Автоматизация экспериментальных исследований динамики систем виброзащиты человека-оператора тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

^ -О.

Л

^ ' РОССИЙСКАЯ АЩЕИЯ НАУК

ИЕсгатуг мапЕЯоведения ни, А. А. Елагоправова

На рттахах рукошзен ГРАДЩИЙ АНДРЕЙ ВАЛЕРИЕВИЧ

уж 623.517.4 629. ii. 012.814

. автсиатизащи эшгеиашталыщх исследований динамики систем . ышроэадш человека-оператора

Специальность 01 02.05 - Диизюка, прочность кздян,

приборов ц аппаратура

Автореферат дасоертацая па. соискание ученой степени кандадата гегнэтеоюп: паук

Нооюва - 1993

Работа выполнена в Институте ыаишоведения ем. А. А. Елагояравова РАН.

Научный руководитель - доктор технически наук,

профееоор А. В. Синев

Официальные оппоненты - доктор технических наук.

Васильев Ю.Ы.

кандидат технических наук Чепелев Ы.И.

Ведущее предприятие - НПО ВНИЙСТРШОШШ, г. Носква

в_ ч_ыин. на заседании Специализированного Ученого совета

Ж - 003.42.01 при Институте иашттшедедая ли. А. А. Елагонровова по адресу: 101830, Москва, Центр, ул. Грибоедова 4.

С диссертацией иохно ознакоииться в библиотеке Института ыадшнозеденкя ин. А. А. Благонравова по адресу: Иооква, ул. Бардина 4 (тел. 135-55-16).

Автореферат разослан 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета, доктор технических наук, ^р,

Защита диссертации состоится

профессор

М. К. Усков

ОЩАЯ XAPAKTEEiCTffiCA РАБОТЫ

Актуальность теми.

Обеспечение вибробезопасных условий труда операторов транспортшк: средств и самоходных ыяипш является однни из важных аспектов социально-экономического развитая страны. Сравяителынй анализ разлпчннг систем виброзащита человека-оператора показывает, что в области низких частот большинство из них не отвечают требованиям безопасности, предъявляемых к общей вибрация. Одной из причин такого положения является недостаточная степень разработки средств автоматизации для исследований динамика систеи виброзадпта, проводимых в условиях натурных н стендовых нсштанш:, а также иетодакп компьютерного моделирования.

Стендовые испытания для определения динамических характерно тег: относятся к важному зтапу проектирования систем ваброзащиты. Однако, существующие автоматизированные вибростендн посят узкоспециализированный характер, что ограничивает их применение для экспериментального исследования пирокого класса виброзащитанх систем.

В последнее время в прикладных исследованиях широкое распространение получили IBM совместимые персональные компьютеры. Но они еще не надли широкого применения в проектировании систем виброзащиты человека-оператора и исследовании их динамики методами вычислительного эксперимента, значительно сокращающими объем натурных и стендовых испытаний. Поэтому представляется актуальным создание новой методики проведения доводочных испытаний систем виброзадпта человека-оператора, основанной на взаимодействии стендовых испытаний п вычислительного эксперимента. Методика должна базироваться на новых алгоритмах и программных средствах, которые применяются и для авто- -ыатнзированной обработки результатов стендовых испытаний и для моделирования на персональном компьютере динамики исследуемой конструкции, в том числе и процесса проведения стендовых испытаний. Практическое применение такого подхода позволяет конструкторам непосредственно на рабочем меоте производить экопресо-анализ результатов эко^ периментального исследования динамики сиотеи виброзацвты человека-оператора и на его основе принимать решения, ускоряющие процесс проектирования и доводочных испытаний.

Пель работы.

Создание средств автоматизации для теоретического и экспернменталь-ного исследования дшаники систем виброзащитк человека-оператора, применение которых позволяет повысить эффективность процесса их проектирования и доводки.

Поставленная цель достигается решением следующих задач: 1 Проведение сравнительного анализа основных типов систем виброза-цеты чаловека-оператора и методов их испытаний.

2. Создание методики совершенствования динамических характеристик конструкций, основанной на сочетании стендовых и натурных испа-таний с вычислительным экспериментом.

3. Р&зрабо" --а математических моделей системы "оператор-виброзащитное сиденье", а также алгоритмов автоматизированного составления е решения описывающих их дифференциальных уравнений.

4. Разработка математического обеспечения для автоматизации исследований динамики систем виброзащитн на персональной ЭШ.

5. Применение разработанных методов н алгоритмов для создания автоматизированного виброиспытательного комплекса "алектрогадравлн-ческий. виброотенд - IBM совместимая ЭВМ", предназначенного для экспериментального исследования динамики различных конструкций виброзадитннх систем.

Методы исследования.

Для решения поставленных задач использовались методы теоретической и аналитической механики, теории колебаний, имитационного моделирования, многокритериальной оптимизации, цифровой обработки сигналов, структурного программирования. Научная новизна работы.

' 1 Создана методика соверпгонствования динамических характеристик систем виброзащиты, основанная на объединении процесса проведения стендовых испытаний с методами компьютерного моделирования.

2. Разработаны нелинейные математические модели, описывахшще динамику системы "оператор-виброзащитное сиденье" и позволяющие последовать влияние сухого трения р подвеске сиденья на качество виб-роизоляцин.

3. Развит символьно-численный метод предназначенный для автоматизированного составления и решения дифференциальных уравнений динамики систем виброзащиты.

4. Поставлены и решены задача векторной идентификации параметров

системы "оператор-вибро защитное сиденье" и задача многокритериальной оптимизация параметров подвески сиденья. 5. Разработаны и исследована на имитационной модели алгоритмы, предназначенные длл обработка данных, получаемых при компьютерном моделировании динамики систем виброзащиты, и при проведении нх стендовых испытаний. Птактическая значимость.

Разработанное программное обеспечение для исследования ва персональных ЭВМ динамики систек виброзздигн человека-оператора, предназ-нанено для нахождения наилучших конструкторских решений па этапе проектирования и доводки систем виброзащзгсг.

Имитационное моделирование процеса виброиспытанш позволяет выработать требования к структуре технических и программных средств виброиспытательного хсомилекса, а также оценить точность н достоверность результатов, получаемых при проведении на нем испытаний.

На основании проведенных в диссертационной работе исследований бил разработан автоматизированный вибронспытательный комплекс "Электрогидравлический виброотеня ЭГВ 10/100 - IBM совместимая персональная ЭБЫ", на котором выполнены экспериментальные исследования динамики различных виброзащитннх систем для ПО Ы0САВТ03ИЛ, ПО ГАЗ, НЭИС, ЫГТУ, заводов УПО 2 БОГ Сг. Тверь), ОЭЗ Сг. Клшовск), . а также проводится отработка перспективных систем виброзащитк, создававши в ИМАИ РАН.

Рассмотренный в диссертационной работе подход позволяет повысить производительность проведения доводочных испытаний систем вкброза-пдаты за счет применения автоматизированных средств анализа динамики и эффективных алгоритмов обработки измерительной информации, хранения результатов испытаний и оперативной выдачи их пользователю в удобной и наглядной форме. Апробация.

Материалы диссертации докладывались на IV Научно-технической школе "Теория и практика создания человеко-машинных систем" ССуздаль, 1984), Всесоюзной научно-технической конференции "Современное состояние и перспективы развития виброыетрии" СЗапорожье, 1985), X и XII конЗ&ерешшях молодых ученых Института Иашшоведения "Актуальные проблемы машиноведения" (Москва, 1985,1989), Московской конференции молодых ученых и специалистов "Роботы и их применение в народном хозяйстве" СИосква, 1987), VIII Международной конференции "Применение

- б -

ЭВМ в технике и управлений производством" соырсоктно1'8? СМосква, 19373, VI Всесоюзной конференции по управлению в механических системах СЛьвов, 19885, 2-й Ыездувароднол рабочем совещании по критериям для оценки влияния общей вибрации на человека (Москва, 19883, 48-й Научно-методической и научно-исследовательской конференции НАДИ (Москва, 19903, Производственно-технической семинаре "Аппаратура для вибрационного спектрального анализа и математической обработки сигналов" СИосква, 1990), 22-ы Иеядународнок симпозиуме по промншленшги роботам СДетроит, 1991], 2-й Международной конференции по технологии автоматизации (Тайней, 19923. Публикации.

По теме диссертация опубликовано II работ. Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 232 страницы текста (включая 47 рисунков и 28 таблиц на 66 страницах, список литературы из 157 наименований на 16 страницах, приложение на 6 страшная),

СОДЕШБИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность теш диссертационной работы, связанной о исследованием динамики системы "человек-нажина-среда" при ■ вибрационных воздействиях. Решении данной проблемы посвящены работа возглавляемой академиком К. В. Фроловым научной школы, одним из направлений которой является виброзапдата человека-оператора. В рамках этой проблемы сформулированы цель и задачи диссертационной работы п перечислены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дан обзор конструкций систем виброзащиты человека-оператора, применяемых на транспортных средствах и самоходных машинах. Проведен сравнительный анализ методов и результатов их экспериментальных исследований. Предложена методика улучшения динаыичео-ких характеристик сват ей виброзагчты, основанная на сочетании проведения натурных я стендовых испытаний с вычислительным экспериментом.

Обзор научно-технической литература показал, что в настоящее время наиболее распространенным средством защиты человека-оператора от общей вибрации являются впброзащитные сиденья. Имеется весьма бшгь-

шое количество конструкций сидений о пассивными или активными системами подрессоривания. Однако, большинство применяемых па транспортных средствах и самоходных машинах сидений хотя л существуют более эффективные конструкция подвесок, имеют пассивную подвеску типа "пружина- демпфер" и параллелограммам направляющий механизм или же механизм типа "ногнизщ". Поэтому, в дальнейшем : менно подвеска с па-раллелограммным механизмом рассматривается при построении и анализе динамики математических моделей "оператор-виброзащитное сиденье".

Приведенные в работе дайте по результатам экспериментального исследования различных типов впброзацптшгх сидений показывает, что болыдшство из них не обеспечивает требуемого стандартами гашения колебаний. Одной из причин этого .является недостаточное внимание разработчиков систем виброзащиты человека-оператора к автоматизации процесса проведения стендовых испытаний. Такие испытания.дают вагшум информацию о динамике исследуемой конструкции и помогают конструктору принимать объективные решения ка стадии проектирования и доводки. В связи с атвм в диссертации сформулированы требования к автоматизированному комплексу, состоящего из вибростенда и персональной ЭВМ. Он позволяет оперативно проводить серии испытаний, формировать баш: данных результатов испытаний и осуществлять их сопоставление в удобной и наглядной форме.

Другая причина состоит в недостаточной уровне автоматизации методов доводки, с помощью которых на стадии вычислительного эксперимента можно проводятся исследования динамики совершенствуемой системы впброзащиты, и по их результатам в конструкцию вносятся изменения. Поэтому, в работе предложена методика совершенствования динамических характеристик систем виброзащити чачовека-оператора, основанная на многокритериальном подходе к задаче идентификации параметров математической модели конструкции по результатам стендовых испытаний о • последующим проведением ее многокритериальной оптимизации и внесением соответствующих изменений в опытный образец. Для решения ©тих задач предлагается использовать разработанный в Институте машиноведения профессором Р. Б. Статниковым метод исследования пространства параметров. Остальные главы диссертации следует рассматривать в качестве составных частей предложенной методики совершенствования динамических характеристик систем виброзащиты человека-оператора. Во второй главе дани нелинейные математические модели системы "оператор-виброзащитное сиденье", рассмотрен символьно-численный

метод автоматизированного составления и решения систем дифференциальных уравнений. Поставлены и реаены задача идентификации параметров системы "оператор-виброзащитное сиденье" и задача многокритериальной оптимизации, подвески сиденья. Приведены результаты исследования символьно-таслевнык методом, влияния сухого трения на динамику виброзащитного сиденья.

На основе анализа результатов стендовых испытаний различных типов внброзадитных сидений, нагруженных имитатором тела человека в виде жесткой, кассы установлено, что уровни ускорений на посадочном месте имеют два максимума. Первый, в диапазоне 1-3 Гц вызван динами-ческиии свойствами подвески сиденья. Второй, в диапазоне 4-7 Гц зависит от велг шы сухого трения в подвеске и характеризует взаимодействие нагрузки с посадочным местом сиденья. Проведение испытаний сидений с человеком показывает, что в диапазоне 5-7 Гц тело человека гасит колебания вследствие резонанса внутренних органов. Исследованию динамических свойств тела человека при вибрационном воздействии и разработке его математических моделей посвящены работа К. В. Фролова, Г-Н. Еановко, Б.А. Потемкина, В.А. Трегубова, Гирке, Коэриана. В ней показано, что в низкочастотной области для случая вынужденных колебании тело человека можно рассматривать как систему кестких касс, которая совершает колебания в вертикальном и горизонтально-продольном направлениях на элементах типа "лрузгина-демпфер". С учетом вышеизложенного, структурные схема систем "жесткая ыасса-виброзащитное сиденье" и "тело человека-виброзащиткое сиденье" даны на рис. I и рис. 2.

Подвеска сиденья ыоделируется параллелоГраниным механизмом в виде рычагов 1, упругим элементом с, и демпфиром ^ . Сухое трение обозначено через ^ . Рычаги \, наклоненные под углом «0 и подвеока 04,

,!г) 5, расположенная под углом и0 крепятся к каркасу сиденья Посадочное место, состоящее из подушки и спинки сиденья, моделируется безинерщюнныии элементами Сгп2»ь2и <-п>в'Ьи'са:'> причем "г" тв = о. При стендовых испытаниях сиденье нагружают имитаторами тела человека, простейшим из которых является кесткал масса (рис. I). Динамическая модель тела человека, учитывающая резонанс внутренних органов, С рис. 2} состоит из двух масс г*а> упругих элементов сз'сб'ст* к Демпферов ь4»ья,ьв,ь,» присоединенных к подушке и спинке сиденья.

Символьно-численный метод основан на объединении различных прог-

Рас. I.

Система "жесткая масса -виброзап^ктное сиденье"

Рео. 2. Система "тело человека -виброз&цитное сиденье"

раын численных расчетов и символьных алгебраических преобразований в едином вычислительном процессе, не требушдеи вмешательства оператора в ход вычислений. Он использует систему аналитических вычислении Reduce и позволяет в автоматическом реяиме составлять дифференциала ше уравнения, описывающие динамику рассмотренных выше систем, получать их аналитическое решение в линейном с^-оэ случае, приводить уравнения к форме Коли вида:

= 1 piic,vbi>cn»ov»o'-*j ♦ VW®«»"».'«^" * CD

которые в ь лнейнок cft* оэ случае решаются численно, с последушдей оценкой алгоритмами цифровой обработки сигналов Сглава 3) параметров колебаний, моделируемых рядом (2)

а -<*. t -ос. i n -i».i

уСЮ = ) В°е * cos С2иГ О ■*■ В% 1 sin С2л*\0 + У С е ' С2Э

t «i 1 Ь 1 * i Kl 1

Стоит отметить, что определение числовых значений слояеых аналитических выражений ., й , к., предварительно выводимых системой Reduce в явном виде, предусмотрело перед численным решением уравнений (13, что весьма значительно сокращает время расчетов на ЭШ. Применительно к IBM-совместимым персональным компьютерам на языках Reduce, Assembler H Turbo Pascal 6. О разработано соответствующее программное обеспечение. В диссертации приводятся полученные с помощью программного обеспечения дифференциальные уравнения систем "оператор-виброзащитное сиденье".

Предусмотрено исследование динамики систем "тело человека-вибро-заидтное сиденье" и "жесткая масса-виброзадитное сиденье" для случая гармонического входного воздействия и воздействия, имитирующего наезд транспортного средства на единичную дорожную неровность, что дает возможность в автоматизированном режиме анализировать как вынужденные, так и свободные колебания сиденья.

Для проверки адекватности рассмотренных математических моделей систем "оператор-Еиброзащитиое сиденье" реальным объектам и для определения числовых значений параметров огшсызаащпх ш дифференциальных уравнений была поставлена и решена методом исследования пространства параметров задача векторной идентификации. На рис. 3 для

Рис. 3. Коэффициенты передачи сиденья, нагруженного жесткой кассой.

Кривая I - результат стендовых испытаний. Кривая 2»- результат векторной идентификации.

Рас. 4. Коэффициента передачи сиденья, нагруженного талон человека.

Кривая I - результат стендовых испытаний. Кривая 2 - результат векторной идептнфшсацпя.

входного уровня ускорения 0.2§ показана зависимости коэффициентов передачи от частота для сиденья, нагруженного жесткой массой. Кривая I соответствует результатам стендовых испытаний, а кривая 2 -результатам векторной идентификации. Аналогичные зависимости для коэффициентов передачи сиденья, нагруженного таком человека, на рис. 4.

Решение задачи идентификации показало, что предложенные математические модели достаточно достоверно воспроизводят динамику виброзащитного сиденья. Это позволило переити к задаче многокритериальной оптимизации которая состояла в подборе таких числовых значений кпне-матических параметров «0,у0,ь1 ,с1,р1 подвески сиденья, при которых уровни средг квадратическпх ускорений на посадочном месте соответствовали бы допустимым значениям ускорений в 1/3 октавных полосах частот, регламентируемых ГОСТ 12.1. 012. 90 "Вибрационная безопасность. Общие требования". Данная задача также бала решена с помощью метода исследования пространства параметров. Сравнительный анализ результатов идентификации и последунщей оптимизации показал, что угол наклона рычагов «0 должен находиться в диапазоне от 15" до 18", вязкое демпфирование в амортизаторе целесообразно сметь в пределах 1200-1700 п-с/и, угол наклона подвески у0 долкен составлять 50^55", а жесткость прузшны подвеска следует снизить до 4000-8400 п/и. Сухое тре-нне должно быть уменьшено ко 42-53 Н. Зто дает, по сравнении с прототипом, снижение уровней ускорения па посадочном месте в 2.5-3 раза.

В заключительной части главы приведены результаты компьютерного моделирования с целью доследования влияния сухого трения на уровни ускорений на посадочном месте для случая гармонического воздействия а воздействия, имитирующего каезд транспортного. средства на единичную дорожную неровность. Ба рис. 5 даны коэффициенты передачи системы "кесткал масса-виброзадитное сиденье" для входного уровня ускорения 0. 2(у. Велзяква. сухого трення приникала значения 0,50,197,1200 Б С кривые 1,2,3,41 Из ряс. 5 следует, что с возрастанием сухого трения нз-за блокировки ей подвески, основной резонанс смещается в область 5 Гц. Этот резоЕано соответствует частоте колебаний нагрузки на посадочном месте, что подтверждается исследованием характера свободных колебаний для тех ке числовых значений параметров Срис. 61 В третьей главе изложены алгоритмы идентификации реакций механических объектов, в том числе систем виброзащиты человека- оператора, на

а С~.'с*>

Рис.5. Зависимость коэффициентов передачи сиденья от величины сухого трения в подвеске.

Где. 3, Реакции виброзапдатного сиденья .'за ступенчатое воздействие.

гармоническое и ступенчатое воздействия при проведении стендовая ко-пнташш (глава 5). Эти хе алгоритмы используются л для анализа решении нелинейных дифференциальных уравнений при моделировании динамики виброзащитного сиденья символьеочисленным методом Сглава 2). Предполагается, что в общем случае реакция объекта на входное воздействие представляет собой сумму комплексных экспоненциальных функций вида:

5 №1

ь ехрсу дсго + ч , п - 0.1,. .. (3)

где: р - число полюсов Спорядок модели),

. ГЛ—

от _ частоты колебаний, ья - амплитуды колебаний,

<уп> - дискретная выборка реакции исследуемой системы на

входное возбуждение. <чп> - шум измерений.

Определение ь^. и по зксдершентальныы данным <уп>р составляет задачу идентификации. Однеы кз наиболее известных методов ее релензя является метод навменшнх квадратов Прони. Согласно этому методу, когда число элементов последовательности <уп> превосходит число р членов ряда СЗ), то справедливо соотношение (4),

=ег- г-о. м-р, причем « - I (4)

ти-- о т=о

где: = 1 , &о, ,.... 4 _ неизвестные коэффициенты линейного предсказания, а ве гана °г характеризует ошибку аппроксимации линейного предсказания. Вектор оценок коэффициентов лилейного предсказания а. » с $о, .....зт определяется из системы линейных уравнений

у-а = -х С5)

по методу наименших квадратов:

(в)

а в - с* x

где: " "у*-. • ч

У- У • У, ; х = V.

V! "м-а •

Затея вычисляются корни <гт> полинома С?)

9Сг> - | а^г"1 ' С7)

те- о

коэффициентами которого являются найденные оценки а. Коэффициенты демпфирования «т и круговые частоты «т определяются из соотношения

ехрСи ДО С8Э

Лалее, с учетом (3) составляется система линейных уравнений

к-ь = * С9)

решение которой относительно оценок неизвестного вектора амплитуд вт = 1 ь4 • ь2 ..... ьр) получается аналогично С 6):

в = с . СТО}

где: к = 1 •ахрСу^ &0 1 ехрСу^&О . . 1 . ехрСу АО Р ; * = ■ уСОЭ уСДО

ехрС МАО ехрС V ЫД О. . 2 . вхрСи КДО Р усыло

Следует отметить, что метод наименьших квадратов (5) связан с вычислительными трудностями, вызванными необходимостью определения обратных матриц и наличием иуиа измерения <чп> в исходных данных, который, так следует из С 4!), приводит к появлению коррелированного шума <«.> в анализируемом процессе. Известны модификации процедуры вычисления коэффициентов линейного предсказания С6), основанные на идеях ортогонализациз и преобразовании Хаусхолдера. Денисом предложен рекурсивный метод метод наименьших квадратов, который не требует вычисления обратных матриц а позволяет держать в оперативной памяти компьютера только определенную часть данных. Одним из путей учета пука <ег> является предложенный проф. В. Б. Лариным способ составления системы конечноразностннх уравнений; (5), состоящий в том, что в нее входят только уравнения для отсчетов соответствующих шагу дно-

креткзации т = к -¿t, где к - i, intUH-p+i)/р!. С учетом даипой процедура выбора шага дискретизации -с в диссертационной работе предложен алгоритм, именуемый в дальнейшем "Алгоритм I", который состоит из следующих шагов:

1. Выбор текущего значения кратности нага диокретизадкп ">="

2. Составление переопределенной системы уравнений ~ к ее решение методом наименьших квадратов в соответствие о (62.

3. Вычисление корней <zkl> полинома С7) имеющего коэффициента

4. Составление переопределенной системы уравнений С9) и ее реиеиие методом наименьших квадратов согласно CIOj.

5. Вычисление критерия RT, предлог.екЕого Денисом и Хэимондои, характеризующего качество экспоненциальной аппроксимации-.

и ».*

йт - i - ) ' ') у' СИЗ

/л Г. ,, Г.

ПсО П=С

р

где е = у - У ь г" является погрегшоотыа экспоненциально::

Г» n < m

аппроксимации.

Тогда паилучшие оценки векторов ик к ь( соответствуют значении критерия ЕТ наиболее близкого к единице-

Подробно рассмотрена задача определения оценок коэффициентов линейного предсказания а. Предлагается на втором и четверге:: ¡загс рассмотренного выше алгоритма вместо СБ) попользовать процедуру реггур-рентного оценивания, основашгуи Еа линейном фильтре Калмана. В это:: случае вектор а можно рассматривать как вектор состояипя динамической системи

а , " а , С12)

nk+l ni

который требуется оценить ко измерениям ynke Нг~кА * *%,*-»

ГЛе: = *С>\,>е-« ' .....J-

Таким зее образом вычисляется и вектор оценок амплитуд в. Этот вариант алгоритма в дальнейшем называется "Алгоритм 2".

Для повышения точности определения параметров сигнала (3) при налички шумов измерений предложен двухэташшй алгоритм вычисления оценок коэффициентов линейного предсказания (Алгоритм 3). На первом этапе, в соответствии с Алгоритмом 2, определяются оценки коэффициентов линейного предсказания использующиеся в качестве начального приближения на втором этапе, где с помощью линеаризированного

фильтра ¡Салмана решается задача совместного оценивания вектора состояния хя =■ 1х0<„, ■х1< .....)Т и неизвестного вектора а.

Далее в работе анализируются различные способы определения порядка модели р. Отмечается, что наиболее простым способом задания порядка модели является предложенный Беллманом прием, основанный на анализе определителей матриц ¡Сазорати составленных из отсчетов данных <у„>- Целесообразно воспользоваться избыточной параметризацией, то есть задавать порядок модели несколько выше, чтобы учесть влияние пуна в исходных данных.

В последнем разделе главы приводится алгоритм вычисления коэффициентов передачи внброзащитного сиденья о учетом динамических характеристик тела человека. Алгоритм основан I методе биодинамической коррекции СБ. А. Потемкин) и позволяет по результатам стендовых испытаний виброзащитного сиденья, последовательно нагружаемого имитаторами тела человека с известными входными вмпедансами и информации о входных иипедансах тела человека, вычислять коэффициенты передачи вяброзащитного сиденья нагруженного телом человека. Таким образом исключается непосредственное участие испытуемого из процесса прове- ■ дения стендовых испытаний виброзащитных сидений. В четвертой главе рассматривается применение метода имитационного моделирования для сценки точностных свойств алгоритмов обработки измерительной информации и для воспроизведения на персональном компьютере процесса стендовых испытаний систем виброзащиты человека-оператора.

В диссертационной работе под понятием "имитационное моделирование", имеющим весьма широкое толкование, подразумевается процесс зоспроизведения на ЭЕИ динамики системы "вибростенд-виброзащитное сиденье-измерительный тракт-алгоритмы обработки измерительной информации", с учетом сохранения структуры системы. Рассматриваются основные принципы построения и анализа имитационных моделей. Предлагается структура имитационной модели виброиспытательного комплекса, предназначенного для экспериментального исследования динамических характеристик систем виброзащиты человека-оператора, в которую входят модели вибросгенда, системы виброзащиты человека-оператора (глава 2), измерительного тракта, а также алгоритмы обработки измерительной информации Сглава 3), блок вычисления оценок-погрешностей, интерфейс пользователя, база данных.

Фактически, структура программного обеспечения имитационной моде-

ли соответствует структуре программного обеспечения автоматизированного виброисштательного комплекса, рассмотренного в главе 5. Разница состоит лишь в программных модулям, предназначенных для управления вибростендои и сбора экспериментальной информации с измерительного тракта. В имитационной модели они заменены подпрограммами- имитаторами, входа и выхода которых совпадают с входами а выходами соответствующих подпрограмм, виброисгштагельного комплекса.

Исследования на имитационной модели показали, что шум квантования, вызванный прохождением аналоговых сигналов через II-разрядки^ АЦП, использующийся в системе сбора данных автоматизированного внб-роисштательного комплекса Сглава 5) приводит лишь к незначительному ухудшению точности оценивания параметров сигналов, поступающих с выхода модели системы впброзащктн. Для алгоритмов I и 2 погрешность определения амплитуд и коэффициентов демпфирования составила 0. б -1.5%, а для частот 0.09-0. 4%. Избыточная параметризация позволила снизить эти величины до 0.02-0.67% и 0.01-0. ИХ соответственно. Для алгоритма 3 погрешности составили 10"8- Ю~2%, а избыточная параметризация не привела к увеличению точности.

Были исследовали зависимости погрешностей определения параметров сигнала (3) от уровня добавляемой к полезному сигналу аддитивной помехи виде белого шума, моделирующей шум линии передачи данных. Результаты моделирования показали, что наиболее чувствительным к шуму является алгоритм I. Для всех трех алгоритмов избыточная параметризация, за счет появления моделирующих помехи составлямадх, позволяет повысить точность оценивания. Установлено, что при наличии помех измерительного тракта наиболее точные результаты дает применение алгоритма 3.

Пятая глава посвящена описанию автоматизированного виброисштательного комплекса, предназначенного для исследования динамики виброзащитных систем. Даны методики и результаты проведенных на нем серий стендовых испытаний внброзащитннх сменим, подвесок самоходных машин, а также транспортного модуля робота вертикального перемещения.

.Разработанные алгоритмы и программное обеспечение для автоматизированного анализа динамики систем виброзащигы легли в оонову программного обеспечения автоматизированного виброисштательного комплекса, предназначенного для проведения стендовых испытаний различных виброзащитных оиотен. Виброиопытательный комнлеко ориентирован на следующие виды испытаний С рис. ?):

ИНТЕРФЕЙС '

ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ

ОПРЕДОЕНИЕ АФЧХ

СБОР ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

1ГТТ

СБОР ЭКСПЕ-РИМЕНШЛЬ-НИХ ДАННЫХ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТАТИЧЕС1ШХ ХАРАКТЕРИСТИК

БАЗА

Д А Н Н Н X

шчио-

ЛЕНИЕ СПЕКТРОВ

1п

ы о ы о

6

г

ВДЕНТИФШ-ШЯ ПАРА-МКТРОВ ПЕРЕХОДАХ ПРОЦЕССОВ

Испытания при гар1-моническом возбужг ^-дения--

Испытания при случайном возбум-----1 -----

Испытания на удар

ЗАНЕСЕНИЕ В ЕАЗУ ДАННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИИ ИЗ АРХМЗА

Статические испытания

БАНК

Рис. 7. Структура программного обеспечения автоматизированного виброиспытательного комплекса.

- го -

1. Автоматизированное определение коэффициентов передачи и разности фаз.

2. Воспроизведение на вибростенде колебаний пола кабины транспортного средства с последующим вычислением среднеквадратичных значений ускорений в 1/3 октавннх полосах частот на входе и выходе системы виброзащиты к сравнением их с кормами ГОСТ 12. L 012-90 и ISO 2651.

3. Идентификация параметров реакции виброзащитной системы, на входное

воздействие, имитирующее наезд транспортного средства Еа единичную дорожную неровность.

4. Автоматизированное определение статических характеристик.

В состав технических средств входит электрогидравлический вибростенд ЭГВ 10/100 и IBM-совместимый персональный компьютер. Измерительная система состоит из акселерометров, датчика перемещения, динамометра, сглахивазяднх фильтров к системы сбора данных, имеющей в своем составе АЦП, ЦДЛ и цифровые входы/выходе.

Основным языком программирования являлся язык Turbo Pascal б. 0, некоторые программы реализованы на Ассемблере и Фортране. В диссертации дается описание основных программных блоков, входящих в структуру программного обеспечения, предназначенного для упра&лешш вибростендом н ходом экспериментов, сбора и обработки измерительной информации, хранения дашщх и выдачи их пользователи в табличном к графическом виде. Разработанное программное обеспечение для автоматизации процесса исследования на вибростендах динамических свойств конструкций позволяет проводить испытания достаточно ггарокого класса объектов, о чем свидетельствуют рассмотренное в диссертации результаты проведенных серий стендовых испытаний виброзащитшх систем.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Основные результаты заключаются в следующем:

1. Предложена методика проведения доводочных испытаний систем виброзащиты человека-оператора, основанная на сочетании стендовых кспыта-таний с вычислительным экспериментом, состоящим в идентификации параметров опытного образца конструкции и решении задачи многокритериальной оптимизации.

2. Разработаны нелинейные математические модели, которые описывают

динамику снстем "жесткая насса-виброзацнтное сидонье" и "тело чело-века-виброзащитное сиденье". Виброзадитное сиденье характеризуется наличием сухого трения в подвеске типа "пружина-демпфер".

3. Развит и реализован на IBM совместимой персональной ЭВМ символьно -численный метод составления л решения дифференциальных уравнений дкяаникп системы "оператор-вяброзащитное сиденье", основанный на объединении в едином вычислительном процессе системы аналитических вычислений Reduce и программ численных методов.

4. Разработаны алгоритмы оценивания параметров реакции исследуемых объектов на гармоническое и ступенчатое воздействие, основанные на методе Прони и использующие процедуры калмановской фильтрации. На основе метода биодинамической коррекции р работай алгоритм идентификации параметров реакции систем "оператор-виброзалдатное сиденье" на гармоническое воздействие.

5. Предложена структура имитационной модели виброисштательного комплекса и разработано на языке Turbo Pascal б. О программное обеспечение для IBM совместимых персональных ЭВМ, предназначенное для оценки точностных свойств алгоритмов обработки измерительной информации.

6. Разработан автоматизированный виброиспытательнын комплекс

"Ейектрогидравлический ваброотенд - IBM- совместимая ЭВМ", предназначенный для исследования динамики механических конструкций, вюшчая виброзащитные сиденья и подвески транспортных средств.

7. Результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований были использованы на автомобильном заводе ЗИЛ, в Электротехническом институте связи СКЭИС, г.Новосибирск), НШ СМ МГТУ им Н.Э. Баумана для совершенствования конструкций виброзащктных сидений и подвесок транспортных средств, а также при составлении методических рекомендаций для проекта ГОСТа "Автотранспортные средства, показатели плавности хода и методы их определения".

На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы:

1. Нелинейные математические модели систем "яесткал масса-виброзадит-ное сиденье" и "тело человека-виброзащитное сиденье" адекватность которых подтверждена результатами стендовых испытаний, позволяют дать разработчику рекомендации по оптимальным, с точки зрения гашения колебаний, значениям параметров виброзащитный сидений, 'ииещих сухое трение в подвеске "пружина-демпфер".

2. Символьно- численный метод автоматизированного составления и реше-

ния диф$еренцналышх уравнений делает возможным получение в явном виде аналитических соотношений, характеризующих реакцию объекта на входное воздействие и кокет быть использован для анализа широкого класса конструкций, динамика которых описывается уравнениями Лаграпжа 2-го рода.

3. Поставленная и решенная задача векторной идентификации числовых значений параметров математической модели "оператор- виброзащитное сиденье" по результатам стендовых испытаний позволяет обосновать адекватность математической модели реальному образцу и выполнить многокритериальную оптимизацию подвески сиденья ^методом исследования пространства параметров.

4. Установленная зависимость качества виброизоляции сиденья от величины сухого трения в подвеске показывает, что сухое трение приводят к увеличению уровней ускорений на сиденье в диапазоне 5-10 Гц, а малые величины сухого трения (40-6СЮ сшгаавт амплитуду колебании па частотах 1-3 Гц, не ухудшая виброизоляции на более высоких частотах, что согласуется о результатами стендовых испытаний различных типов виброзацитных сидений.

Б. При наличии помех измерительного тракта, в процессе проведения стендовых испытаний, наиболшузз точность дает алгоритм обработки, использукщий процедуру нелинейной калмановской фильтрации, причем помехи, обусловленные шумом квантования могут быть снижены за счет применения избыточной параметризации в I.5 - 2 раза.

6. Проведенные исследования и серии доводочных испытаний различных типов виброзащитных сидений, включал сиденья с тросовыми подвесками, систем подрессоривания транспортных средств (резинокордные оболочки, гидропневнатические и гидромеханические активные подвески), а такке транспортного модуля робота вертикального перемещения, позволили улучшить влияющие на качество виброзащиты динамичеогаш характеристики исследуемых конструкций.

7. Совместная эксплуатация автоматизированного виброиспытательного комплекса, программного обеспечения для моделирования динамики сио-тем виброзащиты и решения задач идентификации и многокритериальной оптимизации обеспечивает комплексное решение задач аванпроектирова-ния и доводки систем виброзащиты человека-оператора за счет повышения производительности экспериментальных исследований и сокращения времени на анализ результатов.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Бобров Б.®., Градецкий А. В., Соловьев B.C. Автоматизированная обработка переходных процессов при исследовании систем виброзащиты человека-оператора. - II., 1985, Деп. ВИНИТИ 13.12.85. № 8634-В85.

2. Градецкий А. В. Имитационная модель для исследования алгоритмов обработки экспериментальных данных о переходных процессах в про-' :тпленннх роботах. - В ici. : Роботы п их применение в народном хозяйстве: Тез. докл. Московской городской конференции молодых ученых и специалистов, Иоскза, 1987, с. 5-6.

3. А. о. 1395868 СССР, F 16 F 9/04. Способ пневматического демпфирования и устройство для его осуществления. / Градецкий А. В., Сафронов Ю. Г., Синев А. Е , Соловьев В. С., Кочетов 0. С. // Опубл. 15.05. S3 в Б. И. № 18.

4. Балакшин 0. В., Бобров Б. Ф., Градецкий А. В. и др. ЭВМ в автоматизированных системах вибрационных и ударных испытаний.

В кн. : Применение 5Ш в технике и управлении производством, ч. 1/2: Тез. докл. vin Международной конференции compcoîitrol'87, Москва, 1987, с. 304-307.

5. Апостолнк А. С., Бобров Б. Ф., Бордюг Б. А., Градецкий А. В. и др. Оптимизация метода Прош при идентификации линейных динамических систем. Препринт 87.66. - Киев: йн-т математики АН УССР, 1987, 64с. 6- Gradetsky А. V., Potionkin В. A. and others. APPLICATION OF BIOMBCHANICAL MODELS TO EVALUATE VIBRA TIO'.I TRANSMITTED TO OPERATORS. / 2nd Wordshop oil Criteria for the Evaluation of Effects of Whole-Body Vibration on ton. November 14-18, 1938, Moscow, Russia, p.20.

7. Градецкий А. В., Потемкин Б. А. Метод экспериментального определения вибрационных характеристик <" отем "человек-налшна", учитывающий динамику тела человека-оператора. В кн. : Актуальные проблемы машиноведения: Тез. докл. XII Юбилейной конференции молодых ученых Института машиноведения, Москва, 1989, с. 62.

8. Потемкин Б. А., Нивотченко В. Д., Градецкий А. В, Синев А. В. Способ вибрационных испытаний. Положительное решение по заявке от 18.12.90г. № 4907745/28/120907 МЕИ G OIH 17/00.

9. Градецкий А. В., Градецкий Н. В. Моделирование динамики механичео-ких систем символьно-численным методой на персональной ЭВМ. - Кзв. РЖ, Техническая кибернетика, 1992, № 6, с. 118-Г27. •

10. V.G Gradetsky and B.V. Akselrod, A.V. Gradetsky, S.N. Dwivedi. MOTION OF CLIM3ING ROBOT WITH MANIPULATOR UNDER VIBRATIONS.

- SA -

22nd. International Symposium on Industrial Robots. Internat i oral Robots & Vision A ut onat ion Conference. October 21-24, 1951 Detroit, Michigan, USA, pp.6-41 - 6-55-

IL Andrew Gradetsky, Kickolas Gradetsky, Valéry Gradetsky MAH-HACHIHE IKTERFACE FOR EXPERIMENTAL INVESTIGATIOK AND COMPUTER SIMULATIOH of MECHAHICAL SYSTEMS.

Proceedings. The Second. International Conference on Automation Technology. J\ily 4-6, 19S2, Taipei International Convention Center Taipei, Taiwan, R.O.C. Vol une fotir. Management/Strategy. Product ion System, Man-Machine Interaction, Material Handling and Application, pp. 169-174."

HMAEi ÎAH.SaK.Ji 73.Tupas ICC 3K3.Hoot.b ne^att I7.0S.S3.