Система моделирования устройств виброзащиты кабины строительно-дорожной машины Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 628.517.4: 004.942

СИСТЕМА МОДЕЛИРОВАНИЯ УСТРОЙСТВ ВИБРОЗАЩИТЫ КАБИНЫ СТРОИТЕЛЬНО-ДОРОЖНОЙ МАШИНЫ

В.С. Щербаков, И.И. Малахов

В статье рассмотрена система моделирования устройств виброзащиты строительно-дорожной машины на базе колесного трактора. Представлены блок-схема работы системы в целом и составляющие её модули. Рассмотрены используемые методы моделирования устройств виброзащиты

Ключевые слова: виброзащита, система моделирования, строительно-дорожная машина, МЛТЬЛБ, Бітиітк, БітМесИап^

Проблема снижения уровней вибрации и шума на строительно-дорожных машинах (СДМ) в настоящее время приобретает все большую актуальность. Повышенная вибрация снижает

ресурс силовых агрегатов СДМ, 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 [1]. В связи с этим возникает необходимость на этапе проектирования СДМ обеспечивать необходимые параметры систем

виброзащиты и рассчитывать предполагаемую вибрационную нагрузку на рабочем месте человека-оператора.

Для решения задач виброзащиты была составлена обобщенная расчетная схема динамической системы СДМ «микрорельеф - базовая машина - кабина -человек- оператор», представленная на рис. 1.

Обобщенная расчетная схема динамической системы «микрорельеф - базовая машина - кабина -человек-оператор», представляет собой систему с шестью массами, звеньями которой являются:

— базовый трактор массой т1, включающей в себя массу обвязочной рамы. Центр масс имеет координаты (хг, уг, 7Г);

передний мост массой т2. Центр масс находится в точке (Хрт, Урт, грт);

отвал бульдозера массой т3, включающей в себя массу гидроцилиндра отвала. Центр масс находится в точке с координатами (хоЬ уоЬ г^;

кабина трактора массой т4. Центр масс находится в точке с координатами (хк, ук, 7к);

Рис. 1. Обобщенная расчетная схема динамической системы «микрорельеф - базовая машина- кабина- человек оператор»

Щербаков Виталий Сергеевич - СибАДИ, д-р техн. наук, профессор, тел. (3812) 65-04-55

Малахов Иван Игоревич - СибАДИ, аспирант, тел. (3812) 65-04-55

человек-оператор массой т5, включающей в себя массу кресла. Центр масс третьего звена находится в точке с координатами (ху, уу, ^);

щетка

снегоочистителя

массой

тб,

включающая в себя массу гидроцилиндра щетки.

Центр масс находится в точке с координатами (хсЬ,

у сЬ, ^сЬ)*

При описании динамической системы были приняты следующие допущения:

— связи, наложенные на колебательную систему СДМ, являются голономными и

стационарными;

— базовая машина представляет собой

шарнирно-сочлененный многозвенник с

наложенными на него упруго-вязкими

динамическими связями;

— люфты в шарнирах отсутствуют;

силы сухого трения в гидроцилиндрах отсутствуют;

— элементы ходового оборудования имеют постоянный контакт с грунтом;

04 Х4 У4 24 - с кабиной;

05 Х5 У5 25 - с человеком оператором;

06 Х6 У6 26 - со щеткой снегоочистителя.

Реакции грунта на элементы ходового и

рабочего оборудования представлены на расчетной схеме силами Бі, і = 1,.. .,6.

На основании этой расчетной схемы была составлена модель в пакете 8ітМесЬатсє, блок-схема которой показана на рис. 2.

Для каждого блока, моделирующего твердое тело, задается масса, координаты центра масс и характерных точек, осевые моменты инерции относительно осей локальных систем координат Іх, Іу, и центробежные моменты инерции 1ху, 1у7, 1x7, составляющие тензору инерции тела. Тела между собой связаны шарнирами,

ограничивающими их взаимное перемещение.

Рис. 2. Блок-схема динамической системы «микрорельеф - базовая машина -

обозначениях БтМесИап^

кабина - человек-оператор» в

элементы рабочего оборудования представлены как абсолютно жесткие стержни с сосредоточенными массами.

Пространственная колебательная

динамическая система рассматривается в правой инерциальной системе координат О0 Х0 У0 20, начало которой - точка О0 в состоянии покоя совпадает с точкой О1, координаты которой заданы в локальной системе координат О1 Х1 У1 2Ь связанной с рамой базовой машины. Ось Х0 совпадает с направлением движения, а ось 20 направлена вертикально вверх.

Положение звеньев расчетной схемы определяется положениями соответствующих правых локальных систем координат. Локальные системы координат связаны:

01 Х1 У1 21 - с рамой базовой машины;

02 Х2 У2 22 - с передним мостом;

О3Х3 У3 23 - с отвалом бульдозера;

Сформированная модель позволяет провести исследование динамической системы СДМ в статическом и динамическом режимах.

Рис. 3. Статические характеристики вертикального перемещения центра масс кабины: 1 - сила приложена к левому переднему колесу, 2 - к левому заднему колесу,

3 - к левым заднему и переднему колесу одновременно

Исследование статических характеристик проводилось путем приложения сил Бі к элементам ходового и рабочего оборудования. При этом

рассматривались угловые и линейные перемещения элементов расчетной схемы.

В качестве примера на рис. 3 приведены статические характеристики вертикального

перемещения центра масс кабины при воздействии на элементы ходового оборудования.

Исследование динамических характеристик проводилось методами как активного, так и пассивного экспериментов. В активном

эксперименте под элементы ходового и рабочего оборудования формировались единичные

ступенчатые воздействия, при пассивном

эксперименте формировались случайные

воздействия, соответствующие заданным

корреляционным функциям. На рис. 4 в качестве

примера представлена блок-схема подсистемы, моделирующей микрорельеф под элементами ходового оборудования. Подсистема реализована в виде диалогового т-файла.

Для возбуждения модели используются два блока системы моделирования: подсистема

моделирования микрорельефа и подсистема пересчета кинематического возбуждения в силовое.

На рис. 5 показана система пересчета

кинематического возбуждения, получаемого в результате моделирования микрорельефа, в силовое. Так как в подсистеме требуется несколько раз дифференцировать сигнал, то её удобнее реализовать в Б1ти1шк.

Рис. 4. Блок-схема подсистемы, моделирующей микрорельеф

Рис. 5. Подсистема пересчета кинематического возбуждения в силовое

В результате моделирования регистрировался сигнал виброускорения на кресле человека-оператора.

Для дальнейшего анализа полученных данных служит подсистема обработки вибрационного сигнала. Блок-схема обработки сигнала

представлена на рис. 6. Подсистема реализована в виде т-файла.

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

И(р) = Ик (р) • Щ (р) • И (р) • И 5 (р),

где

Ні (7) =

1+7/

'®3

1+ 7(2 ■ ®4 К %4

/У г

/ 4 л 2

У 4 ■ л4

/4 ■ е4 + /2 ■ /2 ■ (1 —2 ■ 0-2 ]+/44 ■ е42

- переходная передаточная функция,

\2

Hs (7) =

НИ (7) =

1+72 •”%Т>7

1+/(°5 ■ ®5)+

^5

/

4

/ 4 + /14

06

05

1+Л°6 ■ ®6 )+[/®6

/ 4 ■ е52 + / 2 ■ /52 ■ ( 1—2^ е52]+/54 ■ е52

У4 е62 + / 2 /62 ■(1—2 е62 ]+/64 е62

фильтр верхних частот,

Ні (7) =

1

1+Л/2р/ +|р/ /®2 1/®2

фильтр нижних частот,

\Л/к. Wf — фильтры частотной коррекции по ГОСТ 31191.1-2004

/2

/4 + /24

ступенчатая передаточная функция.

Для фильтрации вибрационного сигнала в третьоктавных полосах использовались фильтры Баттерворта второго порядка [3].

Сигнал а(()

ІІ

И

а I ? ° ІІ 8 і II

Фильтрация сигнала |-1пста

Фильтрация сигнала

В04КЛ0СС

Фильтрация сигнала ■ » покосе

Номер* полосе соответствие ГОСТ 171(8

ш Л ■'0

»- * £/в «**<»)* —“ 20"1*^. 10-*5

Доза укачивания, м/с1-4

Среднеквадратично* >нач*ии* коррелированного ускорения *. [МЛ:1 и его логарифмический урО*«н» 1м [дБ].

Лик - фіктер I

пмх(і«.кі;

гУОУ - 1.4 а*.. Г,/4

Г£>Г

ж

[«„.(с)]**

Эквивалентная дом вибрации, м/с1 п Доза вибрации, м/с1 я

Мч11

і;/'1 к,м)!

\ Ат* Г_____________

___________________ Максимальное текущее

& уУПТ ■ гохх о. (Га ^ с редмек»»др»гичное тмим корректированного ускорения

Алгоритм ркчет* текущего среднеимдрапыцого ін*<ения корректиромжогоускореиия

Рис. 6. Блок-схема обработки вибрационного сигнала

2

2

1

2

В результате моделирования рассчитывались характеристики вибрации, позволяющие оценивать ее в соответствие с ГОСТ 31191.1 - 2004 и СН 2.2.4/2.1.8.556-96.

Программа реализована в приложении вШ пакета МЛТЬЛБ и от пользователя не требуется глубокого знания программных продуктов 8іти1іпк и 8ітМесЬапісє.

В общем виде блок-схема алгоритма

программы представлена на рис. 7.

В результате моделирования в рабочее окно МЛТЬЛБ выводятся численные значения

характеристики вибрации М8БУ, а„, Ь„, УОУ, еУБУ, МТУУ, пик-фактор, значения МТУУ/а„ и УБУ/а„Т14, а также строятся графические зависимости.

В качестве примера на рис. 8 приведены графические зависимости, полученные в результате моделирования: отфильтрованный вибрационный

сигнал (рис. 8а), спектр мощности

отфильтрованного сигнала (рис. 8в),

среднеквадратичное значение ускорения в третьоктавных полосах в сравнении с санитарными нормами (рис. 8б) и его логарифмические уровни (рис. 8г).

ІІЦіИішІІІ

іііііі

ч •» ч а» *

Рис. 8. Пример графических зависимостей, получаемых в результате моделирования

реологических сред / Б.А. Гордеев, В.И. Ерофеев, А.В. Синёв, О.О. Мугин. - М.: ФИЗМАТ ЛИТ, 2004. - 176 с.

2. Ануфриев И.Е. МЛТЬЛБ 7 / И.Е. Ануфриев, А.Б. Смирнов, Е.Н. Смирнова. - СПб.: БХВ-Петербург, 2005. -1104 с.

3. 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.

^биротая государственная автомобильно-дорожная академия ^ибАДИ)

SYSTEM OF THE MODELLING OF DEVICES VIBROZASHCHITY OF THE CABIN OF THE BUILDING-ROAD MACHINE

V.S. Scherbakov, I.I. Malakhov

In article the system of the modelling of devices protection against vibration the building-road machine on the basis of a wheel tractor is considered. The block diagram of work of system as a whole and modules making it is presented. Used methods of modelling of devices protection against vibration are considered

Key words: protection against vibration, system of the modelling, building-road machine, MATLAB, Simulink, SimMechanics

Предложенная система моделирования позволяет проводить оценку уровня вибрации на этапе проектирования машины, не требуя создания дорогостоящих физических моделей.

Литература

1. Гордеев Б. А. Системы виброзащиты с

использованием инерционности и диссипации