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 ВИБРОНАГРУЖЕННОСТИ 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

15 ПАЙ т

005548389

Волгоград - 2014

005548389

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

Научный руководитель кандидат технических наук, профессор

Победин Аркадий Викторович.

Официальные оппоненты: Кравец Владислав Николаевич,

доктор технических наук, профессор, Нижегородский государственный технический университет;

Морозов Андрей Валериевич, кандидат технических наук, ОАО «ЕГЖ-Волжский», технический директор.

Ведущая организация Курганский государственный

университет.

Защита состоится « 20 » июня 2014 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. 209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан « »мая 2014 г.

Ученый секретарь [ „

диссертационного совета _).ег--— Ляшенко Михаил Вольфредович.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

'Актуальность темы исследования. 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.

Степень ее разработанности.

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 Ма&аЬ 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 эффективной виброзащиты рабочего места оператора.

1 Автор выражает благодарность доценту Соколову-Добреву Н.С. за научное консультирование

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 Ш регион, н.-практ. студ. конф. «Городу Камышину - творческую молодёжь» (Камышин, 2009), междунар. н.-пр. конф. «Прогресс транспортных средств и систем» (Волгоград, 2009), XXIX Seminarium Ко1 Naukowych "Mechanikow" (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), XTV регион, конф. мол. исслед. Волгогр. обл., 69-й междунар. науч. техн. конф. Ассоциации автомобильных инженеров «Какой автомобиль нужен России?» (СибАДИ, Омск, 2010), 3.0th 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, и 9 патентов 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 159 страниц машинописного текста, включающего 9 таблиц и 101 рисунок.

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 подрессорива-ния 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 подрес-соривания 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. Известны работы по этой тематике ученых МАМИ и других технических вузов, НАТИ и других отраслевых институтов. В ВолгГТУ этой темой занимались Варфоломеев В.В., Горобцов A.C., Дьяков A.B., Дьяков A.C., Косов О.Д., Ля-шенко М.В., Новиков В.В., Орешкин В.Н., Победин A.B., Рябов И.М. и другие. В последнее время исследования систем подрессоривания кабин выполнялись Корчагиным А.П., Кухарчуком А.И., Реуновым C.B., Рябковой А.Л., Ходаковой Т.Д., Хрипуновым Д.В., Шакулиным О.П., Юшиным А.И. и другими.

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, кроме прочего, констатируется, что ни одна из систем подрессоривания кабин отечественных тракторов, где используются моноблочные резиновые виброизоляторы, не обеспечивает эффективной защиты оператора от колебаний во всем, в особенности низкочастотных. Для снижения уровня вибронагруженности рабочего места оператора в настоящей работе предложено использовать в системе подрессоривания кабины динамические гасители колебаний.

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. Проанализированы технические решения 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 характер ристик 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.

а

Рис. 1. Схема стенда

ИГ

а б

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).

——осредненная •••—_• 'жесткая" - - "мягкая" " ' 1 I "

^................................../ /

ч

-.............1

1.30

2,60

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:

Сй, =-сс«Д <р,

где Р - амплитуда действующей на виброизолятор динамической силы; 5 - амплитуда виброперемещения;

Д(р - 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 <р 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.

р 1 я

\

Л А

г V X

\ $ у

I

зоо £ »> 1"

Рис. 5. Изменение усилия и деформации при затухающих колебаниях

Рис. 6. Изменение динамической жесткости от деформации

Для выявления действительной картины вибронагруженности остова, двигателя, кабины и сиденья трактора выполнена серия экспериментальных исследований при использовании оборудования фирмы ЗУАЫ. 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 1-3, 4-5 и 9-13 Гц.

10 100 1000 10000 100000 /, Гц Ускорение продольных перемещений сиденья

10 100 1000 10000 100000 Гц Ускорение вертикальных перемещений сиденья

Рис. 7. Спектры виброускорений сиденья

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.

Схема плоской динамической модели приведена на рис. 8.

ез:

c^ki

^кз Ct^jk. Csj^

zsi 211

Z22 218

'Ш

XSB^IÜS-.

ÍSS

í i 144

Via

j Z31 tzi3

Z414-Z33

Zlé,

Z32 Zl4

Рис. 8. Динамическая модель

Ее математическая модель имеет следующий вид:

а) уравнения, описывающие вертикальные колебания:

mA — PC](zl5 - Zj.,) + 2k¡(z15 -¿Х1)] + [2С2(г16-zK2) + 2¿2(¿,6 -¿<г)]-[2С,(г21 -гп) + 2^(гг1 -z„)]-- [2C4(z22 - z,2) + 2k¡ (ги - z,2)] + [2C5 (z3, - z,3) + 2A, (z31 - z13)] - [2C6(z32 - z14) + 2k6 (z32 - z14)] = m,g; m2z2 +[2C3(z21 - z„)+2¿3 (¿2l - ¿, ()]+[2C„ (z22 - z12) + 2£4 (z22 - zI2)] = m2g\

íWjZ3 + [2C5(z31-z13) + 2A5(z31-z13)] + [2C6(z32-z14) + 2As(z32-zI4)]-[2C7(z4i -z33) + 2¿7(z41-z33)] =

m4z4 +[2C,(z4i -z33) + 2/c,(z4I -z33)] = m4g

) уравнения, описывающие продольно-угловые колебания: + [2С, (z15 - zK,) + 2fc,(z13 - zn)]a- [2C2 (z,6 - z^) + 2A2 (z16 - z,.2 )]6 - [2C3 (z21 - z,,) + 2&3(z21 + zu)]c-[2C4(z22 -z12) + 2ki{z11 — zl2)]d + [2C5(z3I — z13) + 2£5(z3, — z,3 + [2C6(z32 - zl4) + 2¿6 (¿32 - z14)]/ = 0;

./2Ф2 + [2C3 (z21 - zn) + 2¿3 (z21 - zu)](c - и) - [2C4 (ze - zu) + 2¿4 - z12 )](и - d) = 0; ЛФз +[2C5(z31 -z13) + 2¿5(z31 -¿,з)](й-е)-[2Сб(г32 -z14)+2¿6(¿32 -z14)](/-A) = 0.

в) уравнения, описывающие связи:

afe13 = efe, + сЛр,е;

г21 = г2+ф2(с-л);

zn -Z -ф,с;

z12 = z

% = z + ф,е;

^4 = z + ф|/5

z15 = z + Ф,а;

z16 = z

^22 =^2 -Ф2(«-Й?);

z3, =г3+ф3(/г-е); г32 =z3 -ф3(/-/г); z33 =z3 +ф3(/г-£); dzu = cfe, +¿üp,c; ífe12 = ¡fe, +

<fe,4 = ¿fe, +íütp,/; <fe,5 = ¡fe, + а?ф,я; <¿z16 = ¿fe, + í&p,6; ífe2, = dz2 + ¿ftp2 (с - n)\ dz22=dz2-dq>2(n-d); dz3i = ¿fe3 + б?ф3 (h - e); dz}2 = dz3- й?ф3(/ -h)\ dZj3 = dz3 + dip3 (h - k).

г

Здесь т1 - г-я подрессоренная масса; У, - момент инерции г'-й подрессоренной массы; г,, ¿., г, — соответственно вертикальные перемещения, скорости и ускорения г'-й подрессоренной массы; сЬ,, - соответствующие скорости вертикальных перемещений; ф1, ф;, ср; - соответственно угловые перемещения, скорости и ускорения г'-й подрессоренной массы; С, - г'-я жесткость связи; - г'-й коэффициент демпфирования; а, Ъ, с, <1, е, /, к, к, п - 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.

I

ЧИ1

Рис. Э. 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 выполнен 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.

Исследованиями профессора Кузнецова Н.Г. показано, что у сельскохозяйственных тракторов спектральные плотности тяговых сопротивлений имеют несколько ярко выраженных пиков в диапазоне частот от 0 до 35 Гц. Этим спектральным плотностям с достаточной точностью соответствуют спектральные плотности колебательных нагрузок в системах подрессоривания остова и кабины. Для гашения колебаний с узкополосным спектром, что имеет место в данном случае, в машиностроении с успехом используются динамические гасители колебаний. В связи с этим в настоящей работе предложено использовать в системе подрессоривания кабины динамические виброизоляторы (рис. И). 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

тШшш ЯНШЯРЬ

в

шшт

Щрг I

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).

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

Для выбора инерционных и упругих параметров элементов динамического виброизолятора при гашении основных частот спектра эксплуатационных воздействий создана программа в пакете МаЛаЬ, 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:

<2«

где @„и $„- 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.

10

В ходе расчетов осуществляется перебор вариантов, из них впоследствии выбрано 25 конструктивно реализуемых, параметры 2 лучших приведены в табл. 1.

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

Таблица 1

№ и 1 2 Г*з Л,4 Л1 «а Га и т 1 /П2 т3 С1 Сг Сз с4 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

Таблица 2

Г. ГЦ А., мм Vмм/с V,, мм/С а«», мм/сг а„, 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; Аосн - амплитуда основания то есть рамы трактора, мм; Ак - амплитуда кабины, то есть подрессоренной массы, мм; Уося и Ук - скорость перемещений рамы и кабины соответственно, мм/с; а0сн ид,-ускорение перемещений рамы и кабины соответственно, мм/с .

Табл1 ща 3

f Л Ат* V«, 1'т! V™ Зое н ЗтЗ З.т.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 Ь,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; Ат, мм, Ут1, мм/с, и ат1, 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, скорости и ускорения, а динамический демпфер с меньшей 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. 1 аким образом, исследование показало, что предложенный динамическии гаситель обладает существенно лучшими виброизолирующими качествами.

Для опытной проверки виброизолирующих свойств подвески с динамическими виброизоляторами на базе стенда (рис. 1) создана экспериментальная установка (рис. 13, а), моделирующая динамическую систему одной точки подвеса кабины, а для расчетной проверки - ее динамическая модель (рис. 13, о). Возбуждение колебаний в диапазоне 0-20 Гц осуществляется инерционным на-гружателем, связанным с качающимся рычагом стенда, имитирующим пол кабины. Во время испытаний на каждой частоте возбуждения при использовании оборудования фирмы БУАЫ замерялись и записывались перемещения, скорости и ускорения колебаний пола кабины и подвижных масс, на основе чего построена серия АЧХ вертикальных и продольно-угловых ускорении каоины и сиденья без динамических гасителей и с гасителями.

11

б

Рис. 13. а - экспериментальная установка; б-динамическая модель

Так как динамический виброизолятор обеспечивает наиболее эффективное гашение колебаний тогда, когда собственная частота колебаний его массы совпадает с собственной частотой колебаний подрессоренной массы и с частотой внешнего воздействия, основные экспериментальные и расчетные исследования эффективности виброизоляторов выполнены на этом резонансном режиме, при этом осуществлялась также видеозапись процесса. Для этого массы виброизолятора и массы, имитирующей кабину, снабжены ярко окрашенными стрелками, перемещения которых осуществлялось на контрастном фоне (рис. 14, а). Анализ этой записи показывает, что в режиме резонанса колебания массы виброизолятора и массы, имитирующей кабину, происходят в противофазе (рис. 14, б). За счет этого динамический виброизолятор снижает вибронагруженность кабины. Это подтверждается сравнением полученных расчетным и экспериментальным путями АЧХ колебательных систем кабины без динамического гасителя (рис. 15) и с гасителем, настроенным на собственную частоту колебаний кабины (рис. 16).

М1"^ отиямот вшидм1

¡ШМЩИН

ЯЙРШ

0,6 0,4 0,2 0 -0,2 -0,4 -0,6 -0,8 -1

1 1 2 ,

¡=2<

—---с-Л - V-

0,05

0,1

0,15

Рис. 14: а - стрелки (увеличено); б- запись перемещений в режиме резонанса кабины (1) и массы виброизолятора (2) в противофазе

- без гасителя

- с гасителем

Рис. 16. Расчетные АЧХ системы без динамического гасителя и с гасителем

12

4 6 8 10 12 14 16 18 20

Частота, Гц

Рис. 16. Экспериментальные АЧХ системы без динамического гасителя и с гасителем

Анализ АЧХ свидетельствует о том, что, в соответствии с расчетными данными, в режиме резонанса использование динамических гасителей снижает вертикальные ускорения кабины на 40 % (рис. 15), а в соответствии с экспериментальными данными - на 49 % (рис. 16).

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. 17, графики для штатных виброизоляторов обозначены цифрой 1, для динамических - 2.

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

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

Рис. 17. 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. 18 и табл. 4).

Таблица 4

Вертикальные колебания сиденья

Частота, Гц 2 5 10 15 20 23

Эс ШТ/Эс дин 1,1 1,2 1,4 1,6 | 1,8 2,0

вертикальные колебания кабины

Частота, Гц 2 5 10 15 20 25

Эк ШТ/Эк пин 0,9 1,3 2,0 2,5 3,0 3,3

Угловые колебания сиденья и кабины

Частота, Гц 2 5 10 15 20 23

а„ шт/^ск ЛИН 1,45 1,7 2,3 3,1 4,2 5,1

Частота, Гц а

Частота, Гц б

Рис. 18. Снижение амплитуд: а - вертикальных ускорений сиденья (1) и кабины(2); б-продольно-угловых ускорений кабины с сиденьем

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.

Вертикальные ускорения сиденья. Случайная Горизонтальные ускорения кабины. Периодическая

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

Рис. 19. Оценка виброзащитных свойств в соответствии с требованиями стандартов

На рис. 19 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.

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. 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.

2. Создано стендовое оборудование для испытания штатных и динамических виброизоляторов, которое позволяет получать их экспериментальные уп-ругодемпфирующие характеристики и исследовать воздействие этих виброизоляторов на процесс колебаний точки подвеса кабины.

3. Выполнены комплексные экспериментальные и расчетные исследования, в результате которых предложена система подрессоривания кабины с использованием динамических виброизоляторов. На основе математического моделирования и стендовых испытаний показано, что ее применение на сельскохозяйственном тракторе улучшает виброзащиту рабочего места оператора.

4. 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.

Предложенные технические решения динамических виброизоляторов, стендов для их испытаний, методики определения упругодемпфирующих параметров элементов, созданные средства моделирования могут быть использованы в учебном процессе вуза при подготовке магистров и аспирантов, а также в практике проектных организаций в отрасли автотракторостроения для создания 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. -С. 43-46.

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, ВЛХ 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, B.B. Стендовое оборудование для испытаний виброизоляторов кабины трактора / В.В. Шеховцов, М.В. Ляшенко, В.П. Шевчук, Н.С. Соко-лов-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 Naukovvych "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 // 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 г.) / 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 ресурс] / К.В. Шеховцов, A.B. Победин, М.В. Ляшенко, В.В. Шеховцов // Автомобиле- и тракторостроение 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_01htm.

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, 2011. - S. 66-67. - Англ.

Патенты:

18. П. м. 93477 РФ, МПК F 61 F 7/12. Виброизолятор / B.B. Шеховцов, A.B. 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 / B.B. 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 M 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 M 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 M 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, МПК G 01 M 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 M 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. П. м. 136110 РФ, МПК F16F3/087 / Виброизолятор кабины транспортного средства / К.В. Шеховцов, Н.С. Соколов-Добрев, А.В. Победин, Вл.П. Шевчук, М.В. Ляшенко, В.В. Шеховцов; ГОУ ВПО "Волгогр. гос. техн. ун-т". -2013.

Подписано в печать 22.04.2014 г. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать -трафаретная. Печ. л.1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 251.

Типография ИУНЛ Волгоградского государственного технического университета. 400005, г. Волгоград, просп. им. В.И. Ленина, 28, корп. №7.

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

и'♦¿У

)1460411

На правах рукописи

ШЕХОВЦОВ Кирилл Викторович

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

Специальность 05.05.03 - Колесные и гусеничные машины

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград - 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................... 5

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И НАПРАВЛЕНИЕ

1

ИССЛЕДОВАНИЙ....................................................... 10

1.1 О защите оператора от шума и вибраций............................. 10

1.2 Обзор и анализ работ в области виброзащитных систем кабин и сидений тракторов........................................................................... 12

1.3 Предложение о создании виброзащитных систем кабин тракторов с использованием динамических гасителей колебаний.......... 30

2 АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ И ХАРАКТЕРИСТИК УСТРОЙСТВ ДЛЯ ПОДРЕССОРИВАНИЯ КАБИН И СИДЕНИЙ ОПЕРАТОРОВ СОВРЕМЕННЫХ ТРАКТОРОВ 31

2.1 Повышение требований к защите оператора......................... 31

2.2 Системы подрессоривания кабин современных тракторов.......... 32

2.3 Анализ технических решений и способов управления упругими и демпфирующими характеристиками виброизоляторов.................................................................................................... 34

2.4 Виброизолирующие элементы, использующиеся в подвесках

кабин........................................................................... 38

2.5 Динамические гасители колебаний....................................... 40

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВИБРОИЗОЛЯТОРОВ И СИСТЕМ ПОДРЕССОРИВАНИЯ КАБИНЫ И СИДЕНЬЯ................................................................ 44

3.1 Стендовые испытания виброизоляторов........................................ 44

3.1.1 Разработка стендового оборудования............................................. 44

3.1.2 Исследование упруго-демпфирующих свойств виброизоляторов 53

3.1.3 Исследование динамической жесткости......................................... 56

3.2 Экспериментальные исследования колебаний подрессоренных масс трактора.......................................................................... 58

3.2.1 Оборудование и методика исследований..................................... 58

3.2.2 Анализ результатов исследований................................................ 63

3.2.3 Согласованность результатов с данными других авторов............. 64

4 РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ И

МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ПОДВЕСКИ ОСТОВА, ДВИГАТЕЛЯ, КАБИНЫ И СИДЕНЬЯ................................................................................... 69

4.1 Разработка плоской модели............................................................ 69

4.2 Результаты расчетных исследований.................................. 75

4.3 Разработка пространственной модели............................................ 80

4.4 Расчетное определение спектрального состава нагрузок.......... 84

4.5 Разработка системы подрессоривания кабины с использованием динамических гасителей колебаний................................................................88

4.5.1 Принцип действия и устройство виброизоляторов для динамического гашения колебаний кабины............................................... 88

4.6 Сравнительная оценка виброзащитных свойств штатных и динамических виброизоляторов кабины............................................ 95

4.7 Исследование эффективности колебательной системы с динамическими виброизоляторами........................................... 99

4.7.1 Экспериментальная установка и методика исследований..................99

4.7.2 Динамическая модель колебательной системы..............................................100

4.7.3. Результаты исследований..................................................................................................101

4.8 Оценка виброзащитных свойств системы подрессоривания кабины с динамическими виброизоляторами........................................................................104

4.9 Оценка виброзащитных качеств систем подрессоривания в соответствии с требованиями стандартов....................................................................................108

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................................................................122

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..............................................................................................124

ПРИЛОЖЕНИЕ......................................................................................................................154

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Степень универсальности современных тракторов постоянно повышается. Каждый современный трактор должен быть приспособлен к выполнению все большего числа разнообразных тяговых, транспортных и иных работ, поэтому все более сложными становятся их конструкции. Для повышения производительности труда энерговооруженность тракторов постоянно увеличивается, увеличиваются скорости движения тракторных агрегатов. Но это неизбежно приводит к увеличению динамической нагруженности деталей ходовой части и трансмиссий и повышению уровня генерируемых при этом колебаний, вследствие чего увеличивается вибронагруженность рабочего места оператора.

Динамические и вибрационные нагрузки отрицательно воздействуют на узлы и детали самого трактора, на окружающую среду и на оператора. В трансмиссии и ходовой части они вызывают постоянные нарушения пространственного расположения и законов движения деталей, вследствие чего в их материале накапливаются усталостные повреждения. Вибрации двигателя на его подвеске приводят к ухудшению показателей топливной экономичности. Вибрация деталей ходовой части оказывает вредное воздействие на структуру обрабатываемой почвы и угнетающе действуют на возделываемые культуры. В особо важной степени вибрационные нагрузки оказывают влияние на работоспособность и здоровье оператора. Постоянное долговременное действие вибраций приводит к его повышенной утомляемости и увеличению количества ошибок в управлении, что в итоге сказывается на производительности тракторного агрегата. Развиваются также профессиональные заболевания, наиболее распространенным из которых является вибрационная болезнь. Кроме того, часто появляются расстройства нервной системы, нарушения обменных процессов, опущение и язвенная болезнь желудка, деформация позвоночника.

В соответствии со сказанным, работа, направленная на снижение уровня вибронагру-женности рабочего места оператора трактора, является актуальной.

Степень разработанности темы исследования. Обеспечивать надежную защиту оператора от вибраций, генерируемых двигателем, трансмиссией, ходовой системой и рабочими машинами, должны системы подрессоривания кабины и сиденья.

Особенно эффективная защита оператора необходима при работе в условиях бездорожья, в которых наиболее часто и осуществляется эксплуатация тракторов. Требования, касающиеся условий работы оператора, также постоянно повышаются. В связи с этим должны непрерывно совершенствоваться конструкции и характеристики систем подрессоривания кабин и сидений оператора.

В настоящее время в системах подрессоривания кабин и сидений операторов в самых разных сочетаниях используются виброизоляторы с металлическими упругими и демпфирующими элементами, с элементами из эластомеров, с комбинированными (эластомерно-металлическими) элементами, с пневматическими и гидравлическими упругими и демпфирующими элементами. Однако, несмотря на многолетние усилия больших коллективов инженеров-конструкторов и научных работников в направлении совершенствования этих систем подрессоривания, проблему шумовибро-защиты в эксплуатации рабочего места оператора трактора нельзя считать разрешенной, о чем свидетельствуют многочисленные публикации [72, 78, 82, 102, 143]. Сложность окончательного разрешения проблемы объясняется ее достаточно высокой наукоемко-стыо, д ля машин новых генераций - появлением все большего числа нагрузок со сложными законами изменения в диапазоне средних и высоких частот, достаточно высокой сложностью анализа процессов формирования шума и вибраций на рабочем месте оператора, сложностью и трудоемкостью создания современных систем подрессоривания.

Целью настоящей 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 этой цели поставлены следующие задачи работы:

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

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложено использование в системах подрессоривания кабин сельскохозяйственных тракторов динамических гасителей колебаний как средств эффективной 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 реализована в программе методика определения инерционных и упругих параметров элементов динамических виброизоляторов из условия соответствия парциальных частот этих элементов частотам основных эксплуатационных вибровоздействий.

Теоретическая значимость работы определяется тем, что предложены теоретические разработки, направленные на использование в системах подрессоривания

кабин тракторов виброизоляторов, работающих по принципу динамического гашения колебаний, что является вкладом в теорию колебаний таких объектов. Также предложена 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.

Практическая значимость работы определяется следующим:

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 упругодемпфирую-щие 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.

Методология и 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.

Положения, выносимые на защиту.

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

2. 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.

3. Новые технические решения виброизоляторов с улучшенными виброзащитными свойствами.

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

Достоверность и обоснованность полученных результатов обусловливается использованием научно обоснованных методов построения и тестирования моделей, математического описания их элементов и расчетного исследования моделей, основанных на основных положениях теории колебаний и фундаментальных законах механики, сходимостью результатов расчетных и экспериментальных исследований и их согласованностью с результатами исследований других авторов.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы в 2009-2013 г.г. были представлены на 13 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 Kol 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 СибАДИ «Какой автомобиль нужен России?» (Омск, 2010), 30th Anniversary Seminar of the Students" Association for Mechanical Engineering (Варшава, 2011), ежегодных научных конференциях ВолгГТУ (Волгоград, 2009-2013).

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И НАПРАВЛЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ 1.1. О защите оператора от шума и вибраций

Несмотря на постоянное совершенствование конструкций кабин, операторы отечественных тракторов периодически подвергаются действию таких факторов, как загрязнение рабочей зоны выхлопными газами, неудобная рабочая поза, повышенная температура и запыленность воздуха в кабине, а также повышенные шум и вибрации. Два последних являются не периодически, а постоянно действующими факторами, а потому особенно опасны. Длительное действие этих факторов приводит к снижению работоспособности и ухудшению здоровья оператора. Поэтому конструкторы современных машин должны обеспечивать операторам соответствующую защиту от шумов и вибраций. Для этого разрабатываются новые конструкции и технологии изготовления деталей, совершенствуются сборочные операции, а главным образом — создаются и постоянно совершенствуются системы виброзащиты оператора, окружающей среды и узлов трактора.

В результате исследований Е.Ц. Андреевой-Галаниной, А.К. Бирулей, Я.И. Бронштейном, A.A. Меньшовым [244] и другими учеными установлено, что физиологическое восприятие колебаний человеком зависят от частоты, амплитуды, скорости, ускорения и скорости изменения ускорения (резкости) колебаний. Кроме того, физиологические ощущения определяются направлением и длительностью воздействия колебаний на организм человека. Существенное воздействие на организм оказывают также угловые колебания. К низкочастотным относятся колебания с частотой до 17-22 Гц [244], эти колебания воспринимаются организмом как отдельные циклы. Колебания более высоких частот воспринимаются слитно.

Согласно "Единым требованиям к конструкции тракторов и сельхозмашин по безопасности и гигиене труда" [244] за оценочные параметры колебаний сиденья следует принимать среднеквадратичные значения вертикальной и горизонтальной виброскорости в октавных полосах для общего диапазона частот 0,88-355 Гц и сравнивать их с допустимыми значениями (метод раздельной оценки). Учитывая данные физиологических исследований и то, что диапазон основных частот воз-

действия, пропускаемых подвеской унифицированного сиденья пахотного трактора, не превышает 5 Гц [244], можно заключить, что наиболее приемлемым оценочным параметром низкочастотн�