Автореферат: Улучшение условий и безопасности труда операторов мобильных колесных машин в сельскохозяйственном производстве за счет автоматических устройств

Рисунок 1 - График зависимости риска травмирования R от количества операций, связанных с максимальным риском m₂ (при n=20, m₁=15)

Риск травмирования оператора также зависит от его квалификации. Чем выше квалификация оператора, тем меньше вероятность совершения им ошибочных действий, являющихся причиной создания аварийных ситуаций.

С учетом вышесказанного показатель риска, зависящий от квалификации, можно определить следующим образом:

R_к=к•R, (6)

где к - коэффициент квалификации оператора (к₁ = 0,5…0,6; к₂ = 0,7…0,8; к₃ = 0,9…1).

Указанный коэффициент также учитывает возраст операторов.

Влияние процесса буксования МКСМ на утомляемость операторов можно рассмотреть по объективным характеристикам их функционального состояния (безотказность, восстанавливаемость, профессиональная долговечность).

На основании проведенных экспериментальных исследований составим линейные уравнения регрессии для разных уровней возраста операторов при одинаковом изменении показателя условий труда (буксование):

У₁=2,2д - для возраста 50 лет и более; (7)

У₂=2,0д - для возраста от 20 до 30 лет; (8)

У₃=1,5д - для возраста от 30 до 50 лет, (9)

где д - показатель буксования, %; У - показатель утомления, отн.ед.

Тогда график изменения показателя утомления У от процесса буксования (с учетом возрастных групп) примет вид, представленный на рисунке 2.

Рисунок 2 - Изменение показателя утомления оператора колесной машины от процесса буксования для разных возрастных групп: 1 - 50 лет и более; 2 - от 20 до 30 лет; 3 - от 30 до 50 лет

С целью снижения влияния негативных факторов, усложняющих работу операторов МКСМ, обоснованы и разработаны автоматические устройства, повышающие тягово-сцепные свойства колесных машин и их проходимость (блокировка шестеренчатого дифференциала (решение о выдаче патента на полезную модель. Заявка № 2008112419/22 (013431)), устройство для разбрасывания сыпучих материалов (патент на изобретение № 2332308)); улучшающие тормозные качества МКСМ с гидравлическим и пневматическим приводом тормозов (АБС) и микроклимат рабочего места оператора (устройство для подогрева пола кабины транспортного средства).

На поверхностях с малой несущей способностью и скользких дорогах предлагается использовать автоматический самоблокирующийся дифференциал Обоснование этого устройства было проведено по трем основным моментам работы дифференциала: при отрыве ведущего колеса от дороги, при буксовании на льду и интенсивном повороте.

При буксовании максимальная величина углового ускорения е_б, как и при отрыве ведущего колеса от дороги е_о, ограниченная подведенным крутящим моментом двигателя, находится по формулам:

е_б = Mi_m/J_np(1-)-0.5G_сцr_kmin/ J_np, (8)

е_о = Mi_mm/J_np(1-), (9)

где М -- крутящий момент двигателя; i_m - общее передаточное число трансмиссии от двигателя до раздельно раскручивающегося колеса; - коэффициент внутреннего трения в дифференциале; G_сц - сцепная нагрузка на ведущее колесо;

r_к - радиус качения колеса; ц_min- коэффициент сцепления буксующего колеса; з_m- КПД трансмиссии; J_пр - приведенный к ведущему колесу суммарный момент инерции вращающихся частей двигателя, трансмиссии и ведущего колеса. Последний определяется равенством:

J_пр= (J_д+л)з_mi_m+J_k, (10)

где J_д - момент инерции двигателя; л -- коэффициент неустановившегося режима работы; J_k - момент инерции ведущего колеса.

Таблица 1 - Значения угловых ускорений ведущего колеса е автомобиля ЗИЛ - 433360 при его отрыве от дороги и при буксовании на льду

Зона рекомендуемых значений чувствительности блокирующего механизма к заклиниванию по угловым ускорениям ведущего колеса е_зак должна определяться условием: е_зак е_о + це_п (для автомобиля ЗИЛ-433360 она составляет 10...25с^-2), где е_п - максимальное угловое ускорение ведущего колеса, вызываемое поворотом автомобиля. Вышеизложенное позволяет свидетельствовать о принципиальной возможности осуществления блокировки дифференциалов путем ограничения углового ускорения буксующего колеса.

Анализ работы самоблокирующихся дифференциалов и теоретические расчеты показали, что полную реализацию тягового усилия по условию сцепления ведущих колес с дорогой способны обеспечить только дифференциалы с полной блокировкой (рисунок 3). Отсюда следует, что в трансмиссию МКСМ необходимо вводить автоматические блокираторы.

Рисунок 3 - Тяговое усилие для различных типов дифференциалов: К_б = 9 - коэффициент блокировки червячного дифференциала; К_б = 5 - коэффициент блокировки кулачкового дифференциала; К_б = 1,07 - коэффициент блокировки дифференциала с фрикционными элементами; К_б = 0 - коэффициент блокировки простого шестеренчатого дифференциала;

К_б = - коэффициент блокировки автоматического самоблокирующегося дифференциала

На скользких несущих поверхностях с низким коэффициентом сцепления так же предлагается использовать автоматическое устройство для разбрасывания сыпучих материалов (рисунок 4).

Наиболее важные параметры этого устройства находим из уравнения (11), определяющего скорость полета частицы сыпучего материала (V_o):

Pисунок 4 - Схема полета частицы сыпучего материала

Vо = , (11)

где H - расстояние от желоба до несущей поверхности, м; S - расстояние полета частицы сыпучего материала до несущей поверхности, м; g - ускорение свободного падения, м/с².

Анализ ДТП свидетельствует, что подавляющее большинство водителей выполняют торможение, особенно в экстренных случаях, с усилием, приводящим к полному блокированию колес и их неконтролируемому движению «юзом». Для улучшения тормозных качеств колесных машин с гидравлическим и пневматическим приводом тормозов в диссертационной работе предлагаются автоматические антиблокировочные системы (АБС).

Для того чтобы колесо разблокировалось (или несколько колес) нужно на блокированном колесе уменьшить силу прижатия тормозных колодок к тормозному барабану F_бл на такую величину ДF, чтобы колодки снизили свое давление на тормозной барабан. В этом случае тормозная сила на этом колесе станет меньше возможной по условию сцепления шины с поверхностью дороги. Тогда:

F_р=F_бл-ДF, (12)

где F_р- величина силы прижатия колодок к тормозному барабану разблокированного колеса.

Для мобильных колесных машин с пневматическим приводом тормозов давление в тормозной камере определяем равенством:

P = , (13)

где - объем ресиверов; - объем тормозной магистрали автомобиля;

- давление воздуха в ресивере.

Параметры микроклимата в кабинах существующих МКСМ не отвечают нормативным требованиям по температуре в условиях холодного периода года на 8…13%. Для улучшения условий труда операторов МКСМ в холодное время года предлагается использовать автоматическое устройство для подогрева пола кабины.

Теоретически процесс работы предлагаемого устройства для подогрева пола кабины может быть описан с помощью основ термодинамики, в частности, уравнения переноса теплоты:

, (14)

где - плотность распределения источников (стоков) тепловой энергии;

- коэффициент теплопроводности; - оператор градиента или дивергенции; - плотность газовоздушной смеси; С_р - удельная изобарная теплоемкость;

- время движения газовоздушной смеси; Т - температура смеси.

Эффективность работы предлагаемого устройства также зависит от величины сопротивлений, возникающих при движении газовоздушной смеси по воздухопроводам. Если конструкция приемника выполнена в виде круглого конфузора (рисунок 5), то потери на трение по длине его прямолинейной части h_тр можно оценить по формуле:

h_тр = , (15)

где v - средняя скорость потока газовоздушной смеси в произвольном сечении; l - длина прямолинейной части конфузора.

Рисунок 5 - Расчетная схема конфузора

Потери напора в местных сопротивлениях, если они расположены вблизи друг от друга, можно определить следующим образом:

, (16)

где d - диаметр трубы; r - радиус закругления; - угол закругления.

С учетом параметров, входящих в уравнения (15) и (16), можно определить оптимальный режим работы предлагаемого автоматического устройства для подогрева пола кабины транспортного средства.

В третьей главе «Разработка автоматических устройств, улучшающих условия и безопасность труда операторов колесных машин в транспортно-технологическом процессе сельскохозяйственного производства» представлены принципиальные схемы: блокировки шестеренчатого дифференциала; устройства для разбрасывания сыпучих материалов; антиблокировочной системы (АБС) для мобильных колесных машин с пневматическим и гидравлическим приводами тормозов; устройства для подогрева пола кабины транспортного средства.

Автоматическая блокировка шестеренчатого дифференциала

Блокировка шестеренчатого дифференциала осуществляется за счет касательных сил инерции в блокирующем механизме при е 10...25 с^-2 (буксование, отрыв колеса от дороги). Механизм блокировки не влияет на основные свойства шестеренчатого дифференциала и не ухудшает его работу при различных режимах движения колесной машины. Использование роликового механизма в блокираторе снижает ударные нагрузки, возникающие при блокировании дифференциала.

Рисунок 6 - Принципиальная схема механизма автоматической блокировки дифференциала: 1 - полуоси; 2 -упорные конические шарикоподшипники; 3 - корпус дифференциала; 4 - нажимные диски; 5 - блокирующие диски; 6 - шлицы полуосей; 7 - винтовая силовая пружина; 8 - ролики; 9 - сепаратор; 10 - сателлиты; 11 - шестерни полуосей; 12 - пружина консольного типа

Автоматическое устройство для разбрасывания сыпучих материалов

Предлагаемое автоматическое устройство выполнено для каждого ведущего колеса. При буксовании одного из ведущих колес, как только разность в соотношении угловых ускорений превысит е ? 10-25 с^-2, сравнитель угловых ускорений через усилитель подает питание на соленоид, расположенный на раме со стороны буксующего колеса. Устройство начинает работать, при этом сыпучий материал автоматически подается в зону контакта беговой дорожки шины с несущей поверхностью.

Рисунок 7 - Принципиальная схема автоматического устройства для разбрасывания сыпучих материалов. Вид (А) со стороны правого борта и (Б) - сверху: 1 - бункер для сыпучего материала; 2 - консоль поворотная с ременной передачей; 3 - пружина растяжения консоли; 4 - соленоид (электромагнит); 5 - индуктивные датчики; 6 - сравнитель угловых ускорений с усилителем (условно не показаны)

Автоматические антиблокировочные системы

Улучшить тормозные качества колесных машин с гидравлическим и пневматическим приводом тормозов в диссертационной работе предлагается за счет уменьшения значения силы прижатия тормозных колодок к тормозному барабану путем снижения давления тормозной жидкости в рабочем тормозном цилиндре за счет ее прохождения в расширительную камеру через отверстие в сердечнике соленоида (для машин с гидравлическим приводом тормозов), и за счет частичного выпуска сжатого воздуха в атмосферу через дросселированное отверстие (для машин с пневматическим приводом тормозов).

Рисунок 8 - Принципиальная схема устройства и работы АБС с гидравлическим приводом тормозов на различных режимах торможения: 1 - тормозной барабан; 2 - тормозная колодка; 3 - стяжная пружина; 4 - резиновый противопыльный колпачок; 5 - рабочий тормозной цилиндр колеса; 6 - щит; 7 - трубопроводы;8 - корпус электроклапана;9 - катушка электроклапана; 10 - пружина электроклапана; 11-сердечник соленоида; 12 - резиновая манжета поршня; 13 - поршень;14 - пружина;15 - корпус цилиндра; 16 - обратный шариковый клапан; 17-пружина обратного клапана; 18 - отверстие в сердечнике соленоида

Рисунок 9 - Принципиальная схема устройства и работы АБС для МКМ с пневматическим приводом тормозов на различных режимах торможения: 1 - электромагнит; 2 - корпус электромагнитного клапана; 3 - сердечник электромагнитного клапана; 4 - уплотнительные кольца штока; 5 - воздухопровод; 6 - дросселированное отверстие штока; 7-пружина штока

Автоматическое устройство для подогрева пола кабины