ЗАЩИТА ЧЕЛОВЕКА-ОПЕРАТОРА ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ ОТ ВИБРАЦИИ
PROTECTION OF THE MAN-OPERATOR FOREST MACHINE FROM VIBRATION
Обозов А.А., Томлеева С.В. (БГИТА, г.Брянск, РФ)
Obozov A.A., Tomleeva S.V. (The Bryansk state engineering technological academy)
Рассматривается проблема защиты человека-оператора от вибрации
The problem of protection of the man-operator from vibration is considered.
Ключевые слова: виброзащита, человек-оператор
Keywords: vibroprotection, man-operator
Одним из путей повышения производительности лесозаготовительной машины является улучшение условий труда человека-оператора. При работе лесозаготовительной машины человек-оператор испытывает на себе целый комплекс вредных воздействий, которые могут нанести серьезный ущерб организму и вызвать различные заболевания. Одним из таких воздействий является вибрация.
Причины, вызывающие вибрацию, можно разделить на внутренние и внешние. Вибрация, обусловленная внутренними причинами, возникает в основном из-за неуравновешенности вращающихся деталей различных агрегатов машины и из-за неравномерности их вращения. Основными источниками вибрации здесь в большинстве случаев является двигатель и элементы трансмиссии, которые вызывают вибрацию высокой частоты. Внешней причиной возникновения вибрации является дорога, а точнее ее геометрический профиль, который служит источником возмущений низкой и средней частот.
Вибрацию, вызванную внутренними причинами, как правило, снижают на стадиях разработки и испытаний отдельных агрегатов и всей машины в целом. Снизить вибрацию, обусловленную внешними причинами можно либо устранением этих причин, то есть улучшением качества дорожного покрытия, либо с помощью различных виброзащитных систем. Поскольку в условиях лесозаготовок первый метод применить нельзя, то для защиты человека-оператора от вредного влияния вибрации здесь используют системы виброизоляции. В данном случае виброзащита заключается в установке между объектом и источником дополнительной системы, защищающей объект от механических воздействий, возбуждаемых источником.
В настоящее время для защиты человека-оператора от вибрации широко используются пассивные системы виброизоляции. Данные системы обладают простой конструкцией, не требуют подвода энергии, надежны и долговечны в эксплуатации. Недостатком пассивных систем является невозможность обеспечить допустимый уровень вибрационной нагрузки во всем диапазоне частот. Особенно неэффективны они на низких частотах. В этом диапазоне очень часто возникает низкочастотный резонанс, что ведет к раскачиванию сиденья и тем самым затрудняет управление машиной.
Для защиты человека-оператора от вибрации во всем диапазоне частот необходимо реализовать в подвеске сиденья следующие условия: достаточную несущую способность, для обеспечения устойчивой работы оператора по управлению машиной; квазинулевую жесткость, для перевода амплитудно-частотной характеристики подвески в зарезонансную зону; снижение до минимума диссипации, чтобы исключить вредное влияние сил трения в зарезонансной зоне.
Все эти условия противоречат друг другу. Широко распространенные сегодня пассивные виброзащитные системы не могут их выполнить, то есть невозможно, например, обеспечить достаточную несущую способность подвески и сверхмалую жесткость при динамическом ходе подвески равным 100 мм. Снижение жесткости ведет к уменьшению несущей способности, а увеличение несущей способности при малой жесткости приводит к значительному увеличению габаритов подвески. Выполнить все вышеприведенные требования могут активные системы виброизоляции, однако из-за их высокой стоимости, сложной и громоздкой конструкции область их применения невелика и в ближайшем будущем массовое внедрение их на мобильных машинах не предвидится.
Выход из данной ситуации – это виброзащитные системы с перескоком. Они полностью удовлетворяют всем требованиям по созданию оптимальной виброзащитной характеристики и по своим виброзащитным качествам не имеют себе аналогов.
Все виброзащитные системы с перескоком можно разделить на четыре основные группы [1].
Рисунок 1 - Принципиальные схемы виброзащитных систем с квазинулевой жесткостью первой группы
К первой группе (рис. 1) следует отнести наиболее обширную и конструктивно разнообразную группу систем, содержащих в себе несущие упругие элементы с постоянной положительной жесткостью и устройства с отрицательной жесткостью. Именно виброзащитные системы первой группы хорошо зарекомендовали себя в опытных образцах кресел человека-оператора.
В качестве дополнительного упругого элемента перескока здесь могут быть использованы цилиндрические пружины, пластинчатые пружины, упругие стержни и торсионы.
Конструктивно перескок обеспечивается введением в подвеску сиденья дополнительного упругого элемента, который имеет силовую характеристику показанную на рисунке 2 прерывистой линией. В отличие от силовой характеристики основного упругого элемента, которая представляет прямую, упругая характеристика перескока - кривая линия с двумя экстремумами.
Рисунок - 2 Силовая характеристика перескока и основного упругого элемента
На данной характеристике имеется область, которую при нагружении упругая система проходит практически мгновенно. Это так называемая область неустойчивости, которая расположена между двумя экстремумами. Именно эта область представляет наибольший интерес с точки зрения виброзащиты.
Реализовать или другими словами зафиксировать данный участок характеристики на практике можно только с помощью какого-либо механизма, таким механизмом будет являться типовое подвешивание с линейной силовой характеристикой. Подобрав определенным образом параметры основного упругого элемента и дополнительного упругого элемента перескока мы получим суммарную характеристику виброзащитной системы, показанную на рисунке 3.
На характеристике имеется горизонтальный участок, на котором перемещение вызывает незначительный рост силы. Это участок с пониженной (квазинулевой) жесткостью. Снижение жесткости на данном участке ведет к значительному уменьшению собственной частоты колебаний виброзащитной системы. При этом несущая способность системы обеспечивается основным упругим элементом и ни чем не отличается от типового подвешивания.
Рисунок - 3 Суммарная силовая характеристика виброзащитной системы с перескоком
Благодаря этому, виброзащитная система с перескоком в подвесках сидений будет работать в зарезонансной области, что исключает возникновение низкочастотного резонанса. Принципиально устраняется основной недостаток пассивных систем виброзащиты.
Натурные испытания образца виброзащитного сиденья с перескоком выявили ряд особенностей в работе такой системы. При теоретическом исследовании виброзащитной системы с перескоком силы сопротивления не учитывались, однако в реальной конструкции даже наличие незначительных сил сухого трения приводит к запиранию подвески, то есть дополнительный упругий элемент перескока практически перестает работать. Это приводит к росту значений виброускорений, действующих на оператора.
Данную проблему необходимо устранять еще на стадии проектирования, исключая элементы конструкции с сухим трением, например, применив в шарнирах подвески подшипники качения.
Еще одной особенностью «мягкого подвешивания» является также крайняя чувствительность к ударным или импульсным возмущениям. Металлические элементы сиденья и его подвески пропускают импульсное возмущение практически полностью, не снижая его энергетический уровень. В результате защищаемый объект приобретает сразу некую начальную скорость и начинает движение от положения равновесия. Удерживать или возвращать его в это положение, призвана упругая подвеска и силы сопротивления. Так как подвеска с квазинулевой жесткостью не имеет сил упругости, то единственным удерживающим фактором будут выступать силы сопротивления. Однако они не могут служить в качестве возвращающих сил, скорее наоборот, и поэтому защищаемый объект после исчезновения импульсного возмущения может отклониться на недопустимо большую величину. На испытаниях объект виброзащиты в данной ситуации двигался вверх до упора в ограничитель хода подвески, но виброускорения не превышали допускаемых значений.
Для предотвращения этого явления следует внедрить в динамическую систему элемент с регулируемой силой сопротивления. Характеристика сил сопротивления должна быть регрессивной, т.е. силы должны возрастать пропорционально отклонению защищаемого объекта от положения равновесия. При этом они должны автоматически отключаться (силы сопротивления должны стать равными нулю) после полной остановки объекта в положении равновесия. Эта задача требует проведения теоретических исследований по формированию силы сухого трения и конструкторской проработки данного вопроса.
Список использованных источников
- Виброзащитные системы с квазинулевой жесткостью/ П.М. Алабужев и др.; Под ред. К.М. Рагульскиса.- Л.: Машиностроение,1986.-96с.
- Пановко Я.Г. Основы прикладной теории колебаний и удара.- Л.:Политехника, 1990. - 272с.