Условие квазинулевой жесткости статической силовой характеристики параллелограммного механизма виброзащитной системы сиденья

Введение. Снижение вибрационных воздействий на операторов машин является актуальной задачей, позволяет минимизировать влияние вибраций на здоровье, повысить работоспособность и внимание. Могут быть повышены точность и производительность работ. Проблема защиты от вибраций актуальна для всех видов машин, рабочие органы которых взаимодействуют с грунтом и дорожным покрытием. Одним из направлений снижения воздействий, наряду с виброзащитой кабин, является разработка систем виброзащиты сидений операторов. Перспективным является применение эффекта квазинулевой жесткости, что позволяет эффективно подавлять низкочастотные колебания. Для предложенной конструкции на основе параллелограммного механизма необходимо определить условие горизонтальности среднего участка статической силовой характеристики.
Материалы и методы. Для разработанной расчетной схемы с использованием известных силовых статических и геометрических соотношений выведены обладающие новизной аналитические зависимости между параметрами исходных данных и вертикальной подъемной силой механизма. К исходным параметрам относятся линейные размеры механизма, размер зоны квазинулевой жесткости, масса кресла с оператором и жесткость пружины. При выводе аналитических зависимостей использовались координаты подвижных и неподвижных относительно собственного основания точек механизма.
Результаты. Применение разработанных аналитических зависимостей позволяет для заданных параметров исходных данных построить статическую силовую характеристику механизма. Средний участок характеристики близок к горизонтальному, но в общем случае не является горизонтальным. В качестве примера для набора значений исходных данных приведена статическая характеристика, средняя часть которой не горизонтальна. Приравнивание значений вертикальной силы механизма в левой и правой граничной точках средней части характеристики позволило вывести аналитические зависимости обеспечения квазинулевой жесткости.
Обсуждение и заключение. Полученные аналитические выражения обеспечения горизонтальности среднего участка статической силовой характеристики были верифицированы. Применение выведенных условий уменьшает на единицу число параметров исходных данных. Увеличение двух размерных параметров механизма существенно уменьшает требуемую жесткость пружины механизма, что снижает металлоемкость.

1. Korchagin P., Teterina I., Korchagina E. Road roller operator’s vibroprotection system improvement // Journal of Physics: Conference Series. 2021. 1791: 012012. DOI: 10.1088/1742-6596/1791/1/012012.

2. Nehaev V. A., Nikolaev V. A., Zakernichnaya N. V. Vibration protection of a human-operator based on the application of disturbance-stimulated control mechanism // Journal of Physics: Conference Series. 2018. 1050: 012057. DOI: 10.1088/1742-6596/1050/1/012057

3. Mayton A. G., Jobes C. C., Gallagher S. Assessment of whole-body vibration exposures and influencing factors for quarry haul truck drivers and loader operators // International journal of heavy vehicle systems. 2014. 21(3): 241-261. DOI: 10.1504/IJHVS.2014.066080

4. Chen, F. Hu, H. Nonlinear vibration of knitted spacer fabric under harmonic excitation // Journal of Engineered Fibers and Fabrics. 2020. Vol. 15. DOI: 10.1177/1558925020983561

5. Seong-Hwan Kim, Dal-Seong Yoon, Gi-Woo Kim, et al. Road traveling test for vibration control of a wheel loader cabin installed with magnetorheological mounts // Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 2020. 1045389X20953900. DOI: 10.1177/1045389X20953900

6. Korytov M. S., Shcherbakov V. S., Titenko V. V., Pochekuyeva I. E. Interpolation of experimental values for working parameters of a construction machine in the data space of an arbitrary dimensionality// Journal of Physics: Conference Series. 2020. 1546(1): 012086. DOI: 10.1088/1742-6596/1546/1/012086

7. Korytov M. S., Shcherbakov V. S., Titenko V. V., Belyakov V. E. Study of the crawler crane stability affected by the length of compensating ropes and platform rotation angle in the mode of movement with payload // Journal of Physics: Conference Series. 2020. 1546(1): 012135. DOI: 10.1088/1742-6596/1546/1/012135

8. Кузьмин В. А., Федоткин Р. С., Крючков В. А. Разработка имитационной модели для оценки эффективности виброзащиты системы подрессоривания колесного сельскохозяйственного трактора класса 4 // Инновации в сельском хозяйстве. 2018. № 2 (27). С. 340-–347.

9. Mian J., Shoushi L., Yong G., Jigang W. The improvement on vibration isolation performance of hydraulic excavators based on the optimization of powertrain mounting system // Advances in mechanical engineering. 2019. Vol. 11. No. 5. DOI: 10.1177/1687814019849988

10. Chi F, Zhou J, Zhang Q, Wang Y, Huang P. Avoiding the health hazard of people from construction vehicles: a strategy for controlling the vibration of a wheel loader // International Journal of Environmental Research and Public Health. 2017. Vol. 14. No. 3. Pp. 275. DOI: 10.3390/ijerph14030275

11. Mayton A. G., Jobes C. C., Gallagher S. Assessment of whole-body vibration exposures and influencing factors for quarry haul truck drivers and loader operators // International journal of heavy vehicle systems. 2014. Vol. 21. No. 3. Pp. 241-261. DOI: 10.1504/IJHVS.2014.066080

12. Andruszko J., Derlukiewicz D. The Numerical-Experimental Studies of Stress Distribution in the Three-Arm Boom of the Hybrid Machine for Demolition Works. In: Rusiński E., Pietrusiak D. // Proceedings of the 14th International Scientific Conference: Computer Aided Engineering. 2019. 8-14. DOI: 10.1007/978-3-030-04975-1_2

13. Korchagin P. A., Teterina I. A., Rahuba L. F. Improvement of human operator vibroprotection system in the utility machine // Journal of Physics: Conference Series. 2018. 944: 012059. DOI: 10.1088/1742-6596/944/1/012059

14. Sun X., Zhang J. Performance of earth-moving machinery cab with hydraulic mounts in low frequency // Journal of vibration and control. 2014. 20(5): 724-735. DOI: 10.1177/1077546312464260

15. Baranovskiy A. M., Vikulov S. V. Vibration protection system for high-speed vessel crews // Marine intellectual technologies. 2019. 3. 1: 35-38.

16. Bosnjak S. M., Arsic M. A., Gnjatovic N. B. et al. Failure of the bucket wheel excavator buckets // Engineering failure analysis. 2018. 84: 247-261. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2017.11.017

17. Renqiang J., Vanliem N., Vanquynh L. Ride comfort performance of hydro pneumatic isolation for soil compactors cab in low frequency region // Journal of Vibroengineering. 2020. 22. (5): 1174-1186. DOI: 10.21595/jve.2020.21345

18. Lyashenko M. V., Pobedin A. V., Potapov P. V. Analysis of possible dynamic vibration dampers uses in tractor cabins suspensions // Procedia Engineering. 2016. 150: 1245-1251. DOI: 10.1016/j.proeng.2016.07.132

19. Teterina I. A., Korchagin P. A., Letopolsky A. B. Results of investigating vibration load at human operator’s seat in utility machine // Lecture Notes in Mechanical Engineering. 2019. 9783319956299: 177-184. DOI: 10.1007/978-3-319-95630-5_19

20. Корытов М. С., Щербаков В. С., Почекуева И. Е. Применение параллелограммного механизма с эффектом квазинулевой жесткости в виброзащитных системах кресла оператора строительно-дорожной машины // Научно-технический вестник Брянского государственного университета. 2021. № 2. С. 132–140. DOI: 10.22281/2413-9920-2021-07-02-132-140

21. Burian Y. A., Silkov M. V., Trifonova E. N. Support with quasi-zero stiffness effect for processing equipment // AIP Conference Proceedings. 2019. Vol. 2141. No. 1. Pp. 030067. DOI: 10.1063/1.5122117

22. Chang, Y., Zhou, J., Wang, K. et al. A quasi-zero-stiffness dynamic vibration absorber // Journal of sound and vibration. 2021. Vol. 494. Pp. 115859. DOI: 10.1016/j.jsv.2020.115859

23. Larson Ron, Hostetler Robert P. Precalculus: A Concise Course. Boston: Houghton Mifflin, 2007. 526 p.