ВИБРОИЗОЛЯЦИЯ ДВИГАТЕЛЯ, КАБИНЫ ТРАКТОРА. ПОДРЕССОРИВАНИЕ СИДЕНЬЯ

ВИБРОИЗОЛЯЦИЯ УЗЛОВ И ДЕТАЛЕЙ

Во время работы трактора, при наличии неуравновешенных динамических сил, в его элементах возникают периодические, незатухающие вынужденные колебания. Колебания с частотой, превышающей 20 Гц, называют вибрациями.

При определенных режимах могут возникнуть опасные вибрации с резким возрастанием амплитуд и динамических напряжений, приводящие к снижению сроков службы деталей, ослаблению соединений, увеличению шума в кабине трактора, повреждению приборов, вызывающие заболевания водителя и т. д. Поэтому возникает необходимость в разработке мероприятий по устранению опасных колебаний на всем рабочем диапазоне. Такую задачу можно решить различными способами.

Неуравновешенные силы инерции и их моменты первого порядка уменьшают введением балансировки деталей и применением уравновешивающих грузов. Для уменьшения вредного влияния неуравновешенных сил инерцни второго порядка в тракторных двигателях применяют уравновешивающие механизмы. Практика показывает, что вибрации деталей и узлов при этом существенно уменьшаются. По данным ХТЗ применение на двигателе СМД-14 (без виброизоляции) механизма уравновешивания сил инерции второго порядка приводит к снижению. Однако несмотря на принципиальную уравновешенность двигателя с уравновешивающим механизмом, из-за неточностей изготовления, недостаточной жесткости деталей механизма в спектре вибраций остаются гармоники с частотным составом сил инерции второго порядка. В результате, несмотря на ряд мер по уменьшению сил инерции первого и второго порядков, вибрации трактора остаются достаточно большими.

Вибрация может иметь место и в теоретически уравновешенных конструкциях из-за искажения формы основных деталей (коленчатого вала, картера) под действием рабочих нагрузок. Поэтому для тракторов применяют балансировку всего двигателя в сборе, которая снижает уровень вибрации на 30—40%.

Эффективным методом снижения вибрации является изменение соотношения между частотой собственных колебаний системы и частотой возмущающих сил, т. е. такая перестройка системы, при которой исключаются опасные резонансные колебания.

Этот метод снижения вибраций получил название виброизоляции тракторного двигателя. Введение виброизоляции существенно уменьшает вибрации деталей и узлов трактора по сравнению с жесткой установкой двигателя на раму.

Уменьшение вибраций деталей снижает число отказов при эксплуатации и уменьшает износы элементов двигателя и трактора. Со снижением вибраций двигателя СМД-14А в 2—3 раза за 3500 ч работы число отказов на один трактор по воздухоочистителю уменьшилось с 1,13 до 0,22, по водяному радиатору с 1,15 до 0,22, по пусковому двигателю с 0,33 до нуля и т. д. Уменьшились износы отдельных деталей и узлов топливной аппаратуры. Осевой люфт кулачкового вала топливного насоса уменьшился с 0,47 до 0,24 мм, вала регулятора с 0,8 до 0,4 мм, износ оси ролика толкателя с 0,167 до 0,055 мм и т. д.

Различают два вида виброизоляции: активную и пассивную. При активной виброизоляции необходимо уменьшить динамическую силу, передаваемую на опорную конструкцию. Целесообразно применять активную виброизоляцию, например, при защите деталей трактора от действия неуравновешенных сил инерции двигателя. Пассивная виброизоляция предполагает уменьшение амплитуды колебаний объекта, установленного на вибрирующем теле. Применительно к тракторам пассивная виброизоляция требуется, например, для приборов электрооборудования кабины трактора.

Амортизаторы кабины трактора Т-150, осуществляющие ее пассивную виброизоляцию, имеют более простую форму в связи с легкими условиями работы, обеспечивают необходимое снижение уровня вибраций, шума в кабине и длительную работоспособность.

Неуравновешенные силы инерции двигателя не вызывают значительных смещений его относительно рамы трактора. Эти силы являются источниками больших виброскоростей и виброускорений: вибрационные скорости являются характеристикой звукового давления, возникающего при вибрациях, а виброускорения — динамической нагруженности деталей и узлов машины.

По экспериментальным данным НАТИ относительные смещения для некоторых двигателей равны 126—150 дБ, виброскорости — 94—130 дБ, виброускорения — 86—109 дБ.

Уровень вибраций зависит от нагрузки и частоты вращения двигателя. По данным НАТИ для трактора Т-150, например, изменение среднего эффективного давления от 0 до 7,6 кгс/см2 практически не сказывается на вибрации корпусных и навесных деталей двигателя (3—7 дБ). На вибрации рамы трактора увеличение давления оказывает большее влияние. В некоторых точках наблюдаются повышения общих уровней вибраций в вертикальном направлении на 6—12 дБ при таком же изменении среднего эффективного давления.

Увеличение частоты вращения двигателя приводит к повышению общего уровня вибрации почти всех корпусных деталей и навесных агрегатов двигателя. Как правило, зависимости общих уровней вибраций от частоты вращения имеют прямолинейный характер. Увеличение частоты вращения на каждые 100 об/мин в диапазоне от минимальной частоты холостого хода до максимальной приводит к повышению общих уровней вибрации в среднем на 1 дБ (по ускорению 0,5 1,5 дБ, по скорости 0,1 —1,3 дБ, по перемещению — 0,1—1,0 дБ). Зависимость общих уровней вибрации рамы трактора от частоты вращения также имеет прямолинейный характер. Увеличение частоты вращения на каждые 100 об/мин вызывает повышение общих уровней вибраций в среднем на 0,6 дБ (по ускорению на 0,1—1,0 дБ, по скорости на 0,1—0,9 дБ, по перемещению на 0,1—0,7 дБ).

При исследовании вибрации двигателя широко используются не только запись изменения вибрации по амплитудным значениям, но и спектральные характеристики, т. е. распределение амплитуд вибраций в зависимости от их частотного состава. Спектральные характеристики позволяют установить источники вибраций и наметить пути их снижения.

При установке двигателя на упругие опоры необходимо проанализировать влияние на его перемещения, скорости и ускорение колеблющегося остова. Частота колебаний остова трактора обычно ниже частоты изменения сил инерции двигателя и не превышает 5—6 Гц. При этом она может быть достаточно низкой 1—2 Гц. Частоты собственных колебаний подвески двигателя должны быть выше не менее, чем в 2—3 раза максимальной частоты воздействия со стороны остова трактора. В противном случае возможны резонансные режимы, при которых возникают существенные колебания двигателя относительно рамы трактора, что недопустимо.

Экспериментальные исследования, проведенные Е. А. Григорьевым в полевых условиях, показали, что максимальные амплитуды колебаний двигателя относительно остова трактора имеют место при движении трактора по стерне поперек борозд и достигают 0,75 мм, что значительно выше вибросмещения от неуравновешенных сил инерции двигателя. Скорости и ускорения остова двигателя при движении мало отличаются от значений, полученных в стационарных условиях.

Таким образом, принципиальный подход к выбору упругих характеристик подвески состоит в том, чтобы выбрать частоты собственных колебаний двигателя на подвеске внутри диапазона частот воздействий со стороны остова трактора при движении по неровностям (нижняя граница) и со стороны двигателя от его неуравновешенных сил и моментов (верхняя граница). При этом указанный диапазон частот должен быть достаточно большим, чтобы виброизоляция была эффективной.

При выборе амортизаторов тракторного двигателя следует стремиться обеспечить несвязанность форм собственных колебаний двигателя на подвеске. Связанность собственных колебаний приводит к тому, что низшая частота уменьшается, а высшая увеличивается по сравнению с частотами несвязанных колебаний. Таким образом, диапазон возможных резонансных режимов в связанных системах оказывается шире, чем в несвязанных. При этом трудно выбрать частоты подвески двигателя такими, чтобы их величина была достаточно высока по сравнению с частотой воздействия со стороны рамы трактора и достаточно низка по сравнению с частотой воздействия со стороны неуравновешенных сил и моментов двигателя. В общем случае двигатель на подвеске представляет собой систему с шестью степенями свободы и, следовательно, имеет шесть частот собственных колебаний. Если обеспечить несвязанность колебаний всех шести форм не удается, то следует так выбирать места расположения и величину амортизаторов, чтобы обеспечить несвязанность колебаний в направлении действия основных возмущающих факторов. В других направлениях связанность колебаний должна быть минимальной, т. е. увеличение интервала между частотами собственных колебаний должно быть минимальным.

ВИБРОИЗОЛЯЦИЯ КАБИНЫ

Примером пассивной виброизоляции является получившая в последнее время на тракторах установка кабины на упругие виброизоляторы. Необходимость упругой установки кабины трактора вызвана наличием сильной вибрации пола и стенок кабины, приводящей к их поломкам и ухудшению условий работы.

При выборе параметров виброизоляции кабины необходимо в первую очередь оценить частотный состав колебаний со стороны рамы трактора.

Рама трактора имеет сложный спектр колебаний, состоящий из колебаний из-за неуравновешенности сил инерции двигателя, колебаний, возникающих от карданной передачи, от пересопряжения зубьев в трансмиссии, от пересопряжения ведущей звездочки с гусеничной цепью и колебаний рамы при движении трактора по неровностям.

В соответствии с общими положениями теории виброизоляции необходимо так выбрать частоты собственных колебаний кабины, что бы они были не менее чем в 2 раза ниже наименьшей частоты воздействия. Расчеты показывают, что наименьшей частотой из рассмотренного выше спектра является частота колебаний рамы от неровностей почвы. Она находится в пределах 2—4 Гц. Осуществить виброизоляцию при частоте собственных колебаний кабины ниже 2 Гц технически сложно. Поэтому необходимо выбрать такую частоту собственных колебаний, при которой не было бы усиления колебаний на частотах 2—4 Гц, а виброизоляцию осуществить по отношению к следующей в ряду частот воздействий по величине частоты — частоте пересопряжения цевочного зацепления гусеницы с ведущей звездочкой.

Конструирование и расчет сельскохозяйственных тракторов
В.Я.Анилович, Ю.Т.Водолажченко, И.Ш.Чернявский