Подрессоривание кабин колесных и гусеничных машин

В. В. Шеховцов




            ПОДРЕССОРИВАНИЕ КАБИН КОЛЕСНЫХ И ГУСЕНИЧНЫХ МАШИН


Учебное пособие
















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 629.3.033
ББК 39.34
     Ш54

Рецензенты:
заведующий кафедрой эксплуатации и технического сервиса машин в АПК ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный аграрный университет» доктор технических наук Гапич Дмитрий Сергеевич;
профессор кафедры технической эксплуатации и ремонта автомобилей ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный технический университет» доктор технических наук Ляшенко Михаил Вольфредович

     Шеховцов, В. В.
Ш54 Подрессоривание кабин колесных и гусеничных машин : учебное пособие / В. В. Шеховцов. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. -276 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1350-3

           Представлен материал, содержащий информацию о значении и функциях вторичных систем подрессоривания, в частности, систем подрессоривания кабин колесных и гусеничных машин. Рассмотрены характеристики эксплуатационных вибровоздействий на кабину со стороны ходовой системы, двигателя и трансмиссии машины. Приведены технические решения и расчеты виброизоляторов кабины из податливых материалов, резинометаллических, металлических и пневматических виброизоляторов. Даны технические решения стендового оборудования для испытаний виброизоляторов, приведены результаты испытаний резинометаллических виброизоляторов.
           Для студентов технических вузов и колледжей, готовящих специалистов по проектированию и эксплуатации колесных и гусеничных машин. Может быть полезно инженерно-техническим работникам той же сферы деятельности.

УДК 629.3.033
ББК 39.34











ISBN 978-5-9729-1350-3

     © Шеховцов В. В., 2023
     © Волгоградский государственный технический университет, 2023
                            © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

ОГЛАВЛЕНИЕ


1.  ВТОРИЧНАЯ СИСТЕМА ПОДРЕССОРИВАНИЯ В КОНСТРУКЦИЯХ КОЛЕСНЫХ И ГУСЕНИЧНЫХ МАШИН.....................................6
1.1. Воздействие вибрационных нагрузок на оператора.............6
1.2. Нормирование вибронагруженности рабочего места оператора...9
1.3. Сравнительный анализ российских и зарубежных нормативных требований.....................................................13
1.4. Значение и функции вторичной системы подрессоривания......14
1.5. Характеристика эксплуатационных возмущений при работе гусеничных машин....................................15
1.5.1. Возмущения от неровностей пути и ходовой системы........15
1.5.2. Возмущения от двигателя.................................17
1.5.3. Возмущения от трансмиссии...............................18
1.6. Требования к подвескам кабин гусеничных машин по условиям труда и санитарным нормам..............................................21
2.  КОНСТРУКЦИИ И СИСТЕМЫ ПОДРЕССОРИВАНИЯ КАБИН СОВРЕМЕННЫХ КОЛЕСНЫХ И ГУСЕНИЧНЫХ МАШИН..........................23
2.1. Конструкции и защитные функции кабин современных машин......23
2.2. Системы подрессоривания кабин современных колесных и гусеничных машин.............................................28
2.2.1. Системы подрессоривания кабин отечественных гусеничных машин..........................................................29
2.2.2. Системы подрессоривания кабин отечественных колесных тракторов......................................................32
2.2.3. Системы подрессоривания кабин зарубежных тракторов......34
2.2.4. Системы подрессоривания кабин российских автомобилей....37
2.2.5. Системы подрессоривания кабин зарубежных автомобилей....41
3.  ВИБРОИЗОЛЯТОРЫ ИЗ МАТЕРИАЛОВ С ВЫСОКОЙ ПОДАТЛИВОСТЬЮ..................................................47
3.1. Материалы с высокой податливостью и их свойства...........47
3.2. Конструктивные формы упругих элементов из податливых материалов, прочностные расчеты............................................53
3.2.1. Виброзащитные покрытия..................................53
3.2.2. Резинометаллические виброизоляторы......................53
3.2.3. Примеры технических решений виброизоляторов с упругими элементами из эластомеров......................................59
3.2.4. Анализ технических решений виброизоляторов из эластомеров.82


3

4. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ УПРУГИЕ ЭЛЕМЕНТЫ................................84
4.1. Металлические упругие элементы в подвесках кабин............84
4.2. Металлические упругие элементы в виде пружин................87
4.2.1. Виды и классификация пружин...............................87
4.2.2. Материалы пружин..........................................88
4.2.3. Конструкции и расчеты винтовых цилиндрических пружин......90
4.2.4. Конструкции и расчет других видов винтовых пружин сжатия.104
4.2.5. Взаимодействие совместно работающих пружин...............106
4.2.6. Конструкции и расчет тарельчатых пружин сжатия...........114
4.2.7. Конструкции и расчет кольцевых пружин....................124
4.2.8. Конструкции и расчет плоских изгибных пружин.............127
4.3. Конструкции и расчет торсионов.............................136
4.4. Примеры технических решений виброизоляторов с металлическими упругими элементами.............................................140
4.4.1. Технические решения виброизоляторов с цилиндрическими пружинами.......................................................140
4.4.2. Технические решения виброизоляторов с тарельчатыми пружинами.......................................................151
4.4.3. Технические решения виброизоляторов с упругими элементами в виде рессор..........................................................154
4.5. Анализ технических решений виброизоляторов с металлическими упругими элементами.............................................158
5. ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ УПРУГИЕ ЭЛЕМЕНТЫ..............................160
5.1. Основные конструктивные схемы пневматических упругих элементов.......................................................161
5.2. Управление упругодемпфирующими свойствами пневмоэлементов.................................................170
5.3. Расчет упругой характеристики, рабочего объема и эффективной площади пневмоэлемента..........................................180
5.4. Примеры технических решений пневматических виброизоляторов.183
5.5. Анализ технических решений виброизоляторов с пневматическим упругим элементом...............................................194
6. ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ СТЕНДОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ВИБРОИЗОЛЯТОРОВ...................................196
6.1. Технические решения стендового оборудования для испытания виброизоляторов, созданные в ВолгГТУ............................196
6.2. Исследование упругодемпфирующих свойств виброизоляторов на стендовом оборудовании ВолгГТУ...............................209

4

6.3. Примеры технических решений стендового оборудования для испытаний виброизоляторов из российских патентных источников.............215
7.  ВОЗМОЖНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В СИСТЕМЕ
ПОДРЕССОРИВАНИЯ КАБИНЫ ДИНАМИЧЕСКИХ ГАСИТЕЛЕЙ КОЛЕБАНИЙ......................................................225
7.1. Динамические гасители колебаний...........................225
7.2. Сравнительная оценка виброзащитных свойств штатных и динамических виброизоляторов на основе моделирования........................238
7.3. Экспериментальные исследования колебательной системы
с динамическими виброизоляторами...............................243
7.3.1. Экспериментальная установка и методика исследований.....243
7.3.2. Динамическая модель колебательной системы...............245
7.3.3. Результаты исследований.................................246
7.4. Расчетные исследования виброзащитных свойств системы подрессоривания кабины со штатными и динамическими
виброизоляторами...............................................249
7.5. Оценка виброзащитных качеств систем подрессоривания кабины
в соответствии с требованиями стандартов.......................254
Список использованной и рекомендуемой литературы...............268

5

1.     ВТОРИЧНАЯ СИСТЕМА ПОДРЕССОРИВАНИЯ В КОНСТРУКЦИЯХ КОЛЕСНЫХ И ГУСЕНИЧНЫХ МАШИН

1.1. Воздействие вибрационных нагрузок на оператора

     Показатели эффективности современных колесных и гусеничных машин постоянно повышаются. Повышается энерговооруженность машин, увеличиваются скорости движения и выполнения технологических операций. Это приводит к увеличению динамической нагруженности деталей ходовой системы и трансмиссий и к повышению уровня генерируемых при этом колебаний, вследствие чего увеличивается вибронагруженность рабочего места оператора [1-10].
     Динамические и вибрационные нагрузки отрицательно воздействуют на узлы и детали самой машины, на окружающую среду и на оператора. В трансмиссии и ходовой системе они вызывают постоянные нарушения пространственного расположения и законов движения деталей, вследствие чего в их материале формируются дополнительные напряжения и накапливаются усталостные повреждения. Вибрации двигателя на его подвеске приводят к ухудшению показателей топливной экономичности. Вибрация деталей ходовой системы тракторов оказывает вредное воздействие на структуру обрабатываемой почвы и угнетающе действуют на возделываемые культуры [1-20].
     Наиболее существенное влияние вибрационные нагрузки оказывают на работоспособность и здоровье оператора. Вибрация - это сильный стресс-фактор, оказывающий отрицательное влияние на его психомоторную работоспособность, эмоциональную сферу и умственную деятельность. Постоянное долговременное действие вибраций приводит к его повышенной утомляемости и увеличению количества ошибок в управлении, что в итоге сказывается на производительности машины и может приводить к несчастным случаям. Развиваются также профессиональные заболевания, наиболее распространенным из которых является вибрационная болезнь. Кроме того, отмечаются случаи расстройства нервной системы, нарушения обменных процессов, опущения и язвенной болезни желудка, деформации позвоночника [21-32]. Основные резонансные частоты отдельных частей тела человека [33] приведены на рис. 1.1.


6

                   глаз (12-27 Гц)
                   головы(8-27 Гц)
     горла (6-27 Гц)
—   почек(6-8 Гц)
     лица, челюсти(4-27 Гц)
     поясничной части позвоночника(4-14 Гц)
     брюшной полости(4-8 Гц)
     ног, рук(2-8Гц)
     грудной клетки (2-12 Гц)
     кишечника (2-4 Гц)
—   желудка (2-3 Гц)
     вестибулярного аппарата (0,5-13 Гц)
     сердца (0,2-1,6 Гц)


Рис. 1.1. Основные резонансные частоты отдельных частей тела человека


     По частотному составу вибрацию подразделяют на низкочастотную (с преобладанием максимальных уровней в октавных полосах 1-4 Гц - для общей вибрации, 8-16 Гц - для локальной вибрации); среднечастотную вибрацию (8-16 Гц - для общей вибрации, 31,5-63 Гц - для локальной вибрации); высокочастотную вибрацию (31,5-63 Гц - для общей вибрации, 125-1000 Гц - для локальной вибрации) [34-36].
     Во время эксплуатации колесных и гусеничных машин оператор постоянно подвергается комплексному воздействию вибрационных нагрузок с широким спектром амплитуд и частот этих воздействий. Их совокупность формирует сложную картину вибрационной нагруженности оператора. К примеру, низкочастотные колебания и вибрации передаются во время прикосновений через поверхности контакта частей тела оператора с различными устройствами в кабине, с рычагами и педалями управления, с полом кабины, а также с подрессоренным сиденьем в вертикальной и горизонтальной плоскостях.
     При движении машины частота взаимодействия опорной поверхности и ходовой системы, возмущения от которого передаются на остов и далее через системы подрессоривания кабины и сиденья на человека-оператора, определяется скоростью движения и расстоянием между соседними неровностями. Чем выше скорость движения и меньше шаг неровностей, тем выше частота передаваемых колебаний. Большое значение имеют также форма и высота неровностей, так как воздействия от неровностей с относительно «малой» высотой попросту «поглощаются» движителем машины и не ощущаются человеком.
     Также установлено, что человеческий организм воспринимает колебания различной частоты по-разному. Так, низко- и среднечастотные колебания (до 16-18 Гц) воспринимаются отдельными циклами. С повышением частоты как отдельные циклы они уже не воспринимаются. Кроме того, установлено, 7

что интенсивность восприятия пропорциональна ускорениям при колебаниях с частотой до 5 Гц, скорости - от 5 Гц до 40 Гц, амплитуде перемещений - более 40 Гц [36].
     Следует учитывать также то обстоятельство, что тело человека представляет собой сложную динамическую колебательную систему, каждый составной элемент которой обладает своей частотой собственных колебаний (табл. 1.1) [36].


                                                          Т а б л и ц а 1.1 Частоты собственных колебаний частей тела человека

     Части тела человека           Диапазон частот     
                              собственных колебаний, Гц
           Голова                       12-27          
            Горло                       6-27           
       Грудная клетка                   2-12           
         Ноги и руки                     2-8           
Поясничная часть позвоночника           4-14           
            Живот                       4-12           

     Во многом влияние вибрации на человека зависит от ее спектрального состава. Известны области частот, в которых уровни вибрации могут оказывать вредное влияние на выполнение оператором производственных операций. Так, частоты 4-5 Гц являются резонансными для человека, работающего стоя, 11 Гц -работающего сидя. Частоты вибраций, соответствующие наиболее часто непосредственно наблюдаемым вредным явлениям, приведены в табл. 1.2. Интенсивность проявления отмеченных явлений зависит от структуры объекта, его массы и продолжительности воздействия.
Т а б л и ц а 1.2

Симптомы и области частот вредного воздействия вибрации на человека

             Симптомы действия вибрации               Частоты, Гц
     Нарушение функций вестибулярного аппарата,                  
  сердечно-сосудистой системы и проявление синдрома      0,1-5   
                     укачивания                                  
Расстройства вследствие резонансных колебаний головы,    4-13    
 желудка, кишечника и, в конечном счете, всего тела              
                 Затруднение дыхания                      1-7    
   Ухудшение зрения, возникновение тошноты, рвоты        11-45   
                   Нарушение речи                         6-8    

8

О к о н ч а н и е т а б л и ц ы 1.2

           Симптомы действия вибрации             Частоты, Гц
Ухудшение координации рук, непостоянство давления     1-2    
                 ступни на опору                             
  Ухудшение качества работы человека-оператора,     0,5-14   
        максимальное отвлечение внимания                     
  Способствование развитию повреждения сосудов               
  головного мозга, расстройству высшей нервной      45-4000  
  деятельности и циркуляции крови с последующим              
         развитием вибрационной болезни                      

1.2. Нормирование вибронагруженности рабочего места оператора

     Практика показывает, что, по сравнению с колесными машинами, ходовые системы и трансмиссии гусеничных машин обладают существенно большей вибрационной активностью, поэтому далее будут более подробно рассмотрены нормы вибронагруженности преимущественно для операторов гусеничных машин. Нормирование параметров общей вибрации на рабочих местах операторов гусеничных машин в нашей стране происходит согласно СН 2.2.4/2.1.8.566-96, ГОСТ 12.1.012-2004 и ГОСТ 12.2.019-2015 [37, 38, 39]. В качестве критериев оценки определяются среднеквадратические значения виброускорений за определенный период воздействия в каждой октавной (третьоктавной) полосе частот. Они сравниваются на предмет соответствия с регламентируемыми значениями из стандарта. На международном уровне объектом соответствия принят стандарт ISO 2631-1: 1997, который устанавливает требования вертикальной и горизонтальной вибрации (рис. 1.2) с определенным временем воздействия на человека от 1 мин до 24 ч в диапазоне частот от 1 Гц до 80 Гц [40].
     Чем больше период воздействия вибрации, тем выше требования к виброзащите оператора. Для вертикальных виброускорений (рис. 1.2, а) наиболее жесткие нормы охватывают диапазон частот от 4 Гц до 8 Гц, тогда как для горизонтальных (рис. 1.2, б) - от 1 Гц до 2 Гц. Причем для последних упомянутые нормы выше по величине. Это связано, в первую очередь, с необходимостью обеспечения повышенной защиты органов и всего тела человека от горизонтальных резонансных колебаний в процессе работы [16].

9

Рис. 1.2. Пределы воздействия вертикальных (а) и горизонтальных (б) виброускорений

      Иногда дополнительно уже в качестве интегральных критериев виброактивности определяются корректированные и эквивалентные значения виброускорений [37, 39]. Корректированное по частоте виброускорение (1.1), м/с² позволяет учитывать неоднозначность восприятия человеком широкополосного вибрационного спектра воздействий:
a кор = Jia ⁽a, ■ k, )² ,
'                                  (1.1)
где а, - среднеквадратическое значение виброускорения в i-ой полосе частот, м/с²;
n - число частотных полос;
kf - весовой коэффициент для i-ой полосы частот (табл. 1.3).

10

Т а б л и ц а 1.3

Весовой коэффициент общей вертикальной вибрации в третьоктавных полосах частот

Среднегеометрическая частота, Гц Весовой коэффициент k
               1                         0,482        
              1,25                       0,484        
              1,6                        0,494        
               2                         0,531        
              2,5                        0,631        
              3,15                       0,804        
               4                         0,967        
               5                         1,039        
              6,3                        1,054        
               8                         1,036        
               10                        0,988        
              12,5                       0,902        
               16                        0,768        
               20                        0,636        
               25                        0,513        
              31,5                       0,405        
               40                        0,314        
               50                        0,246        
               63                        0,186        
               80                        0,132        

      Возможно определять как корректированные виброускорения, действующие в отдельных направлениях (табл. 1.3), так и обобщенное значение, учитывающее все компоненты трех основных направлений действия (вертикального, горизонтально-продольного, горизонтально-поперечного) и представленное в виде геометрической суммы [36].
      Эквивалентные виброускорения рассчитываются как корректированные значения, но с учетом 8-часового периода воздействий [37, 39].
      Для оценки общей вибрации интегральные значения эквивалентных ускорений на рабочей площадке оператора в вертикальном направлении, согласно ГОСТ 12.1.012-2004, для самоходных машин должны находиться в пределах 0,25-0,56 м/с² [37].


11

     Согласно ISO 2631-1 [40], для 8-часового постоянного воздействия общей вибрации риск нанесения ущерба здоровью оператора определяется по диапазону интегральных значений вертикальных виброускорений на рабочей площадке:
     •  < 0,45 м/с² - низкий уровень риска;
     •  0,45-0,9 м/с² - средний уровень риска;
     •  > 0,9 м/с² - высокий уровень риска.
     При выборе метода и условий проведения измерений вибраций на рабочей площадке оператора сельскохозяйственного колесного трактора учитывается ГОСТ 31323-2006 [41]. Применительно к гусеничным тракторам, подобных действующих национальных стандартов пока нет.
     В сведениях ФГБУ «ВНИИ охраны и экономики труда» Министерства труда и социальной защиты Российской Федерации представлены нормативные показатели уровней вибраций и шума на рабочих местах в различных странах мира [42].
     Предельно допустимый уровень (ПДУ) локальной вибрации, передающейся оператору машины через контакт частей его тела с рычагами, педалями и приборами управления, в разных странах мира сильно отличается (рис. 1.3).


Рис. 1.3. ПДУ локальной вибрации в разных странах мира

      Распределение ПДУ общей вибрации на рабочем месте по разным странам мира также имеет неодинаковый характер (рис. 1.4).

12

О 0,1 0,20,30,4 0,5 0,60,70,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,41,5 1,6 1,7 1,81,9 2

Рис. 1.4. ПДУ общей вибрации в различных странах мира

1.3. Сравнительный анализ российских и зарубежных нормативных требований

     Анализ показывает, что наиболее жесткие требования по уровню локальной вибрации установлены в Российской Федерации. Ими предусматривается четкая регламентация по виду выполняемых работ, длительности, величине, направлению действующих нагрузок и т. д. Относительно мягких требований придерживаются в большинстве стран Европы, кроме Польши, где ПДУ регулируется с учетом возраста, пола и состояния человека [42].
     По уровню общей вибрации самые высокие требования предъявляются также в Российской Федерации. В странах Европы показатели ПДУ несколько выше, но их превышение иногда допускается только в ограниченном временном интервале воздействия. В США, в том числе и для определения ПДУ общей вибрации, введена специальная шкала «ощущения дискомфорта», ориентируясь на которую, предпринимают соответствующие меры по борьбе с негативным воздействием механических колебаний и вибраций [42].
     Подходы к установлению ПДУ вибраций и шума в России и в других государствах также сильно отличаются. В зарубежных странах наряду с медикобиологическими критериями установления стандартов используются социально-экономические и технологические обоснования. Кроме того, в нормативных документах большинства иностранных государств присутствуют два, а иногда и три показателя: пороговые (верхнее и нижнее) значения и ПДУ. При достижении порогового значения обычно начинаются первичные меры по противодействию вредным факторам [42].


13