В настоящее время и ближайшем будущем основным средством выполнения сложных и энергоемких технологических операций в горном, строительно-дорожном и сельскохозяйственном комплексе являются самоходные транспортно-технологические машины (ТММ), эффективность работы которых во многом определяет рентабельность многих секторов экономики. Для повышения производительности, ТТМ оснащают более эффективными рабочими и функциональными механизмами, мощными силовыми установками, а также увеличивают их рабочие и транспортные скорости движения. Изменение указанных характеристик самоходных машин сопровождается, как правило, не только повышением действующих динамических нагрузок на них [1–3], ухудшением плавности хода, обитаемости кабины [4, 5], но и существенным увеличением конструкционной массы машины, что недопустимо с точки зрения специфики эксплуатации ТТМ, ограничением норм максимального давления на грунт, а также агроэкологии и др. [6, 7]. Из-за особенностей компоновки, наличия большого числа неуравновешенных механизмов, присутствия детерминированных процессов при обработке технологической массы, а также особых условий эксплуатации, на рабочих местах операторов таких машин часто проявляются чрезмерные уровни действующих вибраций.
Результаты комплексных экспериментальных исследований действующих динамических нагрузок ТТМ станут основой для определения наиболее эффективных технических решений, позволяющих не только повысить эксплуатационные показатели и производительность, но и улучшить условия труда их операторов [2–4].
Таким образом, целью представленного исследования является обоснование использования экспериментально-расчётного метода, позволяющего получить оптимальные нелинейные характеристики систем вторичного подрессоривания самоходных ТТМ с различными компоновками, путём моделирования пространственных колебаний кабин с разными характеристиками упругих, демпфирующих и направляющих устройств.
Материалы и методы исследования
Объектами исследования являются системы вторичного подрессоривания самоходных ТТМ с различными компоновками и с разными характеристиками упругих, демпфирующих и направляющих устройств подвесок кабин.
Определяющее влияние на вибронагруженность оператора рассматриваемого класса машин оказывают низкочастотные вибрации элементов остова или рамы в тех местах, где устанавливаются кабины ТТМ, которые состоят из возмущений идущих от опорной поверхности, двигателя, трансмиссии и других узлов и агрегатов выполняющих технологические операции [1, 4, 8]. Характерной для рассматриваемых спектров вертикальных, продольных и поперечных ускорений (рис. 1–3) является неравномерность распределения энергии вибрационных процессов по частотам.
Основная часть энергии вертикальных ускорений, замеренных в местах крепления кабины к элементам остова, сосредоточена в полосе частот от 1 Гц до 10 Гц и составляет 80–90 % от всей энергии процесса. В интервале частот от 10 Гц до 20 Гц расположено всего 10–20 %.
На спектрах вертикальных ускорений имеются ярко выраженные максимумы в низкочастотной и высокочастотной резонансных зонах колебаний остова ТТМ. Низкочастотные максимумы соответствуют собственным частотам колебаний несущей системы как твердого тела (вертикальных, продольно-угловых, поперечно-угловых). Частоты, на которых образуются высокочастотные максимумы, являются собственными частотам вибраций изгибных и крутильных колебаний остова или рамы в местах установки кабины [2, 9, 10].
Рис. 1. Спектры ускорений элементов несущей системы зерноуборочного комбайна, полученные в местах установки кабины: а – вертикальных; б – продольных
Рис. 2. Спектры ускорений элементов несущей системы многоосного автомобиля, полученные в местах установки кабины: а – вертикальных; б – поперечных
Рис. 3. Спектры ускорений элементов несущей системы самоходного скрепера, полученные в местах установки кабины: а – вертикальных; б – поперечных
При комбинированном методе возможен учёт влияния колебаний кабины на колебания элементов несущей системы ТТМ в местах её крепления при изменении параметров системы вторичного подрессоривания. Это объясняется тем, что, во-первых, участки несущей системы, прилегающие к местам крепления кабин, могут иметь значительную податливость, а во-вторых, масса кабин современных машин относительно велика [7, 11].
Системы вторичного подрессоривания ТТМ, как и все реальные физические объекты, имеют нелинейные упруго-диссипативные связи. Наличие нелинейностей не позволяет применять принцип суперпозиции колебаний, поэтому необходим учет колебаний одновременно по нескольким координатам, а также учет связей между отдельными колебаниями. В связи с этим возмущения, воздействующие на систему подвешивания кабины ТТМ, должны достаточно точно воспроизводить реально существующие во время эксплуатации процессы, как по частотному составу, так и по интенсивности [3, 7, 12].
Установлено, что горизонтальные воздействия от остова или рамы ТТМ в местах крепления кабины, вместе с вертикальными в основном влияют на вибронагруженность колёсных машин. Их уровни соизмеримы и составляют от 60 до 120 %, что необходимо учитывать при исследовании динамической системы кабины [7, 5, 7].
Масса водителя автомобиля вместе с подрессоренными частями сиденья соизмерима с массой кабины ТТМ. Поэтому её влияние на колебания кабины необходимо учитывать для оценки выходных характеристик системы подрессоривания.
Расчетная схема динамической системы кабины ТТМ, с учётом принятых допущений, представлена на рис. 4.
Рис. 4. Расчётная схема динамической системы кабины ТТМ
На схеме введены обозначения: O1, O2 – соответственно центры масс кабины массой М и сиденья массой mc ; Ix, Iy, Iz – момент инерции кабины относительно осей подвижной системы координат; A1, A2, A3, A4 – точки крепления подвески кабины к несущей системе автомобиля;
qxijk, qxijk, qxijk – кинематическое входное воздействие на i, j, k-й упругий и демпфирующий элемент, а также элемент «сухого» трения в неподвижных координатах;
O1, X, Y, Z – неподвижная система координат, совпадающая с системой координат, связанной с кабиной, когда она находится в статическом равновесии;
O2, Xc, Yc, Zc – координаты сиденья текущие совпадающие с координатами Xco, Yco, Zco в положении статического равновесия;
Xco, Yco, Zco – координаты сиденья относительно неподвижных координат X, Y, Z в статическом положении;
?x, ?y, ?z – углы поворота твердого тела (кабины) в неподвижных координатах;
αijk, βijk, γijk – углы между осями упругих или демпфирующих элементов или элементов «сухого» трения и осями координат;
Δijk – прогиб упругого i-го элемента, демпфирующего j-го и k-го элемента «сухого» трения.
Динамическая система подвешивания кабины ТТМ представляет собой систему двух твердых тел, имеющих девять степеней свободы:
Здесь: i – номер упругого элемента; ?i ≡ ?i(Δi) – характеристика i-го упругого элемента подвески кабины, j – нoмер демпфирующего элемента; Rj ≡ Rj(Δj) – характеристика j-го демпфирующего элемента; k – номер элемента «сухого» трения; Tkj ≡ Tk(Δk) – характеристика k-го элемента «сухого» трения подвески кабины; Pc ≡ Pc(Δc) – характеристика упругого элемента подвески сиденья; Rc ≡ Rc(Δc) – характеристика демпфирующего элемента подвески сиденья; Tc ≡ Tc(Δc) –характеристика «сухого» трения подвески сиденья; mg и mcg – соответственно вес кабины и сиденья.
Результаты исследования и их обсуждение
Разработанная математическая модель случайных колебаний кабины транспортно-технологической самоходной машины отражает взаимосвязь различных движений, внешние воздействия, а также инерционные и упруго-диссипативные свойства системы.
В процессе моделирования входные воздействия на кабину транспортно-технологической самоходной машины, полученные в результате испытаний в транспортном режиме при движении по грунтовым дорогам и различным агрофонам использовались в математической модели при моделировании.
Использование разработанной математической модели позволяет оценить эффективность различных, как существующих, так и вновь проектируемых систем вторичного подрессоривания во всех направлениях колебаний, путём сравнения расчётных показателей вибронагруженности подвесок кабины и выбрать наилучший вариант конструкции.
Критерием качества разработанной математической модели случайных колебаний кабины ТТМ является степень совпадения результатов моделирования колебаний кабины со статистическими оценками экспериментальных исследований. На рис. 5 представлены спектральные плотности ускорений в зоне центра тяжести кабины (кривая 2), полученные в результате моделирования и испытаний в транспортном режиме при движении по грунтовой дороге (кривая 1).
Рис. 5. Спектральные плотности ускорений в зоне центра тяжести кабины, полученные в транспортном режиме при движении по грунтовой дороге – 1 и в результате моделирования – 2
Из рис. 5 видно, что результаты теоретических исследований колебаний кабины, проведённые при помощи пространственной математической модели, имеют высокую качественную и количественную сходимость с результатами испытаний, проведенных в транспортном режиме при движении по грунтовой дороге. Характер протекания спектральных плотностей ускорений в кабине ТТМ, полученных экспериментальным и теоретическим путём, определяет хорошее совпадение оценок ускорений в диапазоне частот от 1 до 12 Гц (максимальное различие 15 %).
Выводы
1. Установлено, что в современных ТТМ продольные и поперечные возмущения от элементов несущей системы в местах установки кабин, наряду с вертикальными, являются основными воздействиями, влияющими на вибронагруженность колёсной машины. Наряду с этим эти возмущения являются взаимосвязанными, и разработанная математическая модель случайных колебаний кабины должна описывать пространственные колебания объекта виброзащиты.
2. Предлагаемый метод позволяет моделировать колебания кабин ТТМ с разными упругими, демпфирующими и направляющими устройствами вторичной системы подрессоривания, дает возможность получать оптимальные нелинейные характеристики систем вторичного подрессоривания самоходных машин с различными компоновками.
3. Представленные данные свидетельствуют об адекватности предлагаемой модели динамической системы кабины и её реальной конструкции, а также правомочности применения её на стадии проектирования ТТМ.
Библиографическая ссылка
Лебединский И.Ю., Сиротин П.В., Черненко А.Б., Сысоев М.И. ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ СИСТЕМ ПОДРЕССОРИВАНИЯ КАБИН ТРАНСПОРТНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ САМОХОДНЫХ МАШИН // Современные наукоемкие технологии. – 2019. – № 2. – С. 105-109;URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=37417 (дата обращения: 18.04.2024).