EXPERIMENTAL DETERMINATION OF TRACTOR CABIN VIBRATION ISOLATORS CHARACTERISTICS

Шеховцов В.В.¹, Ляшенко М.В.², Шевчук В.П.³, Соколов-Добрев Н.С.⁴, Шеховцов К.В.⁵

¹Доктор технических наук, доцент; ² доктор технических наук, профессор, ³кандидат технических наук, профессор, ⁴кандидат технических наук, доцент, ⁵аспирант; Волгоградский государственный технический университет

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ВИБРОИЗОЛЯТОРОВ КАБИНЫ ТРАКТОРА

Аннотация

В статье описаны методики и результаты экспериментального определения упруго-демпфирующих характеристик виброизоляторов кабины трактора. Для этой партии получены также зависимости изменения осевой жесткости виброизоляторов от деформации. Выполнены также исследования, направленные на определение динамической жесткости виброизоляторов.

Ключевые слова: виброизолятор кабины, стенд для испытания виброизоляторов, статическая и динамическая жесткость.

Shekhovtsov V.V.¹, Lyashenko M.V.², Shevchuk V.P.³, Sokolov-Dobrev N.S.⁴, Shekhovtsov K.V.⁵

¹Doctor of Engineering Science, docent; ²Doctor of Engineering Science, professor; ³Candidate of engineering science, professor;⁴Candidate of engineering science, docent; ⁵Post-graduate student; Volgograd State Technical University

EXPERIMENTAL DETERMINATION OF TRACTOR CABIN VIBRATION ISOLATORS CHARACTERISTICS

Abstract

The article describes the methods and the results of experimental determination of elastic and damping characteristics of tractor cabin vibration isolators. For that batch there were also obtained the dependences of axial rigidity changing from the value of deformation.

Keywords: cabin vibration isolator, stand for vibration isolators testing, static and dynamic rigidity of vibration isolators.

Введение

Одной из важнейших функций кабины трактора является надежная защита оператора от шумов и вибраций, генерируемых двигателем, трансмиссией, ходовой системой и рабочими машинами. В связи с тем, что постоянно повышаются требования, касающиеся условий работы оператора, должны совершенствоваться конструкции и характеристики систем подрессоривания кабин.

В настоящее время для подрессоривания кабин отечественных тракторов наиболее часто используются пружинные упругие элементы, элементы из эластомеров или комбинация из тех и других [7, 8, 9, 10]. Их конструкции, места размещения, способы соединения с рамой или с корпусом трансмиссии, с полом или стойками кабины у каждой машины разные. Для подрессоривания кабин тракторов семейств ДТ и ВТ производства ВгТЗ используются виброизоляторы из эластомера, конструкция которых показана на рис. 1.

Рис. 1. Виброизолятор подвески кабин тракторов семейств ДТ и ВТ производства ВгТЗ

Количество и размещение виброизоляторов неодинаково для разных машин этих семейств. Они довольно удовлетворительно зарекомендовали себя в эксплуатации [1, 8, 9], хотя совершенствованию их конструкции и упруго-демпфирующих характеристик при создании машин новых поколений не уделялось внимания, материал эластомера и конструкция виброизолятора остаются неизменными на протяжении всего времени производства машин. В идеальном случае для подрессоривания кабины каждой машины должны создаваться виброизоляторы с характеристиками, необходимыми для обеспечения комфортной работы оператора именно этой машины. Для того, чтобы получить упруго-демпфирующие характеристики штатных виброизоляторов, выполнен ряд экспериментальных исследований.

Исследование статической жесткости

Авторским коллективом предложен ряд новых технических решений стендов для испытаний виброизоляторов [3, 4, 5, 6]. Экспериментальное исследование статической жесткости виброизоляторов выполнялось на стенде, схема которого приведена на рис. 2 [1, 2, 3, 7, 8, 9, 10].

Рис. 2. Схема стенда для испытаний виброизоляторов:

1 – рама стенда; 2, 6 – вертикальные стойки; 3 – ось качания; 4 – качающийся рычаг; 5 – груз; 7 – устройство регистрации деформаций; 8 – спусковое устройство; 9 – верхняя опора испытуемого виброизолятора; 10, 12 – опорные ножки; 11 – нижняя опора испытуемого виброизолятора; 13 – испытуемый виброизрлятор; 14 – болты крепления рамы

Во время исследований осуществлялась ступенчатая нагрузка-разгрузка репрезентативной партии виброизоляторов в соответствии со схемой (рис. 3) грузами весом по 40 Н [1, 7, 9].

Рис. 3. Схема для экспериментального исследования жесткости виброизоляторов:

1 – балка качающегося рычага; 2 – виброизолятор; 3 – ось качания; 4 – грузы; 5 – индикаторная головка

За счет соотношения плеч звеньев, передающих на стенде нагрузку от веса груза к виброизолятору, в конце цикла обеспечивалась нагрузка, соответствующая доле приходящейся на виброизолятор статической нагрузки от веса кабины. В качестве регистрирующего прибора использовалась индикаторная головка. Нагрузка-разгрузка каждого виброизолятора повторялась 5 раз. Таким образом определялась статическая вертикальная (осевая) жесткость виброизоляторов. В результате обработки результатов иcследования получены упругие характеристики виброизоляторов данного типа (рис. 4) [1, 2, 7].

Рис. 4. Упругие характеристики виброизоляторов:

а – зависимость деформации от нагрузки; б – зависимость осевой жесткости от деформации

На рис. 4 а точечной линией показана упругая характеристика самого жесткого виброизолятора партии, пунктирной линией – самого мягкого, сплошной линией – осредненная упругая характеристика виброизоляторов партии, а двойной тонкой линией – средняя за цикл нагрузка-разгрузка. Анализ этих характеристик свидетельствует о том, что максимальное отклонение деформации виброизоляторов при максимальной нагрузке составляет 30 % от средней величины для партии. В рабочей области упругая характеристика виброизоляторов данного типа близка к линейной. Существенная нелинейность наблюдается только на участках начала нагрузки и разгрузки [1, 2, 7].

Характеристики осевой жесткости виброизоляторов от деформации представлены на рис. 4 б, точечной линией – самого жесткого, пунктирной – самого мягкого, сплошной – осредненная характеристика для партии. Отклонение жесткости от средней величины также составляет 30 %. Осредненная характеристика имеет участок, на котором жесткость уменьшается при увеличении деформации – это имеет место при деформациях в диапазоне от 0 до 0,65 мм. На следующем участке, от 0,65 до 1,95 мм, жесткость остается практически постоянной. При дальнейшем росте деформации от 1,95 до 2,60 мм наблюдается увеличение жесткости от 275000 до 490000 Н/м.

Таким образом, для данного типа виброизоляторов величина максимальной вертикальной (осевой) статической жесткости находится в диапазоне от 390000 до 540000 Н/м.

Исследование динамической жесткости

Динамическую жесткость виброизолятора определяют по следующей зависимости [11]:

,

где  P – амплитуда действующей на виброизолятор динамической силы;

S – амплитуда виброперемещения;

Δφ – сдвиг фаз между динамической силой и виброперемещением.

На стенде (рис. 2) выполнена серия экспериментальных исследований динамической жесткости репрезентативной партии виброизоляторов. Исследования выполнялись при работе виброизоляторов в режиме свободных (затухающих) колебаний, которые получались в результате импульсного воздействия на виброизолятор от веса груза при срабатывании спускового устройства. При исследовании каждого из них, в соответствии с выше приведенной формулой, записывалась осциллограмма процесса изменения действующей на виброизолятор динамической силы P и деформации S виброизолятора. На рис. 5 приведена осредненная для репрезентативной партии виброизоляторов запись этих процессов [1, 2, 7].

В табл. 1 приведены значения динамической силы, деформации и рассчитанные по выше приведенной формуле значения динамической жесткости, определенные для амплитудных точек первых четырех циклов колебаний (рис. 5).

Таблица 1Динамическая сила, деформация и динамическая жесткость

№ цикла	1	2	3	4
P, Н	572,3	532,2	344,4	349,6
S, мм	1,33	1,17	0,99	0,88
C, кН/мм	4,01	4,01	3,08	3,44

Для расчета величины динамической жесткости в каждой из этих четырех точек определено значение cos Δφ. Угол φ определялся из отношения величины смещения (запаздывания) по времени амплитудных точек динамической силы P и деформации S на графике для каждого цикла колебаний. Его величина в градусах определялась из пропорции отношения времени запаздывания к времени полного цикла (360°) колебаний.

Рис. 5. Осредненная осциллограмма Таким образом, для данного типа виброизоляторов величина динамической жесткости находится в диапазоне от 3,1 до 4,0 кН/мм.

Полученные результаты исследований свидетельствуют о том, что при таких упруго-демпфирующих свойствах штатных виброизоляторов подвески кабин тракторов семейств ДТ и ВТ производства ВгТЗ достаточно сложно обеспечить комфортные условия работы оператора. Упругие свойства виброизоляторов недостаточны, так как даже при максимальной нагрузке их деформация (то есть ход подвески) составляет величину, меньшую 1,5 мм. Элементарные подсчеты показывают [1, 9], что при весе кабины примерно в 8 кН и наличии в подвеске от 4 до 6 виброизоляторов (для разных машин семейств ДТ и ВТ) частота собственных колебаний кабины будет находиться в диапазоне от 11 до 22 Гц. Известно, что для человека-оператора область комфортных частот колебаний находится в районе 1 – 1,5 Гц [9]. Следовательно, необходимо совершенствование конструкции виброизоляторов с тем, чтобы обеспечить более эффективное подрессоривание кабины.