Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса, цель и задачи исследования... 12
1.1 Влияние шума на здоровье операторов землеройно-транспортных машин 12
1.2 Основные конструктивные особенности пневмоколёсных фронтальных погрузчиков 14
1.3 Методы и средства снижения шума в кабинах землеройно-транспортных машин 28
Выводы 31
Цель и задачи исследований 33
2 Вибродинамика карданных передач погрузчиков 34
2.1 Математическая модель карданной передачи 34
2.2 Взаимосвязь динамической реакции с углом наклона и частотой вращения карданного вала
Выводы 45
3. Экспериментальные исследования опытных звукопоглощающих материалов 46
3.1 Цель и задачи лабораторных экспериментальных исследований... 46
3.2 Методика лабораторных экспериментальных исследований. Оценка погрешностей измерений 46
3.3 Результаты лабораторных исследований и их анализ 49
Выводы 63
4. Методика и результаты виброакустических экспериментальных исследований погрузчика 64
4.1 Цель и задачи экспериментальных исследований 64
4.2 Оценка влияния режима работы колесного погрузчика на уровень звука в кабине 65
4.3 Определение вклада источников виброакустической энергии в звуковое поле кабины 74
4.4 Результаты экспериментальных исследований методов снижения шума в кабине погрузчика 77
4.5 Оценка погрешности результатов исследований 82
Выводы 84
5. Прогнозирование шума в кабине на основе использования метода конечных элементов 86
5.1 Выбор конечных элементов, аппроксимирующих конструкцию машины и воздушную среду 86
5.2 Формирование базы исходных данных и разработка топологии машины и воздушной среды 90
5.3 Математическая модель акустического процесса в кабине 93
5.4 Анализ результатов численных исследований акустического процесса в кабине погрузчика 97
5.5 Сопоставление результатов численных исследований (МКЭ) и экспе- , П7 риментальных данных
5.6 Определение вклада воздушного и структурного шума в общее звуковое поле кабины 109
Выводы 110
6. Оптимизация звукозащиты и оценка социально-экономической эффективности снижения шума на колесном погрузчике 112
6.1 Оптимизация звукозащиты в кабине звукопоглощающими конструкциями 112
6.2 Расчет социально-экономической эффективности снижения шума на
колесном погрузчике 122
Выводы 128
Основные выводы 130
Список использованных источников 132
Приложения 145
- Основные конструктивные особенности пневмоколёсных фронтальных погрузчиков
- Взаимосвязь динамической реакции с углом наклона и частотой вращения карданного вала
- Методика лабораторных экспериментальных исследований. Оценка погрешностей измерений
- Результаты экспериментальных исследований методов снижения шума в кабине погрузчика
Введение к работе
Актуальность темы исследования.
Проблема воздействия шума и вибрации на здоровье человека давно заинтересовала отечественных и зарубежных ученых [140]. Было доказано негативное влияние шума и вибрации на организм человека - функциональные расстройства нервной, сердечно-сосудистой, и желудочно-кишечной систем, повышение общей заболеваемости. При этом было доказано, что повышенный шум ухудшает условия и качество труда, так как увеличивает общую утомляемость, снижает внимание и реакцию человека. Установлено, что воздействие шума в отдельных случаях снижает производительность труда на 15...20 %. Особую актуальность и значимость эта проблема принимает тогда, когда шум и вибрация воздействуют на операторов технологических машин [9, 14, 141...143].
Конструкции землеройно-транспортных машин за последние 20 лет претерпели существенные изменения. В них появились более мощные силовые установки, многоступенчатые механические и гидромеханические коробки передач, шины с высокими тягово-сцепными качествами и другие агрегаты, узлы и механизмы. Рост технологических и транспортных скоростей движения, действующих нагрузок на рабочий орган, ходовое оборудование, трансмиссию и рамные конструкции неизбежно приводят к увеличению динамической нагруженное, вибрации и шума [36, 57, 65, 66, 83, 93]. Таким образом, проблема борьбы с шумом становится всё более актуальной. В новых условиях развития рыночных отношений обязанность каждого производителя технологических машин, создающих шум, предпринять эффективные меры по его снижению в соответствии с действующими нормами. Это является обязательным требованием рынка по обеспечению совместимости новой продукции с требованием защиты окружающей среды и обеспечения безопасности работающих.
Задачи по снижению шума и вибрации технологических машин выдвигаются на первый план, так как они напрямую связаны с безопасностью жизнедеятельности [3, 4, 5, 6, 8, 23, 24, 35, 106, 107, 114, 115]. В этой связи отечественными и зарубежными учёными решены многие вопросы по проектированию виброзвукозащиты операторов от источников виброакустической энергии механического, аэродинамического, гидродинамического и электромагнитного происхождения, представляющие интерес для практики [18, 62, 65, 66, 92, 103, 109, 133, 148].
Большой вклад в проблему борьбы с шумом и вибрацией в различных отраслях машиностроения, на транспорте, в промышленности внесли учёные России и других стран: И. И. Боголепов, В. И. Заборов, Н. И. Иванов, М. Н. Исакович, И. И. Клюкин, В. Н. Луканин, А. С. Никифоров, Г. Л. Осипов, Б.Д. Тартаковский, Ю. Ф. Устинов, Е. Я. Юдин, К. Вестфаль, Л. Беранек, Л. Кремер, М. Лайтхилл, Е. Майер, М. Хекль, и др.
Шум в кабинах СДМ и в окружающей среде зависит от типа машин, характера выполняемой работы, года выпуска и т.д. Уровни звука на рабочих местах операторов СДМ, эксплуатирующихся в нашей стране, в основном лежат в диапазоне 75...90 дБА (при 8-ми часовом рабочем дне норма 80 дБА),что говорит об актуальности снижения шума. Внешний шум машин характеризуется уровнями 80...95 дБА (на расстоянии 7,5 м) при норме шума в жилой застройке 55 дБА (в дневное время), и 45 дБА (в ночное время), что не позволяет использовать большинство СДМ для работы в городах ночью, а в дневное время соблюдать определённые ограничения.
Несмотря на то, что в последние десятилетия накоплен значительный экспериментальный материал, созданы фундаментальные теории виброзвукозащиты, общее развитее науки и создание мощных вычислительных средств открывают новые возможности в борьбе с шумом на технологических машинах, в том числе и землеройно-транспортных [12,38, 55, 67,98,106,116,117].
Значительные достижения в области виброзвукозащиты операторов строительных и дорожных машин достигнуты в Германии, США, Франции, Японии и др. [66,114,139,145].
Так, например, ведущими фирмами по производству бульдозеров, погрузчиков, автогрейдеров, скреперов, такими, как Каттерпиллер, Кейс, Камацу, Фаун, Уникеллер и другими, разработаны новые кабины с высокой виброакустической защитой. Этими же фирмами проведена большая работа по уменьшению шума и вибрации в источниках [25,56,65,66,114,139,145].
Несмотря на успехи в области защиты операторов технологических машин от воздействия высоких уровней шума и вибрации, в промышленно развитых странах определилась четкая тенденция к снижению нормативного уровня шума в кабине транспортных и строительно-дорожных машин. Допускаемый уровень шума в кабине в настоящее время достигает значения 76...78 дБА [66, П7,П9].
В последние 30...40 лет наблюдается тенденция ужесточения норм шума в т.ч. инаСДМ. Так норма внешнего шума СДМ снижена на 10...12 дБА за рубежом, а норма шума на рабочих местах снижена на 5 дБА (в нашей стране) [73,77]. Ужесточение норм шума, появление новых строительных технологий, увеличение производительности и мощности СДМ потребовало выполнения новых исследований в области борьбы с шумом, в том числе уточнения методов расчёта ожидаемой шумности, разработки методов разделения вклада источников шума, разработки новых и уточнения имеющихся расчётных схем и математических моделей шумообразования, широкой проверки получаемых результатов на разнообразных типах машин, разработки и апробации новых средств шумозащиты. Заметим, что если раньше, когда шум СДМ отличался более высокими уровнями, шумозащита могла быть выполнена, минуя научные исследования {интуитивно, по образцам менее шумных машин и т.д.), то в настоящее время, когда идёт массовое снижение шума СДМ, шумозащита для менее шумных машин зачастую не может быть осуществлена без проведения спе-
циальных исследований. Это объясняется сложностью процессов шумообразо-вания, когда вклад различных источников в процессы шумообразования становится близким друг к другу и выявить один источник на фоне других (для снижения его вклада) представляется весьма затруднительным.
Таким образом, обеспечение комфортных условий работы связанных со снижением влияния шума и вибрации на операторов землеройно-транспортных машин, является одной из главных задач. В этой связи возникает необходимость в прогнозировании и расчете виброакустических параметров землеройно-транспортных машин вообще и погрузчиков в частности на стадии проектирования, чему и посвящена данная диссертационная работа.
Целью данной работы является прогнозирование и расчет виброакустических параметров погрузчика с использованием численных методов исследований, т.е. определение конкретных значений параметров шума в кабине при заранее заданных критериях и физико-геометрических характеристиках элементов конструкции погрузчика.
На основании поставленной цели определён круг задач, охватывающий разработку уточненной методики ориентировочной оценки уровней звука в кабине на ранних стадиях проектирования, проведение лабораторно-полевых исследований на натурном образце машины, разработку уточненной математической модели распространения звука в замкнутом объёме кабины и её реализация методом конечных элементов, разработка методики оптимизации звукоза-щиты и практических рекомендаций по улучшению противошумной защиты кабины погрузчика.
Перечисленный комплекс задач в общем случае сводится к задаче виб-розвукозащиты оператора, которая может быть сформулирована как задача нахождения отклика динамической системы в виде поля распределения звукового давления по объёму кабины, на возмущающие воздействия источников виброакустической энергии.
Научной новизной в диссертационной работе являются:
Установлено влияние источников виброакустической энергии на звуковое поле и выявлены характерные частоты, определяющие шум в кабине.
Выявлены основные пути распространения виброакустической энергии в конструкции машины и предложены меры по снижению шума и вибрации.
Математическая модель карданной передачи, отличающаяся от известных тем, что учитывает влияние угла наклона геометрической оси карданного вала относительно оси вращения и позволяет уточнить возмущающие силы в опорных связях двигателя и коробки передач.
Характеристики новых звукоподавляющих панелей.
Установлены взаимосвязи уровней звукового давления в кабине и режима работы машины.
Сформулированы критерии оптимизации шумозащитного комплекса машины и определены меры по снижению уровня шума в кабине.
Достоверность результатов обусловлена использованием классических теорий колебаний, акустики, численных методов исследований и подтверждена сравнительным анализом расчетных и экспериментальных данных, полученных с помощью прецизионной аппаратуры и измерительной оснастки в соответствии со стандартными требованиями и оценкой погрешности, которая составляет ±0,8 дБ.
Практическая значимость. Разработанные математические модели виброакустических процессов и технические решения виброзвукозащиты могут быть использованы при проектировании новых и модернизации существующих дорожных и строительных машин различного назначения. Особую полезность имеют разработанные автором математические модели акустического процесса в системе фронтального колесного погрузчика и воздушной среды на основе метода конечных элементов и оптимизации звукозащиты оператора.
Реализация работы. Результаты теоретических, экспериментальных и численных исследований используются при снижении виброакустических характеристик погрузочно-доставочных и буровых машин в ОАО «Рудгормаш» г. Воронеж, а также в учебном процессе Воронежского государственного архитектурно-строительного университета.
На защиту выносятся:
Математическая модель карданной передачи, учитывающая влияние угла наклона геометрической оси карданного вала относительно оси вращения, вызываемого погрешностью изготовления и монтажа карданной передачи.
Результаты экспериментальных и численных исследований, отражающие новые взаимосвязи виброакустических характеристик с физико-геометрическими параметрами машины и её элементами.
Результаты лабораторных исследований акустических характеристик новых звукопоглощающих конструкций.
Топология машины и окружающей среды для численных исследований звукового поля в кабине на основе метода конечных элементов.
Оптимизация звукозащиты оператора в кабине
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на трех научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ВГАСУ (г. Воронеж, 2001...2003 гг.), 5-й и 6-й международных конференциях "Высокие технологии в экологии" - 2002...2003, (г. Воронеж). Технические разработки демонстрировались на VI Международной специализированной выставке "Безопасность и охрана труда - 2002" (г. Москва), 14-той межрегиональной выставке "Строительство" (г. Воронеж, 2002 г.) и удостоены дипломов.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 8 публикациях, в т.ч. одна из перечня ВАК. Кроме этого получены патент Российской Федерации и свидетельство об отраслевой регистрации разработки отраслевого фонда алгоритмов и программ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка литературы из 148 наименований и 5 приложений. Работа содержит 172 страниц сквозной нумерации, включая 33 рисунка, 17 таблиц и 29 страниц приложений.
Основные конструктивные особенности пневмоколёсных фронтальных погрузчиков
Минимальные значения уровней звукового давления, которые в условиях восьмичасового рабочего дня при продолжительном воздействии могут привести к тугоухости, по данным Союза немецких инженеров, находятся в пределах 90 дБА. Десятилетнее воздействие указанных уровней приводит к тугоухости у 5 % рабочих. При воздействии в течение того же времени уровней шума в 95 дБА количество тугоухих возрастает до 10 %[50, 69].
В промышленных развитых странах в настоящее время существует тенденция к снижению уровней звука в кабине [66, 139] до 76...78 дБ А [3, 24, 41, 43,44,48,49, 79]. Длительное воздействие шума с надкритичной интенсивностью действительно может привести к патологическим изменениям периферийной системы кровообращения.
Не только шум, но и вибрация, которая возникает в результате работы машин, негативно воздействует на здоровье операторов. Воздействие общей вибрации на центральную нервную систему приводит к нарушению равновесия между возбуждением и торможением. Под действием вибрации работники становятся раздражительными, быстро устают, у них появляется сонливость или бессонница, уменьшается трудоспособность, увеличивается время выполнения производственных заданий, возрастает время реакции [65].
Под влиянием общей вибрации увеличиваются энергетические затраты организма. Увеличение энергозатрат зависит от частоты и времени воздействия общей вибрации, а также от положения тела [65].
Продолжительные колебания человека с частотой 3...5 Гц вредно отражаются на вестибулярном аппарате, сердечно-сосудистой системе и вызывают синдром укачивания. Колебания с частотой 5... 11 Гц оказывают влияние на работу головы, желудка, кишечника, в конечном счете, всего, организма. При колебаниях с частотой 11...45 Гц ухудшается зрение, возникает тошнота, рвота, нарушается нормальная деятельность других органов. Колебания с частотой более 45 Гц вызывают повреждения сосудов головного мозга, происходит расстройство циркуляции крови и высшей нервной деятельности [137].
Без сомнения, шум и вибрация являются одними из наиболее неблагоприятных факторов, влияющими на труд операторов дорожных и строительных машин.
В США на 85 % тракторов водители недоиспользовали 35 % мощности двигателя, чтобы не ухудшать условий работы из-за вибрации и шума. По результатам этих исследований 72 % трактористов страдали дефектами позвоночника [65].
Так как шум при работе дорожных машин содержит быстропеременные пульсации звукового давления на различных частотах, а также частоты, на которых шум более всего неблагоприятно воздействует на весь организм в целом (20...200, 1000 Гц и более), и если учесть, что излучаемый шум на данных частотах превышает предельно допустимые нормы на работу операторов, то меры по разработке устройств, снижающих шум и звуковую вибрацию в кабинах машин должны быть приоритетными [6, 66, 81]. 1.2 Основные конструктивные особенности пневмоколёсных фронтальных погрузчиков
В задачи технической акустики, подчиненные общей цели борьбы с шумом, входят исследования процессов излучения и распространения шума, классификация источников по уровню шума, определение характеристик внешнего шума и шума на рабочем месте, отыскание наиболее рациональных методов и средств его уменьшения с учетом конструктивных особенностей и условий эксплуатации.
Фронтальные одноковшовые погрузчики предназначены для выполнения землеройно-транспортных операций с погрузкой предварительно разрыхлённых грунтов, для погрузки сыпучих и мелкокусковых материалов в транспортные средства или в отвал, а со сменными рабочими органами - для погрузки или перемещения штучных грузов, в том числе длинномеров, контейнеров, валунов, на снегоочистке, для выполнения монтажных работ и т.п.
Строительные погрузчики характеризуются универсальностью, высокими скоростями движения, проходимостью и маневренностью, тягово-сцепными качествами, устойчивостью. Эти машины в отличие от автопогрузчиков могут работать на неподготовленных поверхностях с большими уклонами и неровностями, что обеспечивает их широкую область применения [113, 119].
Рабочий цикл колёсных землеройно-транспортных машин включает два характерных режима: тяговый и транспортный. Отличительной чертой тягового режима работы является наличие высоких сопротивлений, возникающих при взаимодействии рабочих органов с грунтом, тяжёлые грунтовые и дорожные условия, изменение величины нормальных реакций грунта на колёса, продолжительность тягового режима работы от общего времени рабочего цикла у скреперов и одноковшовых погрузчиков составляет 10...20 %, у бульдозеров -20...25%, у автогрейдеров-70...80% [113]. Транспортный режим наиболее значительное место занимает в рабочем цикле самоходных скреперов, одноковшовых погрузчиков и землевозов. Являясь составной частью рабочего цикла, транспортный режим оказывает большое влияние на производительность этих машин.
Все погрузчики среднемощностного модельного ряда выполнены с шарнирно-сочлененной рамой, имеют принципиально одинаковые Z-образные схемы механизма выравнивания рабочего оборудования, отличающиеся только силовыми элементами. Погрузчики этого модельного ряда имеют модификации для работы с быстросменными рабочими органами. Общий вид пневмоколёсного фронтального погрузчика ПК - 27-02-00 представлен на рисунке 1.1. Конструктивные особенности погрузчика, влияющие на виброакустические характеристики: - наличие двух рам (основной и рабочего органа), увеличивающих массу и объём металлоконструкций; - высокая концентрация источников виброакустической энергии (двигателя внутреннего сгорания, коробка передач, ведущие мосты) усложняет колебательный процесс рамы и кабины погрузчика; - расположение силового блока в непосредственной близости к кабине обуславливает образование плоских звуковых волн; - отсутствие в подвеске мостов упругих и амортизирующих элементов влияет на амплитуду и время затухания колебательных процессов в раме и соединенных с ней элементов конструкций.
Взаимосвязь динамической реакции с углом наклона и частотой вращения карданного вала
Проблемам снижения вибрации и шума в различных отраслях машиностроения посвящено большое количество работ [24, 65, 66, 72, 88, 97,115, 116], во многом отражающих новое научное направление - виброакустическую динамику машин. Появление данного научного направления обусловлено необходимостью с единых позиций решать задачи по созданию малошумных машин и механизмов с требуемыми вибропрочностью и виброустойчивостью при возникновении быстропеременных внутренних и внешних возбуждающих воздействий. К быстропеременным процессам относятся вибрации и колебания деталей и узлов, пульсации давления газа и жидкости, акустические процессы и др. [24, 82, 115, 116], Важной особенностью быстропеременных процессов является то, что им свойственен волновой характер распространения по средам и конструкциям.
В общем случае снижение шума и вибрации в кабинах осуществляется тремя способами: 1) снижение шумовиброактивности источников акустической энергии; 2) снижение шума и вибрации на пути распространения по структурам конструкции; 3) применение средств виброшумозащиты в кабине. Рассмотрим эти способы в отдельности. Снижение шума в источниках акустической энергии. Снижению виброакустической активности в источниках посвящено наибольшее число работ [24,65, 66, 72, 88, 97,115,116,127], в которых изложено теоретическое обоснование генерации, распространения вибрации и шума, а также предложены методы снижения виброакустической энергии. В основном, рассмотрены виброакустические процессы в динамических системах при гармоническом, полигармоническом возмущениях.
Снижение вибрации и шума в источнике возможно двумя путями: уменьшением возмущающих сил и звукоизлу чающей способности элементов источника [21, 24, 61,65, 85,115,116].
Амплитуда возмущающих сил в механических системах может быть уменьшена за счет: уравновешивания вращающихся или возвратно-поступательно движущихся масс; динамической балансировки вращающихся элементов механизмов и машин; снижения частоты вращения и внешних нагрузок; повышения точности изготовления деталей и соответствующего выбора посадок в сопрягаемых деталях [24, 61,65, 115].
К числу возбуждающих факторов в двигателе относятся также остаточная неуравновешенность кривошипно-шатунного механизма и остаточный дисбаланс маховика двигателя, который даже у новых двигателей достигает значения 16 103г мм . Суммарный дисбаланс двигателя в сборе с муфтой сцепления для теоретически уравновешенных двигателей с трехкривошипным коленчатым валом может составлять 5,86 103 г -мм [10, 11, 52,116].
Звукоизлучающая способность элементов источника может быть снижена за счет: нарушения синфазности колебательных процессов в корпусных, рамных, опорных, панельных и оболочных конструкциях; увеличения демпфирования и уменьшения площади излучающих поверхностей; применения материалов с улучшенными виброакустическими характеристиками и др. [24,61,65, 66, 115], что можно осуществить на стадии проектирования, но практически невозможно на стадии модернизации уже существующей машины.
Снижение шума в кабине. Один из эффективных методов борьбы с шумом - это звукозащита окружающей среды обитания человека вообще, и операторов рабочих машин, в частности. Этому вопросу в нашей стране и за рубежом посвящено большое количество исследований.
Акустическое проектирование кабины погрузчика с заданными шумовыми характеристиками является сложной инженерной задачей, требующей анализа всей совокупности процессов образования и распространения акустической энергии, системного подхода при определении шумозащитного комплекса и его оптимизации.
Погрузчик представляет собой сложную динамическую систему, строгое математическое описание быстропеременных процессов которой из-за многомерности традиционными методами на основе классических теорий колебаний, акустики и статической физики, практически невозможно [49, 57, 66].
Однако сложившиеся методы акустического проектирования кабин погрузчиков, автогрейдеров, тракторов и специальных шасси при обоснованных аппроксимациях и допущениях в большинстве случаев позволяют получить приближённые расчётные модели, обеспечивающие решение задач акустической защиты оператора с приемлемой для практики точностью после испытаний опытных образцов машин и уточнения экспериментальным путём акустических характеристик кабины [44, 66].
На стадии проектирования необходимо иметь возможность влиять на акустические характеристики кабины путём варьирования её формой, площадью остекления, жёсткостью панелей, конструкциями и видами акустических покрытий, облицовок и другими параметрами.
На основании анализа литературных источников определены конструктивные особенности фронтальных погрузчиков с точки зрения генерирования и излучения виброакустической энергии, установлены источники виброакустической энергии и возможные пути снижения уровней шума в кабине. В результате можно сделать следующие выводы:
Методика лабораторных экспериментальных исследований. Оценка погрешностей измерений
Вредное воздействие шума на человека диктует необходимость разработки комплекса мероприятий, как конструкторских, так и технологических, что невозможно без высокого качества измерений уровня звука, воздействующего на оператора дорожной машины. Отличительная особенность измерений различных физических параметров- высокая познавательная ценность, состоящая в том, что устанавливаются однозначные соответствия между измеряемыми параметрами и их числовыми значениями в эксперименте на натурном образце машины в реальных условиях работы. Высокое качество измерений является важной задачей, от успешного решения которой зависят научно-технический прогресс в дорожно-строительном машиностроении и эффективность рекомендуемых расчетных формул, конструкторских и технологических мероприятий по защите операторов машин от вредного влияния виброакустического излучения. [15, 20, 22, 24, 25, 41 ...44, 59,60,70,91,121].
Целью экспериментальных исследований является установление зависимости виброакустических характеристик колесного погрузчика ПК - 27-0200 от различных режимов работы, определение характерных режимов работы на которых шум в кабине водителя-оператора наибольший, а также оценка влияния технологических и конструктивных факторов на структурный и общий шум в кабине.
В соответствии с поставленной целью определены следующие задачи: 1) провести испытания погрузчика и выявить влияние режимов работы погрузчика на уровень звука в кабине; 2) определить вклады источников виброакустической энергии в общее звуковое поле машины; 3) определить уровни звука вокруг кабины погрузчика и установить, какие панели кабины облучаются наибольшим потоком звуковой энергии; 4) определить наиболее важные возмущающие воздействия в агрегатах и механизмах погрузчика в различных диапазонах частот; 5) провести другие лабораторно-полевые исследования для определения комплекса мероприятий, позволяющих снизить виброакустические характеристики в кабине водителя-оператора. 4.2 Оценка влияния режима работы колесного погрузчика на уровень звука в кабине Экспериментальное исследования колесного погрузчика ПК - 270200 проводились на открытой площадке ОАО «Воронежавтодор». Для получения достоверных данных перед началом опытов выполнялось техническое обслуживание погрузчика в соответствии с инструкцией завода изготовителя. Осуществлялся прогрев двигателя, агрегатов и гидравлической системы управления рабочими органами погрузчика до температуры 85...90 С. Испытательная площадка имела горизонтальную поверхность. Опыты проводились при наборе щебня ковшом из штабеля и разгрузке его в транспортное средство. С целью получения более точных результатов измерения параметров вибрации и шума опыты проводились в свободном звуковом поле, то есть до ближайших звукоотражающих поверхностей (здания, сооружения и т.п.) было не менее 50 м. Виброакустические испытания проводились при постоянной температуре окружающего воздуха и постоянном атмосферном давлении, которые при обработке данных приводились к стандартным условиям. Необходимым условием проведения эксперимента является низкая скорость ветра (скорость ветра была менее 2 м/с), так как скорость ветра более 2 м/с влияет на работу микрофонов. Органы управления двигателем при выполнении экспериментальных исследований устанавливались в положение, соответствующее максимальной мощности и номинальной частоте вращения коленчатого вала двигателя. В комплекс измерительной оснастки и регистрирующей аппаратуры входили следующие приборы [130]: 1. Прецизионный шумомер ОктаваЮІА (Россия) в следующей комплектации: - измерительно-индикаторный блок (ИИБ); - предусилитель микрофонный КММ400 с микрофонным капсюлем ВМК-205; 2. Прецизионный виброметр ОктаваЮШ (Россия) в следующей комплектации: - измерительно-индикаторный блок (ИББ); - однокомпонентные и трехкомпонентные преобразователи (ВП) АР2038 со встроенным антивибрационным кабелем длиной 2 м; Измерения и регистрация всех необходимых параметров двумя приборами осуществлялись одновременно. Следует отметить, что оба прибора осуществляли измерения как в 1/3-окавных полосах частот, так и в октавных полосах.
С целью определения влияния режимов работы погрузчика на уровень звука в кабине были проведены экспериментальные исследования, результаты которых приведены в таблице 4.1. Измерения шума осуществлялись в кабине в районе головы водителя-оператора данной технологической машины. Измерения осуществлялись в два этапа: на первом этапе дверь кабины колесного погрузчика была закрыта (опыты №№ 1...9, таблица 4.1), на втором этапе (опыт №10, таблица 4.1) дверь в кабине водителя-оператора - открыта, что отражает работу данной технологической машины в летнее время, так как систем кондиционирования в ней не предусмотрено.
Таким образом, в ходе экспериментальных исследований установлено, что максимальное значение уровня звука имеет место в кабине водителя при опущенном ковше погрузчика на I передаче (опыт №7, LP= 81,9 дБА). Это объясняется работой силового агрегата без нагрузки, когда зазоры в сопрягаемых деталях различных систем машины в целом не выбраны.
По результатам таблицы 4.1 построена спектрограмма, на которой отражено сравнение уровней звукового давления, полученных в ходе эксперимента (№7) с нормативными значениями согласно ГОСТ 12.1.003-83 в октавных полосах частот [41].
Результаты экспериментальных исследований методов снижения шума в кабине погрузчика
Методика численных исследований шума колесного погрузчика на основе метода конечных элементов, учитывающая физико-геометрические параметры элементов конструкции кабины и воздушной среды, позволяет установить снижение уровеня акустического воздействия на водителя-оператора при использовании новых ЗПК, в частности оно составляв 4,3 дБА и 4,5 дБА соответственно при открытой и закрытой дверях кабины 2. В результате численных исследований установлено, что предложенная облицовка кожуха двигателя и установка внутри кабины новых звукопоглощающих конструкций позволяет снизить эквивалентный шум в кабине на ЗдБА. 3. Выявлено, что наибольшая эффективность снижения эквивалентного шума в кабине достигается комплексным применением облицовки кожуха ДВС, облицовкой панелей кабины и и виброизоляцией кабины. При использовании этих мероприятий снижение уровня звука в кабине достигает на 4,5 дБА. 4. При проведении расчетов шума численными методами использовались экспериментальные данные и характеристики внешнего звукового воздействия, что является наиболее точным способом исследования шума в кабине, так как погрешность при этом составляет 0,4...6,27%. 5. На основе численных исследований определен вклад структурной и воздушной составляющих шума в общее звуковое поле кабины колесного погрузчика, в частности, структурный шум составил 77,5 дБА, воздушный шум - 79,4 дБА, но наибольший вклад структурного шума составляет на частотах до 250 Гц 1/3-октавных полос. Разработка мероприятий по снижению шума на уже освоенных производством машинах - задача весьма сложная и дорогостоящая в силу ограничений, накладываемых компоновочными схемами и конструктивными решениями. В этой связи звукозащита оператора колесного погрузчика может быть осуществлена путем применения высокоэффективных звукопоглощающих конструкций, используемых в кабине в виде облицовочных панелей. При таких допущениях задача сводится к оптимизации звукопоглощающих конструкций, которые в виде облицовочных плиток внутри кабины образуют звукозащитные панели, рассчитанные на поглощение шума на характерных частотах. Другими словами, сколько площади в кабине должно отводиться под разные конструкции, эффективно поглощающие шум на каждой частоте, чтобы общий шум в кабине был снижен на максимально возможное значение, а их стоимость не превышала заданного значения [33]. Задачи подобного типа относятся к классу задач оптимального назначения и при числе допустимых решений даже в несколько десятков могут быть решены полным перебором всех возможных вариантов. При числе допустимых решений, измеряемых тысячами и более, необходимо применять математическое моделирование [104,118]. При составлении математической модели задачи необходимо выполнить следующее: 1. Ввести критерий - в данном случае за критерий оптимизации принимаем снижение общего шума в кабине ALP, дБА, достигаемого за счет установки /-го элемента для покрытия определенной площади; 2. Обозначить искомые величины как переменные - для каждой пары сочетания ЗПМ и занимаемой им площади принимаем ху, где у- номер занимаемой площади (столбцы); і - номер ЗПМ (строки); 3. Составить ограничения, т.е. зависимость между переменными. В этой связи на все искомые переменные ху накладываем принципиально важные ограничения: во-первых, все эти переменные в результате решения не могут принимать никаких других значений, кроме 1 и 0; во вторых принимаем, что 1, если z -я конструкция занимаету-ю площадь; (6.1) О-в противном случае. На основании результатов численных исследований на ЭВМ с использованием МКЭ составлена табл. 6.1, где критерием является уровень снижения шума в кабине - ЛЬр, который представлен в верхней части каждой клетки.
