Оценка вибрационного воздействия на человека-оператора строительных машин Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Библиографический список

1. Рекомендации по организации технического обслуживания и ремонта строительных машин. - М.: Стройиздат, 1978. - 92 с.

2. Нормы времени на ремонт тракторов, авто-

мобилей, дорожно-строительных машин и технологического оборудования. - Алматы: Кай-

нар,1967.-84 с.

3. Кульсеитов Ж.О. Теоретическое и экспериментальное обоснование и разработка методов повышения прочности и надежности механизмов и машин: автореф. ... докт техн. наук - Алматы, 1998. - 40 с.

THE METHOD OF PREDICTING SPARE PARTS KIT AS A TOOL RECOVERY FROM BUILDING AND ROAD MACHINES

V. N. Kuznecova, V. V. Savinkin

This paper describes a method of forecasting and formation of the spare parts of road-building

machinery. The block-modular system for the implementation of an information program.

Кузнецова Виктория Николаевна - д-р технических наук, профессор, декан факультета МПП СибАДИ. Основные направления научной деятельности - Оптимизация рабочих органов землеройных и землеройно транспортных машин. Общее количество опубликованных работ: 90. е-mail: [email protected]

Савинкин Виталий Владимирович - к.т.н., доцент кафедры «Автомобильный транспорт». Основные направления научной деятельности -повышение долговечности и надежности СДМ технологичными методами. Общее количество опубликованных работ:56. E-mail

[email protected].

УДК 628.517.4

ОЦЕНКА ВИБРАЦИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЧЕЛОВЕКА-ОПЕРАТОРА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН

А. О. Лисин

Аннотация. В статье рассмотрено создание фильтра частотной коррекции для усреднения вибрационного сигнала, полученного в результате моделирования параметров виброзащитных устройств строительных машин.

Ключевые слова: виброзащита, моделирование, цифровой фильтр, частотная коррекция.

При моделировании параметров виброзащиты строительных машин необходимо провести оценку влияния вибрационных воздействий на человека-оператора. Необходимые критерии оценки изложены в ГОСТ 31191.1. Модель строительной машины на базе одноковшового экскаватора, составленная средствами программного продукта МАНАВ, дает результаты моделирования отличные от критериев ГОСТ 31191.1, поэтому возникает потребность в создании подпрограммы для перевода выходных значений в соответствии с ГОСТ 31191.1.

То, как вибрация влияет на здоровье и состояние комфорта, чувствительность к вибрации и подверженность болезни движения, зависит от её частотного состава. Для разных

направлений действия вибрации используются различные функции коррекции. Специальную функцию частотной коррекции используют для оценки воздействия низкочастотной вибрации, вызывающей болезнь движения.

При усреднении сигнала вибрации необходимо использовать функции частотной коррекции.

Существуют два основных вида частотной коррекции, относящиеся к здоровью и вибрационной чувствительности - Wk и Wd. Wk -для направления г/рисунок 1). Wd - для направлений х и у.Основной вид частотной коррекции, связанный с болезнью движения, обозначается Wf[1].

Опора для мог

Рис. 1. Базицентрическая система координат для тела человека

Существуют также дополнительные виды Соответствующие кривые основных функ-частотной коррекции для следующих случаев: ций частотной коррекции показаны на рисун-

измерений на спинке сидения МС1 измерение ках 2 и 3[1].

угловой вибрации We, измерение вибрации под головой лежащего человека Wj.

Функция частотной коррекции, дБ

Рис. 2. Основные функции частотной коррекции

Рис.3. Дополнительные функции частотной коррекции

Высокочастотные и низкочастотные составляющие вибрации обрезаются в результате совместного использования двухполюсных фильтров Баттерворта низких и высоких частот соответственно, имеющих спад за частотой среза 12 дБ на октаву. Частоты среза полосовых фильтров отстоят на треть октавы по обе стороны от номинального диапазона частот измерений[1].

Функции частотной коррекции Wk, Wd, WС, We, W■^ реализованы с помощью полосового фильтра, пропускающего составляющие на частотах выше 0.4 Гц и 100 Гц, а Wf - с помощью фильтра, пропускающего частоты в полосе от 0.08 до 0.63 Гц[1].

В пределах номинальной полосы частот плюс треть октавы по обе стороны от этой полосы допуск на функцию частотной коррекции (включающей в себя полосовую фильтрацию) составляет ±1 дБ. За границами этого диапазона допуск равен ±2 дБ. На расстоянии октавы по обе стороны от номинальной полосы частот ослабление сигнала может спадать до бесконечности[1].

Частоты / - /6 и коэффициенты добротности &1-<36 являются параметрами передаточных функций, определяющих общий вид частотной коррекции. Передаточные функции являются произведением нескольких сомножителей, перечисленных ниже.

Фильтр верхних частот:

н„( Р) =

1

1 + 42 •-

/

/4 + /і4

,(1)

I

р I р,

где тх = 2-ж-/, - частота перехода (точка пересечения двух асимптот).

Фильтр нижних частот:

н„(Р)=

/4 /4 + /Г

(2)

н,( р) =

і+-

і +

(04

,(3)

где®3 = 2-ж-/ ,Ю4 = 2-ж-/4.

Ступенчатая передаточная функция (ступенчато возрастающая со скоростью приблизительно 6 дБ на октаву и пропорциональная первой производной от ускорения):

нз( Р) =

"(а

(&

,(4)

гдеа>2 = 2ж/2,/2 - частота перехода.

нк(Р> н1 (Р) - полосовая передаточная функция

(двухполюсный фильтр Баттерворта).

Переходная передаточная функция (пропорциональная ускорению на низких частотах и скорости на высоких частотах):

где = 2-ж-/5 ,®6 = 2-ж-&б.

Н,(р)-Нз(р) - весовая передаточная функция.

Произведение Н1 (р)-Нз(р) дает полосовую передаточную функцию, эта функция одинакова для всех видов частотной коррекции за исключением Wf.

Произведение н{(р)-Нз(р) дает реальную

весовую передаточную функцию для различных условий применения.

Передаточные функции фильтров Wk и Wf являются произведением полосовой функции и весовой передаточных функций:

Н(р) = Ни(р)Но(р)Н((р)Нз(р). (5)

Для частотной коррекции вибрационного сигнала, полученного в результате имитационного моделирования, необходимо спроектировать цифровой фильтр.

ЦФ в узком смысле - это частотноизбирательная цепь, которая обеспечивает селекцию цифровых сигналов по частоте. К таким фильтрам относятся: фильтры нижних частот (ФНЧ), фильтры верхних частот (ФВЧ), полосовые фильтры (ПФ) и режекторные фильтры (РФ).

Как и все цифровые системы, цифровые фильтры делятся на два больших класса: не-рекурсиные и рекурсивные. В нерекурсивных фильтрах при вычислении не используются предыдущие отсчеты выходного сигнала, в схеме фильтра нет обратных связей. Применяется также термин "трансверсальный фильтр". В рекурсивных фильтрах при вычислениях используются предыдущие отсчеты выходного сигнала и, соответственно, в схеме такого фильтра присутствуют обратные связи. В свою очередь, в каждом из этих классов выделяют линейные и нелинейные фильтры[2].

Под проектированием ЦФ понимают процесс, в результате которого предъявляется программа или цифровое устройство, отвечающая заданным требованиям и ограничениям. В процессе синтеза фильтра подбирается такой набор коэффициентов {а,} и 1ъД при которых характеристики

получающегося фильтра удовлетворяют заданным требованиям.

Методы синтеза ЦФ можно классифицировать по различным признакам:

По типу получаемого фильтра:

- методы синтеза рекурсивных фильтров;

- методы синтеза нерекурсивных фильтров.

По наличию аналогового прототипа:

- методы синтеза с использование аналогового прототипа;

- прямые (без использования аналогового прототипа) методы синтеза.

В ГОСТ 31191.1 указаны передаточные функции аналоговых фильтров, которые необходимо использовать для частотной коррекции. Таким образом, для использования в системе автоматизации моделирования необходимо спроектировать рекурсивный фильтр применяя метод синтеза с использованием аналогового прототипа. Фильтр должен иметь программную реализацию.

При синтезе дискретного фильтра по аналоговому прототипу необходимо реализовать переход из р-области в г-область, то есть преобразовать функцию передачи аналогового фильтра Н(р) в функцию передачи дискретного фильтра Н(г). Получающийся дискретный фильтр не может быть полностью идентичным аналоговому по своим характеристикам - хотя бы потому, что частотные характеристики цифрового фильтра являются периодическими. Можно говорить только об определенном соответствии характеристик аналогового и дискретного фильтров[2].

Для синтеза рекурсивных дискретных фильтров по аналоговым прототипам применяют два метода:

- метод билинейного г-преобразования;

- метод инвариантной импульсной характеристики.

В данном случае наиболее подходящим является метод билинейного г-преобразования /42/.

Данный метод позволяет синтезировать рекурсивный дискретный фильтр по частотной характеристике аналогового прототипа.

Функция передачи аналоговой цепи с сосредоточенными параметрами представляет собой дробно-рациональную функцию переменной р. Чтобы получить функцию передачи дискретного фильтра, необходимо перейти из р-области в г-область, причем дробнорациональный характер функции должен сохраниться. Поэтому замена переменной р должна представлять собой также дробно-

рациональную функцию переменной г. Чтобы частотные характеристики аналогового и дискретного фильтров были связаны простой зависимостью, искомая замена переменной должна отображать мнимую ось в р-области на единичную окружность в г-области. В этом случае частотные характеристики аналогового и дискретного фильтров будут связаны лишь трансформацией частотной оси и никаких искажений "по вертикали" не будет.

Простейшей из функций, удовлетворяющих заданным требованиям, является билинейное г-преобразование

(ЬіІіпеагігапзІОгтайоп):

Т 1 - 1 -1 (6)

T z +1 1 + z 1

Для синтеза дискретного фильтра используем программный продукт MATLAB. В MATLAB имеется более двадцати функций синтеза дискретных фильтров, большая часть из них сосредоточена в пакете SignalProcessing.

В пакете SignalProcessing есть функция bilinear, позволяющая синтезировать дискретный фильтр методом билинейного Z-преобразования по произвольному аналоговому прототипу. Кроме того, имеются готовые функции расчета фильтров Баттерворта, Чебышева первого и второго рода, а также эллиптических фильтров[4].

Для фильтрации нижних и верхних частот используем фильтр Баттерворта. Расчет фильтров Баттерворта осуществляется функцией butter.

Функция butter позволяет синтезировать аналоговые и дискретные фильтры Баттерворта нижних частот, верхних частот, полосовые и режекторные. Фильтры Баттерворта характеризуются амплитудно-частотной характеристикой, максимально плоской в полосе пропускания и монотонно спадающей за ее пределами[4].

Обращение к функции butter в виде:

[b,a] = butter(n, Wn); производит синтез дискретного фильтра Баттерворта n-го порядка, имеющего амплитудночастотную характеристику фильтра нижних частот и нормированную частоту среза Wn. Функция возвращает описание фильтра в виде векторов-строк Ьиа, имеющих длину п+1 и содержащих коэффициенты полиномов числителя и знаменателя функции передачи в порядке убывания степеней переменной z[3]:

и(z) = —Izl = К0 + Ф)-z+••• + ъ{п +1)-z, (7)

U A(z) 1 + а(2)-z +••• + a(n + l)-z’

Частотой среза фильтра Баттерворта называется частота, на которой модуль коэффициента передачи равен л/1/2 . Функция butter использует значение частоты среза Wn, нормированное к частоте Найквиста (тт радиан на отсчет). Таким образом, нормированное значение частоты среза Wn должно лежать в пределах от 0 до 1, при этом 1 соответствует частоте Найквиста (то есть половине частоты дискретизации).

Обращение:

[b,a] = butter(n, Wn, ‘ftype’), производит синтез фильтра верхних частот или режекторного фильтра, в зависимости от значения строкового параметра 'ftype'. Возможны следующие варианты:

- 'high' - для синтеза дискретного фильтра верхних частот с нормированной частотой среза Wn;

- 'stop' - для синтеза дискретного режекторного фильтра порядка 2*п. В этом случае входной параметр Wn должен быть двухэлементным вектором, Wn = [w1 w2]. Полоса задерживания синтезированного фильтра лежит в пределах от w1 до w2.

Функция butter может представлять синтезированный дискретный фильтр различными способами, в зависимости от числа указанных при вызове функции выходных параметров. Так, можно получить описание синтезированного фильтра в виде коэффициента усиления и наборов нулей и полюсов (zero-pole-gainform) или описание синтезированного фильтра в виде параметров пространства состояния (state-spaceform), но это не требуется для данной работы.

Таким образом, для синтеза фильтра верхних частот используется команда:

[b1,a1] = butter (2, f1/nyq, ’high’), а для синтеза фильтра низких частот, команда: [b2,a2] = butter(2,f2/nyq), где nyq = fs/2 - частота Найквиста.

Для синтеза ступенчатого и переходного фильтра используем функцию bilinear. Обращение к функции имеет следующий синтак-сис[3]:

[numd, dend] = bilinear(num, den, fs) или

[numd, dend] = bilinear(num, den, fs, fp).

при этом аналоговая система, заданная параметрами num и den, преобразуется в ее дискретный эквивалент. Векторы-строки num и den должны содержать коэффициенты полиномов числителя и знаменателя функции передачи соответственно в порядке убывания степеней переменной р:

пит(р) num(1) • рп +----+ пит(п) • р + пит(п + 1) (g)

den(p) den(1) • рт +----+ den(m) • р + den(m +1) ’

Параметр fs задает частоту дискретизации в герцах. Функция bilinear возвращает дискретный эквивалент системы в виде векторов коэффициентов полиномов числителя numd и знаменателя dend ее функции передачи. Векторы содержат коэффициенты полиномов в порядке убывания степеней переменной Z. Необязательный входной параметр fp задает частоту (в герцах) совпадения частотных характеристик и используется для предыскажения частотной оси.

Функция bilinear использует один из двух алгоритмов в зависимости от способа представления исходной системы. Один алгоритм работает с нулями и полюсами системы, второй - с параметрами пространства состояний. Если система задана в виде коэффициентов полиномов числителя и знаменателя функции передачи, функция bilinear преобразует эти коэффициенты в параметры пространства состояний, выполняет билинейное преобразование и затем трансформирует результат обратно к коэффициентам полиномов функции передачи. Более подробно алгоритмы можно посмотреть в справочной системе MATLAB[4].

Таким образом, переходный фильтр синтезируется командами [4]:

В3 = [1/w3 1];

АЗ = [1/w4/w4 1/Q4/w4 1];

[b3,a3] = bilinear(B3,A3,fs), а ступенчатый фильтр командами:

В4 = [1/w5/w5 1/Q5/w5 1]*w5*w5/w6/w6; А4 = [1/w6/w6 1/Q6/w6 1];

[b4,a4] = bilinear(B4,A4,fs).

Для применения синтезированных фильтров к сигналу служит функция filter. Синтаксис обращения к функции следующий:

у = filter(b,a,x).

Функция фильтрует сигнал, заданный в виде одномерного массива х, используя дискретный фильтр, описываемый конечноразностными уравнениями вида[4]:

у(п )= 6(1) • х(п) • b(2) • #(# -1) +-+ b(bn +1) • х(п - Ьп) - (9)

- a(2) • у(п -1)-a(n) • у(п - ап)

при этом при этом

b = [b(1)b(2)...b(bn +1)], a = [a(2)...a(%n +1)].

В результате моделирования формируется сигнал виброускорения на месте кресла человека-оператора. Для дальнейшего анализа полученных данных служит подсистема обработки вибрационного сигнала. Подсисте-

ма реализована в виде т-файла. В результате работы подпрограммы рассчитываются характеристики вибрации, позволяющие оценивать ее в соответствие с ГОСТ 31191.1 -2004.

Библиографический список

1. ГОСТ 31191.1 - 2004. Вибрация и удар. Измерение общей вибрации и оценка её воздействия на человека. Часть 1. Общие требования - М.: Стандартинформ, 2008. - 28 с.

2. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. - СПб.: Питер, 2002. - 608 с.

3. Matlab.exponenta.ru [Электронный ресурс]. Ш1_:

http://matlab.exponenta.rU/signalprocess/book1/7/butte г(дата обращения: 13.10.2012).

4. Matlab.exponenta.ru [Электронный ресурс]. Ш1_:

http://matlab.exponenta.rU/signalprocess/book1/8/bilin еаг(дата обращения: 13.10.2012).

5. Савельев С. В., Михеев В. В. Исследования деформирования упруго-вязкой среды при ударном нагружении // Вестник Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. 2012. № 4 (26). С. 100-104.

ASSESSMENT OF VIBRATING IMPACT ON THE PERSON OPERATOR OF CONSTRUCTION MACHINES

A. O. Lisin

The article considers the design of the filter frequency correction to average vibration signal obtained in the simulation parameters vibropro-tection units of construction machinery.

Лисин Александр Олегович - Аспирант кафедры «АППиЭ» ФГБОУ ВПО «СибАДИ». E-mail - [email protected]

УДК 681.5+625.76.08

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ГРУЗОПОДЪЕМНЫМ КРАНОМ С ТЕЛЕСКОПИЧЕСКОЙ СТРЕЛОЙ И ГИДРОПРИВОДОМ

Ю. Б. Тихонов

Аннотация. Рассмотрен позиционный привод грузоподъемного крана с телескопической стрелой и гидроприводом с управлением по трем координатам.

Ключевые слова: аппарат управления, крановые операции, крюк, позиционный привод, прибор безопасности.

Введение

В настоящее время при выполнении различных строительно-монтажных и погрузочноразгрузочных работ широко используются грузоподъемные краны с гидроприводом и телескопической стрелой. Эти краны отличаются мобильностью, возможностью быстрой установки на опоры практически в любом месте. При работе в стесненных условиях безопасная работа таких кранов обеспечивается системой координатной защиты.

Особенности работы машиниста крана с теле скопиче ской стрелой

Для перемещения крюка в пространстве машинист современного грузоподъемного крана с телескопической стрелой использует два джойстика, управляющие четырьмя операциями: подъемом-опусканием крюка, подъемом-опусканием стрелы, выдвижением-

втягиванием телескопа, поворотом платформы. При этом скорость перемещения исполнительного механизма пропорциональна углу отклонения рукоятки управления [1, 2].

Для того чтобы крюк оказался в заданной точке пространства, оператор постоянно включает и выключает выполнение тех или иных крановых операций, одновременно регулируя их скорость, что создает определенные психофизиологические нагрузки на человека-оператора.

Указанных недостатков лишен так называемый позиционный привод, когда угол отклонения рукоятки от нейтрального положения в определенном направлении определяет заданное значение параметра конкретной крановой операции: высоту крюка, угол наклона стрелы, длину стрелы, угол азимута. Положение рукоятки аппарата управления опе-