Методика оптимизации основных параметров виброзащитной системы сиденья автогрейдера с квазинулевой статической характеристикой

Введение. Одной из актуальных задач, стоящей перед разработчиками наземных транспортно-технологических машин, является уменьшение вибрационных воздействий на человека-оператора. Вибрационные воздействия вызваны в основном взаимодействием рабочих органов с рабочей средой и ходового оборудования машин с микрорельефом опорной поверхности, по которой движется машина. Для уменьшения вибрационных воздействий применяются виброзащитные системы кабины и сиденья оператора. Перспективны конструкции виброзащитных систем сидений с эффектом квазинулевой жесткости. Предложена конструкция пассивной виброзащитной системы сиденья оператора на основе параллелограммного механизма, которая позволяет обеспечить указанный эффект квазинулевой жесткости. Для практического применения разработанной виброзащитной системы сиденья необходимо решить задачу назначения и оптимизации ее основных конструктивных параметров.

Материалы и методы. В качестве целевой функции при оптимизации конструктивных параметров виброзащитной системы сиденья было принято среднеквадратичное вертикальное ускорение сиденья в неподвижной системе координат. Для разработанной расчетной схемы виброзащитной системы сиденья на основе параллелограммного механизма были выделены независимые конструктивные параметры, оказывающие влияние на среднеквадратичное вертикальное ускорение сиденья. Чтобы уменьшить размерность задачи, часть параметров была связана алгебраическими зависимостями или зафиксирована. Необходимость уменьшения числа независимых варьируемых параметров была обусловлена сравнительно большим временем моделирования отдельного процесса перемещения машины по микрорельефу опорной поверхности при помощи разработанной комплексной имитационной математической модели автогрейдера с виброзащитными опорами кабины оператора и с виброзащитным механизмом сиденья оператора. В качестве независимых были выделены горизонтальная длина звена параллелограмма, коэффициент вязкости демпфера механизма и горизонтальный размер от оси вращения до ограничивающих роликов механизма.

Результаты. Была разработана методика выбора и оптимизации конструктивных параметров виброзащитного механизма, представленная в виде блок-схемы, включающая в себя этап локальной оптимизации коэффициента вязкости демпфера и горизонтального размера от оси до ограничивающих роликов Симплекс-методом. Получения каждого отдельного значения целевой функции при локальной оптимизации выполнялось путем обработки результатов дискретных значений ускорения сиденья, полученных моделированием перемещения машины на имитационной математической модели. Приводятся примеры применения разработанной методики с различными наборами исходных данных.

Обсуждение и заключение. Применение разработанной методики позволяет однозначно определить значения конструктивных параметров виброзащитной системы на основе параллелограммного механизма, в том числе геометрические размеры, коэффициент вязкости демпфера, а также в качестве вторичных выходных параметров жесткость и размеры пружины растяжения механизма.

1. Korchagin P., Teterina I., Korchagina E. Road roller operator’s vibroprotection system improvement // Journal of Physics: Conference Series. 2021. Vol. 1791. Pp. 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. Vol. 1050. Pp. 012057. DOI: 10.1088/17426596/1050/1/012057

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. Vol. 21. No. 3. Pp. 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. 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

6. 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

7. 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. Vol. 944. Pp. 012059. DOI: 10.1088/1742-6596/944/1/012059

8. 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. No. 9783319956299. Pp. 177-184. DOI: 10.1007/978-3-319-95630-5_19

9. Линник Д. А., Булгаков В. И. Математическая модель и программа моделирования колебаний масс колесного трактора с подрессоренной кабиной // Вестник Белорусской государственной сельскохозяйственной академии. 2020. № 2. С. 122–127.

10. Чернышев В. Д. Исследование показателя виброзащиты элементов транспортной машины // Научно-исследовательский центр «Вектор развития». 2021. № 5. С. 187–189.

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

12. 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. Pp. 1045389X20953900. DOI: 10.1177/1045389X20953900

13. Sun X., Zhang J. Performance of earth-moving machinery cab with hydraulic mounts in low frequency // Journal of vibration and control. 2014. Vol. 20. No. 5. Pp. 724-735. DOI: 10.1177/1077546312464260

14. 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. Vol. 22. No. 5. Pp. 11741186. DOI: 10.21595/jve.2020.21345

15. Dhanjee K.C., Sanjay K.P., Vivekanand K., Netai C.K. Whole-body vibration exposure of heavy earthmoving machinery operators in surface coal mines: a comparative assessment of transport and non-transport earthmoving equipment operators // International journal of occupational safety and ergonomics: JOSE. 2020. Pp. 1-10. DOI: 10.1080/10803548.2020.1785154

16. 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

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

18. Feng Zhao, J. C. Ji, Kan Ye, Quantian L. Increase of quasi-zero stiffness region using two pairs of oblique springs // Mechanical Systems and Signal Processing. 2020. Vol. 144. Pp. 106975. DOI: 10.1016/j.ymssp.2020.106975

19. Ning D., Sun S., Du H. et al. An electromagnetic variable inertance device for seat suspension vibration control // Mechanical systems and signal processing. 2019. Vol. 133. UNSP 106259. DOI: 10.1016/j.ymssp.2019.106259

20. Корытов М. С. Кашапова И. Е., Щербаков В. С. Условие квазинулевой жесткости статической силовой характеристики параллелограммного механизма виброзащитной системы сиденья // Вестник СибАДИ. 2022. Т.19, № 2 (84). С. 144–155. DOI: 10.26518/2071-72962021-19-2-144-155

21. Корытов М. С. Щербаков В. С. Почекуева И. Е. Имитационная модель виброзащитного механизма кресла с участком квазинулевой жесткости оператора строительно-дорожной машины // Научно-технический вестник Брянского государственного университета. 2020. № 4. С. 486–496. DOI: 10.22281/2413-9920-2020-06-04-486-496

22. Korytov M.S., Shcherbakov V.S., Titenko V.V., Ots D.A. Simulation model for the determination of energy losses during vibrations of the working equipment of a earth-moving machine in the transport mode // Journal of Physics: Conference Series. 2019. Vol. 1260.Pp. 112015. DOI: 10.1088/17426596/1260/11/112015

23. Пономарев С. Д., Андреева Л. Е. Расчет упругих элементов машин и приборов. М.: Машиностроение, 1980. 326 с.