CC BY
10
УДК 631.354.2.076
05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства (технические науки)
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВИБРОЗАЩИТНЫХ СВОЙСТВ ВИБРОИЗОЛЯТОРОВ И ПОДВЕСКИ КАБИНЫ ЗЕРНОУБОРОЧНОГО КОМБАЙНА
Лебединский Илья Юрьевич Соискатель уч. степени канд. техн. наук. Старший преподаватель кафедры «Автомобили и транспортно-технологические комплексы» SPIN-код автора в РИНЦ: 5990-3153 Web of Science Researcher ID: ABC-6864-2020 ORCID: 0000-0002-4348-6990 ilialebedinski@gmail.com Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Ростовская область, Россия
Работа посвящена исследованию виброзащитных свойств системы подрессоривания кабины зерноуборочного комбайна путем математического моделирования процесса распространения вибрации от несущей системы. Исследовано влияние жесткости и демпфирования виброизолирующих опор системы подрессоривания, а также их геометрического расположения на общую вибронагруженность кабины по условию снижения полного среднеквадратичного значения виброускорений. Сформулированы практические рекомендации по разработке эффективных систем виброизоляции кабин зерноуборочных комбайнов. Показана необходимость применения виброизоляторов с жесткостью 240 - 260 Н/мм в осевом направлении и 80 - 90 Н/мм в радиальном направлении и увеличения демпфирования колебаний по величине декремента затухания колебаний не менее 0,3. Обоснована необходимость увеличения продольного расстояния между передними и задними опорами кабины до 0,95 м, а вертикального - до 0,15 м, что позволит снизить раскачивание кабины и ее вибронагруженность
Ключевые слова: ЗЕРНОУБОРОЧНЫЙ КОМБАЙН, СИСТЕМА ПОДРЕССОРИВАНИЯ КАБИНЫ, МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, ВИБРОИЗОЛЯЦИЯ, БЕЗОПАСНОСТЬ РАБОЧЕГО МЕСТА
http://dx.doi.org/10.21515/1990-4665-176-020
UDC 631.354.2.076
05.20.01 - Technologies and means of mechanization of agriculture (technical sciences)
THEORETICAL STUDY OF VIBRATION ISOLATION QUALITIES OF VIBRATION MOUNTS AND SUSPENSION SYSTEM OF THE COMBINE HARVESTER CABIN
Lebedinsky Ilya Yurievich
Applicant for the degree of candidate of technical
sciences, Senior lecturer of the Department
"Automobiles and transport-technological
complexes"
RSCI SPIN-code: 5990-3153
Web of Science Researcher ID: ABC-6864-2020
ORCID: 0000-0002-4348-6990
ilialebedinski@gmail.com
Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Rostov region, Russia
The work is devoted to the study of the vibrationisolation qualities of the combine harvester cab suspension system by mathematical modeling of the vibration propagation process from the carrier system. The effect of stiffness and damping of vibration-isolating mounts of the suspension system, as well as their geometric arrangement on the total vibration loading of the cab, has been studied under the condition of reducing the total root-mean-square value of vibration accelerations. Practical recommendations for the development of effective vibration isolation systems for the cabins of combine harvesters are formulated. It is shown that it is necessary to use vibration mounts with a stiffness of 240-260 N/mm in the axial direction and 80-90 N/mm in the radial direction and to increase the vibration damping in terms of the vibration damping decrement of at least 0.3. The necessity of increasing the longitudinal distance between the front and rear supports of the cabin up to 0.95 m, and the vertical distance up to 0.15 m, which will reduce the cab swing and its vibration load, is substantiated
Keywords: COMBINE HARVESTER, CAB SUSPENSION SYSTEM, MATHEMATICAL MODELING, VIBRATION ISOLATION, WORKPLACE SAFETY
Общемировой тенденцией развития агропромышленного комплекса является интенсификация технологических процессов, что требует повышения производительности применяемых сельскохозяйственных машин. Зерноуборочные комбайны (ЗУК) являются одной из самых энергонасыщенных машин, причем мощность, вырабатываемая их силовой установкой, расходуется на обеспечение рабочих процессов в самой машине, что приводит к повышению её виброакустической активности. Вибрации и шум от технологических механизмов распространяются к кабине ЗУК, в которой расположено рабочее место оператора, и препятствуют созданию безопасных и нормальных условий труда, снижают эффективность функционирования машины. В связи с этим, в настоящее время вопросу комфортности рабочих мест операторов сельскохозяйственных машин уделяется особое внимание как со стороны производителей, так и эксплуатирующих предприятий. В соответствии с международными стандартами, современные серийно-выпускаемые ЗУК остаются виброактивными и виброопасными машинами для оператора. Это обстоятельство обусловливает необходимость проведения исследований, направленных на повышение эффективности систем виброзащиты кабины.
Ранее в работе [1] были представлены разработанные математические модели системы подрессоривания кабины ЗУК, учитывающие динамические процессы, протекающие в несущих системах. Данные модели могут быть использованы для прогнозирования эффективности различных вариантов компоновки систем подрессоривания, а также для синтеза оптимальных рабочих характеристик виброизолирующих опор или виброизоляторов (ВИ). В данной работе, на основе математического моделирования проведено теоретическое исследование влияния упруго-диссипативных характеристик ВИ, а также геометрической компоновки системы
подрессоривания кабины на ее вибронагруженность в основных режимах работы ЗУК.
На этапе проектирования машины требуется проведение расчетов ряда параметров системы подрессоривания, оказывающих влияние на вибронагруженность кабины [2 - 5]. К ним относятся жесткость, демпфирование, а также геометрическое расположение ВИ в системе подрессоривания - горизонтальные и вертикальные расстояния между опорными точками. Проведен расчет вибронагруженности кабины в рабочем и транспортном режимах ЗУК. Вибронагруженность определяли по полному СКЗ виброускорений на кабине (ау) в соответствии с [6, 7]. Входное кинематическое воздействие на кабину измеряли на серийном ЗУК в виде виброускорений во временной области на несущей системе.
Исследовано влияние осевой и радиальной жесткостей ВИ кабины на её вибронагруженность в диапазоне 20 - 500 Н/мм. Влияние осевой жесткости ВИ ^ на ау в рабочем и транспортном режимах исследовали при зафиксированных значениях радиальных жесткостей сх = су = 220 Н/мм, а также логарифмического декремента затухания Лz = Лху = 0,3 (рис. 1). Влияние радиальной жесткости ВИ сх, су на ау в рабочем и транспортном режимах исследовали при зафиксированном значении осевой жесткости ^ = 140 Н/мм также логарифмического декремента затухания Лz = Лху = 0,3 (рис. 2).
20 60 100 140 200 240 280 320 360 400 440 Сг, Н/мм 20 60 100 140 200 240 280 320 360 400 440 Сху, Н/мм
а б
Рис. 1. Зависимость ау от ^ (а) и сху (б): 1 - в транспортном режиме; 2 - в
рабочем режиме
В результате теоретического исследования (рис. 1 а) установлено, что зависимость ау от сг имеет нелинейный вид с характерными экстремумами в точках резонанса при сг = 20 - 60 Н/мм. В рабочем режиме эксплуатации, увеличение сг до 240 Н/мм от значения жесткости серийного ВИ сг = 140 Н/мм приводит к незначительному увеличению ау с 0,97 до 1,1 м/с , а в транспортном режиме увеличение сг до 240 Н/мм приводит к увеличению ар с 2,4 до 2,7 м/с2. Радиальная жесткость ВИ сху оказывает большее влияние на значение ау в рабочем и транспортном режимах (рис. 1 б). Так, в рабочем режиме снижение радиальной жесткости до сху = 80 - 90 Н/мм от базового значения сху = 220 Н/мм приводит к снижению ар с 0,9 до 0,6 м/с , а в транспортном режиме с 2 до 1,6 м/с . Поэтому управление радиальной жесткостью ВИ кабины ЗУК является более эффективным способом снижения вибронагруженности кабины в сравнении с изменением осевой жесткости ВИ. Оптимальные значения жесткостей виброизолирующих опор подвески кабины по критерию снижения ау, составляют: сг = 240 - 260 Н/мм, сх = су = 80 -90 Н/мм.
Следующим основным оптимизируемым параметром ВИ системы подрессоривания является демпфирование, выражаемое значением логарифмического декремента затухания (ЛДЗ) колебаний. Расчет влияния осевой и радиальной жесткостей ВИ проводился при постоянном значении ЛДЗ: Л2 = Аху = 0,3, однако данная характеристика может изменяться в зависимости от свойств упруго-вязкого материала опоры и дополнительных демпфирующих устройств [8 - 10]. Поэтому, при помощи моделирования проведено исследование влияния значений Аг, Аху на вибронагруженность кабины в рабочем и транспортном режимах при значениях жесткостей опор, соответствующих серийной системе подрессоривания: с2 = 140 Н/мм, сху = 220 Н/мм (рис. 2).
С1у, м/с2 4 3 2 1
0 _
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Я2Ху
Рис. 2. Зависимость аР от Лz, Лху при с2 = 140 Н/мм, сху = 220 Н/мм: 1 - в транспортном режиме; 2 - в рабочем режиме Из анализа результатов, представленных на рис. 2 следует, что увеличение ЛДЗ колебаний в опоре по всем направлениям перемещений -Лz, Лху от значения 0,1 до 0,3 - 0,4 способствует значительному снижению общей вибронагруженности кабины и повышению эффективности системы подрессоривания. Однако дальнейшее повышение Яz, Лху незначительно влияет на ау и поэтому технически неоправданно.
В результате теоретического исследования влияния свойств ВИ на вибронагруженность кабины, получены оптимизированные характеристики жесткости и ЛДЗ ВИ, позволяющие обеспечить снижение уровня вибронагруженности кабины ЗУК. Характеристики ВИ базовой и оптимизированной систем подрессоривания приведены в табл. 1
Таблица 1
Характеристики ВИ систем подрессоривания: 1 - базовой; 2 -оптимизированной
Виброизолирующие опоры Жесткость виброизолирующих опор, Н/мм Логарифмический декремент затухания Полнс виброуско] >е СКЗ эений, м/с2
РР ТР
сх су Cz Лх Лу Лz ау ШО ар ау ШО ар
1 220 220 140 0.3 0.3 0.3 1,1 0,5 2,6 0,5
2 80 80 240 0.4 0.4 0.4 0,6 0,5 1,6 0,5
Еще одним параметром оптимизации подвески кабины ЗУК является геометрическое расположение ВИ в системе подрессоривания -горизонтальные и вертикальные расстояния между точками установки ВИ. Исследовано влияние геометрических параметров системы подрессоривания на общую вибронагруженность кабины по значению ау при использовании базовых ВИ кабины с жесткостями с2 = 140 Н/мм, сху = 220 Н/мм и логарифмическим декрементом затухания Аг = Аху = 0,3 в соответствии с расчетной схемой на рис. 3 в зависимости от продольного расстояния X между передними и задними ВИ кабины и от разности высот их установки Z (рис. 4).
Рис. 3. Расчетная схема геометрической компоновки системы подрессоривания кабины ЗУК: X - продольное расстояние между ВИ;
Установлено что в транспортном, и в рабочем режимах ЗУК увеличение продольного расстояния между передними и задними опорами кабины приводит к снижению ау (рис. 4 а). Это объясняется уменьшением амплитуды угловых колебаний кабины вокруг поперечной оси по ходу движения ЗУК, однако, это снижение существенно проявляется только при расстояниях меньше 0,95 м в транспортном и 0,85 м в рабочем режиме. Поэтому, для системы подрессоривания кабины исследуемого ЗУК с заданными массово-инерционными параметрами и выявленными
Z - разность высот установки ВИ
особенностями вибрационного сигнала на остове машины, оптимальное расстояние между передними и задними ВИ по условию снижения ау составляет не менее 0,95 м. Разность высот между передними и задними ВИ кабины также значительно влияет на уровень ау, которое уменьшается при увеличении вертикального расстояния между ВИ (рис. 4 б). Это, как и в случае увеличения продольного расстояния, обусловлено уменьшением амплитуды угловых колебаний кабины и проявляется при разности высот установки опор более 0,15 м в рабочем и транспортном режимах.
о -----^ о _________
0,55 0,65 0,75 0,85 0,95 1,05 1,15 1,25 X, М 0 0,05 ОД 0,15 ОД 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 Д м
а б
Рис. 4. Зависимость ау от продольного расстояния X (а) и разности высот
установки Z (б) между передними и задними ВИ кабины: 1 - в транспортном режиме; 2 - в рабочем режиме
Таким образом установлено, что в рабочем и транспортном режимах ЗУК увеличение продольного и вертикального расстояний между опорными точками кабины приводит к снижению вибронагруженности кабины по значению аР за счет уменьшения раскачивания кабины на низких частотах. Однако, данная зависимость имеет нелинейный вид и при увеличении расстояния более чем на 0,1 м от базовой компоновки, снижение аР в обоих случаях незначительно.
Выводы
1. Увеличение значений осевой и радиальной жесткости виброизолирующих опор системы подрессоривания кабины ЗУК приводит
к повышению ее вибронагруженности в рабочем и транспортном режимах, однако, при этом снижается вероятность возникновения раскачивания кабины на низких частотах. Наиболее эффективными значениями жесткости ВИ по показателю снижения уровня полного среднеквадратичного значения виброускорений на кабине в рабочем и транспортном режимах являются осевая жесткость равная 240 - 260 Н/мм, радиальная жесткость равная 80 - 90 Н/мм.
2. Уровень демпфирования колебаний в виброизолирующих опорах системы подрессоривания существенно влияет на вибронагруженность кабины ЗУК. Увеличение логарифмического декремента затухания колебаний по всем направлениям перемещений в диапазоне от 0,1 до 0,4 способствует снижению общей вибронагруженности кабины.
3. Геометрическое расположение виброизолирующих опор в системе подрессоривания кабины ЗУК существенно влияет на ее вибронагруженность. Как в транспортном, так и в рабочем режимах, увеличение продольного расстояния между передними и задними виброизолирующими опорами кабины приводит к снижению уровня полного среднеквадратичного значения виброускорений на кабине. В исследуемом ЗУК оптимальными являются продольное расстояние между виброизолирующими опорами не менее 0,95 м, а вертикальное расстояние не менее 0,15 м.
Список литературы
1. Сиротин, П. В. Математическая модель системы подрессоривания кабины зерно- и кормоуборочных комбайнов с учетом динамических свойств несущей системы [Текст] / П. В. Сиротин, И. Ю. Лебединский, М. М. Жилейкин // Тракторы и сельхозмашины. - 2021. - №3. - С. 42-52.
2. Корчагин, П. А. Снижение динамических воздействий на оператора автогрейдера в транспортном режиме [Текст] : монография / П. А. Корчагин, Е. А. Корчагина, И. А. Чакурин. - Омск : СибАДИ, 2009. - 195 с.
3. Ляшенко, М. В. Методы оптимизационного синтеза систем подрессоривания и элементов ходовых систем гусеничных сельскохозяйственных тракторов,
адаптированных к условиям эксплуатации [Текст] : дис ...докт. техн. наук / Ляшенко Михаил Вольфредович. - Волгоград, 2003. - 387 с.
4. Черненко, А. Б. Пневматические системы вторичного подрессоривания кабин многоосных автомобилей [Текст] : монография / А. Б. Черненко, Б. Г. Гасанов; Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2012. - 156 с.
5. Жеглов, Л. Ф. Виброакустика колесных машин [Текст] / Л. Ф. Жеглов. -Москва : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013. - 205 с.
6. ГОСТ 12.1.012-2004. Система стандартов безопасности труда. Вибрационная безопасность. Общие требования [Текст]. - Москва : Стандартинформ, 2010. - 16 с.
7. ГОСТ 31191.1-2004 (ИСО 2631-1:1997). Вибрация и удар. Измерение общей вибрации и оценка ее воздействия на человека. Часть 1. Общие требования [Текст]. -Москва : Стандартинформ, 2010. - 34 с.
8. Шеховцов, В. В. Экспериментальное определение характеристик виброизоляторов кабины трактора [Текст] / В. В. Шеховцов, М. В. Ляшенко // Международный научно-исследовательский журнал: Research Journal of International Studies. - 2013. - Vol. 7 (2). - P. 118-122.
9. Сиротин, П. В. Стенд для исследования статических и динамических характеристик виброизоляторов [Текст] / П. В. Сиротин, И. Ю. Лебединский, М. М. Жилейкин, М. И. Сысоев // Вестник машиностроения. - 2020. - № 4. - С. 36-40.
10. Бочаров, Н. Ф. Подрессоривание автомобильных агрегатов [Текст] : учебное пособие / Н. Ф. Бочаров, С. Г. Макаров. - Москва : МВТУ им. Н.Э. Баумана, 1977. - 30 с.
References
1. Sirotin, P. V. Matematicheskaja model' sistemy podressorivanija kabiny zerno- i kormouborochnyh kombajnov s uchetom dinamicheskih svojstv nesushhej sistemy [Tekst] / P. V. Sirotin, I. Ju. Lebedinskij, M. M. Zhilejkin // Traktory i sel'hozmashiny. - 2021. - №3. - S. 42-52.
2. Korchagin, P. A. Snizhenie dinamicheskih vozdejstvij na operatora avtogrejdera v transportnom rezhime [Tekst] : monografija / P. A. Korchagin, E. A. Korchagina, I. A. Chakurin. - Omsk : SibADI, 2009. - 195 s.
3. Ljashenko, M. V. Metody optimizacionnogo sinteza sistem podressorivanija i jelementov hodovyh sistem gusenichnyh sel'skohozjajstvennyh traktorov, adaptirovannyh k uslovijam jekspluatacii [Tekst] : dis ...dokt. tehn. nauk / Ljashenko Mihail Vol'fredovich. -Volgograd, 2003. - 387 s.
4. Chernenko, A. B. Pnevmaticheskie sistemy vtorichnogo podressorivanija kabin mnogoosnyh avtomobilej [Tekst] : monografija / A. B. Chernenko, B. G. Gasanov; Juzh.-Ros. gos. tehn. un-t (NPI). - Novocherkassk: JuRGTU (NPI), 2012. - 156 s.
5. Zheglov, L. F. Vibroakustika kolesnyh mashin [Tekst] / L. F. Zheglov. - Moskva : Izd-vo MGTU im. N.Je. Baumana, 2013. - 205 s.
6. GOST 12.1.012-2004. Sistema standartov bezopasnosti truda. Vibracionnaja bezopasnost'. Obshhie trebovanija [Tekst]. - Moskva : Standartinform, 2010. - 16 s.
7. GOST 31191.1-2004 (ISO 2631-1:1997). Vibracija i udar. Izmerenie obshhej vibracii i ocenka ee vozdejstvija na cheloveka. Chast' 1. Obshhie trebovanija [Tekst]. -Moskva : Standartinform, 2010. - 34 s.
8. Shehovcov, V. V. Jeksperimental'noe opredelenie harakteristik vibroizoljatorov kabiny traktora [Tekst] / V. V. Shehovcov, M. V. Ljashenko // Mezhdunarodnyj nauchno-
issledovatel'skij zhurnal: Research Journal of International Studies. - 2013. - Vol. 7 (2). - P. 118-122.
9. Sirotin, P. V. Stend dlja issledovanija staticheskih i dinamicheskih harakteristik vibroizoljatorov [Tekst] / P. V. Sirotin, I. Ju. Lebedinskij, M. M. Zhilejkin, M. I. Sysoev // Vestnik mashinostroenija. - 2020. - № 4. - S. 36-40.
10. Bocharov, N. F. Podressorivanie avtomobil'nyh agregatov [Tekst] : uchebnoe posobie / N. F. Bocharov, S. G. Makarov. - Moskva : MVTU im. N.Je. Baumana, 1977. - 30 s.
