CC BY
34
УДК 534.833:621
О.С. Кочетов, В.Б. Сажин, М.Б. Сажина, А.В. Костылева, М.В. Голубева, Е.О. Боброва
Московский государственный текстильный университет им. А.Н. Косыгина, Москва, Россия Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия Российский заочный институт текстильной и легкой промышленности, Москва, Россия
РАСЧЕТ НА ПЭВМ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПНЕВМАТИЧЕСКОЙ ВИБРОЗАЩИТНОЙ СИСТЕМЫ ЧЕЛОВЕКА-ОПЕРАТОРА
Vibration sickness is a result of systematical influence of vibration on an operator's organism, can be able to decrease labor productivity, and if this influence endure during long time - occupational disease. Struggle with the vibration by means of vibroisolation for technological equipment concerned with great economic costs, conditioned necessity for dismantling this equipment, destruction integrity of technological chain, and in some cases deterioration of the function of equipment as a consequence of it's swinging. The authors of this paper developed the method for calculation a system for vibroinsulated work-place for technological equipment operator.
Систематическое воздействие вибрации на организм оператора приводит к развитию вибрационной болезни, приводящей к снижению производительности труда, а при длительном воздействии - к возникновению профессиональных заболеваний. Борьба с вибрацией посредством виброизоляции технологического оборудования подчас сопряжена с большими экономическими затратами, обусловленными необходимостью его демонтажа, нарушением целостности технологической цепочки, а в некоторых случаях ухудшением работы оборудования из-за его раскачки. Авторами разработана методика расчета на ПЭВМ системы виброизолированного рабочего места оператора технологического оборудования.
Вибрация является одним из основных вредных производственных факторов [1,2], поэтому одной из актуальных задач исследователей на современном этапе является создание эффективных технических средств виброзащиты производственного персонала от их воздействия.
Одним из достаточно эффективных и вместе с тем простых в смысле технической реализации средств виброзащиты являются виброзащитные сиденья для человека-оператора, которые находят применение в текстильной промышленности. Одним из примеров использования сидений на текстильных машинах являются "передвижные стулья", которые применяются для облегчения обслуживания мотальных машин [3]. Однако в данной конструкции сиденья не предусмотрена низкочастотная подвеска, которая бы гасила колебания низкой частоты, как наиболее вредные для здоровья человека-оператора. На предприятии "Люберецкие ковры", на отделочной операции "оверлок" используется линия, где рабочие места операторов представляют собой виброзащитные сиденья телескопической конструкции с резиновым упругим элементом. Недостатком сиденья, закрепленного на рамной конструкции линии является невысокая эффективность за счет малого динамического хода подвески сиденья и высокой собственной частоты (порядка 20 Гц), лежащей в диапазоне частот возбуждения рамной конструкции линии. В результате чего на рабочих местах наблюдается повышенная вибрация, превышающая нормативные значения.
Поэтому актуальной является проблема создания виброзащитных сидений с низкой частотой собственных колебаний системы "подвеска-оператор", которая бы лежала в диапазоне частот 2... 5 Гц, т.е. была ниже частот вибровозбуждения этих машин. Кроме того, виброзащитная подвеска сиденья должна обладать равночастотными свойствами, т.е. обладать эффективностью, которая бы незначительно менялась от нагрузки, при ее изменении до 50% (вес операторов изменяется от 60 ...120 кг).
На рис.1 изображен общий вид виброзащитного сиденья с равночастотными свойствами [4].
Рис.1. Общий вид подвески виброзащитного сиденья с направляющим механизмом
параллелограммного типа.
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.
Вертикальные вибрации, передаваемые на сиденье оператора, гасятся упругим элементом 11, а горизонтальные - упругими элементами 4 и 5 в механизме стабилизации крена.
Рассмотрим расчетную схему виброизолированной подвески сиденья с учетом биомеханических характеристик тела человека-оператора (см.рис.2), представляющую собой двухмассовую упруго-инерционную систему с демпфированием. Обозначим: т1 — масса оператора; с1 — жесткость оператора; Ь1 — его относительное
Ь = А
демпфирование: Ь1 = (здесь А и Ь2 - абсолютное демпфирование); т2 —
масса подвижных частей подвески сиденья; с2 — ее жесткость и Ь2 - демпфирование. Динамический гаситель колебаний, включающий все параметры колебательной системы т1, с1з Ь1, с наибольшей достоверностью имитирует поведение тела человека-оператора в реальных условиях, то есть является инерционным упругим элементом с демпфированием.
В рамках выбранной модели динамика рассматриваемой системы виброизоляции описывается следующей системой обыкновенных дифференциальных уравнений:
Для анализа виброизолирующих свойств системы введем в рассмотрение ее передаточную функцию Т^) по каналу "виброскорость основания - виброскорость сиденья", где б = ]ш комплексная частота, j - мнимая единица, ш -круговая частота колебаний.
<
mlSZl + bxSzx - Z2)+ c(Z - Z2) = 0,
m1SLZ1 + bZ -Z)+ С(Z2 -Z)+ b1s{zi-U)+ C2(Z2-U) = 0
(1)
Передаточную функцию нетрудно найти из (1) посредством метода
преобразования Лапласа:
(щв2 + ЬхБ+ с )(д2 с )
ад=
и (щ^ + bxs+ Cl)(mis + bxs+ c + b2s+ c2)-(bxs+ cxy
(2)
Г|.Д|''ф ü ШШД.А fWUVU WU
ДАД AM ДАЛ
(\Ж
Uli
Щй/Wij WlAAA'Vu
tz
л а а а а а а а л а а /•. л. а л л. а .
h
I Picospt
XXXXXXXXXXXXXStSXSXXSXSXSi
sy к
v
\
Pscospt
Рис. 2. Математическая модель виброизолирующего сиденья человека-оператора с учетом его
биомеханических характеристик
Применяя метод преобразования Лапласа, из (1) и (2) имеем
T(s) = (a0s + ax£ + a2s+ a3)/(k0sA + k1s3 + .
где
a = mb2;
a = bb + ЩС2; ^2 = b2 Cj + bXC2;
a3 = C1C2;
k) = щщ;
k = b1m2 + щЬ + n\b2; k2 = схщ + щс1 + b1b2 + щс2;
k3 = C1 b2 + b1 C2 ; k4 = C1 C2 •
(3)
(4)
3.589
2.991
2.393
1.795
1.196
0.598
^ ■/■Л =2( .00
/ \f~Wlf3C .00 .00
II !: !-"■ СО 1-1 _ 1 Т1 _ .00 .00
-
0
17
33
50
67
83
100
Рис. 3. Динамические характеристики системы «оператор на виброизолирующем сиденье» при следующих параметрах: Р1 = 80 кГс; ш1 (уаг 20...40 с-1 ); Ь = 0,2; Р2 = 50 кГс; ш2 = 37,68 с-1 ; Ь2 =0,05.
Рис. 4. Динамические характеристики системы «оператор на виброизолирующем сиденье» при следующих параметрах: Р1 = 80 кГс; ш1 = 25,4 ^ ; Ь1 = 0,6; Р2 = 50 кГс; ш2 = 62,8 ^ ; Ь2 ^г 0...1).
Для теоретического исследования динамических характеристик этой схемы была составлена программа расчета на ПЭВМ (язык программирования «СИ++»). Анализируя результаты, полученные при проведении машинного эксперимента на ПЭВМ по исследованию динамических характеристик системы «оператор на виброизолирующем сиденье», можно сделать следующие выводы. С уменьшением ш1 уменьшается величина первого резонансного пика динамической характеристики со смещением влево по частотной оси, а величина второго резонансного пика динамической характеристики увеличивается также смещаясь влево. При этом величина амплитудного провала, обусловленного поведением тела человека-оператора как динамического гасителя, уменьшается со смещением его максимума влево по частотной оси (см. рис. 3).
Изменение демпфирования в схеме, моделирующей тело оператора, т.е. Ь1 в диапазоне от 0 до 1,0 слабо сказывается на изменении в динамической характеристике системы (за исключением случая, когда Ь1 =0, при этом появляется второй резонансный пик). Изменение демпфирования в схеме, моделирующей подвеску сиденья, т.е. Ь2 от 0 до 1,0 (см. рис. 4) существенно влияет как на частоту, так и на величину первого резонансного пика. При парциальной частоте подвески сиденья ш2 = 12,56 с-1 (реализуется с помощью пружинных и тарельчатых виброизоляторов) динамическая характеристика системы имеет практически один ярко выраженный резонансный пик, совпадающий с частотой подвеса ш2, при этом изменения параметров системы Р1; Ь1; Ь2 практически не оказывают влияния на виброизолирующие свойства подвески, которые начинаются с 15 с-1.
Из всего вышеизложенного можно сделать вывод, что биодинамические характеристики тела человека-оператора, проявляют свои свойства как динамического гасителя колебаний в большей степени при собственных частотах подвески сиденья, начиная с частоты 18 с-1. 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 - т1=80кг, Ь1=52700 Н/м, с1=1070 Нс/м. подвески сиденья - т2=50кг, Ь2=90000 Н/м, с2=5000 Нс/м. Выводы:
1. Результаты расчета разработанной подвески сиденья на базе упругих элементов подтвердили правильность выбора математической модели для расчета на ПЭВМ с учетом биодинамических характеристик тела человека-оператора, которое ведет себя в этой системе как динамический гаситель колебаний с частотой порядка 4 Гц.
2. Разработанная конструкция виброизолирующей подвески сиденья с собственной частотой подвеса 12,56 рад/с и относительным демпфированием, равным 0,5, может применяться на рабочих местах основовязальных машин и другом текстильном оборудовании с повышенным уровнем вибрации на рабочем месте.
Список литературы
1.ГОСТ 12.1.012 - 90. ССБТ. Вибрация. Общие требования безопасности.
2.Щербаков В.И./ В.И.Щербаков, О.С.Кочетов, А.Б.Филимонов, В.И. Терешкина //Изв.вузов. Технология текстильной промышленности.- 1995, № 5.-С.92-95.
3.Кельберт Д.Л./ Д.Л.Кельберт Охрана труда в текстильной промышленности.- М.: Легпромбытиздат,1990.
4.Патент РФ № 2072671.Виброзащитная система для сиденья/ Кочетов О.С., Щербаков В.И. Бюл. № 3,1997.
