Способ оптимизации системы подрессоривания кабины транспортно-технологических машин
METHOD FOR OPTIMISATION OF SUSPENSION SYSTEM OF CABIN OF TRANSPORT AND TECHNOLOGICAL MACHINES

Изобретение относится к машиностроению, а именно к способам оптимизации систем подрессоривания кабин транспортно-технологических машин (далее машин), и предназначена для снижения уровня вибрации в кабине, являющейся рабочим местом оператора машины.
Одним из способов снижения уровня вибрации, действующей в кабине машины является применение виброизолирующих опор, представляющих ее систему подрессоривания и выполняющих функцию виброизоляции кабины от динамических вибрационных нагрузок, действующих на раме машины в определенных частотных диапазонах.
При эксплуатации машины, на кабину действуют повышенные динамические нагрузки, с которыми необходимо бороться, так как кабина является рабочим местом оператора и ее вибрационная нагруженность влияет на комфортность работы оператора и контролируется рядом санитарных нормативов и других международных требований. Поэтому при проектировании машины ставится задача повышения эффективности системы подрессоривания ее кабины. Известные способы расчета систем подрессоривания кабин, в некоторых случаях позволяют с определенной точностью выявить необходимые рабочие характеристики виброизолирующих опор на основе известных массово-инерционных характеристик кабины. Однако, как показывает практика, данный подход применим только для систем подрессоривания, в которых несущая система кабины является абсолютно жестким телом и не испытывает в процессе работы крутильных и изгибных деформаций упругого характера, что в большинстве случаев не соответствует действительности и уровень вибрации на рабочем месте оператора во многом может определяться динамическими свойствами несущей системы кабины. Системы виброзащиты, разработанные без учета динамических свойств элементов несущей системы, недостаточно эффективны в области средних частот, в которой могут находиться резонансные частоты колебаний металлоконструкции несущей системы кабины, виброизолирующих опор системы подрессоривания, а также рабочие частоты возмущающих источников.
Известно изобретение под названием «Method for designing vibration isolation optimizing type main vibration isolator of cab» (рус. «Способ проектирования виброизоляции с виброизолятором кабины оптимизированного типа») по авторскому свидетельству Китая CN101706836 А, МПК G06F 17/50, опубл. 05.12.2010 г., принятое аналогом способа. В описании этого изобретения раскрыт способ создания системы подрессоривания кабины, а также виброизолирующая опора для реализации указанного способа. Согласно этому способу, на основе проведения динамического анализа гармонического отклика в системе подрессоривания кабины, определяются значения осевой и радиальной жесткостей виброизолирующей опоры, на основе которых разрабатывается виброизолирующая опора оптимальной конструкции, далее вычисляются амплитуды линейных и угловых перемещений подрессоренной кабины и сидения оператора, далее выбирается оптимизируемая целевая функция в виде разности амплитуд отклика смещения по направлениям перемещений кабины, далее, принимая входную функцию и целевую (выходную) функцию, выполняется расчет оптимальной жесткости виброизолирующей опоры с помощью вышеупомянутых трех групп числовых значений, и комбинируется с традиционным методом для разработки эффективной виброизолирующей опоры. Изобретение имеет преимущества, заключающиеся в том, что на основе моделирования динамики методом конечных элементов, способ позволяет рассчитать оптимальное значение жесткости виброизолятора в низкочастотном диапазоне вибрации за счет чего исключается раскачивание кабины.
Недостатком этого способа является его низкая эффективность при расчете виброизолирующих опор системы подрессоривания кабины в диапазоне средних и высоких частот, так как в используемом классическом подходе не учитываются упругие свойства элементов конструкции несущей системы, а также волновые резонансы виброизолирующего устройства, а также не учитывается нелинейность нагрузочной характеристики виброизолирующей опоры. Поэтому расчетное значение ее жесткости определяется постоянным значением для всего частотного диапазона, что недостаточно адекватно.
Известно изобретение под названием «А kind of commercial-vehicle cab suspension arrangement optimization methods (рус.«Способ оптимизации конструкции подвески кабины грузового автомобиля») по авторскому свидетельству Китая CN104156549 A, МПК G06F 17/50, опубл. 06.12.2018 г., принятое прототипом способа. В описании этого патента раскрыт способ оптимизации системы подрессоривания кабины транспортного средства. Этот способ включает установку функции оптимизации системы подрессоривания с определением оптимизированных переменных и условий ограничения, метод определения и задания входного сигнала, вычисление комфорта при езде на коммерческом транспортном средстве при помощи модели, созданной в программном комплексе Matlab Simulink, определение целевой функции, вычисление оптимизированных переменных для достижения комфорта при езде, оптимизацию компоновки системы подрессоривания кабины транспортного средства при помощи метода роя частиц, экспорт оптимальных результатов.
Этот известный способ оптимизации системы подрессоривания кабины выбирается прототипом, так как он имеет наибольшее количество существенных признаков, совпадающих с заявляемым изобретением, и направлен на решение аналогичной задачи.
Однако прототип имеет два существенных недостатка. Первым недостатком является принудительная линеаризация нагрузочной характеристики виброизолирующей опоры, что не является достаточно адекватным описанием ее реальной рабочей характеристики. Вторым недостатком является отсутствие возможности учесть динамические свойства несущей системы кабины и волновые резонансы виброизолирующей опоры при оптимизации их рабочих характеристик.
Технический результат достигается за счет того, что способ оптимизации системы подрессоривания кабины транспортно-технологических машин, содержит определение входного сигнала на несущей системе кабины и задание его на математической модели, определение функции оптимизации системы подрессоривания с определением оптимизированных переменных и условий ограничений, вычисление уровня комфорта в кабине при работе оператора с определением целевой функции, вычисление оптимизированных переменных, оптимизацию компоновки подвески кабины и экспорт оптимальных результатов, определение динамических свойств несущей системы кабины, включающих резонансные частоты металлоконструкции и волновые резонансы виброизолирующих опор, и ввод их в математическую модель, которая реализуется в виде программы на ЭВМ, с возможностью определения оптимальных характеристик системы подрессоривания и определением параметров компоновки подвески кабины.
В результате, за счет того, что в способе учитываются динамические свойства несущей системы и системы подрессоривания кабины, удается рассчитать геометрическое расположение виброизолирующих опор системы подрессоривания, их упруго-вязкие характеристики, и оптимизировать конструкцию несущей системы кабины по ее динамическим частотным свойствам под характерные динамические воздействия, уникальные для машин различных типов и классов. В результате, увеличивается эффективность виброизоляции, обеспечиваемой системой подрессоривания кабины в широком диапазоне частот. А в результате того, что оптимизация проводится без использования дополнительного внешнего программного обеспечения, в математической модели, реализованной на ЭВМ, применение данного способа автоматизирует процесс проектирования систем подрессоривания, снижает трудовые и финансовые затраты.
Практическая применимость заявляемых изобретений и их техническая сущность раскрывается ниже следующим описанием и поясняется чертежами, где:
Фиг. 1 - представлена последовательность выполнения операций способа оптимизации системы подрессоривания кабины транспортно-технологических машин.
Способ оптимизации системы подрессоривания кабины транспортно-технологических машин осуществляется следующим образом.
На первом этапе разрабатывается математическая модель колебаний кабины с системой подрессоривания, в которой учитываются упругие свойства конструкции несущей системы кабины. Модель описывается уравнениями Ньютона-Эйлера, так как данный способ записи оптимален для вычислений на ЭВМ.
к
к
х
у
z
o
o
o
нc 1…n
нс
На втором этапе проводится ряд экспериментальных исследований с использованием специализированного стендового оборудования, в ходе которых выявляются постоянные параметры динамической системы, не изменяющиеся в ходе расчета - константы, а также оптимизируемые изменяющиеся параметры - переменные. Константами являются массово-инерционные характеристики кабины: m - масса кабины, O - центр масс кабины, I - момент инерции кабины относительно оси х, I - момент инерции кабины относительно оси у, I - момент инерции кабины относительно оси z; входной вибрационный сигнал на остове машины в виде временной реализации синхронно по времени записанных перемещений по направлениям х, у, z соответственно x(t), y(t), z(t), резонансные частоты конструкции несущей системы - f; коэффициенты увеличения амплитуды значений вибрации (коэффициенты усиления) на них K(f). Переменными задаются диапазон допустимых упруго-диссипативных характеристик виброизолирующих опор
х 1,2
у 1,2
z 1,2
х 3,4
у 3,4
z 3,4
x 1,2
y 1,2
z 1,2
x 3,4
у
3,4
z 3,4
y
1,2
у3,4
x 1,3
z 1,3
1
2
3
4
вр 1…n
вр
c, с, c, с, с, c b, b, b, b, b, b, при том что характеристики пары передних (1, 2) и задних (3, 4) опор равны; диапазоны допустимых расстояний между виброизолирующими опорами - l, 1, l, l, диапазоны углов наклона виброизолирующих опор относительно вертикального положения по направлению к центру масс кабины - α, α, α, α; частоты волновых резонансов виброизолирующих опор - f; коэффициенты усиления вибрации на частотах волновых резонансов - K(f).
При разработке системы подрессоривания для кабины существующей машины, на первом этапе проводятся испытания машины со стандартной системой подрессоривания кабины в режиме движения по дороге характерного профиля с включенными рабочими органами и варьированием частот их рабочих механизмов. При разработке системы подрессоривания кабины для разрабатываемой машины возможны несколько способов получения входного сигнала: использование данных, полученных при испытаниях машины-аналога, установка на первую машину виброизолирующих опор стандартной конструкции и свойств, для проведения испытаний, проведение приближенного расчета по оценке вибрации от источников аналитическим путем.
к
к
к
На третьем этапе составленная математическая модель реализуется в программном виде на ЭВМ, в нее вводятся данные, полученные на втором этапе. Запускается решение математической модели и рассчитываются временные реализации ускорений на кабине x(t), у(t), z(t) при различных вариантах переменных в заданных диапазонах значений.
к
к
к
к
к
к
нc1…n
Ист 1…n
вр 1…n
На четвертом этапе, временные реализации виброускорений кабины x(t), y(t), z(t) обрабатываются методом Фурье и переводятся в спектральную область x(f), у(f), z(f), где f - частота вибрационного сигнала. Программа анализирует частотные характеристики сигнала на предмет наличия высокоамплитудных резонансных пиков на частотах 15-250 Гц и в случае их выявления обозначает найденную конфигурацию переменных, что служит сигналом конструктору о необходимости изменения конструкции несущей системы с целью отстройки ее собственных частот f от частот источников вибрации f и частот волновых резонансов виброизолирующих опор f.
к
к
к
х
12
у
12
z
12
х
3,4
у
34
z3,4
х1,2
y 1,2
z
1,2
х
3,4
у 3,4
z 3,4
ly 1,2
у 3,4
x 1,3
z 1,3
1
2
3
4
На пятом этапе, рассчитанные спектры вибрации кабины x(f), y(f), z(f) при различных конфигурациях переменных с,, с, c, с, с,, c, b, b, b, b, b, b, , l, l, l, а, а, а, а,
вр1…n
вр
Wx
Wy
Wz
f, K(f) разделяются по третьоктавным полосам, вычисляются среднеквадратичные значения виброускорений по направлениям действия a,, a, a, по формуле:
a
x
y
z
где G(f) - максимальное значение спектральной плотности мощности сигнала на частоте f в измеренном временном интервале, w(f) - частотная весовая функция по направлениям х - w(f), у - w(f), z - w(f), вычисляемая по формулам:
Wп
Также вычисляется полное среднеквадратичное значение (СКЗ) виброускорений на кабине a:
На шестом этапе, в соответствии с рассчитанными параметры системы подрессоривания, разрабатывается конструкция виброизолирующей опоры с необходимыми характеристиками.
В результате, за счет того, что способ может быть реализован на ЭВМ, а значения постоянных и переменных параметров могут быть переопределены, он позволяет рассчитать наиболее эффективное геометрическое расположение виброизолирующих опор системы подрессоривания и их упруго-вязкие характеристики для любой машины, у которой компоновочная схема предусматривает систему подрессоривания кабины. Также отличительным преимуществом способа является то, что при расчете учитываются динамические свойства металлоконструкции несущей системы, а также виброизолирующих опор системы подрессоривания кабины, что позволяет оптимизировать конструкцию несущей системы кабины по динамическим свойствам под характерные входные динамические возмущения на остове, уникальные для каждого типа и класса машин. Как следствие, увеличивается эффективность виброзащиты кабины в широком диапазоне частот эксплуатационных воздействий.
Предлагаемые технические решения своей совокупностью существенных признаков обеспечивают универсальный подход к созданию систем подрессоривания кабин для машин любого типа и класса, имеют повышенную эффективность, снижают трудоемкость и финансовые затраты при разработке систем и устройств виброизоляции кабин.