CC BY
43
SCIENCE TIME
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВИБРОЗАЩИТЫ ЧЕЛОВЕКА-ОПЕРАТОРА
Кочетов Олег Савельевич, Московский государственный университет приборостроения и информатики,
Ходакова Татьяна Дмитриевна, Московская финансовая Юридическая академия,
Стареева Мария Олеговна, Российская государственная библиотека, г. Москва
E-mail: [email protected]
Аннотация. В работе приведены материалы исследований средств защиты ^ человека-оператора от повышенных уровней вибрации с применением Q математической двухмассовой модели системы «человек-оператор». Приведены конструктивные схемы виброизолирующих подвесок сидений и виброизолированных помостов для обслуживания виброактивного оборудования.
Ключевые слова: система «человек-оператор», подвеска сиденья, виброизолированный помост, математическая модель, направляющий механизм, виброизолирующее устройство, демпфер.
Вибрация является одним из основных вредных производственных факторов, поэтому одной из актуальных задач исследователей на современном этапе является создание эффективных технических средств виброзащиты человека-оператора [13,14,15] в виде сидений (рис.1 и 2) [1,3] и помостов (рис.3 и 4) [2,4].
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 элемент 11 имеет возможность настройки заданной на вес оператора жесткости системы посредством регулирующего механизма 12.
98
а
Вертикальные вибрации, передаваемые на сиденье оператора, гасятся упругим элементом 11, а горизонтальные - упругими элементами 4 и 5 в механизме стабилизации крена.
Рис. 1 Подвеска сиденья с направляющим механизмом параллелограммного типа
о
о
Рис. 2 Подвеска сиденья с направляющим механизмом типа «ножницы»
Упругие элементы виброизолятора 4 (рис.3) 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.4).
99
а
Рис. 3 Виброизолированный помост подвесного типа: 1-настил, 2-виброизолятор, 3-рама, 4-опорный узел подвесного типа
Рис. 4 Виброизолятор для помоста опорного типа: 1-основание, 2-стержень, 3-шайба, 4-тарельчатые упругие элементы, 5-направляющие кольца,
6-ограничители, 7-рама
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. 5) системы «человек-оператор» [3, 4], учитывающая биодинамические характеристики тела человека-оператора. В этой модели тело человека-оператора представлено в виде динамического гасителя колебаний с массой mi, жесткостью ci и демпфированием bi, а масса, жесткость и демпфирование виброизолирующего помоста соответственно тп ,сп и Ьп, причем Z1 и Z2 - абсолютные перемещения соответственно масс т1 и тп, а U — абсолютное перемещение основания (межэтажного перекрытия)
производственного помещения. 10
10 0
а
В рамках выбранной модели динамика рассматриваемой системы виброизоляции описывается следующей системой обыкновенных дифференциальных уравнений:
imjs2Zj + bls{zj - Z2)+cj (Zj - Z2 ) = 0,
[m2s2Z2 + bjs(z2 - Zj)+cj (Z2 - Zj)+b2s(z2 -u)+c2 (Z2 -U) = 0
(1)
Q
Рис. 5 Математическая двухмассовая модель системы «человек-оператор»
В работе [1] представлен анализ виброизолирующих свойств системы через передаточную функцию T(s) по каналу «виброскорость основания -виброскорость сиденья», где s = jw комплексная частота, j - мнимая единица, w -круговая частота колебаний. Передаточная функция T(s) найдена из (1) посредством метода преобразования Лапласа:
T (s)
ZZ
u
{mjs2 + bj s + c^) (b2 s + c2)
(mjs2 + bj s + cj) (m2 s2 + bj s + cj + b2 s + c2) - (bj s + cj )2
(2)
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 (рис.6): человека-оператора - Ш!=80кг, bi=52700 Н/м, ci=1070 Нс/м; подвески сиденья - ш2=50кг, b2=90000 Н/м, c2=5000 Нс/м. Результаты расчетов позволили определить оптимальные параметры виброизолированной подвески 10
10 1
а
сиденья оператора: собственная частота колебаний - 12,56 рад/сек,
относительное демпфирование - 0,5.
о
о
Рис. 6 Динамические характеристики системы «оператор на виброизолирующем помосте» при следующих параметрах: Р1 = 80 кГс; wi = 25,4 c-1 ; bi = 0,6; Р2 = 50
кГс; w2 = 62,8 c-1 ; b2 (var 0...1)
Виброизолирующее устройство каждой из представленных схем сиденья оператора может быть выполнено с демпфером сухого трения [11,12] (рис.7): втулочного (рис.7а) или лепесткового (рис.7б) типов. Втулочный демпфер сухого трения (рис.7а) 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». 10
10 2
а
Демпфер сухого трения лепесткового типа (рис.7б) 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».
Рис. 7 Общий вид виброизолирующего устройства подвески сиденья с демпфером сухого трения: а) втулочного типа, б) с лепестками
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 санитарные нормы.
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 10
10 3
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. Oleg S. Kochetov. Study of the Human-operator Vibroprotection Systems// European Journal of Technology and Design. Vol. 4, No. 2, pp. 73-80, 2014.
14. Кочетов О. С. Характеристики виброзащитных подвесок для операторов транспортных средств // «Science Time». - 2014. - № 8 (8). - C. 151-158.
15. Кочетов О.С. Исследование системы защиты человека-оператора от вибрации на базе нелинейных упругих элементов // «Science Time». - 2014. - 9(9). - C. 137148. 10
10 4
а
