CC BY
43
- на 7 участке также эффективно гасятся колебания со второй и третьей собственными частотами (момент уменьшается в 10 раз), менее эффективному - с остальными резонансными частотами (момент уменьшается в 5-6 раз);
- на 8 участке эффективно гасятся колебания с третьей частотой (момент уменьшается в 10 раз), менее эффективно - со второй (момент уменьшается в 6 раз), первой и четвертой собственными частотами (момент уменьшается в 2-3 раза), особенно эффективно - пятой частотой (момент уменьшается в 18 раз).
4. Установка демпфера на месте 8 массы модели (ходовая часть) приводит:
- на 1 участке - к эффективному гашению колебаний с первой и четвертой частотами (момент уменьшается в 9 раз), менее эффективному - со второй и третьей частотами (момент уменьшается в 3-8 раз);
- на 2-4 участках - к эффективному гашению колебаний с первой по четвертую частотами (момент уменьшается в 8-10 раз);
- на 5 участке - к эффективному гашению колебаний с первой по четвертую частотами (момент уменьшается в 10 раз), менее эффективному - с пятой частотой (момент уменьшается в 5 раз);
- на 6 участке - к эффективному гашению колебаний с первой по четвертую частотами (момент уменьшается в 6-12 раз);
- на 7 участке - к особо эффективному гашению колебаний с четвертой частотой (момент уменьшается в 12 раз), менее эффективному - с первой и третьей частотами (момент уменьшается в 7 раз);
- на 8 участке - к эффективному гашению колебаний с третьей и четвертой частотами (момент уменьшается в 8-11 раз), менее эффективному - с первой частотой (момент уменьшается в 6 раз) и к мало эффективному - колебаний с остальными собственными частотами (момент уменьшается в 3 раза).
5. Установка демпфера на месте 9 массы модели (поступательно движущаяся масса трактора) приводит на всех участках только к гашению колебаний с первой частотой (момент уменьшается в 10-12 раз). На колебания с остальными частотами установка демпфера на месте этой массы не оказывает практического влияния.
Таким образом, колебания с первой собственной частотой лучше всего позволяет гасить демпфер, размещенный на участке двигатель-коробка передач (при относительном коэффициенте демпфирования 0,3 нагруженность участков уменьшается в 5-6 раз), а также на участке ходовая часть - поступательно движущаяся масса трактора (нагруженность снижается в 3-12 раз). Колебания со второй собственной частотой эффективно гасятся при установке демпфера на участке двигатель - коробка передач (нагруженность снижается в среднем в 10 раз), в механизме поворота и в конечной передаче (в 3-15 раз). Колебания с третьей, четвертой и пятой собственными частотами наиболее эффективно гасятся при установке демпфера на участке механизм поворота - ходовая часть (в 3-18 раз).
Литература
1. Шеховцов, В.В. Pakiet programow do badania dynamiki i sterowania wlasciwosciami dynamicznymi ukladow nap^dowych / В.В. Шеховцов // Doskonalenie konstrukcji oraz metod eksploatacji pojazdow mechanicznych: V Mi^dzynar. sympoz. - Warszawa, 1983. - С. 376-378.
2. Шеховцов, В.В. Разработка и исследование динамической модели силовой передачи перспективного гусеничного трактора ПО ВГТЗ / В.В. Шеховцов // Совершенствование конструкции и методов эксплуатации автомобильной и бронетанковой техники = IMPROVEMENT OF CONSTRUCTION... : матер. VI межд. симпоз. ин-та автом. и бронет. техн. / Воен.-техн. акад. - Варшава-Рыня, 1996. - Ч. 2. - C. 415-420.
3. Шеховцов, В.В. Sterowanie obciqzeniem dynamicznym elementow ukladu nap^dowego za pomocq zmian tlumienia / В.В.
Шеховцов // Pojazdy samochodowe. Problemy rozwoju, jakosci, eksploatacji: Mater. VI Miedzynarodowa konf. nauk.-tech.
"Autoprogres'98''. - Jachranka k/Warszawy, 1998. - Т. 1. - C. 180-189.
4. Шеховцов, В.В. Управление динамической нагруженностью элементов силовой передачи изменением демпфирования / В.В.
Шеховцов // Pojazdy samochodowe. Problemy rozwoju, jakosci, eksploatacji: Mater. VI Miedzynarodowa konf. nauk.-tech.
"Autoprogres'98". - Jachranka k/Warszawy, 1998. - Т. 1. - C. 190-192.
5. Шеховцов, В.В. Dynamic load control for elements of load-carrying transmission by the change of damping / В.В. Шеховцов // ARCHIWUM MOTORYZACJI = Архивы моторизации (Польша). - 1999. - № 4. - C. 233-243.- Англ.
6. Dynamic loading of power trfnsmission of caterpillar transitional operating conditions / Е.И. Тескер, В.В. Шеховцов, С.В. Зленко, А.Е. Стульников // Inzenyrska Mechanika'99: narodni konference s mezinar. ucasti, Svratka, 17-20 kveten. - Svratka, 1999. - C. 819-823.
7. Шеховцов, В.В. Dynamic load optimisation of caterpillar tractor powertrain / В.В. Шеховцов, М.В. Ляшенко // Archiwum Motoryzacji=The Archives of Automotive Engineering. - 2004. - № 4. - C. 553-564. - Англ.
8. Шеховцов, В.В. Optymalizacja dynamicznego obciqzenia ukladu nap^dowego ciqgnika WT-100 / В.В. Шеховцов, М.В. Ляшенко // Czasopismo Techniczne. Mechanika = Технический журнал. Механика (Польша). - 2004. - № 7. - C. 589-595. - Пол.
9. Шеховцов, В.В. Uklad nap^dowy ciqgnika WT-100. Optymalizacja obciazenia dynamicznego / В.В. Шеховцов, М.В. Ляшенко // Nap^dy i sterowanie = Приводы и управление (Польша). - 2004. - № 5. - C. 36-41. - Пол.
10. Model dynamiczny do badania procesow obciazenia elementow ukladu nap^dowego ciqgnika gqsienicowego / З.А. Годжаев, W. Borkowski, E. Cypko, Н.С. Соколов-Добрев, В.В. Шеховцов, Вл.П. Шевчук, М.В. Ляшенко // Nap^dy i sterowanie = Приводы и управление (Польша). - 2007. - № 5. - C. 99-108. - Пол.
Шеховцов В.В.1, Ляшенко М.В.2, Шевчук В.П.3, Соколов-Добрев Н.С.4, Шеховцов К.В.5
'Доктор технических наук, доцент; 2 доктор технических наук, профессор, 3кандидат технических наук, профессор, 4кандидат технических наук, доцент, 5аспирант; Волгоградский государственный технический университет ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ВИБРОИЗОЛЯТОРОВ КАБИНЫ ТРАКТОРА
Аннотация
В статье описаны методики и результаты экспериментального определения упруго-демпфирующих характеристик виброизоляторов кабины трактора. Для этой партии получены также зависимости изменения осевой жесткости виброизоляторов от деформации. Выполнены также исследования, направленные на определение динамической жесткости виброизоляторов.
Ключевые слова: виброизолятор кабины, стенд для испытания виброизоляторов, статическая и динамическая жесткость.
Shekhovtsov V.V.1, Lyashenko M.V.2, Shevchuk V.P.3, Sokolov-Dobrev N.S.4, Shekhovtsov K.V.5
'Doctor of Engineering Science, docent; 2Doctor of Engineering Science, professor; 3Candidate of engineering science, professor;4Candidate of engineering science, docent; 5Post-graduate student; Volgograd State Technical University EXPERIMENTAL DETERMINATION OF TRACTOR CABIN VIBRATION ISOLATORS CHARACTERISTICS
Abstract
The article describes the methods and the results of experimental determination of elastic and damping characteristics of tractor cabin vibration isolators. For that batch there were also obtained the dependences of axial rigidity changing from the value of deformation.
Keywords: cabin vibration isolator, stand for vibration isolators testing, static and dynamic rigidity of vibration isolators.
Введение
118
Одной из важнейших функций кабины трактора является надежная защита оператора от шумов и вибраций, генерируемых двигателем, трансмиссией, ходовой системой и рабочими машинами. В связи с тем, что постоянно повышаются требования, касающиеся условий работы оператора, должны совершенствоваться конструкции и характеристики систем подрессоривания кабин.
В настоящее время для подрессоривания кабин отечественных тракторов наиболее часто используются пружинные упругие элементы, элементы из эластомеров или комбинация из тех и других [7, 8, 9, 10]. Их конструкции, места размещения, способы соединения с рамой или с корпусом трансмиссии, с полом или стойками кабины у каждой машины разные. Для подрессоривания кабин тракторов семейств ДТ и ВТ производства ВгТЗ используются виброизоляторы из эластомера, конструкция которых показана на рис. 1.
Рис. 1. Виброизолятор подвески кабин тракторов семейств ДТ и ВТ производства ВгТЗ
Количество и размещение виброизоляторов неодинаково для разных машин этих семейств. Они довольно удовлетворительно зарекомендовали себя в эксплуатации [1, 8, 9], хотя совершенствованию их конструкции и упруго-демпфирующих характеристик при создании машин новых поколений не уделялось внимания, материал эластомера и конструкция виброизолятора остаются неизменными на протяжении всего времени производства машин. В идеальном случае для подрессоривания кабины каждой машины должны создаваться виброизоляторы с характеристиками, необходимыми для обеспечения комфортной работы оператора именно этой машины. Для того, чтобы получить упруго-демпфирующие характеристики штатных виброизоляторов, выполнен ряд экспериментальных исследований.
Исследование статической жесткости
Авторским коллективом предложен ряд новых технических решений стендов для испытаний виброизоляторов [3, 4, 5, 6]. Экспериментальное исследование статической жесткости виброизоляторов выполнялось на стенде, схема которого приведена на рис. 2 [1, 2, 3, 7, 8, 9, 10].
1 - рама стенда; 2, 6 - вертикальные стойки; 3 - ось качания; 4 - качающийся рычаг; 5 - груз; 7 - устройство регистрации деформаций; 8 - спусковое устройство; 9 - верхняя опора испытуемого виброизолятора; 10, 12 - опорные ножки; 11 - нижняя опора испытуемого виброизолятора; 13 - испытуемый виброизрлятор; 14 - болты крепления рамы
Во время исследований осуществлялась ступенчатая нагрузка-разгрузка репрезентативной партии виброизоляторов в соответствии со схемой (рис. 3) грузами весом по 40 Н [1, 7, 9].
119
Рис. 3. Схема для экспериментального исследования жесткости виброизоляторов:
1 - балка качающегося рычага; 2 - виброизолятор; 3 - ось качания; 4 - грузы; 5 - индикаторная головка
За счет соотношения плеч звеньев, передающих на стенде нагрузку от веса груза к виброизолятору, в конце цикла обеспечивалась нагрузка, соответствующая доле приходящейся на виброизолятор статической нагрузки от веса кабины. В качестве регистрирующего прибора использовалась индикаторная головка. Нагрузка-разгрузка каждого виброизолятора повторялась 5 раз. Таким образом определялась статическая вертикальная (осевая) жесткость виброизоляторов. В результате обработки результатов исследования получены упругие характеристики виброизоляторов данного типа (рис. 4) [1, 2, 7].
а
б
Рис. 4. Упругие характеристики виброизоляторов:
а - зависимость деформации от нагрузки; б - зависимость осевой жесткости от деформации
На рис. 4 а точечной линией показана упругая характеристика самого жесткого виброизолятора партии, пунктирной линией -самого мягкого, сплошной линией - осредненная упругая характеристика виброизоляторов партии, а двойной тонкой линией -средняя за цикл нагрузка-разгрузка. Анализ этих характеристик свидетельствует о том, что максимальное отклонение деформации виброизоляторов при максимальной нагрузке составляет 30 % от средней величины для партии. В рабочей области упругая характеристика виброизоляторов данного типа близка к линейной. Существенная нелинейность наблюдается только на участках начала нагрузки и разгрузки [1, 2, 7].
Характеристики осевой жесткости виброизоляторов от деформации представлены на рис. 4 б, точечной линией - самого жесткого, пунктирной - самого мягкого, сплошной - осредненная характеристика для партии. Отклонение жесткости от средней величины также составляет 30 %. Осредненная характеристика имеет участок, на котором жесткость уменьшается при увеличении деформации - это имеет место при деформациях в диапазоне от 0 до 0,65 мм. На следующем участке, от 0,65 до 1,95 мм, жесткость остается практически постоянной. При дальнейшем росте деформации от 1,95 до 2,60 мм наблюдается увеличение жесткости от 275000 до 490000 Н/м.
Таким образом, для данного типа виброизоляторов величина максимальной вертикальной (осевой) статической жесткости находится в диапазоне от 390000 до 540000 Н/м.
Исследование динамической жесткости
Динамическую жесткость виброизолятора определяют по следующей зависимости [11]:
120
P
Cdin = SC0s АФ ,
где P - амплитуда действующей на виброизолятор динамической силы;
S - амплитуда виброперемещения;
Дф - сдвиг фаз между динамической силой и виброперемещением.
На стенде (рис. 2) выполнена серия экспериментальных исследований динамической жесткости репрезентативной партии виброизоляторов. Исследования выполнялись при работе виброизоляторов в режиме свободных (затухающих) колебаний, которые получались в результате импульсного воздействия на виброизолятор от веса груза при срабатывании спускового устройства. При исследовании каждого из них, в соответствии с выше приведенной формулой, записывалась осциллограмма процесса изменения действующей на виброизолятор динамической силы P и деформации S виброизолятора. На рис. 5 приведена осредненная для репрезентативной партии виброизоляторов запись этих процессов [1, 2, 7].
В табл. 1 приведены значения динамической силы, деформации и рассчитанные по выше приведенной формуле значения динамической жесткости, определенные для амплитудных точек первых четырех циклов колебаний (рис. 5).
Таблица 1Динамическая сила, деформация и динамическая жесткость
№ цикла 1 2 3 4
P, Н 572,3 532,2 344,4 349,6
S, мм 1,33 1,17 0,99 0,88
C, кН/мм 4,01 4,01 3,08 3,44
Для расчета величины динамической жесткости в каждой из этих четырех точек определено значение cos Дф. Угол ф определялся из отношения величины смещения (запаздывания) по времени амплитудных точек динамической силы P и деформации S на графике для каждого цикла колебаний. Его величина в градусах определялась из пропорции отношения времени запаздывания к времени полного цикла (360°) колебаний.
S, мм
S-----P
P, Н
t, c
Рис. 5. Осредненная осциллограмма Таким образом, для данного типа виброизоляторов величина динамической жесткости
находится в диапазоне от 3,1 до 4,0 кН/мм.
Полученные результаты исследований свидетельствуют о том, что при таких упруго-демпфирующих свойствах штатных виброизоляторов подвески кабин тракторов семейств ДТ и ВТ производства ВгТЗ достаточно сложно обеспечить комфортные условия работы оператора. Упругие свойства виброизоляторов недостаточны, так как даже при максимальной нагрузке их деформация (то есть ход подвески) составляет величину, меньшую 1,5 мм. Элементарные подсчеты показывают [1, 9], что при весе кабины примерно в 8 кН и наличии в подвеске от 4 до 6 виброизоляторов (для разных машин семейств ДТ и ВТ) частота собственных колебаний кабины будет находиться в диапазоне от 11 до 22 Гц. Известно, что для человека-оператора область комфортных частот колебаний находится в районе 1 - 1,5 Гц [9]. Следовательно, необходимо совершенствование конструкции виброизоляторов с тем, чтобы обеспечить более эффективное подрессоривание кабины.
Литература
1. Победин, А.В. Испытания виброизоляторов на стенде / А.В. Победин, К.В. Шеховцов // Изв. ВолгГТУ. Серия "Наземные транспортные системы". Вып. 4: межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2011. - № 12. - C. 41-43.
2. Ляшенко, М. В. Лабораторная установка для испытаний виброизоляторов / М.В. Ляшенко, А.В. Победин, К.В. Шеховцов // Вестник Академии военных наук. - 2011. - № 2 (спецвыпуск). - С. 270 - 274.
3. 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 ВолгГТУ. - 2011.
4. 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; ВолгГТУ. - 2012.
5. 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; ВолгГТУ. - 2012.
6. 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; ВолгГТУ. - 2012.
7. Шеховцов, К.В. Испытания виброизоляторов кабины трактора [Электронный ресурс] / К.В. Шеховцов // Инженерный вестник Дона: электронный журнал. - 2012. - № 1. - C. URL: http://ivdon.ru/magazine/latest/n1y2012/639/.
8. Стендовое оборудование для испытания виброизоляторов кабины трактора / А.В. Победин, М.В. Ляшенко, К.В. Шеховцов, З.А. Годжаев // Тракторы и сельхозмашины. - 2012. - № 7. - C. 43-48.
121
9. Шеховцов, К.В. Vibration Isolators's Laboratory Testing Plant / К.В. Шеховцов, А.В. 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.
10. Стенд для испытаний виброизоляторов [Электронный ресурс] / К.В. Шеховцов, А.В. 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). - C. 336-341. - URL:www.mami.ru/science/mami145/scientific/S_01htm.
11. ГОСТ 27242-87. Вибрация. Виброизоляторы. Общие требования к испытаниям. - Введ. 11.06.87. - М.: Стандартинформ, 1987. - 13 с.
Шеховцов В.В.1, Ляшенко М.В.2, Шевчук В.П.3, Победин А.В.4, Соколов-Добрев Н.С.5, Шеховцов К.В.6
1Доктор технических наук, доцент; 2 доктор технических наук, профессор, 3кандидат технических наук, профессор, 4кандидат технических наук, профессор, 5кандидат технических наук, доцент, 6аспирант; Волгоградский государственный технический
университет
ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ УПРУГО-ДЕМПФИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ ПОДВЕСКИ КАБИНЫ ТРАКТОРА
Аннотация
В статье описаны результаты анализа технических решений упруго-демпфирующих устройств, используемых для подрессоривания кабин современных отечественных и зарубежных тракторов. На основе анализа конструкций и условий работы виброизоляторов кабин сформулирована система требований к ним.
Ключевые слова: подвеска кабины трактора, виброизолятор, упруго-демпфирующие элементы.
Shekhovtsov V.V.1, Lyashenko M.V.2, Shevchuk V.P.3, Pobedin A.V.4, Sokolov-Dobrev N.S.5, Shekhovtsov K.V.6
1Doctor of Engineering Science, docent; 2Doctor of Engineering Science, professor; 3Candidate of engineering science, professor;4Candidate of engineering science, professor; 5Candidate of engineering science, docent; 6Post-graduate student; Volgograd State
Technical University
EXPERIMENTAL DETERMINATION OF TRACTOR CABIN VIBRATION ISOLATORS CHARACTERISTICS
Abstract
The article describes the results of the analysis of technical solutions of elastic and damping devices, that are used in cabin suspensions of todays tractors. On the basis of the constructions analysis and work conditions of tractor cabin vibrations isolators the system of requirements is developed.
Keywords: tractor cabin suspension, vibration isolator, elastic damping elements.
В настоящее время для подрессоривания кабин современных отечественных тракторов наиболее часто используются пружинные виброизоляторы и виброизоляторы из эластомеров. Их конструкции, места размещения, способы соединения с рамой или с корпусом трансмиссии, с полом или стойками кабины у каждой машины разные. Системы подрессоривания кабин современных зарубежных тракторов обычно более сложные, они включают в себя пружинные виброизоляторы, виброизоляторы из эластомеров, пневматические и гидравлические упругие элементы и гасители колебаний, механические и иные стабилизаторы подвески [4, 5, 6, 7, 8, 9].
Для подрессоривания кабин гусеничных сельскохозяйственных тракторов семейств ДТ и ВТ производства ВгТЗ используются виброизоляторы из эластомера, конструкция которых показана на рис. 1 [8, 9, 10]. Они удовлетворительно зарекомендовали себя в эксплуатации, хотя совершенствованию их конструкции и упруго-демпфирующих характеристик при создании машин новых поколений не уделялось внимания, материал эластомера и конструкция виброизолятора остаются неизменными на протяжении всего времени производства машин [8, 9]. В идеальном случае для подрессоривания кабины каждой машины должны создаваться виброизоляторы с характеристиками, необходимыми для обеспечения комфортной работы оператора именно этой машины.
Рис. 1. Виброизолятор подвески кабин тракторов семейств ДТ и ВТ производства ВгТЗ
Выполнен анализ запатентованных технических решений виброизоляторов преимущественно для использования в подвеске кабины. Рассмотрены конструкции устройств с металлическими, пневматическими упругими элементами и элементами из эластомеров, с сухим и жидкостным демпфированием [4, 5, 6, 7, 8, 9].
Исходя из условий работы, наиболее подходящими для подвески кабин являются виброизоляторы со следующими свойствами:
• с высокой надежностью и долговечностью;
• не требующие частого технического обслуживания и регулировок в процессе эксплуатации;
• сохраняющие постоянство упругих и демпфирующих свойств в течение всего времени эксплуатации;
• способные эффективно работать в диапазонах низких, средних и высоких частот воздействий;
• с автоматически адаптационно подстраивающейся под характер воздействий упруго-демпфирующей характеристикой;
• способные, кроме осевых, воспринимать боковые нагрузки и эффективно гасить вертикальные, продольноугловые и поперечно-угловые колебания кабины.
В настоящее время этому списку требований наиболее полно удовлетворяют виброизоляторы, содержащие комбинацию воспринимающих осевые и боковые нагрузки металлических, резиновых, иногда пневматических упругих элементов, при
122
