СТРОИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА

УДК 625.745.3:331.473

ЗАЩИТА ЧЕЛОВЕКА-ОПЕРАТОРА ЗЕМЛЕРОЙНО-ТРАНСПОРТНОЙ МАШИНЫ ОТ ВИБРАЦИИ

В.С. Щербаков, И.И. Белов

ФГБОУ ВО «СибАДИ», Россия, г. Омск

Аннотация. В данной статье рассматривается вред от воздействия вибрации на человека-оператора землеройно-транспортной машины и проблема защиты человека-оператора от вибрации. Проанализирован обзор исследований работ предшественников, после чего авторами были выявлены недостатки и плюсы каждого из элементов защиты. Затем выбран наиболее совершенный из способов виброзащиты и предложено дальнейшее направление исследований. А так же была предложена биодинамическая модель тела человека-оператора.

Ключевые слова: виброзащита, динамические воздействия, землеройнотранспортная машина, человек-оператор, биодинамическая модель.

Введение

Одним из путей повышения производительности землеройно-транспортной машины является улучшение условий труда человека-оператора. При работе машины человекоператор испытывает на себе целый комплекс вредных воздействий, которые могут нанести серьезный ущерб организму и вызвать различные заболевания. Одним из таких воздействий является вибрация.

Вредные факторы от воздействия вибрации на человека-оператора

При непосредственном участии человека-оператора в технологических операциях современных производств на него неизбежно воздействуют неблагоприятные факторы окружающей среды, приводящие к ухудшению условий труда. Особое место в ряду неблагоприятных факторов занимает производственная вибрация. Для дорожно - строительного производства – это в основном транспортная вибрация.

Систематическое воздействие вибрации на человека рассматривается медициной как мощный стресс-фактор, оказывающий отрицательное влияние на работоспособность, эмоции и умственную деятельность, а также повышающий вероятность различных заболеваний и несчастных случаев. Особую опасность для человека представляет постепенное, скрытое развитие профессионального заболевания, им енуемого вибрационной болезнью [1,2].

По данным ФГНУ ВНИИОТ Минсельхоза России только за 2002 год в организациях агропромышленного комплекса в результате несчастных случаев пострадало 3456 человек (в том числе погибло 1052 человека). Из общего числа травмированных боле е 20% составили операторы мобильных машин [3]. Можно утверждать, что вероятность несчастного случая повышается при воздействии вибрационных нагрузок, поскольку они неизбежно вызывают у операторов мобильных машин, например, расстройство зрительного восприятия и замедление реакций. Ситуация усугубляется тем, что при внедрении новой техники (тракторов, сельскохозяйственных и дорожных машин) не обеспечивается надлежащих показателей вибрационных характеристик на рабочих местах операторов, т.е. реального прогресса в области защиты человека-оператора мобильных машин от транспортной вибрации за последние годы не произошло [4, 5].

Анализ работ предшественников в области виброзащиты операторов ЗТМ

На большинстве серийно выпускаемых ЗТМ используется пассивная система з ащиты оператора от динамических воздействий. Необходимо изыскание новых устройств виброзащиты операторов ЗТМ, эффективно работающих при динамически изменяющихся возмущающих воздействиях.

Причины, вызывающие вибрацию, можно разделить на внутренние и внешние . Вибрация, обусловленная внутренними причинами, возникает в основном из -за неуравновешенности вращающихся деталей различных агрегатов машины и из -за

СТРОИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА

неравномерности их вращения. Основными источниками вибрации здесь в большинстве случаев является двигатель и элементы трансмиссии, которые вызывают вибрацию высокой частоты. Внешней причиной возникновения вибрации является дорога, а точнее ее геометрический профиль, который служит источником возмущений низкой и средней частот.

Вибрацию, вызванную внутренними причинами, как правило, снижают на стадиях разработки и испытаний отдельных агрегатов и всей машины в целом. Снизить вибрацию, обусловленную внешними причинами можно либо устранением этих причин, то есть улучшением качества дорожного покрытия, либо с помощью различных виброзащитных систем. Поскольку в условиях эксплуатации первый метод применить нельзя, то для защиты человека-оператора от вредного влияния вибрации здесь используют системы виброизоляции. В данном случае виброзащита заключается в установке меж ду объектом и источником дополнительной системы, защищающей объект от механических воздействий, возбуждаемых источником.

В настоящее время для защиты человека-оператора от вибрации широко используются пассивные системы виброизоляции. Данные системы обладают простой конструкцией, не требуют подвода энергии, надежны и долговечны в эксплуатации. Недостатком пассивных систем является невозможность обеспечить допустимый уровень вибрационной нагрузки во всем диапазоне частот. Особенно неэффективны они на низких частотах. В этом диапазоне очень часто возникает низкочастотный резонанс, что ведет к раскачиванию сиденья и тем самым затрудняет управление машиной.

Для защиты человека-оператора от вибрации во всем диапазоне частот необходимо реализовать в подвеске сиденья следующие условия: достаточную несущую способность, для обеспечения устойчивой работы оператора по управлению машиной; квазинулевую жесткость, для перевода амплитудно-частотной характеристики подвески в зарезонансную зону; снижение до минимума диссипации, чтобы исключить вредное влияние сил трения в зарезонансной зоне.

Все эти условия противоречат друг другу. Широко распространенные сегодня пассивные виброзащитные системы не могут их выполнить, то есть невозможно, например, обеспечить достаточную несущую способность подвески и сверхмалую жесткость при динамическом ходе подвески равным 100 мм. Снижение жесткости ведет к уменьшению несущей способности, а увеличение несущей способности при малой жесткости приводит к значительному увеличению габаритов подвески. Выполнить все вышеприведенные требования могут активные системы виброизоляции, однако из-за их высокой стоимости, сложной и громоздкой конструкции область их применения невелика и в ближайшем будущем массовое внедрение их на мобильных машинах не предвидится.

Выход из данной ситуации – это виброизолирующие устройства с плавающим участком нулевой жесткости [6]. Такие устройства представляют собой упругий элемент и параллельно включенный ему компенсатор жесткости с падающей силовой характеристикой. Различными научными коллективами разработан ряд компенсаторов жесткости: гидравлический, пневматический, механические компенсаторы в различных исполнениях, например, с призматическими ножами, с нелинейным профилем, но все они не полностью отвечают требованиям идеальной виброизоляции. На сегодняшний день из разработанных устройств наиболее полно отвечающих требованиям современной виброизоляции, является электромагнитный компенсатор жесткости, на что и следует обратить внимание в моих последующих исследованиях.

На основании результатов, полученных в [10], спроектирован вариант конструкции виброизолятора с компенсатором жесткости на основе неодимов ых магнитов. На рисунке 1 представлена спроектированная 3D-модель компенсатора жесткости, выполненная в программе Autocad 2009:

СТРОИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА

Рис. 1. Модель спроектированного виброизолятора жесткости:

1 – защищаемое основание; 2 – основание для упругого элемента; 3 – упругий элемент (пружины); 4 – дюралюминиевые стойки; 5 – вибрирующее основание; 6 – шток; 7 – дюралюминиевый диск; 8 – якорь;

9 – отверстие для неодимовых магнитов; 10 – дюралюминиевое основание.

Магнитный компенсатор жесткости подключен параллельно упругому элементу, выполненному в виде четырех пружин 3, закрепленных при помощи дюралюминиевых оснований 2 для упругого элемента, одним концом к вибрирующему основанию 5, другим к защищаемому основанию 1. Магнитный компенсатор представляет из себя два диска 7, один из которых жестко закреплен на вибрирующем основании 5 через дюралюминиевое основание 10, другой диск 7 закреплен на вибрирующем основании 5 при помощи дюралюминиевых стоек 4. Шток 6 жестко связан с защищаемым объектом 1. Неодимовые магниты расположены на нижнем и верхнем дисках 7 в отверстиях 9, а также на обеих сторонах якоря 8. В предлагаемой конструкции виброизолятора неодимовые магниты, расположенные в плоскости якоря и сторонах дисков, имеют разную полярность, как показано на рис. 2. В этом случае суммарная жесткость виброизолятора будет определяться как сумма жесткостей упругого элемента (пружин) и магнитного компенсатора жесткости. Таким образом, жесткость может быть сведена к нулю, что позволит обеспечить идеальную виброизоляцию.

Рис. 2. Схема расположения полюсов неодимовых магнитов.

Биодинамическая модель тела человека-оператора

Для определения качества виброзащиты оператора от динамических воздействий различной частоты необходимо знать передаточные функции динамической системы, которую представляет собой сидящий на сиденье человек [7].

СТРОИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА

Исследованию распространения вибрации по телу человека посвящен ряд работ отечественных и зарубежных авторов. В нашей стране исследования проводились Е.Ц. Андреевой-Галаниной, A.M. Волковым, Р.В. Ротенбергом, И.Я. Борьщевским и др. Ведущими специалистами за рубежом считаются Р. Керман и Д. Дикман. По результатам работ были определены допустимые уровни воздействия вибрации на организм человека.

Ряд работ [8] посвящен составлению биодинамических моделей тела человека и его отдельных органов.

Тело человека является системой с распределенными параметрами и представление его в виде колебательной системы, состоящей из конечного числа пассивных элементов, всегда в какой-то мере условно. При расчете виброзащиты можно использовать упрощенную биодинамическую модель оператора [7].

Человеческое тело является самонастраивающейся системой, параметры которой меняются в широких пределах, в зависимости от характера и направления действующих возмущений, положения тела в пространстве и т.д. [7].

В условиях движения машины оператор принимает естественную позу (рис. 1). Она может быть определена как посадка человека, при которой он свободно, не напрягаясь, опирается на спинку сиденья, смотрит прямо перед собой и не тратит дополнительных мускульных усилий на то, чтобы удержаться на сиденье; ноги при этом слегка выставлены вперед [7].

На основе данных различных исследований была построена одномассовая модель тела человека (рис. 1) [7]. В этой модели тело человека представлено в виде сосредоточенной массы, помещенной на упругом основании. Жесткость основания и затухания колебаний в такой системе определяется жесткостью сиденья и затухания в нем. Масса частей тела, приходящихся на сиденье, принимается равной 55-57 кг, при полной массе человека 75 кг. Такая модель принимается в большинстве исследований [7, 8].

Рис. 1. – Схема посадки человека-оператора

Заключение

Для защиты человека-оператора от вибрации во всем диапазоне частот необходимо реализовать в подвеске сиденья следующие условия: достаточную несущую способность, для обеспечения устойчивой работы оператора по управлению машиной; квазинулевую жесткость, для перевода амплитудно-частотной характеристики подвески в зарезонансную зону; снижение до минимума диссипации, чтобы исключить вредное влияние сил трения в зарезонансной зоне.

Выполнить все вышеприведенные требования могут активные системы виброизоляции, однако из-за их высокой стоимости, сложной и громоздкой конструкции область их применения невелика и в ближайшем будущем массовое внедрение их на мобильных машинах не предвидится.

Выход из данной ситуации – это виброизолирующие устройства с плавающим участком нулевой жесткости. На сегодняшний день из разработанных устройств наиболее полно отвечающих требованиям современной виброизоляции, является электромагнитный компенсатор жесткости, на что и следует обратить внимание в моих последующих исследованиях.

СТРОИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА

Библиографический список

1.Кукин, П.П. Безопасность жизнедеятельности. Производственная безопасность и охрана труда / П.П. Кукин, В.Л. Лапин. Н.Л. Пономарев и др. – М.: Высшая школа, 2001. – 431 с.

2.Канарев, Ф.М. Охрана труда / Ф.М. Канарев, М.А. Пережогин, Г.Н. Гряник. – М.: Колос, 1982. – 351 с.

3.Состояние производственного травматизма в АПК России в 2002 году / Сост. А.В. Уваров, Н.С. Студенникова и др. – Орел, ФГНУ ВНИИОТ Минсельхоза России, 2003. – 77 с.

4.Синев, А.В. Разработки в области пневмоподвески сидений операторов мобильных машин // Безопасность жизнедеятельности, 2001. – №6. – С. 21-25.

5.Росляков, В.П. Разработка перспективных виброзащитных систем с импульсным* управлением / В.П. Росляков, В.И. Чернышев / Безопасность труда в промышленности, 1994. – №2. – С. 29-31.

6.Зуев, А.К. Некоторые вопросы теории виброизоляции / А.К. Зуев, В.Ю. Гросс // Вопросы автоматизации производственных процессов с использованием силовых импульсных систем: межвузовский: сб. науч. тр. / Новосиб. электротехн. ин-т. – Новосибирск, 1984. – С. 68-75.

7.Хачатуров, А.А. Динамика системы «дорога-шина-автомобиль-водитель» / A.A. Хачатуров, В.Л. Афанасьев, B.C. Васильев и др; под ред. А.А. Хачатурова. – М.: Машиностроение, 1976. – 535 с.

8.Построение динамической модели тела человека-оператора, подверженного действию широкополосных случайных вибраций / Б.А. Потемкин, К.В. Фролов // Виброизоляция машин и виброзащита человека-оператора. – М.: Наука, 1973. – 195 с.

9.Гурова, Е.Г. Виброизолирующие подвески транспортных энергетических установок с нелинейными электромагнитными компенсаторами жесткости / Е.Г. Гурова. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2012. – 156 с.

10.Гурова, Е.Г. Устройство виброизолирующее с компенсатором жесткости на основе неодимовых магнитов / Е.Г. Гурова, М.Г. Гуров // Инновационные технологии и экономика в машиностроении: сб. тр. 5 междунар. науч.- практ. конф., Юрга, 22-23 мая 2014 г. – Томск: Изд-во ТПУ, 2014. – Т. 2. – С. 280-283.

REVIEW OF METHODS OF OPERATIONAL PLANNING AND METHODS OF CARGO FULL SEND

V.S. Sherbakov, I.I. Belov

Abstract. This article discusses the harms from the impact of vibration on the human operator earth-moving machines and the problem of protection of the human operator from vibration. Analyzed review of studies on the work of predecessors, then the authors have identified the advantages and disadvantages of each protection element. Then selected the most perfect of ways of vibration protection and proposed future direction of research. And as was proposed biodynamic model of the body of the human operator.

Keywords: vibration protection, dynamic effects, earthmoving machine, the human operator, the biodynamic model.

Щербаков Виталий Сергеевич (Россия, г. Омск) – доктор технических наук, профессор кафедры «АПП и Э» ФГБОУ ВО «СибАДИ» (644080, г. Омск, пр. Мира, 5).

Белов Илья Игоревич (Россия, г. Омск) – аспирант группы ИВТ – 15 АСП, «СибАДИ» (644080, г. Омск, пр. Мира, 5).

Shcherbakov Vitaly Sergeevich (Russia, Omsk) – doctor of technical sciences, professor The Siberian state automobile and highway academy (SibADI) (644080, Omsk, Mira Ave., 5).

Belov Il'ya Igorevich (Russia, Omsk) – the graduate student The Siberian State Automobile and Highway Academy (644080, Omsk, Mira Ave., 5).