Опыт применения информационных технологий для исследования системы "оператор-сиденье-машина-среда"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Орловский государственный технический университет

Опыт применения информационных технологий для исследования системы «оператор-сиденье-машина-среда»

Гнеушева Е.М., канд. техн. Наук

Фоминова О.В., д-р техн. наук, проф. Чернышев В.И.

г. Орел

Annotation

The problems of using the informational technology under the research of vibro-protection systems with the indirect pulsed control were examined. It was shows, that the worked out program means allows to take into account the main specialties of the work of basic model which is connected with the process of switching the additional springy link, to reproduce casual disturbances with given law of distribution, to imitate the reflectional reactions of operator, to determine the possible characteristics of the vector of state system.

Основная часть

Успехи в области разработки и совершенствования сложных технических систем во многом зависят от эффективного использования возможностей современных информационных технологий. В этой связи ведущая роль отводится методам имитационного моделирования и оптимального управления, а также системам компьютерной математики, реализация которых осуществляется программными средствами на основе имеющейся базы данных и интеграции с различными приложениями Mathcad, Matlab и другими математическими системами.

На кафедре «Прикладная механика» накоплен определенный опыт по разработке нового класса виброзащитных систем с непрямым импульсным управлением для мобильных машин технологического назначения. На основе теории непрямого импульсного управления были определены оптимальные алгоритмы переключений отдельных структур и параметров виброзащитных систем, которые позволяют формировать восстанавливающие, диссипативные и инерционные силы по принципу активного воздействия. Предложены и систематизированы базовые модели и типовые устройства виброзащитных систем данного класса: амортизаторы и демпферы прерывистого действия, рекуператоры потенциальной и кинетической энергии. виброзащитный система мобильный машина

Ниже приводятся результаты статистических испытаний базовой модели с дополнительным позиционируемым упругим звеном, (амортизатором прерывистого действия с переключениями по опорным сигналам)

Современные компьютерные технологии моделирования динамических процессов позволили «совместить» базовую модель с подвеской сиденья мобильной машины (автогрейдера) и генерировать случайные входные возмущения при соответствующих транспортных режимах движения в виде псевдослучайных числовых массивов. При этом в качестве «априорной» информации были приняты данные экспериментальных исследований - логарифмические уровни вибрационных нагрузок (значений виброускорения в октавных полосах частот) на полу кабины автогрейдера.

Случайные числовые массивы, которые воспроизводились программными средствами, позволили имитировать случайное кинематическое возмущение на входе виброзащитной системы (на полу кабины автогрейдера). Данные цифровой обработки входных сигналов в частотной области представлены в виде графика спектрограмм и логарифмических уровней виброускорений (см. рисунки 1 и 2). В четырех первых октавных полосах частот расхождения расчетных / экспериментальных значений логарифмических уровней виброускорений (120.3/119 115.8/116 106.7/109 109.4/110) не превышают 2%.

l·wh - частота (с^-1)

Рисунок 1 Амплитудный спектр Фурье - спектрограмма виброускорений (м/с²) на полу кабины автогрейдера

L_ki - виброускорения на полу кабины автогрейдера;

LH_ki - нормативные значения виброускорений;

vx_ki - среднегеометрические частоты (Гц)

Рисунок 2 Значения виброускорений в октавных полосах частот (дБ)

Анализ амплитудного спектра ускорений (спектрограммы на рисунке 1) подтверждает, что основная энергия случайных колебаний лежит в области низких частот (в диапазоне 1…4 Гц). Наблюдаемые устойчивые резонансные пики ускорений обусловлены колебанием ходовой части автогрейдера. Основная резонансная частота вертикальных колебаний автогрейдера равна приблизительно 2 Гц. Второй резонансный пик колебаний на частоте 3 Гц возникает, по всей видимости, в результате угловых колебаний балансирной тележкой автогрейдера.

Первая серия статистических испытаний штатной подвески проводилась с целью идентификации параметров сил сухого трения, вязкого сопротивления штатного гидравлического демпфера с учетом «фонового» сопротивления среды, собственной частоты колебаний подвески и силового воздействия как активной составляющей реакции человека-оператора на случайное кинематическое возмущение. В расчетах считались известными следующие параметры: среднеквадратическое значение перемещения (амплитуды) кинематического возмущения , вес оператора (масса ) и вес подвижной части сиденья (масса ).

Определялись параметры системы «основание - подвеска - оператор», при которых обеспечивалось достаточно точное воспроизведение экспериментальных значений виброускорений на подушке штатного сиденья в четырех первых октавных полосах частот (расчетные / экспериментальные значения виброускорений: 124.7/123, 108.3/109, 100.6/100, 97.2/97). Соответствующие параметры, которые были получены в ходе поисковых экспериментов, приведены ниже.

Для нелинейной силы сухого трения в направляющих подвески принято: с/м с³/м³

Для силового воздействия принято: , . Здесь - абсолютная скорость «защищаемого объекта».

Собственная частота колебаний подвески .

Относительный коэффициент демпфирования .

Определенные параметры «падающей характеристики» сил сухого трения и собственной частоты колебаний подвески были использованы во второй серии статистических испытаний, когда в системе «основание - подвеска - оператор» штатный гидравлический демпфер был «снят» и вместо него «установлен» дополнительный позиционируемый упругий элемент прерывистого действия.

Устанавливались следующие параметры прерывистого компенсационного воздействия: (относительный коэффициент восстанавливающей силы), (относительный коэффициент жесткости). Запаздывание (=0).

Использовались также значения вязкого сопротивления, которые определяют параметры «фонового» сопротивления среды:

Достаточно точное воспроизведение экспериментальных значений виброускорений на подушке модернизированного сиденья в четырех первых октавных полосах частот (расчетные / экспериментальные значения виброускорений: 114.8/115, 109.6/110, 110.5/110, 109.1/109) было обеспечено при следующих параметрах силового воздействия : ,

Данный результат свидетельствует о том, что модернизированная подвеска сиденья автогрейдера обеспечивает комфортные условия работы человека-оператора при более низком уровне активной составляющей реакции человека-оператора на случайное кинематическое возмущение.

На входе и выходе опытной и штатной подвески сиденья спектральный состав виброускорений практически одинаков (рисунок 3). Однако если опытная подвеска снижает пиковые значения виброускорений на основной резонансной частоте приблизительно на 34%, то штатная подвеска наоборот увеличивает их на 42%. Тем не менее, на второй резонансной частоте снижение пиковых значений виброускорений составляет: для опытной подвески - 45%, а для штатной подвески - 64%.

Влияние прерывистого компенсационного воздействия на виброзащитные свойства базовой модели наиболее существенно в области резонансных частот - во второй октавной полосе частот (рисунок 4). Как видно, базовая модель позволяет уменьшить контролируемый параметр (виброускорение на подушке сиденья оператора) по сравнению с подвеской штатного сиденья в 3.2 раза, что в логарифмических единицах составляет 10 дБ.

а) - на подушке штатного сиденья (м/с²);

б) - на подушке опытного сиденья (м/с²);

l·wh - частота (с^-1).

Рисунок 3 Амплитудные спектры Фурье - спектрограммы виброускорений (м/с²) на выходе виброзащитной системы:

LI_ki - виброускорения на подушке опытного сиденья;

LL_ki - виброускорения на подушке штатного сиденья;

LH_ki - нормативные значения виброускорений

vx_ki - среднегеометрические частоты

Рисунок 4 Значения виброускорений в октавных полосах частот (дБ)

Снижение уровня интенсивности колебаний защищаемого объекта (оператора) по отношению к уровню интенсивности колебаний подвижного основания (пола кабины автогрейдера) на резонансной частоте определяет антирезонансные свойства базовой модели. При случайных процессах показатель антирезонансных свойств - есть отношение среднеквадратических значений контролируемых параметров выходного и входного сигналов.

Уровень интенсивности резонансных колебаний защищаемого объекта (оператора) при штатной подвеске сиденья выше, чем у подвижного основания (пола кабины автогрейдера) в 1.6 раза (на 4 дБ). Это еще раз подтверждает то обстоятельство, что пассивные виброзащитные системы данного типа не устраняют резонансные явления и их использование в качестве подвески сидения автогрейдера мало эффективно.

G_i - ускорения на полу кабины (м/с²); U_i - ускорения на подушке опытного сиденья (м/с²); V_i - ускорения на подушке штатного сиденья (м/с²); t_i - время (с)

Рисунок 5 Случайные процессы на входе и выходе виброзащитной системы

Замена пассивной виброзащитной системы на управляемую (в данном случае выполненной по схеме базовой модели с дополнительным позиционируемым упругим звеном прерывистого действия) позволяет резко снизить уровень интенсивности резонансные колебаний практически в 2 раза (на 6 дБ). Базовая модель обеспечивает повышенные антирезонансные свойства динамической системы «основание - подвеска - оператор» и может быть рекомендована в качестве прототипа для разработки подвески сиденья автогрейдера нового поколения.

Фильтрующие свойства штатной и модернизированной подвески (рисунок 6) несколько отличаются. Высшие гармоники входного возмущения G_i «сглаживаются» практически одинаково и на «осциллограммах» выходных сигналов V_i и U_i легко просматриваются основные гармоники с частотой 2 Гц. Однако амплитуды основных гармоник для этих сигналов отличаются приблизительно в 1.5 раза и, кроме того, на «осциллограмме» выходного сигнала U_i наблюдаются характерные «скачки ускорений», которые возникают в результате переключений дополнительного позиционируемого упругого звена.

Размещено на Allbest.ru