамического

10

Для выбора инерционных и упругих параметров элементов динамического виброизолятора при гашении основных частот спектра эксплуатационных воздействий создана программа в пакете МаЙЬаЬ, в которой с заданным шагом изменялись параметры подвижных масс и упругих элементов, рассчитывались парциальные частоты и оценивалось их соответствие основным частотам спектра эксплуатационных воздействий. При этом величина подвижных масс и упругий ход элементов ограничивался, исходя из возможностей конструктивной реализации. Для каждого варианта сочетания параметров рассчитывалось также значение коэффициента у динамической связанности колебаний масс:

у — вп -Ц, ' <

где и 5Я - произведение соответственно собственных и парциальных частот колебаний масс модели. Чем меньше значение этого коэффициента, тем лучше, тогда заданную частоту вибронагрузки «отрабатывает» масса с наиболее близкой парциальной частотой, а у других амплитуды существенно меньше.

В ходе расчетов рассмотрено свыше 1,5 миллиона вариантов, из них выбрано 25 конструктивно реализуемых, параметры 2 лучших приведены в табл. 1.

Таблица 1

№ Л. і Гл Гм Га «а Ла Г» Л»і т2 т3 /17« С! Са Сз с„ V

1 8 13 30 161 1,22 13,02 30,02 163,62 7 6 2 200 22154 87697 73650 2021295 0,3577

25 7 15 30 101 1,82 15,02 30,02 95,82 18 14 20 200 47532 130194 2773677 955378 0,5582

В табл. 1 обозначено:/;, - парциальная частота /-той массы, Гц;/, - г'-тая основная частота спектра эксплуатационных воздействий, Гц; /я,- - г'-тая подвижная масса; с,- - жесткость г'-того упругого элемента виброизолятора, Н/м; у - безразмерный коэффициент динамической связанности колебаний масс. Результаты исследования модели со штатным виброизолятором, нагруженным приходящимся на него весом кабины, приведены в табл. 2, модели с динамическим виброизолятором-в табл. 3.

Таблица 2

Г. Гц Аост ММ Ик, ММ 1/осн, ММ/С К, мм/с Зоси, мм/с2

1 0,3 0,3 2 2 13 13

2 0,3 0,3 3,8 4 47 52

5 0,3 0,34 9 11 290 340

9 0,3 0,5 15 30 800 1600

13 0,3 1,2 21 100 1600 8000

30 0,3 0,05 40 12 8000 2000

В табл. 2 обозначено:/- частота воздействий, Гц; Аоон - амплитуда основания, то есть рамы трактора, мм; Ак - амплитуда кабины, то есть подрессоренной массы, мм; косн и Ук - скорость перемещений рамы и кабины соответственно, мм/с; яосн ид,-ускорение перемещений рамы и кабины соответственно, мм/с '

Таблица 3

Ґ А-1 Ам А™ АтЗ Ат< !/„„ 1^2 ИтЗ ^ Зосн дт1 а г 3 і а 4

1 1,0 0,7 0,7 0,7 0,65 0,6 0,8 0,8 0,8 0,8 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5

2 1,0 0,4 0,6 0,6 0,6 1,25 6 8 8 9 15 75 105 105 105

5 1,0 0,04 0,35 0,35 0,4 3 0,6 0,4 0,5 0,6 100 17 13 15 18

9 1,0 0,07 0,03 0,05 0,15 5,5 2 0,04 0,15 0,4 5,5 2 0,04 0,15 0,4

13 1,0 0,1 0,2 0,12 0,13 7 8 0,6 0,3 0,8 600 600 55 25 55

30 1,0 0,15 0,19 0,017 0,007 17 4 6 0,15 0,045 3200 560 790 26 38

В табл. 3 обозначено:/- частота воздействий, Гц; АтЬ мм, УтЬ мм/с, и ати мм/с2 - амплитуда, скорость и ускорение виброперемещений г -той подвижной массы.

Анализ приведенных в таблицах данных говорит о том, что штатный виброизолятор в диапазоне от 1 до 13 Гц в большинстве случаев усиливает колебательные процессы, и только начиная с 30 Гц уменьшает виброперемещения,

11

скорости и ускорения, а динамический демпфер с пониженной осевой жесткостью начиная с 5 Гц обеспечивает существенно лучшую виброзащиту - амплитуда подрессориваемой массы на разных частотах уменьшается от 2 до 11 раз; ускорение на низких частотах уменьшается мало, но уже с 9 Гц - многократно. Таким образом, предложенный динамический гаситель обладает существенно лучшими виброизолирующими качествами.

Динамические демпферы с этими параметрами введены в модель подвески кабины и выполнен тот же комплекс исследований, что и со штатными виброизоляторами. Для сравнения некоторые из осциллограмм для штатных и динамических виброизоляторов показаны на рис. 13, графики для штатных виброизоляторов обозначены цифрой 1, для динамических - 2.

а(1 рад/с2

Вертикальные ускорения сиденья. Периодическая Угловые ускорения кабины. Случайная неровность,

неровность. 7 передача с крюковой нагрузкой 3 передача без крюковой нагрузки.

Рис. 13. Примеры сравниваемых осциллограмм

Сравнение всего комплекта полученных осциллограмм свидетельствует о том, что при установке динамических виброизоляторов кабины во всех рассмотренных случаях движения вертикальные и продольно-угловые ускорения кабины и сиденья снижаются (рис. 14 и табл. 4).

Эс штуЭс дин Эк шт/Эк дин

Снижение амплитуд угловых ускорений сиденья и кабины Рис. 14. Сравнение эффективности штатных и динамических виброизоляторов

12

2 3 10 ГЦ

Снижение амплитуд вертикальных ускорений сиденья

^ск шт/^скдин

< 7 11 17 18 f, Гц

Снижение амплитуд вертикальных ускорении кабины

Вертикальные колебания сиденья

Частота, Гц 2 3 10

ЯС ШТ/Зс ДИН 1,5 3,5 4

Вертикальные колебания кабины

Частота, Гц 4 7 11 17 18

ак ШТ/Зк дин 1,7 2,5 8,4 9,6 10,0

Угловые колебания сиденья и кабины

Частота, Гц 3 5 11 14 17

Эск шт/Зск дин 2,5 2,8 Г 3,6 4,9 8,0

На следующем этапе исследований выполнена оценка виброзащитных свойств штатной и динамической систем подрессоривания в соответствии с требованиями стандартов. Параметры вибровоздействий на оператора трактора регламентируются ГОСТом 12.1.012-90. В международной практике для оценки этих воздействий используется стандарт ISO 2631-74. Он устанавливает более жесткие, по сравнению с ГОСТом, требования на параметры вертикальных виброускорений в диапазоне частот от 0,63 до 125 Гц. В ISO приводятся диаграммы, в соответствии с которыми выполняется оценка качества систем подрессоривания. Они регламентируют продолжительность работы оператора при воздействии на него вертикальных и горизонтальных колебаний со стандартными частотами третьоктавного спектра в зависимости от уровня виброускорений. В соответствии с этими диаграммами выполнена оценка виброзащитных свойств систем подрессоривания кабины и сиденья с использованием штатных и динамических виброизоляторов. С помощью программного спектроанали-затора получены третьоктавные спектры вертикальных и продольно-угловых ускорений кабины и сиденья. На рис. 15 для примера приведены третьоктавные спектры виброускорений сиденья и кабины при движении по выше описанным полигонам. Цифрой 1 помечены зависимости для штатных виброизоляторов, цифрой 2 - для динамических, цифрой 3 - зависимость по стандарту ISO, регламентирующая продолжительность работы оператора в 8 часов (рабочая смена) при данном частотном составе и уровне виброускорений.

Вертикальные ускорения сиденья. Случайная Горизонтальные ускорения кабины. Периодическая

неровность. 7 передача, без нагрузки неровность. 7 передача, с нагрузкой

Рис. 15. Оценка виброзащитных свойств в соответствии с требованиями стандартов

Анализ всего комплекта графиков свидетельствует о том, что виброзащитные свойства системы подрессоривания с динамическими виброизоляторами оказываются существенно лучшими в диапазоне частот эксплуатационных воздействий. Следовательно, практически на всех режимах движения обеспечивается лучшая виброзащита рабочего места оператора, что и являлось целью настоящей работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В результате выполнения комплекса экспериментальных и расчетных исследований предложена система подрессоривания кабины с использованием динамических виброизоляторов, улучшающая виброзащиту рабочего места оператора сельскохозяйственного трактора.

2. Установлено, что при установке динамических виброизоляторов кабины:

- вертикальные ускорения сиденья на частоте 2 Гц снижаются в 1,5 раза, на частоте 3 Гц — в 3,5 раза, на частоте 10 Гц - в 4 раза;

- вертикальные ускорения кабины на частоте 4 Гц снижаются в 1,7 раза, на частоте 7 Гц - в 2,5 раза, на частоте 11 Гц - в 8,4 раза, на частоте 17 Гц - в 9,6 раза, на частоте 18 Гц — в 10 раз;

- продольно-угловые ускорения кабины и сиденья на частоте 3 Гц снижаются в 2,5 раза, на частоте 5 Гц - в 2,8 раза, на частоте 11 Гц - в 3,6 раза, на частоте 14 Гц - в 4,9 раза, на частоте 17 Гц - в 8 раз.

Сравнительная оценка в соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.012-90 и ISO 2631-74 свидетельствует о том, что в диапазоне частот эксплуатационных воздействий существенно лучшими виброзащитными свойствами обладает система подрессоривания с динамическими виброизоляторами, нежели со штатными.

3. Разработана математическая модель, основанная на пространственно-динамическом представлении гусеничной ходовой системы трактора и систем подрессоривания остова, двигателя, кабины и сиденья оператора. Модель может быть использована в системах автоматизированного проектирования тракторов для оценки виброзащитных свойств вариантов конструктивного решения систем подрессоривания кабины с динамическими виброизоляторами.

4. Создано стендовое оборудование для испытания штатных и динамических виброизоляторов, которое позволяет получать их экспериментальные упру год емпфирующие характеристики.

Весь предложенный комплекс разработок - технических решений динамических виброизоляторов, стендов для их испытаний, методики определения уп-ругодемпфирующих параметров элементов, а также средств моделирования может быть использован в практике проектных организаций в отрасли автотракторостроения для создания и совершенствования систем подрессоривания кабин с улучшенными виброзащитными свойствами.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Победин, A.B. Испытания виброизоляторов на стенде / A.B. Победин, К.В. Шеховцов // Изв. ВолгГТУ. Серия "Наземные транспортные системы". Вып. 4: межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2011. - № 12. - С. 41-43.

2. Шеховцов, К.В. Испытания виброизоляторов кабины трактора [Электронный ресурс] / К.В. Шеховцов // Инженерный вестник Дона: электронный журнал. - 2012. -№ 1. - С. URL: http://ivdon.ru/magazine/latest/nly2012/639/.

3. Стендовое оборудование для испытания виброизоляторов кабины трактора / A.B. Победин, М.В. Ляшенко, К.В. Шеховцов, З.А. Годжаев // Тракторы и сельхозмашины. - 2012. - № 7. - С. 43-48.

4. Шеховцов, К.В. Подрессоривание кабин тракторов с использованием динамических гасителей колебаний / Шеховцов К.В., Победин A.B., Соколов-Добрев Н.С., Шеховцов В.В. // Изв. ВолгГТУ. Серия "Наземные транспортные системы". Вып. 6: межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2013. - № 10. -

в прочих изданиях:

5. Ляшенко, М.В. Лабораторная установка для испытаний виброизоляторов / М.В. Ляшенко, A.B. Победин, К.В. Шеховцов // Вестник Академии военных наук. - 2011. - № 2 (спецвыпуск). - С. 270-274.

6. Шеховцов, В.В. Экспериментальное определение характеристик виброизоляторов кабины трактора / В.В. Шеховцов, М.В. Ляшенко, В Л. Шевчук, Н.С. Соколов-Добрев, К.В. Шеховцов // Международный научно-исследовательский журнал = Research Journal of International Studies. - 2013. - № 7-2. - С. 118-122.

7. Шеховцов, B.B. Технические решения упруго-демпфирующих устройств подвески кабины трактора / В.В. Шеховцов, М.В. Ляшенко, В.П. Шевчук, Н.С. Соколов-Добрев, К.В. Шеховцов // Международный научно-исследовательский журнал = Research Journal of International Studies - 2013. - № 7-2. - С. 122-125.

8. Шеховцов, В.В. Стендовое оборудование для испытаний виброизоляторов кабины трактора / В.В. Шеховцов, М.В. Ляшенко, В.П. Шевчук, Н.С. Соколов-Добрев, К.В. Шеховцов // Международный научно-исследовательский журнал = Research Journal of International Studies - 2013. - № 7-2. - С. 135-138.

9. Анализ технических решений виброизоляторов / A.B. Победин, О.Д. Ко-сов, В.В. Шеховцов, К.В. Шеховцов //Прогресс транспортных средств и систем - 2009: матер, междунар. н.-пр. конф., Волгоград, 13-15 окт. 2009 г.: в 2 ч Ч. 1 / ВолгГТУ [и др.]. - Волгоград, 2009. - С. 210-211.

10. Модель подвески кабины трактора / A.B. Победин, О.Д. Косов, В.В. Шеховцов, К.В. Шеховцов // Прогресс транспортных средств и систем - 2009: матер. междунар. н.-пр. конф., Волгоград, 13-15 окт. 2009 г.: в 2 ч. Ч. 1 / ВолгГТУ [и др.]. - Волгоград, 2009. - С. 222-223.

11. Classification and Analysis of the Ways of Cabin Suspension Vibroinsulators" Characteristic Formation / В.В. Шеховцов, A.B. Победин, М.В. Ляшенко, K.B. Шеховцов // XXIX Seminarium Kol Naukowych "Mechaniköw", Warszawa, 22-23 kwietnia 2010 г.: referaty / Wojskowa Akademia Techniczna. - Warszawa, 2010. - S 449-452. - Англ.

12. Development and Calculation Researches of the Vehicle's Cabin Suspension Model / В.В. Шеховцов, A.B. Победин, М.В. Ляшенко, К.В. Шеховцов U XXIX Seminarium Kol Naukowych "Mechaniköw", Warszawa, 22-23 kwietnia 2010 г.: referaty / Wojskowa Akademia Techniczna. - Warszawa, 2010. - S. 453-458. - Англ.

13. Анализ и классификация технических решений виброизоляторов подвески кабины / В.В. Шеховцов, A.B. Победин, О.Д. Косов, К.В. Шеховцов // Проектирование колёсных машин: матер, всерос. науч.-техн. конф., посвящ. 100-летию начала подгот. инж. по автомобильной специальности в МГТУ им. Н.Э. Баумана (2526 дек. 2009 гЛ / ГОУ ВПО "МГТУ им. Н.Э. Баумана". - М„ 2010. - С. 181-184.

14. Разработка модели и расчётные исследования подвески кабины транспортного средства / В.В. Шеховцов, A.B. Победин, М.В. Ляшенко, К.В. Шеховцов // Проектирование колёсных машин: матер, всерос. науч.-техн. конф., посвящ. 100-летию начала подгот. инж. по автомобильной специальности в МГТУ им. Н.Э. Баумана (25-26 дек. 2009 г.) / ГОУ ВПО "МГТУ им. Н.Э. Баумана".-М., 2010.-С. 184-188.

15. Победин, A.B. Расчётные исследования для совершенствования подвески кабины автомобиля / A.B. Победин, В.В. Шеховцов, К.В. Шеховцов // Какой автомобиль нужен России?: матер. 69-й междунар. науч. техн. конф. Ассоциации автомобильных инженеров (ААИ) / ГОУ ВПО "Сибирская гос. автомоб.-

дор. академия (СибАДИ)" [и дрЛ. - Омск, 2010. - С. 112-117.

16. Стенд для испытаний виброизоляторов [Электронный pecyv.j________

ховцов, A.B. Победин, М.В. Ляшенко, В.В. Шеховцов // Автомобиле- и тракто

ростроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров: матер, междунар. науч.-техн. конф. Ассоциации автомоб. инж. (ААИ), посвящ. 145-летию МГТУ "МАМИ" / Моск. гос. техн. ун-т «МАМИ». - М., 2010. - Кн. 1 (Секция 1). - С. 336-341. - URL:www.mami.ru/science/mamil45/scientific/S Olhtm.

17. Шеховцов, К.В. Vibration Isolators^ Laboratory Testing Plant / K.B. Ше-ховцов, A.B. Победин, О.Д. Косов // 30th Anniversary Seminar of the Students" Association for Mechanical Engineering (11-13.05.2011, Warsaw, Poland): book of Abstracts / Military University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering. -Warsaw, 201 l.-S. 66-67. -Англ. . B

Патенты:

18. П. м. 93477 РФ, МІЖ F 61 F 7/12. Виброизолятор / B.B. Шеховцов, А.В. Победин, Вл.П. Шевчук, М.В. Ляшенко, К.В. Шеховцов; ГОУ ВПО "Волгогр. гос. техн. ун-т". - 2010.

19. П. м. 100159 РФ, МПК F 16 F 3/10. Виброизолятор / В.В. Шеховцов, А.В. Победин, Вл.П. Шевчук, М.В. Ляшенко, К.В. Шеховцов; ГОУ ВПО "Волгогр. гос. техн. ун-т". - 2010.

20. П. м. 104714 РФ, МПК G 01 М 7/02. Стенд для испытаний виброизоляторов / В.В. Шеховцов, А.В. Победин, Вл.П. Шевчук, М.В. Ляшенко, К.В. Шеховцов, Д.В. Бусалаев; ГОУ ВПО "Волгогр. гос. техн. ун-т". - 2011.

21. П. м. 118056 РФ, МПК G 01 М 7/02. Стенд для испытаний виброизоляторов в режиме вынужденных и собственных колебаний / К.В. Шеховцов, А.В. Победин, Вл.П. Шевчук, М.В. Ляшенко; ГОУ ВПО "Волгогр. гос. техн. ун-т". - 2012.

22. П. м. 112416 РФ, МПК G 01 М 7/02. Стенд для испытаний виброизоляторов в режиме вынужденных колебаний / К.В. Шеховцов, А.В. Победин, Вл.П. Шевчук, М.В. Ляшенко, Д.В. Бусалаев; ГОУ ВПО "Волгогр. гос. техн. ун-т". - 2012.

23. П. м. 112417 РФ, МІЖ G 01 М 7/02. Стенд для испытаний виброизоляторов в режиме вынужденных колебаний / К.В. Шеховцов, А.В. Победин, Вл.П. Шевчук, М.В. Ляшенко, Д.В. Бусалаев; ГОУ ВПО "Волгогр. гос. техн. ун-т". - 2012.

24. П. м. 112415 РФ, МПК G 01 М 7/02. Стенд для испытаний виброизоляторов при действии нагрузок с осевой и боковой составляющими / К.В. Шеховцов, А.В. Победин, Вл.П. Шевчук, М.В. Ляшенко, Д.В. Бусалаев; ГОУ ВПО "Волгогр. гос. техн. ун-т". - 2012.

25. П. м. 124340 РФ, МПК F16F3/093, F16F1/373. Виброизолятор / В.В. Шеховцов, А.В. Победин, Вл.П. Шевчук, О.Д. Косов, М.В. Ляшенко, К.В. Шеховцов; ГОУ ВПО "Волгогр. гос. техн. ун-т". - 2013.

26. Положительное решение о выдаче патента на п. м. от 15.06.2013 г. МПК F16F3/093, F16F1/373. / Виброизолятор кабины транспортного средства / В.В. Шеховцов, Н.С. Соколов-Доорев, А.В. Победин, Вл.П. Шевчук, М.В. Ляшенко, К.В. Шеховцов; Заявка № 2013127453, приоритет от 17.06.2013 г.

Подписано в печать . /О .2012. Заказ № 64-9. Тираж 100 экз. Печ. л. 1,0. Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Типография ИУНЛ Волгоградского государственного технического университета. 400005, г. Волгоград, пр. им. В.И. Ленина, 28, корп. 7.