CC BY
48
SCIENCE TIME
ХАРАКТЕРИСТИКИ ВИБРОЗАЩИТНЫХ ПОДВЕСОК ДЛЯ ОПЕРАТОРОВ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ
Кочетов Олег Савельевич, Московский государственный университет приборостроения и информатики
E-mail: [email protected]
Аннотация. В статье приведены исследования новых средств защиты человека-оператора от повышенных уровней вибрации. Приведены конструктивные схемы виброизолирующих подвесок сиденья для человека-оператора и виброизолированных помостов для обслуживания виброактивного оборудования.
Ключевые слова: подвеска сиденья, виброизолированный помост, математическая модель, направляющий механизм, виброизолирующее устройство, демпфер сухого трения.
В связи с тем, что вибрация является одним из основных вредных производственных факторов, то одной из актуальных задач исследователей на современном этапе является создание эффективных технических средств виброзащиты производственного персонала в виде сидений [1] и помостов [2].
Подвеска сиденья [3] и виброизолирующая система помоста [4] для человека-оператора должны обладать равночастотными свойствами, т.е. эффективностью, которая бы незначительно менялась от нагрузки, при ее изменении до 50% (вес операторов изменяется от 60 ...120 кг), при этом частота собственных колебаний виброизолирующих подвесок и систем с оператором должна находиться в диапазоне частот 2...5 Гц, т.е. быть ниже частот вибровозбуждения основного класса технологических машин и оборудования.
На рис.1 изображен общий вид виброзащитного сиденья с равночастотными свойствами [1]. Виброзащитная подвеска сиденья содержит механизм стабилизации крена, состоящий из цилиндрического корпуса 1, к которому крепится подушка сиденья, кареток 2 и 3 с упругими элементами 4 и 5, причем корпус 1 через ось 6 соединен с параллелограммным механизмом, состоящим из подвижной 7 и неподвижной 10 П-образных скоб. Рычаги 9 параллелограммного механизма расположены в опорах качения 8, а упругий
т-
151
элемент 11 имеет возможность настройки заданной на вес оператора жесткости системы посредством регулирующего механизма 12.
Рис.1 Общий вид подвески сиденья с направляющим механизмом параллелограммного типа
Вертикальные вибрации, передаваемые на сиденье оператора, гасятся упругим элементом 11, а горизонтальные - упругими элементами 4 и 5 в механизме стабилизации крена.
Упругие элементы виброизолятора 4 у помостов могут быть выполнены в виде цилиндрических винтовых пружин [5], или пакета тарельчатых упругих элементов [6,7], состоящих из последовательно соединенных тарельчатых упругих элементов 3 (рис.2), внутренняя поверхность которых взаимодействует с расположенной с ними соосно втулкой 2, жестко связанной со стержнем 6, проходящим через отверстие в опорной поверхности 7 помоста. Стопорный механизм, используемый при перевороте помоста во время уборки цеха, представлен контргайками 5 и 6. На (рис.3) изображена конструктивная схема виброизолятора, когда пакет тарельчатых упругих элементов центрируется по внешнему диаметру
Для аналитического исследования виброколебаний в механической системе «помост-оператор» или «сиденье-оператор» и для выбора рациональных и оптимальных конструктивных параметров виброизолирующих устройств для этих объектов, необходима математическая модель, адекватно описывающая динамику процесса виброизоляции. Данным требованиям отвечает двухмассовая модель (рис.4) системы «объект-оператор» [3,4], учитывающая биодинамические характеристики тела человека-оператора. В этой модели тело человека-оператора представлено в виде динамического гасителя колебаний с массой m1, жесткостью С и демпфированием Ь1 , а масса, жесткость и демпфирование виброизолирующего помоста соответственно тп ,сп и Ьп , причем Z1 и Z2 -абсолютные перемещения соответственно масс т1 и тп, а и — абсолютное
SCIENCE TIME
перемещение основания (межэтажного перекрытия) производственного помещения.
Рис.2 Общий вид виброизоляторов Рис.3 Общий вид виброизоляторов
для помоста с тарельчатыми упругими для помоста с тарельчатыми упруги-
элементами, с центрированием по ми элементами, с центрированием по
внутреннему диаметру внешнему диаметру #
В рамках выбранной модели динамика рассматриваемой системы виброизоляции описывается следующей системой обыкновенных дифференциальных уравнений:
ms
1s2 Z + bls(Z1 - Z 2) + q (Z1 - Z 2) = 0,
m2S2Z2 + bAZ2 - Z1) + C1 (Z2 - Z1) + b2S(Z2 - U) + C2 (Z2 " U) = 0
(1)
Рис.4 Математическая двухмассовая модель системы «объект-оператор»
SCIENCE TIME
В работе [1] представлен анализ виброизолирующих свойств системы через передаточную функцию Т(б) по каналу «виброскорость основания -виброскорость сиденья», где б = jw комплексная частота, j - мнимая единица, w -круговая частота колебаний. Передаточная функция Т(б) найдена из (1) посредством метода преобразования Лапласа:
г.
T (s) = т2
{m1s2 + b1s + c1 )(b2 s + c2)
U (m1s2 + b1s + c1){m2 s2 + b1s + c1 + b2 s + c2)- (bjS + c1)
(2)
На рис.5а представлено сиденье водителя сельскохозяйственной техники [8,9], которое содержит основание 1, каркас 2 с подушкой 5 и спинкой 6, связанные между собой посредством рычажного направляющего устройства 3. К каркасу 2 прикреплена планка 7, которая связана посредством шарнирного рычага 9 с основанием виброизолирующего устройства 8. К каркасу 2 крепится устройство 4 электрического типа для обогрева подушки и спинки сиденья.
Рис.5 Общий вид подвески сиденья: а)с рычажным направляющим механизмом, б) с направляющим механизмом типа «ножницы».
На рис.5б представлено сиденье оператора самоходной техники [10], которое содержит основание 1, каркас 2 с подушкой 4 и спинкой 5, связанные между собой посредством направляющего устройства 3, выполненного по типу «ножниц», причем к каркасу 2 прикреплен кронштейн 6, связанный шарнирно с опорной плитой 8 виброизолирующего устройства 7. Виброизолирующее
SCIENCE TIME
устройство каждой из представленных схем сиденья оператора может быть выполнено с демпфером сухого трения [11,12]: втулочного (рис.ба) или лепесткового (рис.бб) типов. Втулочный демпфер сухого трения (рис.ба) содержит упругий элемент 4, корпус 1, который выполнен в виде двух оппозитно расположенных относительно торцев цилиндрической винтовой пружины 4 верхней 2 и нижней 1 полых гильз Т-образной формы, фиксирующих пружину 4 своей торцевой поверхностью. На торце верхней гильзы 2 закреплена упругая втулка 3, с жесткостью, превосходящей жесткость пружины 4 в десять раз. Втулка 5 выполнена из фрикционного материала и расположена между внешней поверхностью верхней гильзы 2 и внутренней поверхностью нижней гильзы 1, которая с требуемым усилием прижимает втулку 5 из фрикционного материала к внешней поверхности верхней гильзы 2, создавая при этом эффект «сухого трения».
Демпфер сухого трения лепесткового типа (рис.бб) содержит упругий элемент 3, корпус 1, который выполнен в виде двух оппозитно расположенных относительно торцев цилиндрической винтовой пружины 3 верхней 2 и нижней 1 втулок, фиксирующих пружину 3 своей внешней поверхностью. Демпфирующий элемент сухого трения выполнен в виде, по крайней мере трех упругих лепестков 4, жестко связанных с нижней втулкой 1, и охватывающих с определенным усилием внешнюю поверхность пружины 3. Изнутри лепестки 4 покрыты слоем фрикционного материала 5, усиливающего эффект «сухого демпфирования».
а)
б)
Рис.б Общий вид виброизолирующего устройства подвески сиденья с демпфером сухого трения: а) втулочного типа, б) с лепестками
На ПЭВМ по предложенной модели был проведен анализ динамических характеристик и найдены рациональные технические параметры подвески
сиденья для операторов основовязальных машин с учетом регламентируемых санитарно-гигиенических требований. В расчетах задавались следующие параметры:
- человека-оператора - Ш1=80кг, Ь1=52700 Н/м, С1=1070 Нс/м;
- подвески сиденья - ш2=50кг, Ь2=90000 Н/м, с2=5000 Нс/м. Результаты расчетов позволили определить оптимальные параметры
виброизолированной подвески сиденья оператора: собственная частота колебаний - 12,56 рад/сек, относительное демпфирование - 0,5.
2.127
1.773
1.418
1.064
0.709
0.355
И\л/
/ \
/
/ Ь2=1.0 0
// Ь2=и. /// Ь2=0.5 ь 0
таг-в?«
э
50
100
150
200
250
300
Рис. 7 Динамические характеристики системы «оператор на виброизолирующем помосте» при следующих параметрах: Р1 = 80 кГс; = 25,4 с-1 ; Ь1 = 0,6;
Р2 = 50 кГс; ^^ = 62,8 с-1 ; Ь2 (уаг 0...1)
Таким образом, результаты расчета подтвердили правильность выбора математической модели для расчета амплитудно-частотных характеристик на ПЭВМ с учетом биодинамических характеристик тела человека-оператора, которое ведет себя в этих системах как динамический гаситель колебаний с частотой порядка 4 Гц. Разработанные конструкции виброизолирующих подвесок сиденья и помоста человека-оператора с собственной частотой подвеса порядка 12,56 рад/с и относительным демпфированием, равным 0,5, могут применяться на рабочих местах с повышенным уровнем вибрации, при этом снижение вибрации наблюдается до 2...3 раз, и укладывается в снитарные
нормы [13]. Литература:
1.Кочетов О. С. Расчет виброзащитного сиденья оператора. Журнал «Безопасность труда в промышленности», № 11, 2009, стр.32-35.
2. Кочетов О.С., Щербаков В.И., Филимонов А.Б., Терешкина В.И. Двухмассовая механическая модель виброизолирующего помоста основовязальных машин // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности.- 1995, № 5.С. 92...95.
3. Сажин Б.С., Кочетов О.С., Пирогова Н.В., Петухова И.В. Расчет динамических характеристик подвески сиденья для текстильных машин // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности.- 2000, № 1.С. 95... 100.
4. Сажин Б.С., Кочетов О.С., Чунаев М.В., Швецова И.Н. Расчет на ПЭВМ динамических характеристик виброизолирующего помоста основовязальных машин // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности.- 2001, № 6.С.87...93.
5. Кочетов О.С., Кочетова М.О., Ходакова Т.Д., Петухова А.В. Виброизолированный помост. // Патент РФ на изобретение № 2298120. Опубликовано 27.04.2007. Бюллетень изобретений № 12.
6. Кочетов О. С. Виброизолированный помост для оператора. // Патент РФ на изобретение № 2385429. Опубликовано 27.03.2010. Бюллетень изобретений № 9.
7. Кочетов О.С., Стареева М.О. Виброизолированный помост оператора. // Патент РФ на изобретение № 2451850. Опубликовано 27.05.2012. Бюллетень изобретений № 15.
8. Кочетов О. С., Кочетова М.О., Ходакова Т.Д. Сиденье оператора самоходной техники. // Патент РФ на изобретение № 2281864. Опубликовано 20.08.2006. Бюллетень изобретений № 23.
9. Кочетов О.С., Кочетова М.О., Ходакова Т.Д., Шестернинов А.В., Елин А.М., Куличенко А.В. Сиденье водителя сельскохозяйственной техники. // Патент РФ на изобретение № 2279358. Опубликовано 10.07.2006. Бюллетень изобретений № 19.
10. Кочетов О.С. Сиденье водителя самоходной техники. // Патент РФ на изобретение № 2381919. Опубликовано 20.02.2010. Бюллетень изобретений № 5.
11. Кочетов О.С., Кочетова М.О., Ходакова Т.Д., Шестернинов А.В., Стареев М. Виброизолятор с демпфером сухого трения. // Патент РФ на изобретение № 2282076. Опубликовано 20.08.2006. Бюллетень изобретений № 23.
12. Кочетов О.С., Кочетова М.О., Ходакова Т.Д., Шестернинов А.В., Стареев М. Е. Виброизолятор с сухим трением. // Патент РФ на изобретение № 2279592. Опубликовано 10.07.2006. Бюллетень изобретений № 19.
13. ГОСТ 12.1.012 - 90. ССБТ. Вибрация. Общие требования безопасности. М.: Госстандарт,1991,-31 с.
