CC BY
4УДК 629.369
Малышев В. А. студент 1 курса магистратуры кафедры «Технического сервиса и ремонта машин», Пермский Государственный Аграрно-технологический Университет,
Россия, г. Пермь
ВОЗНИКНОВЕНИЕ И СПОСОБЫ ПЕРЕДАЧИ ВИБРАЦИИ НА ОПЕРАТОРА-ВОДИТЕЛЯ ПРИ РАБОТЕ ЭЛЕКТРОКАРЫ
Аннотация:
Рассмотрены негативные последствия влияния вибрации на оператора электрокары. Установлена необходимость исследований возникновения вибраций при движении электрокар по неровной поверхности. Приведено математическое описание механических вибраций и охарактеризованы особенности вибросмещения электрокары при попадании колес на кочку / в яму. Показаны возможности диагностики и моделирования передачи вибрации от неровностей поверхности к оператору электрокары и пути снижения негативного влияния вибрационных воздействий.
Ключевые слова: оператор, электрокара, покрытие, передача вибраций, снижение вибраций.
Malyshev V. A. 1st year student of magistracy «Technical service and repair of machines» department, Perm State Agro-technological University,
Russia, Perm
APPEARANCE AND METHODS OF TRANSMISSION OF VIBRATION TO THE OPERATOR-DRIVER WHEN OPERATING THE
ELECTROCARS
Abstract. The negative consequences of the influence of vibration on the electric vehicle operator are considered. The need to study the occurrence of vibrations when driving an electric car on an uneven surface is established. A mathematical description of mechanical vibrations is given and the characteristics of electric vehicle vibration are described when the wheels hit a bump / hole. The possibilities of diagnostics and simulation of vibration transmission from surface irregularities to the electric vehicle operator and ways to reduce the negative impact of vibration effects are shown.
Keywords: operator, electric car, road coating, vibration transmission, vibration reduction.
Современные операции погрузки, разгрузки, перевозки грузов на территориях портов, торговых центров и вокзалов, а также в зонах промышленных производств, невозможны без применения малого электротранспорта, который представлен электротележками и электрокарами [1]. Ассортимент используемых электрокар, различается по массогабаритным
характеристикам и весу перевозимого груза, отличается особенностями колесной базы, типом и мощностью двигателя, скоростью и углу преодолеваемого наклона и т.д. [2].
При этом ряд производителей в требованиях к эксплуатации электрокар указывает необходимость ровной поверхности определенного исполнения для беспрепятственного и безопасного движения, тогда как в других моделях предусмотрена возможность преодоления уклонов в пределах 10-12% на 12-20 м [3]. Неровности покрытия, по которому перемещаются электрокары с грузом, дополнительно к транспортной вибрации, обусловленной работой отдельных узлов, деталей и механизмов данной техники, формируют транспортно-технологическую вибрацию, связанную с движением электрокары по определенным поверхностям при выполнении технологических операций.
В этой связи актуальными являются исследования направленные на возникновение транспортно-технологической вибрации при движении электрокар. Следует учитывать, что вибрация, в целом являясь вредным и опасным фактором производства, оказывает негативное влияние не только на электрокары, ускоряя их износ, но также значительно сказывается на водителях электрокар. Целью данного исследования является выявление особенностей формирования и передачи вибраций на оператора электрокары при ее движении.
Необходимо отметить, что распространение вибрации от поверхности, по которой движется электрокара, в сочетании с вибрацией отдельных элементов самой кары и совокупных изменениях вибраций отдельных элементов при неравномерном движении кары или неровном покрытии, формирует изменения в тактильной, зрительной и вестибулярной, опорно-двигательной, нервной системах оператора-водителя, вплоть до развития специфической вибрационной болезни [4].
Воздействие общей вибрации (сотрясение всего организма) на оператора электрокары сопровождается некомфортными ощущениями в виде онемения, слабости в кистях рук, судорог. Локальная вибрация (сотрясение отдельных частей тела) вызывает спазмы сосудов сердца и другие нарушения, однако оставаясь зачастую неощущаемой, тем не менее, существенно влияет на здоровье [5].
На рисунке 1 систематизированы негативные последствия влияния вибрации на оператора электрокары.
Если рассматривать тело оператора как вязкоупругую механическую систему, то ей присущи собственные частоты колебаний с наличием резонансных свойств. Например, резонансные частоты: грудной клетки 2 - 12 Гц, позвоночника 4 - 14 Гц, ног и рук 2 - 8 Гц, глаз 12 - 27 Гц, головы 8 - 27 Гц [6]. При этом если воздействующие частоты со стороны электрокары на оператора, попадают в тот или иной диапазон, то в результате резонанса, возникает боль в соответствующем органе. Наиболее опасной считается частота 6-9 Гц, способная привести к микроразрывам органов.
Рисунок 1 - Влияние вибрации на функциональное и физическое состояние оператора-водителя [6] Рабочее место операторов-водителей электрокар подвергается воздействию вибрации, как общего, так и локального характера. Как было отмечено выше, возникновение общей вибрации складывается от неровностей дорожного полотна или покрытия и работы двигателя, узлов и агрегатов электрокары. В результате таких воздействий вибрация распространяется в тело оператора, при этом интегрируется виброускорение в направлениях х, у и z и виброскорость, уровни которой измеряются в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 1; 2; 4; 8; 16; 31,5; 63 Гц [7].
В общем виде при движении электрокары вибрации формируются в результате воздействия механических и электромагнитных колебаний, схематичное описание которых показано на рисунке 2.
а)
б)
Рисунок 2 - Схематичное представление механических (а) и электрических (б) источников вибраций [6]
Математическое описание колебаний механического характера в связи с неровностями поверхности передвижения электрокары и неравномерностью движения (начало движения, торможение, изменение
скорости) предполагает синусоидальное изменение возмущающей силы Рт (Н) и имеет для одной степени свободы вид:
т— + ^У + ч!У& = Рт
м
(1)
Лх^
где V - виброскорость (—), м/с (х - значение вибросмещения (м) в
момент времени t (с)); ^ - виброускорение, м/с2; ц - коэффициент (далее -
коэф.) жесткости системы, Н/м; т - масса электрокары с оператором и грузами, кг; ^ - коэф. сопротивления, Н*с/м; w - круговая частота возмущающей силы, рад/с [6].
Колебания электрического характера описываются в параметрах напряжение, сопротивление, емкость и индуктивность, зависят от особенностей электродвигателя и не являются объектом исследования в данной статье.
Вибрации в связи с неровностями дороги имеют механический характер и являются преимущественно спонтанными, если покрытие представляет собой набор неровностей случайного расположения. Возникновение таких вибраций определяется макро- и микропрофилем дорожного полотна и математически характеризуется различными функциями. На рисунке 3 показано схематичное распространение колебаний на сидение водителя при неровном дорожном покрытии.
Рисунок 3 - Возникновение и передача вибрации на кресло оператора при движении электрокары по неровному покрытию [8]
Интенсивность передачи вибрации на оператора электрокары будет зависеть от устройства автомобиля, однако, значительный вклад в распространении механических колебаний, вызванных особенностями полотна, будет иметь скорость движения электрокары, жесткость подвески
сидения, вес водителя и грузов, трение (сопротивление движению) со стороны шин, что подтверждается коэффициентами и параметрами в уравнении (1).
Особенности дорожного полотна или покрытия вносят свой вклад в модели, описывающие передачу вибрации, т.к. коэф. трения (сопротивление движению колес) будет зависеть от покрытия, а неровности будут определять изменения вибросмещения по осям х, у, z в первую очередь шины, с последующей передачей колебаний на взаимосвязанные узлы электрокары. Например, коэф. сопротивления движению со стороны шин, повышается в ряду асфальт<бетон<цемент<лед<битум<брусчатка<гравий [2].
Так, полотно из выступов и впадин, например, выложенное булыжником, будет способствовать возникновению вибраций, описываемых монотонно-убывающей функцией; вибрации от цементобетонного полотна описываются медленно-убывающей функцией; покрытие с неравномерным износом обуславливает набор вибраций математически описываемых сложной функцией, являющейся результатом сложения монотонной и колебательной функции [8].
Для получения информации о возникновении и передаче вибрации от неровной поверхности через узлы электрокары к оператору используют различные датчики вибрации. Известны многокомпонентные датчики, регистрирующие пространственную вибрацию и позволяющие обрабатывать сигналы в программных продуктах [9].
Для получения исходных данных о вибросмещении электрокары при ее движении по неоднородной поверхности и для дальнейших расчетов параметров оценивают смещение ОХ, OY, О/ при различных взаимодействиях дефектов покрытия и колеса. Условно модельными дефектами считаются «яма» и «кочка» и оценивается смещение электрокары при попадании отдельно левого/правого переднего колеса в яму (на кочку) или при одновременном проезде обоих колес по тому или иному дефекту [10].
Например, при наезде на кочку передним колесом, происходит поднятие колеса электрокары на высоту Лк и электрокара испытывает наклон по осям ОХ и ОУ и сдвиг по О/. Датчик вибраций в данном случае зарегистрирует возникновение угла смещения поперечных колебаний у, в случае ямы изменение будет зарегистрировано как отрицательное значение -у. Отличием в исходных данных для оценки передачи вибрации при одновременном нахождении на кочке/в яме обоих колес электрокара будет отсутствие смещений по ОХ.
Необходимо учитывать, что в реальных условиях движения ямы и кочки имеют различную глубину/высоту, также существует вероятность нахождения правого колеса на кочке, левого в яме, и наоборот, что вызовет формирование колебаний по всем трем осям. Полученные данные о смешении колес и других узлов электрокара, а также непосредственно сидения оператора, будут служить основой для расчета виброскорости и виброускорения по уравнению (1).
Известны модели сложных динамических систем, характеризующие передачу вибрации по цепочке «микрорельеф поверхности - машина -оператор-водитель» и связывающие особенности дорожного полотна и конструктивные параметры транспортного средства. Модели включают набор логарифмических уравнений, решаемых в программе Ма1ЪаЬ по отдельным уровням передачи вибрации: «микрорельеф поверхности - узлы ходовой части»; «рама транспортного средства - подвеска кабины»; «кабина - кресло водителя» [11]. Однако данные расчеты проведены для дорожной техники, что делает необходимым продолжение аналогичных расчетов для электрокар в рамках отдельных исследований.
Согласно уравнению (1) снизить передачу вибраций на водителя-оператора электрокары можно применив ряд мероприятий, обобщенных на рисунке 4.
Рисунок 4 - Мероприятия по снижению вибрационного воздействия на
оператора электрокары При конструировании электрокары, движение которой планируется не только по специально выделенному ровному покрытию, применяют мероприятия, представленные на рисунке 4, используя возможности применения новых конфигураций и материалов шин, корпуса, подвески, тормозной системы, сидения оператора, с применением различных амортизирующих и демпфирующих систем, как пассивного, так и активного характера [1].
Перспективным для вибропоглощения представляется использование новых материалов при конструировании электрокар (корпуса, обшивки, перекрытий), таких, которые обеспечивают рост коэффициентов потерь конструкций, т.е. диссипацию вибрации. Соответственно, в данном случае снижение уровня вибрации зависит от исходного коэффициента потерь, а эффект применения новых материалов тем выше, чем меньше коэффициент потерь конструкций до использования вибропоглощения. Диссипация
энергии от вибраций отдельных элементов электрокары способствует снижению вибрации всей конструкции. В качестве вибропоглощающих материалов предлагаются однородные конструкционные материалы с большими коэффициентами внутренних потерь, которые могут быть как металлические, так и неметаллические, например, стеклопластиковые [12].
Таким образом, рассмотрены негативные последствия влияния вибрации на оператора электрокары. Показаны возможности формирования вибраций механической и электрической природы. Установлена необходимость исследований возникновения вибраций при движении электрокар по неровной поверхности. Приведено математическое описание механических вибраций. Охарактеризованы особенности вибросмещения электрокары при попадании колес на кочку / в яму. Показаны возможности диагностики и моделирования передачи вибрации от неровностей поверхности к оператору электрокары и пути снижения негативного влияния вибрационных воздействий.
Использованные источники:
1. Малышев В.А. Подходы к снижению вибронагруженности электрокаров // Форум молодых ученых. - 2018. - №10(26). - 8с.
2. Оськин С.В. Автоматизированный электропривод: уч. пособ. для студ. вузов. - Краснодар: Изд-во ООО «КРОН», 2013. - 489 с.
3. Каталог гражданской продукции. ОАО «Сарапульский электрогенераторный завод» [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://segz.ru/grazhdanskaya-produkciya (дата обращения: 12.05.2019).
4. Бабанов С.А., Татаровская Н.А. Вибрационная болезнь: современное понимание и дифференциальный диагноз // Медицинское обозрение. - 2013. -№35. - С. 1777 - 1784.
5. Специальные вопросы обеспечения требований охраны труда. ЧОУ ДПО «Коломенский компьютерный центр», 2019. - 154 с.
6. Колосов Ю.В., Барановский В.В. Защита от вибраций и шума на производстве. Учеб. пособ. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2011. - 38 с.
7. Папуков В.П., Дмитренко Е.В., Демин В.И. и др. Особенности влияния вибрации на водителей подвижных транспортных средств // Научные труды КубГТУ. 2016. - № 10. - С. 106-112.
8. Амеров Р.Р. Некоторые результаты исследований влияния дорожного покрытия на колебания водителя легкового автомобиля // Сб. статей 89-ой конф. «Автомобилестроение России: новые вызовы». Москва, 2015. - С. 3-6.
9. Скворцов О.Б. Матричные преобразования векторных сигналов в программе LabView // Сб. трудов межд. науч.-практ. конф. Москва, 2015. - С. 95-97.
10. Алешков Д.С., Столяров В.В., Суковкин М.В. Методы снижения вредного воздействия производственной вибрации на организм человека - оператора строительно-дорожных машин // Науковедение. - 2015. - Т.7. - №5. - Doi: 10.15862/218tvn515.
11. Столяров В.В. Разработка адаптивной системы виброзащиты человека-оператора одноковшового экскаватора второй размерной группы: дисс. канд. техн. наук: 05.05.04. Омск, 2009. - 231 с.
12. Pestryakov I.I., Gumerova E.I., Kupchin A.N. Assessment of efficiency of the vibration damping material «Teroson WT 129» // Construction of Unique Buildings and Structures. - 2016. - №5 (44). - С. 47-57.
