Прогнозирование вибрации кабины виброкатков с виброизоляторами переменной жесткости

Повышение уровня жизни людей в цивилизованных странах зависит от многих причин и в значительной мере от состояния и темпов развития промышленного, гражданского и дорожного строительства, связанных с выполнением больших объёмов работ. Качество и темпы возведения объектов во многом определяются выбранным комплектом строительных и дорожных машин, правильно подобранными по типу, номенклатуре и производительности. В этой связи уровень конструктивного совершенства строительных и дорожных машин, в том числе и уплотняющих, постоянно повышается. Конструкции современных технологических машин в последние десятилетия претерпели существенные изменения. В них появляются более мощные силовые установки, многоступенчатые механические и гидромеханические коробки передач, вибрационные рабочие органы, гидростатические трансмиссии, другие узлы и механизмы. Рост технологических и транспортных скоростей движения, действующих нагрузок на рабочий орган, ходовое оборудование, трансмиссию и рамные конструкции неизбежно приводит к увеличению динамической нагруженности, вибрации и шума [1 — 8].

Виброакустические процессы на машинах с повышенными характеристиками оказывают негативное влияние на многие стороны жизнедеятельности человека. В частности, ухудшается здоровье, повышается утомляемость, раздражительность, снижается производительность и реакция человека [1,6, 18].

Производство виброкатков увеличенной единичной мощности с требуемыми виброакустическими параметрами — задача непростая. При её решении конструкторам приходится сталкиваться со значительными трудностями социального и технического характера, что требует большого инженерного искусства в проектировании машин с требуемыми виброакустическими характеристиками.

Проблема создания виброкатков с низкими виброакустическими характеристиками выдвигает перед специалистами несколько задач, главными из которых являются: выявление причин повышенных вибраций на рабочем местеисследование путей распространения вибрацииразработка комплекса мероприятий по снижению виброакустических параметров машин [16, 18, 21].

Решение первых двух задач связано не только со знанием физической природы колебательных процессов и законов распространения волн в различных средах и конструкциях, но и с правильной идентификацией сложной механической структуры на основе системного анализа.

В настоящее время разработаны различные методы расчёта вибрационных параметров машин, но ни один из них не позволяет полностью устранить влияние вибрации на человека при различных режимах работы. Вполне очевидно, что требуемых результатов можно достичь при комплексном использовании методов и средств защиты [21, 23, 24], что является важной и актуальной задачей в совершенствовании конструкций транспортно-технологических машин.

Цель диссертационной работы. Снижение вибрации на рабочем месте оператора при различных режимах работы виброкатка за счет использования в опорных связях кабины виброизоляторов с изменяемой жесткостью.

Задачи исследований:

— определение характерных частот генерации вибрационной энергии источников виброкатков;

— выявление необходимости использования в опорных связях кабины виброизоляторов с изменяемой жесткостью;

— разработка математической модели виброкатка на стадии эскизного проекта и её реализация с использованием классической теории колебаний;

— прогнозирование вибрации кабины и расчет жесткости виброизоляторов с использованием метода конечных элементов (МКЭ);

— разработка конструкции виброизоляторов с изменяемой жесткостью, их изготовление и экспериментальные исследования в лабораторных условиях;

— проведение экспериментальных исследований виброкатка в полевых условиях при выполнении типовых технологических работ;

— сопоставление результатов численных и экспериментальных исследований;

— определение социальной и экономической эффективности результатов исследований;

Объект исследования — самоходные виброкатки с изменяемой частотой колебаний вибровальца для уплотнения грунтов, оснований и асфальтобетона.

Предмет исследования — генерация, распространение и излучение вибрационной энергии на виброкатках при различных режимах работы, включая транспортный, и защита оператора от её негативного влияния.

Методологическая и теоретическая основа исследований.

Основой методологии исследований являются комплексный анализ современного состояния научно-технических достижений в области изучения быстропеременных процессов в самоходных виброкатках с использованием литературных источников, собственны аналитических, численных и экспериментальных исследований, полученных в лабораторных и полевых условиях на натурных образцах с использованием поверенной аппаратуры, измерительной оснастки, физических моделей для повышения эффективности и безопасности работы виброкатков.

В основу теоретических исследований положена классическая теория колебаний в машинах и механизмах, а также численные методы на базе метода конечных элементов.

Научная новизна исследований:

— математические модели процесса вибрации виброкатка при различных режимах работы, учитывающие взаимное влияние масс и жесткостей в опорных связях при возмущающих воздействиях источников на разных частотах;

— формулы для расчета жесткости в опорных связях кабины на различных режимах работы виброкатка на стадии эскизного проектирования, учитывающие взаимосвязи физических и геометрических параметров динамической 3-х массовой системы;

— результаты численных исследований вибрации виброкатка с использованием метода конечных элементов;

— конструкция виброизоляторов с дискретно изменяемой жесткостью и результаты лабораторных исследований их работоспособности;

— результаты экспериментальных исследований виброкатка в полевых условиях при выполнении типовых технологических операции.

Достоверность и обоснованность результатов исследований.

Подтверждается использованием методов, базирующихся на классических теориях колебаний машин и механизмов, вибрации в технике, МКЭ, метрологически аттестованных приборов, сравнением численных и экспериментальных исследований. Расхождение результатов не превышает 14,5%.

Практическая значимость исследований:

— выявлена необходимость установки в опорных связях кабины виброизоляторов с изменяемой жесткостью;

— рекомендуются формулы для расчета жесткостей виброизоляторов кабины при различных режимах работы виброкатка на стадии эскизного проектирования;

— рекомендуется топология виброкатка для более точного расчета параметров виброизоляторов кабины методом конечных элементов на заключительной стадии проектирования;

— предлагается принцип работы и конструкция виброизоляторов кабины с дискретно изменяемой жесткостью.

Внедрение результатов. Методика испытаний и экспериментальная установка используется в учебном процессе Воронежского государственного архитектурно-строительного университета при подготовке специалистов по специальностям: 230 100.03 — «Сервис транспортных и технологических машин и оборудования (строительные, дорожные и коммунальные машины)», 170 900 -«Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование» в дисциплинах: «Автотракторный и специализированный транспорт в строительстве" — «Автотракторное оборудование" — «Основы работоспособности технических систем».

Результаты работы также внедрены в ЗАО «РудГорМаш», г. Воронеж.

На защиту выносятся:

— математические модели виброкатка при различных режимах работы;

— формулы для расчета жесткости в опорных связях кабины на различных режимах работы виброкатка на стадии эскизного проектирования;

— результаты численных исследований вибрации виброкатка с использованием метода конечных элементов;

— конструкция виброизоляторов с дискретно изменяемой жесткостью и результаты лабораторных исследований их работоспособности;

— результаты экспериментальных исследований виброкатка в полевых условиях при выполнении типовых технологических операций.

Апробация результатов исследований.

Основные положения диссертационных исследований докладывались: на ежегодных научно-практических конференциях профессоров, преподавателей и приглашенных специалистов во ВГАСУ в 2008;2009 г. г., 11-ой и 12-ой межрегиональных научно-практических конференциях «Высокие технологии в экологии», май 2008 г. и май 2009 г, г. Воронеж.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 работы: в журналах и материалах научно-технических конференций, в том числе 2 статьи опубликованы в изданиях, входящих в перечень, определенный ВАК РФ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка использованных источников, приложений. Диссертация содержит 155 страниц, в том числе 119 страниц машинописного текста, 48 рисунков, 17 таблиц, 5 приложений, список использованных источников содержит 111 наименований.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1 Выполнен анализ конструктивных особенностей современных отечественных и иностранных виброкатков, выделяющих их в особую группу машин с точки зрения образования, распространения и излучения вибрационной энергии, при этом установлено, что изменение режима работы виброкатков влечет за собой изменение амплитуды и частоты колебаний рамы и кабины, но изменения характеристик виброизоляторов кабины не производится, что влечет за собой повышение негативного воздействия вибрации на оператора, исключить это явление — актуальная задача.

2 Предложены математические модели вибрационного процесса виброкатка, учитывающие взаимное влияние масс вибровальца, рамы и кабины, а также жесткостей в опорных связях на виброперемещения и виброскорости агрегатов динамической трехмассовой системы и, позволяющие аналитическим путём установить взаимосвязи жесткости упругих элементов в опорных связях кабины с физико-геометрическими параметрами при различных частотах колебаний источников для выбора характеристик виброизоляторов на стадии эскизного проектирования виброкатков.

3 В основе решения вопросов прогнозирования параметров вибрации виброкатка на заключительной стадии проектирования реализован алгоритм, базирующийся на МКЭ и, включающий шесть важнейших операций: дискретизацию конструкции виброкаткавыбор интерполяционных функцийвычисление физико-геометрических характеристик элементов конструкцийформирование уравнений для ансамбля конечных элементоврешение системы уравнений с целью определения заданных параметров вибрации агрегатов и кабины виброкатка.

4 Для выполнения численных исследований параметров вибрации виброкатка рекомендуется топология, в которой рекомендуются стержневые конечные элементы различных видов для моделирования рамных конструкций, двигателя, гидроагрегатов, кабины, опорных связей, шин и других.

5 Расчетные уровни и спектры виброскорости пола кабины на различных режимах работы виброкатка позволяют определить рациональную жесткость упругих элементов в опорных связях кабины, при которой значение виброскорости пола кабины не превышает нормативных значений, в частности, при вибрации вальца с частотой 40 Гц жесткость С = 3,8−103 кН/м, при 50 Гц — С = 2,5−10 кН/м, при отключении вибратора вибровальца проявляется вибрация ДВС с частотой 80 Гц в 1/3-октавной полосе, в этом случае рекомендуемая жесткость.

С = 3,8−10 кН/м, таким образом, доказана необходимость применения в опорных связях кабины виброизоляторов с изменяемой жесткостью в зависимости от режима работы.

6 Разработан и испытан в лабораторных условиях виброизолятор, позволяющий принудительно изменять жесткость в зависимости от частоты колебаний источников, при этом устраняются или восстанавливаются жесткие связи между различными по жесткости упругими элементами, включая их в параллельную, последовательную или параллельно-последовательную схему работы в виброизоляторе, жесткость может принимать значения С.

С С С = 2-—1—2—. С1 + С2.

7 На заключительной стадии уплотнения материалов экспериментально установлено превышение виброскоростей пола кабины виброкатка относительно нормируемых значений на режимах работы в 1/3-октавных полосах со среднегеометрическими частотами 40, 50, и 80 Гц.

8 Сравнение результатов численных исследований на базе МКЭ и экспериментальных параметров вибрации пола кабины виброкатка на различных режимах показывает удовлетворительную сходимость, так как отклонение не превышает 14,5%, что для быстропеременных процессов вполне допустимо.

9 Впервые поставлены и решены задачи: о необходимости применения в опорных связях кабины виброизоляторов с изменяемой жесткостьюпрогнозирование и расчет жесткости виброизоляторов кабины с использованием классической теории колебаний и МКЭ на различных режимах работы виброкатка.

10 Решение задач стало возможным благодаря известным достижениям в области теории колебаний машин и механизмов, численных методов исследований и методов снижения вибрации транспортно-технологических машин.

11 Полученные решения позволяют на различных стадиях проектирования виброкатков в проектных организациях и конструкторских бюро определить требуемые научно обоснованные параметры виброизоляторов кабины и агрегатов на различных режимах работы.

12 Принятие научно-обоснованные технические решения и рекомендации, подтверждаются социально-экономической и технико-экономической эффективностью. i.