POPRAWA WŁASNOŚCI WIBROIZOLACYJNYCH SIEDZISKA OPERATORA MASZYNY ROBOCZEJ POPRZEZ AKTYWNE STEROWANIE ZAWIESZENIEM

Transkrypt

1 DOI: /v I. Maciejewki Intytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej, Zakła Mechatroniki i Mechaniki Stoowanej, Politechnika Kozalińka, Kozalin, ul. Racławicka 15-17, Polka POPRAWA WŁASNOŚCI WIBROIZOLACYJNYCH SIEDZISKA OPERATORA MASZYNY ROBOCZEJ POPRZEZ AKTYWNE STEROWANIE ZAWIESZENIEM STRESZCZENIE Niniejza praca zawiera fizyczny i matematyczny moel paywnego i terowanego aktywnie zawiezenia iezika mazyny roboczej ze prężyną pneumatyczną i amortyzatorem hyraulicznym. Obiektem ymulacji jet ieziko z paywnym zawiezeniem lepko-prężytym, którego właściwości wibroizolacyjne zotały poprawione poprzez zatoowanie aktywnego terowania z powójną pętlą przężeń zwrotnych. Wykorzytany w pracy algorytm terowania efektywnie minimalizuje przeciwtawne kryteria wibroizolacji iezik: przypiezenie ziałające na operatora mazyny roboczej i przemiezczenie wzglęne ytemu zawiezenia. Baania ymulacyjne zotały wykonane przy użyciu wymuzenia poiaającego właności białego zumu w zakreie czętotliwości 0,5 1,5 Hz. Jako rezultaty ymulacji komputerowej przetawiono gętości wimowe mocy przypiezenia rgań i funkcje przenozenia pomierzone na ieziku, w zetawieniu z przykłaowym wymuzeniem z połogi mazyny roboczej. Zaprezentowano również przebiegi czaowe przemiezczenia wzglęnego zawiezenia la ukłau paywnego i opowiaającemu mu ukłaowi ze terowaniem aktywnym.. Słowa kluczowe: ytem zawiezenia iezika, aktywne terowanie zawiezeniem WPROWADZENIE Kierowcy i operatorzy mazyn roboczych narażeni ą pocza wykonywania pracy na niekorzytne oziaływania rgań wywołanych zarówno przez poruzanie ię pojazów po nierównościach, jak i przez wykonywane operacje, np. prace ziemne w przypaku ciągnika rolniczego. Wytępujące rgania nikoczętotliwościowe mają częto charakter loowy []. Najczęściej na połoze kabiny mazyny roboczej pojawiają ię wibracje o zakreie czętotliwości 0 0 Hz [, 6, 7, 8, 9, 1]. Jet to zatem ytuacja o tyle niekorzytna, iż czętotliwości rgań włanych więkzości narząów wewnętrznych luzkiego ciała zawierają ię w tym zakreie. Powouje to zybze zmęczenie operatora, zmniejzenie jego uwagi, a co za tym izie pogorzenie jakości wykonywanej pracy. Wytępowanie uczucia ilnego ykomfortu wibracyjnego w pozczególnych narząach i częściach ciała człowieka przy czętotliwościach rgań włanych zilutrowano na ry. 1 [4, 11].

2 54 ADVANCES IN MATERIALS SCIENCE, Vol. 8, No. (16), July 008 Górna część tułowia 4-5 Hz bóle tawowe i mięśniowe bóle kręgołupa na ocinku zyjnym wzrot napięcia mięśniowego uczucie zmęczenia Dolna część tułowia 4-6 Hz bóle tawowe i mięśniowe bóle kręgołupa na ocinku krzyżowym i lęźwiowym wzmożone napięcie mięśni uczucie zmęczenia Głowa 4-5 Hz bóle zawroty głowy zaburzenia równowagi Narząy klatki pieriowej: erce 4-6 Hz przypiezenie pulu zmiana ciśnienia krwi bicie erca Narząy wewnętrzne jamy brzuznej: wątroba -4 Hz, żołąek - Hz wrażenie wibrowania organów wewnętrznych, bóle młości niechęć o wykonywania pracy Ry. 1. Objawy zkoliwego oziaływania rgań na części ciała i narząy wewnętrzne przy ich czętotliwościach rezonanowych KRYTERIA WIBROIZOLACJI SIEDZISK Aby iezika operatorów mazyn roboczych wykazywały zaowalające właności wibroizolacyjne, powinny być pełnione kryteria minimalizacji funkcjonału. Są nimi umowane wartości oczekiwane kwaratów przypiezenia bezwzglęnego zawiezonej may oraz przemiezczenia wzglęnego pomięzy izolowaną maą a wymuzeniem z połogi kabiny operatora, weług zależności [1]: J = c1 E[ & x ] + c E[ ( x x ) ] min (1) gzie c 1 i c ą wpółczynnikami wagi, zależnymi o topnia znaczenia opowienich kryteriów. [& x ] min E & m x E [( x x ) ] min x m t t t Ry.. Ilutracja graficzna przeciwtawnych kryteriów wibroizolacji Jak przetawiono na ry. kryteria wibroizolacji ą przeciwtawne, to znaczy przy teoretycznej wartości przypiezenia bezwzglęnego may równej zeru, amplitua przemiezczenia wzglęnego jet równa amplituzie wymuzenia. Taka wibroizolacja w przypaku iezik operatorów mazyn roboczych nie jet pożąana, ponieważ topy operatora mazyny roboczej wykonują ruchy w kierunku pionowym o wartościach amplitu równych wymuzeniu z połogi. W przypaku, gy izolowana maa wykonuje t

3 I. Maciejewki: Poprawa właności wibroizolacyjnych iezika operatora mazyny 55 ruchy zgone z wymuzeniem, jej wartość przypiezenia bezwzglęnego jet równa przypiezeniu wymuzenia. MODEL FIZYCZNY I MATEMATYCZNY SYSTEMU ZAWIESZENIA SIEDZISKA Moel fizyczny paywnego zawiezenia iezika ze prężyną pneumatyczną i amortyzatorem hyraulicznym przetawiono na ry.. W moelu uwzglęniono iłę prężytości ytemu F a, iłę tłumienia F, iłę pochozącą o krańcowych zerzaków ytemu, ograniczających jego makymalne przemiezczenie F b (zerzak olny F b i zerzak górny F bu ), całkowitą iłę tarcia zawiezenia F f oraz iłę grawitacji zawiezonej may F g. F bu Ukła paywny F bu Ukła aktywny m x m x F b p,v F a F F f F b p,v F a F F f F a Ry.. Moel fizyczny paywnego i aktywnego zawiezenia iezika Równanie ruchu ytemu zawiezenia iezika, jako warunek równowagi ił ziałających na ukła, przyjmuje natępującą potać [7, 8, 9]: m & x = Fa + F + Ff + Fb + Fg () Siła pochoząca o prężyny pneumatycznej, ziałająca w kierunku pionowym na zawiezoną maę, jako iloczyn jej powierzchni efektywnej A ef i wzglęnej wartości ciśnienia p p0, określona jet natępującą zależnością: Fa = Aef ( p p0 ) () Aktualną wartość ciśnienia powietrza w prężynie pneumatycznej o zmiennej objętości V, określono przy założeniu aiabatycznej przemiany powietrza [1]: gzie κ jet wykłanikiem aiabaty, natomiat p 0 i 0 κ V0 p = p0 V (4) V ą początkowymi wartościami ciśnienia powietrza i objętości prężyny pneumatycznej, zefiniowane la anej may obciążającej ytem zawiezenia w położeniu śrokowym. Zmienną objętość okztałcalnej prężyny pneumatycznej opiano jako:

4 56 ADVANCES IN MATERIALS SCIENCE, Vol. 8, No. (16), July 008 V0 p = p0 (5) V gzie x 0 jet ugięciem tatycznym prężyny pneumatycznej. Zależność opiująca iłę o amortyzatora hyraulicznego tanowi aprokymacja wielomianowa rzęu trzeciego wyników pomiarów ekperymentalnych, w funkcji jego prękości wzglęnej [5]: F = ( ( x& ) + ( x& ) + ( x& 1 )) (6) gzie 1,, ą wpółczynnikami równania regreji. Siła tarcia zotała opiana na potawie moelu Bouc-Wen [5], który uwzglęnia hiteretyczne właściwości ytemu zawiezenia i jet obliczana na potawie natępującej zależności: F& f = k f ( x& ) + γ x& Ff + β ( x& ) Ff (7) gzie k f jet ztywnością, efiniującą wyokość hiterezy iły tarcia, natomiat γ i β ą parametrami wpływającymi na kztałt hiterezy i opiującymi właności lepkoprężyte ytemu zawiezenia przy zmianie zwrotu ruchu. Siły w zerzakach: olnym i górnym zotały opiane przy użyciu kombinacji nieliniowej ztywności ześciennej ( k i k u ) ze ztywnością liniową ( k 1 i k u1) [5] i zamoelowane jako iły ziałające w określonych zakreach przemiezczenia wzglęnego ytemu zawiezenia: la zerzaka olnego < x x, la górnego > x : u F ( x x ) + k ( x x ) ( x x ) + k ( x x ) b = k 1 κ < x x (8) Fbu = ku u u1 u u > x x (9) Otatecznie iła pochoząca o gumowych zerzaków, ograniczających makymalne przemiezczenia ytemu zawiezenia wynoi: F = F F (10) b Siła grawitacji jet iloczynem wartości wibroizolowanej may m i przypiezenia ziemkiego g : F g = m g (11) W przypaku zawiezenia aktywnego, uma ił ziałających na wibroizolowaną maę oatkowo zawiera iłę aktywną F a : m & x = Fa + F + Ff + Fb + Fg + Fa (1) Traktując urzązenie wykonawcze, generujące iłę aktywną, jako element inercyjny pierwzego rzęu, można je opiać równaniem: To F & a + Fa = k U (1) gzie T 0, k i U jet opowienio tałą czaową urzązenia wykonawczego, jego wzmocnieniem tatycznym i napięcie terującym. b bu OKREŚLENIE PARAMETRÓW WYSTĘPUJĄCYCH W MODELU MATEMATYCZNYM UKŁADU ZAWIESZENIA Określenie nieznanych parametrów moeli matematycznych, opiujących główne iły ziałających w ukłazie zawiezenia iezika: iły o prężyny pneumatycznej F a,

5 I. Maciejewki: Poprawa właności wibroizolacyjnych iezika operatora mazyny 57 iły o amortyzatora hyraulicznego F, całkowitej iły tarcia F f oraz iły o krańcowych zerzaków F b, okonano na potawie oatkowych baań ekperymentalnych. Krzywe opiujące zmiany pozczególnych ił w funkcji przemiezczenia i prękości wzglęnej zawiezenia, w zetawieniu z wynikami pomiarów, zaprezentowano na ry. 4. Ry. 4. Siła o prężyny pneumatycznej (a), iła o amortyzatora hyraulicznego (b), iła tarcia (c) oraz iła o krańcowych zerzaków zawiezenia iezika () SYSTEM STEROWANIA AKTYWNYM ZAWIESZENIEM SIEDZISKA Sytem regulacji poiaa wie pętle przężeń zwrotnych: o przypiezenia izolowanej may i o przemiezczenia wzglęnego ytemu zawiezenia (ry. 5). W takim rozwiązaniu zarówno przypiezenie may jak i przemiezczenie wzglęne zawiezenia jet minimalizowane przez ukła regulacji, opowienio ze wzmocnieniami pozczególnych pętli przężeń zwrotnych: P 1 i P. Regulator opracowuje ygnał napięciowy U, który natępnie teruje generatorem iły aktywnej. Moel komputerowy zawiezenia paywnego i aktywnego wraz z ytemem terowania zotał porzązony przy użyciu pakietu MATLAB Simulink. Optymalizacja wzmocnień pozczególnych pętli przężeń zwrotnych regulatora zotała przetawiona w pracy [10].

6 58 ADVANCES IN MATERIALS SCIENCE, Vol. 8, No. (16), July 008 F a Ukła zawiezenia iezika & x& x Generator iły P P1 U Regulator U x U & x Ry. 5. Schemat ukłau regulacji zawiezeniem iezika WYNIKI BADAŃ SYMULACYJNYCH I EKSPERYMENTALNYCH Wykorzytane o baań ekperymentalnych tanowiko kłaało ię z hyraulicznego wzbunika rgań z zamontowanym ytemem zawiezenia i obciążonym ztywnie zamocowaną maą. Tor pomiarowy był czterokanałowy i za pomocą przetworników przypiezenia i przemiezczenia okonano pomiaru: przypiezenia rań pionowych platformy wymuzającej i wibroizolowanej may, przemiezczenia wzglęnego zawiezenia iezika i platformy wibracyjnej. Wyniki baań oświaczalnych ukłau paywnego w potaci gętości wimowych mocy przypiezenia rgań, funkcji przenozenia i czaowego przebiegu przemiezczenia wzglęnego ytemu zawiezenia, w zetawieniu z przebiegami baań ymulacyjnych oraz przebiegami wymuzeń, pokazane zotały na ry.6. Ry. 6. Funkcje gętości wimowej mocy przypiezenia (a) i funkcje przenozenia (b) oraz przebiegi przemiezczenia wzglęnego ytemu zawiezenia (c) w przypaku paywnego zawiezenia iezika

7 I. Maciejewki: Poprawa właności wibroizolacyjnych iezika operatora mazyny 59 Gętości wimowe mocy przypiezenia, funkcje przenozenia oraz czaowe przebiegi przemiezczenia wzglęnego ytemu zawiezenia, otrzymane za pomocą ymulacji komputerowej, w przypaku paywnego i aktywnego zawiezenia iezika ą przetawione na ry. 7. Rezultaty otrzymano przy określonych warunkach wymuzenia kinematycznego i la optymalnych wzmocnień pętli przężeń zwrotnych [10]: o przypiezenia izolowanej may P 1 i o przemiezczenia wzglęnego pomięzy maą a potawą P. Ry. 7. Funkcje gętości wimowej mocy przypiezenia (a) i funkcje przenozenia (b) oraz przebiegi przemiezczenia wzglęnego ytemu zawiezenia (c) w przypaku paywnego i aktywnego zawiezenia iezika PODSUMOWANIE Z przeprowazonych baań ymulacyjnych wynika, że ukła aktywny znacznie poprawia właności wibroizolacyjne zawiezenia iezika w rozpatrywanym zakreie czętotliwości wymuzenia, przy czym najwiękzą kuteczność ziałania oiąga w przypaku czętotliwości rezonanowej, opowiaającej ukłaowi paywnemu. W przypaku zatoowania aktywnego terowania rganiami iezika z powójną pętlą przężeń zwrotnych, można efektywnie minimalizować wartość przypiezenia ziałającego na operatora, przy jenoczenym zmniejzeniu makymalnych przemiezczeń wzglęnych pomięzy iezikiem i połogą kabiny pojazu lub mazyny roboczej. Taki poób terowania przyczynia ię zarówno o poprawy komfortu użytkowania, jak również wpływa korzytnie na możliwości terowania pojazem lub mazyną roboczą.

8 60 ADVANCES IN MATERIALS SCIENCE, Vol. 8, No. (16), July 008 LITERATURA 1. Beater P.: Pneumatic Drive, Sytem Deign, Moelling an Control, Springer- Verlag, Berlin Heielberg, Engel Z., Ochrona śroowika prze rganiami i hałaem, Wyawnictwo Naukowe PWN, Warzawa Engel Z., Kowal J., Sterowanie proceami wibroakutycznymi, Wyawnictwa AGH, Kraków Griffin M.J., Hanbook of Human Vibration, Lonon Gunton, T.P., Rebelle, J., Griffin M.J.: A comparion of two metho of imulating eat upenion ynamic performance, Journal of Soun an Vibration 78 (004), ISO 7096 Earth-moving machinery Laboratory evaluation of operator eat vibration, Kowal J., Sterowanie rganiami, Gutenberg, Kraków Krzyżyńki T., Maciejewki I., Chamera S., Moelling an imulation of active ytem of truck eat vibroiolation with biomechanical moel of human boy uner real excitation, VDI Berichte Nr. 181, Krzyżyńki T., Maciejewki I., Chamera S., On Application of Fuzzy Logic in Active Control of Track Driver Seat, Machine Dynamic Problem, 004,vol.8, No 1, Maciejewki I.: Polioptymalizacja właności wibroizolacyjnych aktywnego ytemu zawiezenia iezika, Pomiary, Automatyka, Kontrola, 8/007, Naer M., Moelowanie i ymulacja oziaływania rgań pojazów na organizm człowieka, Oficyna Wyawnicza Politechniki Warzawkiej, Warzawa PN-91, N-0154 Dopuzczalne wartości przypiezenia rgań o ogólnym oziaływaniu na organizm człowieka i metoy oceny narażania, Preumont A., Vibration Control of Active Structure An Introuction, Kluwer Acaemic Publiher, Lonon 00.