CC BY
25
УДК 628.517.4
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВИБРОЗАЩИТНЫХ УСТРОЙСТВ ОДНОКОВШОВОГО ЭКСКАВАТОРА, ОСНАЩЕННОГО АКТИВНЫМ РАБОЧИМ ОРГАНОМ
© А.О. Лисин1
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия, 644080, Россия, г. Омск, пр. Мира, 5.
Рассмотрена методика определения параметров виброзащитных устройств одноковшового экскаватора, оснащенного активным рабочим органом. Приведены международные нормы в области виброзащиты, дана расчетная схема одноковшового экскаватора, ее математическое описание и программная реализация в виде системы автоматизации проектирования параметров виброзащитных устройств. Представлен принцип работы методики в целом, а также ее составляющих. Ил. 4. Табл. 1. Библиогр. 5 назв. Ключевые слова: методика; виброзащита; экскаватор.
METHODS TO DETERMINE PARAMETERS OF VIBROPROTECTION DEVICES OF A SINGLE-BUCKET EXCAVATOR WITH A POWERED WORKING TOOL A.O. Lisin
Siberian State Automobile and Highway Academy, 5 Mir pr., Omsk, 644080, Russia.
The article deals with the procedure of determining the parameters of vibroprotection devices of a single-bucket excavator with a dynamic working tool. It gives the international vibroprotection standards, design model of a single-bucket excavator, its mathematical description and software implementation in the form of the system of automated design of vibroprotection device parameters. The working principle of the procedure as a whole and its components is described. 4 figures. 1 table. 5 sources. Key words: methodology; vibroprotection; excavator.
Проблема снижения уровней вибрации и шума на строительных и дорожных машинах в настоящее время приобретает все большую актуальность. Повышенная вибрация снижает ресурс силовых агрегатов, вызывает дополнительное потребление энергии в переходных режимах работы агрегатов, приводит к возникновению и развитию профессиональных заболеваний обслуживающего персонала. Повышенный уровень шума ухудшает экологические показатели транспортных средств, увеличивая дискомфорт, что приводит к снижению производительности труда. Поэтому в нормативные документы вводятся жесткие требования по защите от вибрации и шума. Самое пагубное влияние вибрация оказывает на операторов одноковшовых экскаваторов, оснащенных активным рабочим органом - гидромолотом. В связи с этим возникает необходимость на этапе проектирования строительных и дорожных машин обеспечивать необходимые параметры систем виброзащиты и рассчитывать предполагаемую вибрационную нагрузку на рабочем месте человека-оператора.
Определение параметров виброзащитных устройств динамической системы «экскаватор - человек-оператор» является сложной трудоемкой задачей. Проведенные теоретические исследования позволили разработать методику, значительно упрощающую и в некоторой степени автоматизирующую решение обозначенной проблемы [5]. Поэтапное выполнение дан-
ной методики позволит определить рациональные значения параметров виброзащитных устройств одноковшового экскаватора. Основные этапы методики следующие:
1. Определить параметры динамической системы, входящие в математическую модель (геометрические размеры, массу, координаты центра тяжести, коэффициенты жесткости и вязкости элементов системы).
2. Определить характер, величину, место приложения внешних возмущающих сил.
3. Используя систему автоматизации проектирования, построить зависимости виброускорения и виброперемещения на месте человека-оператора от жесткости и вязкости виброзащитных устройств.
4. Проанализировать полученные зависимости и определить интервал варьирования параметров виброзащитных устройств.
5. Используя систему автоматизации проектирования, определить минимальные значения виброскорости и виброперемещения для рассматриваемых параметров.
6. Используя программу автоматической оценки вибрационного воздействия на человека-оператора, сравнить данные с международными нормами (таблица), изложенными в ИСО 2631-1:1997 [2].
7. Если условия п. 6 не выполняются (минимальное значение больше предельно допустимого), то необходимо изменить исследуемые интервалы жест-
1Лисин Александр Олегович, преподаватель кафедры автоматизации производственных процессов и электротехники, тел.: 89081051712, e-mail: [email protected]
Lisin Alexander, Lecturer of the Department of Automation of Production Processes and Electrical Engineering, tel.: 89081051712, e-mail: [email protected]
кости и вязкости виброзащитных устройств и повторить пп. 5, 6.
8. В предлагаемой системе автоматизации проектирования для заданных параметров активного рабочего органа оценить влияние устройств виброзащиты на снижение динамических нагрузок на человека-оператора. При необходимости повторить пп. 5-8, оценив целесообразность установки дополнительных виброзащитных устройств на другие элементы рабочего оборудования.
9. Дать рекомендации по месту установки, количеству и основным параметрам виброзащитных устройств.
В качестве программной поддержки предложенной методики и алгоритмов разработана система автоматизации проектирования параметров виброзащитных устройств в программном комплексе Matlab.
Система автоматизации проектирования параметров виброзащитных устройств строительных машин предназначена для исследования рабочих процессов, статики и динамики, анализа вибраций на рабочем месте человека-оператора, определения
оптимальных значений параметров виброзащитных устройств.
Данная система была разработана на основе математической модели, расчетная схема которой представлена на рис. 1. При моделировании динамических систем необходимо решить задачу получения уравнений, позволяющих описать положение элементов системы в пространстве в любой момент времени. Получить необходимые уравнения геометрических связей сложносочлененной пространственной системы, какой является система «экскаватор - человек-оператор», позволяет метод однородных координат.
Достоинством этого метода является возможность преобразования систем координат (переноса и поворота координатных осей) путем умножения на соответствующую матрицу размером 4x4, что позволяет значительно упростить и в некоторой степени формализовать переход из одной системы координат в другую.
Рекомендации по оценке вибрации
Параметр Значение Характеристика Примечания
ИСО 2631-1:1997
Максимальное полное среднеквадратичное корректированное значение виброускорения, м/с а¥ < 0,1 Машины любого типа не виброопасны а =Л 1к2а2 + к2а2 + к2а2 , V Д/ X №Х У №у 2 № ' где а - среднеквадратичные значения виброускорений вдоль направления осей х, у, г\ к - весовые коэффициенты
< 0,25 Для самоходных машин вибрационные характеристики можно не приводить
ИСО 2631-1:1997
Методы оценки
Среднеквадратичное корректированное значение виброускорения, м/с дщ Основной метод оценки применяется всегда -
Пик-фактор П. - ф. > 9 Основного метода оценки недостаточно Знания одного только значения пик-фактора недостаточно, чтобы решить вопрос, может ли оценка реакции человека на вибрацию быть основана только на измерении среднеквадратичного значения виброускорения
Альтернативные методы оценки МГЧЧ / Эщ> 1,5 Применяют метод с измерением текущего среднеквадратичного значения корректированного виброускорения
1 УБУ / а ■ Т4 > 1,75 Применяют метод с измерением дозы вибрации
Критерии оценки
Влияние на здоровье
Среднеквадратичное корректированное значение виброускорения, м/с дщ < 0,5 Влияния на здоровье нет Значения приведены для длительности воздействия Т = 8 ч
0,5 < дщ<1 Наличие потенциального риска
дщ > 1 Риск существенный
Эквивалентная доза вибрации, м/с175 еУйУ < 8,5 Влияния на здоровье нет
Рис. 1. Расчетная схема
Вид окна главного меню системы автоматизации метры моделирования, возмущающие воздействия,
проектирования параметров виброзащитных параметры вывода результатов в математическую
устройств показан на рис. 2. Графический интерфейс модель. Вывод результатов моделирования осу-
системы позволяет вводить параметры подсистем ществляется в графическом и табличном виде, пред-
одноковшового экскаватора и его элементов, пара- ставленном на рис. 3.
Рис. 2. Вид стартового окна программы
Рис. 3. Результаты работы программы [3]
Предложенная система автоматизации проектирования разработана на основе модели, выполненной в программном комплексе МаАаЬ. В общем виде блок-схема работы программы приведена на рис. 4. В ней одноковшовый экскаватор представлен как динамическая колебательная система. Любая математическая модель является идеализированным объектом. Поэтому математическое описание одноковшового экскаватора было основано на следующих допущениях [4]:
1) связи, наложенные на колебательную систему одноковшового экскаватора, являются голономными и стационарными;
2) одноковшовый экскаватор представляет собой шарнирно-сочлененный многозвенник с наложенными на него упруговязкими динамическими связями;
3) люфты в шарнирах отсутствуют;
4) силы сухого трения в гидроцилиндрах отсутствуют;
5) элементы ходового оборудования имеют постоянный контакт с грунтом;
6) элементы рабочего оборудования представлены как абсолютно жесткие стержни с сосредоточенными массами;
7) жесткость металлоконструкции рабочего оборудования в 15-20 раз выше жесткостей гидролиний. Поэтому все элементы рабочего оборудования представлены как абсолютно жесткие стержни. При рассмотрении объемного гидропривода силы сухого трения в гидроцилиндрах не учитываются ввиду их малой
величины (не более 10% от сил, действующих на шток гидроцилиндра).
В математической модели правые части системы дифференциальных уравнений задавались в зависимости от вида возмущающих воздействий, которые создает активный рабочий орган.
Для исследования динамической системы «экскаватор - человек-оператор» были обоснованы три типа воздействий:
- единичное ступенчатое воздействие;
- воздействие со стороны вибровозбудителей;
- воздействие со стороны активного рабочего органа.
Первый вид возмущающих воздействий представлял собой единичную ступенчатую функцию. Единичное ступенчатое воздействие целесообразно использовать для получения переходных процессов и подтверждения на их основе адекватности математической модели [1].
Вторым видом возмущающих воздействий являются воздействия, создаваемые вибровозбудителями. Они представлены гармонической функцией силы от времени, изменяющейся по закону
п
^ = (со + ф Г1) ,
7=1
где - амплитудное значение силы /-й гармоники; со fi - угловая частота; ф ^ - фаза ¡-й гармоники.
Рис. 4. Блок-схема алгоритма работы программы
Последний вид возмущающих воздействий был представлен периодической силой. Форма ударного импульса периодической силы задавалась нескольких видов. Три вида формы импульса были взяты на основе анализа работ, посвященных исследованию активных рабочих органов. Одна форма импульса была получена в результате экспериментальных исследований экскаватора ЭО-3322Б с гидромолотом РОХОЫ-602 [1].
Для задания периодических ударных импульсов, входящих в правую часть системы дифференциальных уравнений, они были аппроксимированы полиномом пятой степени:
^ = А + А(1+ + А3(3 + А^ + .
Полученные модели типовых возмущающих воздействий позволили проводить исследования динамических систем «экскаватор - человек-оператор».
Данная система автоматизированного проектирования позволяет без знания языков программирования и численных методов в понятных и простых для
восприятия терминах производить построение модели динамической системы одноковшового экскаватора с учетом влияния внешней среды и технологических условий работы.
Для работы данного программного комплекса требуется ПК с AMD или Intel x86 процессором с частотой не ниже 1300 МГц, укомплектованный оперативной памятью 1024 Мб и более, с установленной операционной системой Windows XP/2003/Vista/2008/7/8, программным комплексом Matlab версии не ниже 7.0, включающим пакеты расширений Simulink, SimMe-chanics, SimHydraulics, StatisticsToolbox. Расчеты на ПК производятся за относительно короткий промежуток времени [2].
Таким образом, предложенная методика позволяет проводить оценку уровня вибрации на этапе проектирования одноковшового экскаватора, не требуя создания дополнительных моделей, а также определять оптимальные параметры виброзащитных устройств.
Статья поступила 23.10.2013 г.
Библиографический список
1. Корчагин П.А. Совершенствование одноковшового экскаватора с целью снижения динамического воздействия на рабочее место человека-оператора: дис ... канд. техн. наук: 05.05.04. Омск, 1997. 179 с.
2. Лисин А.О. Оценка вибрационного воздействия на человека-оператора строительных машин // Вестник Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. 2012. № 6. С. 46-51.
3. Лисин А.О. Система автоматизации моделирования виброзащитных устройств строительных машин // Вестник
Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. 2012. № 5. С. 78-82.
4. Моделирование и визуализация движений механических систем в Matlab / Щербаков В.С., Корытов М.С., Руппель А.А. [и др.]. Омск: Изд-во СибАДИ, 2007. 84 с.
5. Системы виброзащиты с использованием инерционности и диссипации реологических сред / Б.А. Гордеев, В.И. Ерофеев, А.В. Синёв, О.О. Мугин. М.: Физматлит, 2004. 176 с.
УДК 621.982.5
К РАЗРАБОТКЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ И ПРАВКИ МАЛОЖЕСТКИХ ДЕТАЛЕЙ РАСКАТКОЙ РОЛИКАМИ
© А.А Макарук1, Н.В. Минаев2
Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Для расширения технологических возможностей формообразования и правки раскаткой роликами представлена методика измерения отклонений тонкостенных подкрепленных ребрами деталей с использованием координатно-измерительной машины и конструктивное решение механизированной раскатной установки. С целью автоматизированного расчета технологических параметров процесса приведены основные положения разработки специального программного комплекса. Ил. 6. Библиогр. 2 назв.
Ключевые слова: подкрепленные детали; двухосный изгиб; закручивание; раскатка; раскатная установка.
TO DEVELOPMENT OF AUTOMATED TECHNOLOGY FOR FORMING AND SHAPING LOW RIGID PARTS BY ROLLING
A.A. Makaruk, N.V. Minaev
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
To extend the manufacturing capabilities of forming and shaping by rolling the article introduces a procedure for measur-
1 Макарук Александр Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры оборудования и автоматизации машиностроения, тел.: 89526106495, e-mail: [email protected]
Makaruk Alexander, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Machinery and Automation of Mechanical Engineering, tel.: 89526106495, e-mail: [email protected]
2Минаев Николай Владимирович, аспирант, тел.: 89642150149, e-mail: [email protected] Minaev Nikolai, Postgraduate, tel.: 89642150149, e-mail: [email protected]
