Подходы к снижению вибронагруженности электрокаров

В настоящее время для перевозки грузов, как внутри производственных помещений, так и на открытых площадках различных промышленных предприятий, логистических центров, портов, железнодорожных вокзалов и пр., широко применяются электротележки и электрокары различных габаритов, конструкций и грузоподъемности. Наличие электродвигателя обеспечивает экологичность перевозок, что особенно важно в условиях взрыво-, химически- и пожароопасных производств, а также способствует снижению стоимости обслуживания техники.

Однако одной из проблем эксплуатации электрокаров остается наличие вибрационной нагрузки, негативно влияющей как на оператора техники, так и на износ ее ответственных узлов. В этой связи актуальными являются исследования, направленные на снижение вибронагруженности электрокаров, что предопределило цель статьи, заключающуюся в систематизации подходов к снижению вибронагруженности. Для достижения цели решались задачи определения возможных негативных направлений вибрационных воздействий, способов их диагностики и устранения, а также обобщения вариантов снижения вибронагруженности на примере электрокаров.

В общем виде «вибрация» как процесс передачи механической энергии и вид механических колебаний имеет разнообразные источники возникновения, характер спектра частоты, направления передачи и действия. Так, оператор электрокара на подушке сидения может испытывать: вибрацию по трем (x, y, z) направлениям поступательного и трем – углового характера; по трем направлениям поступательной вибрации на спинке и опоре для ног; локальную вибрацию через руки [1].

Для оценки уровня вибрации и прогнозирования ее негативного воздействия используют формулы (1-3):

• V = 2xnxf ха,(1)

• a = V/w(2)

_ (4^ 2 / 2 a)/

=/981'

где V – скорость, м/с; f – частота, Гц; a – амплитуда, м; w – ускорение м/с2.

Известно, что от вибрационных воздействий в первую очередь страдают вестибулярные, зрительные, тактильные анализаторы и нервная система оператора электрокара, а также позвоночные отделы, внутренние органы и пр., с возможным развитием вибрационной болезни при систематическом воздействии [2].

Регистрация источников вибрации производится с помощью датчиков колебаний (акселерометров, пьезоэлектрических датчиков) с оценкой временного сигнала и спектра вибрации. Способы снижения вибронагруженности выбираются на основе математических моделей колебания техники, которые в простейшем виде опираются на уравнение связи амплитуды виброскорости (V m ) и возмущающей силы (F m ) (4):

Fm (4) ^(^^if где m – масса системы, кг; q – коэффициент жесткости, Н/м; ω – угловая частота, рад/с.

Согласно уравнению, для снижения вибронагруженности следует снизить F m . Использование такого подхода предполагает устранение или снижение вибрации в источнике, что реализуется на стадии конструирования электрокаров с перспективой нивелирования динамических процессов от ударов и/или резких ускорений/торможений. Также ослабление вибронагруженности электрокаров возможно при замене динамических процессов статическими или путем особой балансировки вращающихся частей.

Другим подходом к снижению вибронагруженности является вибродемпфирование, преобразующее механические вибрации в тепловые, что достигается посредством использования в электрокарах демпфирующих гасителей колебаний, а также таких материалов конструктивных элементов, которые обеспечивают высокое внутреннее трение, или упруговязких покрытий, перераспределяющих вибронагрузку.

Конструктивно, в отличие от большинства электротележек, электрокары имеют подвески, что повышает комфортабельность хода и ресурс при эксплуатации за счет амортизаторов подвески, нивелирующих удары от перепадов, действующих на кузов техники, что обеспечивает снижение вибронагруженности и уровня износа [3].

Также, одним из источников вибраций и шума электрокаров является тормозная система, в связи с наличием в ней большого числа трущихся элементов металлического тормозного диска, колебания которого передают трение на тормозные накладки. Для решения проблем шума и вибрации разработана демпфирующая конструкция, располагаемая между двумя частями тормозного диска и покрытая специальным абсорбирующим колебания покрытием, что снижает вибрационную нагрузку на данную систему [4]. С другой стороны, следует учитывать, что дополнительные конструктивные элементы приводят к естественному повышению веса узлов техники и требуют повторных расчетов и перепроектирования конструкции.

Отдельным направлением снижения вибронагруженности электрокаров является использование специальных конструкций шин, с использованием полимерных, в частности полиуретановых материалов. Например, российская разработка безвоздушной шины имеет в составе зигзагообразные демпфирующие спицы из эластичного полимера и внутреннее кольцо из полимера высокой твердости, что способствует снижению вибронагруженности, повышению прочности и надежности при качении [5].

Кроме того, интерес представляет использование активной демпфирующей подвески и контроля амортизаторов, в том числе, с цифровым управлением, для компенсации вибраций при неровностях и изменении угла наклона покрытия [6]. Известны разработки специализированных микросхем и цифрового контроля подшипников для управления различными вращающимися узлами и механизмами, в том числе приводами двигателей. Системы включают датчики вибрации для контроля состояния подшипников и других движущихся частей [7].

Для повышения вибрационной безопасности рабочего места оператора существует ряд подходов к виброизоляции сидения/кабины электрокара. При этом применяются различные прокладочные и виброизолирующие конструкции - пружинные, пружинно-резиновые, резинометаллические, резиновые в сочетании с другими изолирующими полимерными материалами, что позволяет либо отразить, либо поглотить и рассеять механическую энергию в объеме изоляции [8].

Ряд производителей учитывает необходимость не только пассивной, но и активной защиты. Так, активные виброзащитные системы основаны на принципах отслеживания движения источника вибрации и оператора и компенсации фазы движения последнего относительно вибрирующего основания, для обеспечения неподвижности оператора даже при движении источника вибрационных нагрузок [9].

В связи с тем, что ряд разработчиков электрокаров предъявляет требования к особенностям материалов покрытий, их ровности, ограничениям по преодолеваемому уклону, то дополнительным подходом к снижению вибронагруженности электрокаров является проектирование и возведение напольного/дорожного покрытия производственных территорий с использованием принципов динамического виброгашения, либо с применением вибропоглощающих материалов в составе покрытия [1].

Для максимальной безопасности оператора перспективным представляется разработка электронного, либо дистанционного управления электрокарами (с полным исключением необходимости в водителе), с применением современных цифровых технологий и средств автоматизации [4], что, однако, не решает проблемы вибронагруженности и, как следствие, износа техники.

Таким образом, снижение вибронагруженности электрокаров необходимо как для защиты оператора, так и для обеспечения надежности и работоспособности всех узлов конструкции и расширения срока службы единицы техники. Направления снижения вибронагруженности следует определять по результатам диагностики параметров вибрации с применением специального оборудования и расчетных моделей. Подходы к снижению вибронагруженности необходимо выбирать по результатам диагностики и установления источников и уровней вибрационных нагрузок, предполагаемых для устранения/снижения.

Систематизированы основные подходы к снижению вибронагруженности, такие как, устранение/снижение вибрационных колебаний на стадии проектирования за счет замены динамических процессов на статические, а также посредством балансировки движущихся частей; вибродемпфирование за счет демпфирующих гасителей, материалов с повышенным трением, упруговязких покрытий и пр. для преобразования механических колебаний в тепловые. В качестве примеров приведены перспективные     направления     совершенствования     элементов электродвигателей, тормозной системы, демпфирующих подвесок и амортизаторов, шинных конструкций, напольных/дорожных покрытий, способствующих снижению вибронагруженности электрокаров.