CC BY
9
Приняв &=0.08 и ^ =0.05, получим
и = 2.5
где p0 - давление открытия клапана.
Перемещение ЗРЭ и его жесткость определим, используя ранее принятое допущение, что
сх -Ъг
~ = к1 ро , откуда Я
с_к\ Ро/ х =_ <2
, ■ Ь Ро(1 + к) ' иила sin« 2-
v р
где а - угол направления потока (рис. 1); ц - коэффициент расхода, зависящий от числа Рейнольдса, р - плотность рабочей жидкости.
IV. Выводы
Разработана методика расчёта регуляторов давления нового типа по заданным режимам его работы с учётом свойств запорно-регулирующего элемента (ЗРЭ) позволяет определить основные параметры конструкции регулятора (размер подводного канала, скорость потока жидкости и жёсткость запорно-регулирующего элемента).
Список литературы
1. Данилов Ю. А. [и др.]. Аппаратура объемных гидроприводов. М.: Машиностроение, 1990. 272 с.
2. Biettel K. Flussigkeitsfedern, Technischer Informationsdienst. ZEK Hydraulik, Leipzig. 1964. № 1.
3. Syrkin V. V., Treyer V. A. Dynamics of an indirect hydraulic pressure regulator with an elastic element // Russian Engineering Research. 2016. Vol. 36, Is. 4. Pp. 270-272.
4. Пат. 165980 Российская Федерация, МПК F16 K 17/10. Регулятор давления / Трейер В. А., Сыркин В. В., Лугонес Алонсо Карлос Рафаэл. № 2015155517/06; заявл. 23.12.2015; опубл. 10.11.2016, Бюл. № 31.
УДК 621.879
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ КОММУНАЛЬНОЙ МАШИНЫ НА ВИБРОНАГРУЖЕННОСТЬ РАБОЧЕГО МЕСТА ОПЕРАТОРА
INVESTIGATION OF THE INFLUENCE OF THE OPERATING PARAMETERS OF THE UTILITY MACHINE ON THE VIBRATION OF THE OPERATOR'S WORKING PLACE
И. А. Тетерина, П. А. Корчагин, Д. С. Алешков
Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет, г. Омск, Россия
I. A. Teterina, P. A. Korchagin, D. S. Aleshkov
Siberian Automobile and Highway University, Omsk, Russia
Аннотация. Статья посвящена актуальной на сегодняшний день теме - снижению вибронагруженно-сти рабочего места оператора путем совершенствования системы виброзащиты с учетом эксплуатационных параметров дорожных машин. Предыдущие экспериментальные исследования показали, что основными источниками динамических воздействий на рабочем месте оператора являются взаимодействие рабочих органов с обрабатываемой поверхностью и взаимодействие элементов ходового оборудования с неровностями микрорельефа. В работе показаны результаты исследований, отражающие степень влияния этих источников на вибронагруженность рабочего места оператора. Составлена математическая модель подсистемы «микрорельеф», позволяющая определять степень влияния этих источников на вибро-нагруженность рабочего места оператора. Результаты проведенных исследований представлены в виде графических зависимостей, которые отражают взаимосвязь коэффициентов жесткости элементов подвески кабины и кресла оператора, типа дорожного покрытия, величины неровностей микрорельефа и скорости движения коммунальной машины в рабочем и транспортном режимах. Учет эксплуатацион-
ных параметров при проектировании строительно-дорожных машин позволяет создавать более эффективные системы виброзащиты, адаптируемые под условия выполнения рабочего процесса.
Ключевые слова: вибрация, вибрационная защита, рабочий и транспортный режимы, математическое моделирование, дорожная машина.
Второе место среди профзаболеваний операторов дорожных коммунальных машин занимает вибрационная болезнь [1]. Основной профилактикой ее является максимально возможное снижение действия вибрации на организм [2]. С целью предупреждения развития вибрационной болезни необходимо создание оборудования, механизмов и транспортных средств, максимально снижающих вибрационные нагрузки на операторов этих машин [3].
Создание эффективных виброзащитных систем - задача актуальная [4]. Основная трудность задачи снижения вибрации на рабочем месте оператора дорожных машин состоит в том, что вибрация на этих машинах имеет наибольшую интенсивность в области низких частот (от 1 до 10 Гц) [3]. Это требует создания систем вибрационной защиты, обладающих низкой собственной частотой колебаний.
На сегодняшний день задачи, связанные с обеспечением эргономических показателей труда операторов строительно-дорожных машин, остаются до конца нерешенными. Наибольших научных достижений в области проектирования систем виброзащиты путем создания подвесок кабин и кресел операторов добились Хачатуров А.А., Ходакова Т.Д., Гайцгори М.М., Кочетов О.С. [4,5]. В настоящее время активную работу в области создания эффективных систем виброзащиты ведут: Кошелев Ю.В., Кутьков Г.М., Сорокин В.Н., Фоминова О.В.[4].
Вибронагруженность рабочего места оператора коммунальной машины определяют как конструктивные, так и эксплуатационные параметры [3]. Одним из эксплуатационных параметров является скорость. Относительно коммунальной техники корректно рассматривать не только скорости рабочего, но и транспортного режимов. Кроме этого, вид дорожного покрытия, по которому совершаются движение и рабочий процесс, выполняемый коммунальной машиной, в статье отнесен к эксплуатационным параметрам. Для изучения влияния рабочих и транспортных скоростей машины, вида микрорельефа на вибронагруженность рабочего места оператора были проведены исследования, позволяющие определить связь между этими параметрами. Представлен алгоритм математической модели "микрорельеф", являющийся одной из частей подсистемы "возмущающие воздействия", наряду с такими ее элементами, как "силовая установка", "рабочие органы". Результаты исследований представлены в виде графических зависимостей и отражают связь эксплуатационных и конструктивных параметров машины.
Необходимость рассмотрения микрорельефа поверхности как одной из причин возникновения вибрации на рабочем месте оператора обусловлена тем, что неровности микрорельефа при взаимодействии с ходовым оборудованием и рабочими органами коммунальных машин являются одной из основных причин вибронагружен-ности рабочего места оператора [6,7]. Изучение влияния этого параметра позволит моделировать виброзащитные системы с учетом условий работы коммунальных машин и адаптировать под них рабочее место, снижая тем самым величину динамических воздействий на рабочем месте оператора.
Определены две основные статистические характеристики микрорельефа дороги по длине участка Ьм— это спектральная плотность S(шмк) и корреляционная функция Я(1мк) .
Спектральная плотность S(юмк) дает описание частоты повторения длин неровностей [8]. Корреляционная функция Я(мк) описывает изменения микрорельефа по длине участка [7].
Определить спектральную плотность случайной величины относительно ее математического ожидания S(coмк) можно, зная корреляционную функцию Я(мк) микрорельефа, используя преобразование Фурье [8]:
DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-1-128-135
I. Введение
II. Постановка задачи
III. Теория
| ад
S(w ) = — • R(l ) • cos(ш • l )dl ,
' мк / J мк / X^мк мк f мк?
(2)
где а>мк - аргумент спектральной плотности (путевая частота).
Большая часть нормированных корреляционных функций аппроксимируется выражением [8]
R(lмк ) = Ar e-a'I'-l + A2-
•cos(Pk 'мк )>
Ч е ' А2 е \Гк 1 мк ¡'
где Щ1мк) - путевая координата, для которой при 1мк = 0 А1+А2=1; а1 и а2 - коэффициенты, характеризующие затухание корреляционной функции микрорельефа; в - коэффициент, характеризующий частоту периодической составляющей микрорельефа.
В ряде случаев предусматривается аппроксимация более простым выражением [6]
R(lж) = е ^
(4)
Выбор изучаемых корреляционных функций и спектральных плотностей обусловлен особенностями работы и условиями эксплуатации коммунальных машин, выполняющих рабочий процесс только на поверхности с твердым покрытием (табл. 1) [4,8].
ТАБЛИЦА 1
КОРРЕЛЯЦИОННЫЕ ФУНКЦИИ ТИПОВ ТВЕРДОГО ДОРОЖНОГО ПОКРЫТИЯ
Вид дорожного покрытия Корреляционные функции
Асфальтобетонное покрытие R(lMK) = 0,85 • е~0,2'/мк| + 0,15 • е-0'51 /мк| • cos 0,6 lMK
Цементобетонное покрытие R(l мк ) = e~0,15|U
Булыжная мостовая R(l^ ) = 0,85 • е-0,51 /мк| + 0,15 • е-0,21 /«1 • cos 2
Для корректного составления математической модели микрорельефа [8] необходимо учитывать сглаживающие характеристики пневматических шин [6] как элементов ходового оборудования [6].
Колеса коммунальной машины контактируют с поверхностью дороги на площади длиной 2ХМ0[7]. При рассмотрении процесса движения колесных коммунальных машин по поверхности дороги нивелирующая способность шин описывается уравнением [8]
1 n+k Z(l ) = — •Уz(l ),
\ мк У д , / > V мк /' MC n-k
(5)
где к = 0.4(МС - 1); MC - интервал усреднения; 2(1мк) - ординаты несглаженного профиля; n - число точек сглаженного профиля.
При компьютерном моделировании стохастического процесса используется следующее рекуррентное уравнение [8]:
) = a0 • x(n) + a • x(n-1)+d • z(n-1)+ d • z(n- 2),
_ , _ C
где a0 = о• C; a = о• ^ , d, = 2 p cosy0 , d2
(6)
C
;a0 = о• C; a, = о —; d, = 2^p• cosy0; d2 =-p ; C0 = p(p -1) • cosy0; C, = 1 -p4;
p = e 1; у = a n; C =
C ±
C2 - 4 • c2
2
; Yo = в • n
здесь а - среднеквадратическое отклонение исходного профиля; а, р -коэффициенты затухания и периодичности корреляционной функции; п - шаг дискретности по времени Ьм.
Для компьютерного моделирования стохастической модели микрорельефа составлена подпрограмма в среде МаНаЪ в виде М-файла. Схема алгоритма математической модели подсистемы "микрорельеф" отражена на рис. 1.
Рис. 1. Cхема формирования неровностей микрорельефа
На рис. 2 отражен фрагмент реализации стохастической модели микрорельефа, реализованный в программном комплексе Matlab-Simulink.
Рис. 2. Фрагмент моделирования стохастической модели микрорельефа
IV. Результаты исследований
Проведенные исследования позволили установить зависимость влияния величины неровностей микрорельефа на вибронагруженность на рабочем месте оператора [4]. Также изучено влияние скорости рабочего и транспортного режимов на вибронагруженность рабочего места оператора. В рассматриваемый диапазон рабочих скоростей легли значения, равные 7,4 км/ч; 10,4 км/ч; 12,9 км/ч. В транспортном режиме коммунальной машины рассмотрены значения скорости 15 км/ч; 18 км/ч; 34 км/ч.
При исследовании типа дорожного покрытия изучалось движение [4] коммунальной машины по цементобе-тонному покрытию, значения величин неровностей которого от 0.5 до 1.0 см; по асфальтобетонному покрытию - от 1.1 до 2.0 см и булыжному покрытию - от 2.1 до 5.0 см.
Графические зависимости (рис. 3, 4) полученные в результате исследований, показали:
- на величину вибронагруженности рабочего места оператора существенно влияет скорость движения коммунальной машины, так как независимо от типа дорожного покрытия с увеличением скорости движения вибронагруженность рабочего места оператора снижается, что объясняется снижением частоты колебаний, возникающих от взаимодействия элементов ходового оборудования с неровностями микрорельефа [2];
- при движении коммунальной машины по цементобетонному покрытию вибронагруженность рабочего места минимальна. Наибольшая вибронагруженность рабочего места оператора наблюдается при движении коммунальной машины по булыжной мостовой [4].
Рис. 3. Зависимость вибронагруженности на кресле оператора
от скорости движения машины: 1 - булыжная мостовая; 2 - асфальтобетонное покрытие; 3 - цементобетонное покрытие
Рис. 4. Зависимость вибронагруженности на полу кабины от скорости движения машины: 1 - булыжная мостовая; 2 - асфальтобетонное покрытие; 3 - цементобетонное покрытие
Графические зависимости, полученные в результате исследования влияния величины неровностей микрорельефа в вертикальной плоскости [4] на величину вибронагруженности на рабочем месте оператора (кресло и пол кабины) в транспортном (рис. 6, 8) и рабочем (рис. 5, 7) режимах, показали, что, независимо от скорости движения и режима работы коммунальной машины, величина вибронагруженности на рабочем месте оператора возрастает с увеличением неровностей микрорельефа [9].
ф:м/с2 0,30
0.25 0,20 0.15 0,10 0,05
1 2 В
/
) 0,025 0,05 0,075 0,10 Км 0,125
Рис. 5. Влияние неровностей микрорельефа в рабочем режиме (при скорости: 1 - 7.4 км/ч; 2 - 10.4км/ч; 3 - 12.9 км/ч) на величину вибронагруженности на кресле оператора
45. М 0,18 0.16 0,14 0.12 0,10 0.08 0,06 0.04 0,02
0 0.025 0.05 0.075 0.10 Ь. м 0.125
Рис. 6. Влияние неровностей микрорельефа в транспортном режиме (при скорости: 1 - 15 км/ч; 2 - 18 км/ч; 3 - 34 км/ч) на величину вибронагруженности на кресле оператора
Рис. 7. Влияние неровностей микрорельефа в рабочем режиме (при скорости: 1 - 7.4 км/ч; 2 - 10.4 км/ч; 3 - 12.9 км/ч) на величину вибронагруженности на полу кабины
Ф, м с2 0.9 |—
0.2 -
0 0.025 0.05 0.075 0.10 Км 0.125
Рис. 8. Влияние неровностей микрорельефа в транспортном режиме (при скорости: 1 - 15 км/ч; 2 - 18 км/ч; 3 - 34 км/ч) на величину вибронагруженности на кресле оператора
В результате проведенных исследований было установлено следующее[10]:
1) меняя коэффициенты жесткости подвесок кабины и кресла оператора и увеличивая скорость движения коммунальной машины, достигается снижение вибронагруженности рабочего места оператора;
2) скорости рабочего режима в большей степени оказывают влияние на вибронагруженность рабочего места оператора, так как разница в величине значений виброускорения при варьировании скоростей рабочего режима больше, а значения виброускорения на рабочем месте оператора выше, чем в транспортном режиме.
V. Выводы и заключение
Проведенные с использованием математической модели «микрорельеф» исследования позволяют определить влияние эксплуатационных параметров машины на вибронагруженность рабочего места оператора и установить рациональные с точки зрения виброзащиты интервалы значений коэффициентов жесткости элементов подвесок кабины и кресла оператора. Корреляционная функция, которой был описан микрорельеф обрабатываемой поверхности, является достаточной его характеристикой и дает представление о его изменении по изучаемой длине участка. Неровности микрорельефа - всегда величина случайная. Стохастическая математическая модель "микрорельеф" позволяет моделировать движение коммунальной машины по обрабатываемой поверхности и учитывать при этом особенности реального микрорельефа местности.
Проектирование виброзащитных систем коммунальных машин с учетом скоростных режимов и типа дорожного покрытия дает возможность создавать более эффективные системы виброзащиты, адаптируемые под условия эксплуатации, в которых осуществляется рабочий процесс этих машин.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ 31192.1-2004. Вибрация. Измерение общей вибрации и оценка ее воздействия на человека. Ч. 1. Общие требования. М. : Стандартинформ, 2008. - 53 с.
2. Алешков Д. С., Столяров В. В., Суковин М. В. Разработка модели движения оператора на рабочем месте с целью улучшения условий труда путем снижения вибрационной нагрузки // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. № 8-2 С. 116-125.
3. Вибрация в технике: справочник. В 6 т. Т. 6 Защита от вибрации и ударов / под ред. К. В. Фролова. М.: Машиностроение, 1981. 456 с.
4. Тетерина И. А. Результаты экспериментальных исследований системы виброзащиты дорожной уборочно-подметальной машины на базе трактора МТЗ-80 // Омский научный вестник. 2015. № 2 (140). С 122-125.
5. Кочетов О. С., Ходакова Т. Д., Стареева М. О. Математическая модель виброзащиты человека-оператора // Science Time. 2015. № 2 (14). С. 98-104.
6. Корчагин П. А., Тетерина И. А. Совершенствование системы виброзащиты оператора коммунальной машины. // Динамика систем, механизмов и машин. 2017. Т. 5, №1. С. 41^5.
7. Сухарев Р. Ю., Старостин А. В. Алгоритм автоматической системы управления рабочим процессом гидравлического одноковшового экскаватора // Вестник СибАДИ. 2015. № 6. С. 106-111.
8. Denisova L.A., Meshcheryakov V.A. Automatic parametric synthesis of a control system using the genetic algorithm // Automation and Remote Control. 2015. Т. 76, № 1. С. 149-156.
9. Сорокин В.Н., Захаренков Н.В. Исследование активной пневматической системы демпфирования продольно-угловых колебаний автотранспортных средств // Вестник СибАДИ. 2004. № 2. С. 86-90.
10. Yong C., Virech W., David GZ. Investigation of Helicopter Seat Structural Dynamics for Aircrew Vibration Mitigation // J. of the American Helicopter. 2011. Vol. 56, no. 1. P. 72-78.
УДК 621
АНАЛИТИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРОЧНОСТИ ГРУНТОВ ПО ЧИСЛУ УДАРОВ ПАДАЮЩЕГО ГРУЗА ДИНАМИЧЕСКОГО ПРИБОРА
ANALYTICAL DETERMINATION OF SOIL STRENGTH PARAMETERS BY THE NUMBER OF IMPACTS OF THE FALLING LOAD OF THE DYNAMIC DEVICE
В. Н. Тарасов1, И. В. Бояркина1, Г. Н. Бояркин2
'Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет, г. Омск, Россия 2Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
V. N. Tarasov1, I. V. Boyarkina1, G. N. Boyarkin2
'Siberian State Automobile and Highway University, Omsk, Russia
2Omsk State Technical University, Omsk, Russia
Аннотация. Установлена аналитическая связь числа ударов с энергией сил тяжести падающего груза и прибора. Энергия, реализуемая при ударе по стержню, имеет две составляющие: энергия свободного падения груза при движении относительно корпуса, которая возникает до момента удара о буртик и энергия сил тяжести груза и корпуса, которая возникает дополнительно при вертикальном опускании на глубину погружения стержня в переходном процессе. Прочность грунта численно определяется по величине нормальных напряжений на торце стержня, погружаемого в грунт. Численное определение нормальных напряжений выполнено при помощи теоремы об изменении количества движения механической системы и теоремы об изменении кинетической энергии. Установлена идентичность численных значений величины нормального напряжения на торце стержня и удельной энергии процесса ударного погружения цилиндрического стержня в испытуемый грунт. Получена аналитическая связь энергии удара и параметров прочности грунта с параметрами динамического прибора: массой падающего груза, массой корпуса прибора, высотой падения груза, глубиной погружения стержня, геометрическим параметром прибора. Впервые для ударного прибора по теореме Карно определена потеря кинетической энергии и КПД процесса удара падающего груза при прямом неупругом ударе двух тел. Определены значения удельной энергии деформации грунта и нормальных напряжений под плоским торцем стержня для категорий грунтов в функции числа ударов динамического прибора.
Ключевые слова: энергия удара, падающий груз, ударное погружение, категория прочности грунтов, динамический прибор.
DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-1-135-142
I. Введение
В механике для определения прочности грунтов и материалов используют способ ударного погружения цилиндрического стержня заданной длины и диаметра в испытуемые грунты и материалы.
Коллектив авторов Se-Na Lee, Bum-Jae You, Mee-Seub Limb, Sang- Rok-Oh, Song-Soo Han, Sang Heon Lee в работе [1] исследуют процесс создания блочного основания путем погружения свай в грунт. Для визуального наблюдения процесса погружения сваи используется высокоскоростная линейно-сканирующая камера. Условия погружения характеризуются уровнем частоты колебаний 20 кГц, при котором возможен отскок ударной части от сваи при окончании процесса забивки, который называют «отказы сваи».
