Trong nghiên cứu này, một thí nghiệm đo gia tốc dao động theo các phương của ghế ngồi người điều khiển máy xây dựng được thiết lập trên bệ thử để đánh giá hiệu quả hệ thống tr[r]
Trang 1ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ HỆ THỐNG TREO GHẾ NGỒI NGƯỜI ĐIỀU KHIỂN CỦA MÁY XÂY DỰNG BẰNG MỘT PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM
Lê Văn Quỳnh *
Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - ĐH Thái Nguyên
TÓM TẮT
Thiết kế hợp lý hệ thống treo và đệm ghế ngồi người điều khiển không chỉ giảm dao động truyền lên thân người mà còn nâng cao hiệu quả làm việc điều khiển Để đánh giá hiệu quả của ghế ngồi người điều khiển máy xây dựng, một thí nghiệm đo dao động ghế ngồi người điều khiển được thiết lập trên bệ thử dao động để đo gia tốc dao động dưới điều kiện tần số kích thích dao động thấp Gia tốc trên miền tần số và hệ số SEAT được chọn để đánh giá hiệu quả hệ thống treo và đệm ghế ngồi người điều khiển Kết quảphân tích cho thấy rằng hiệu quả của hệ thống treo và đệm tương đối tốt theo phương trước sau và giá trịhệ số SEAT theo phương đứng hệ thống treo ghế nhỏ hơn 1
ở hầu hết các tần số thấp và đặc biệtgiảm 62,8% ở tần số kích thích 8Hz
Từ khóa: Máy xây dựng, ghế ngồi người điều khiển, hệ thống treo, thí nghiệm, hệ số SEAT, hiệu quả.
ĐẶT VẤN ĐỀ*
Ngày nay, để nâng cao hiệu quả hệ thống treo
ghế ngồi người điều khiển cũng như ghế ngồi
hành khách, áp dụng một bộ điều khiển tích
cực nhằm giảm biên độ dao động theo
phương đứng ghế ngồi ô tô được trình bày bởi
Jian–Da Wu và Rong-Jun Chen, 2004[1] và
ba giải thuật điều khiển được áp dụng điều
khiển thông số thiết kế hệ thống treo ghế
ngồi Kết quả của nghiên cứu đã so sánh hiệu
quả giảm dao động phương đứng của ghế
ngồi Điều khiển tích cực hệ thống treo ghế
ngồi dựa vào phản hồi đầu ra động lực học
với giới hạn đặc tính tần số được giới thiệu
bởi Weichao Sun và cộng sự, 2011[2], và
điều khiển bán tích cực ghế ngồi sử dụng bộ
điều khiển SMC (Robust sliding mode
controller) được nghiên cứu bởi Seung-Bok
Choi và Young-Min Han, 2007[3] Cáckết
quả nghiên cứu cũng chỉ ra phương pháp điều
khiển do họ đề xuất có hiệu quả giảm dao
động tốt so với phương pháp khác Tối ưu
thông số thiết kế hệ thống treo bị động bằng
thuật toán di truyền GA được giới thiệu bởi
Ö.Gündoğdu, 2007[4], kết quả tương đối tốt
hơn thu được từ hệ thống tối ưu về đỉnh cộng
hưởng, giá trị CF (Crest factor) và VDV
(Vibration dose value)
*
Email: lequynhdl@yahoo.com
Phân tích đánh giá hiệu quả hệ thống treo và đệm ghế ngồi điều khiển cũng như ghế ngồi hành khách sử dụng kết hợp giữa phương pháp thí nghiệm và phương pháp mô phỏng sốđã được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm nghiên cứu như Younggun Cho và Yong-San Yoon, 2001[5], Neil J Mansfield, Michael J Griffin, 2000[6], G.J Steina và các công sự[7] Từ kết quả đó các nhà nghiên cưu tiến hành tối ưu hoàn thiện kế cấu của ghế.Thí nghiệm phân tích hiệu quả hệ thống treo ghế ngồi thông qua các hàm truyền dao động theo phương đứng, trước-sau của ghế được giới thiệu bởiY Qiu, M.J Griffin, 2004[8], Suzanne D Smith và các công tác viên (2008)[9],và các kết quả chỉ ra vùng tần số
cộng hưởng phản ứng (2÷4) Hz và xu hướng giảm ở tần số kích phản ứng lớn hơn 6Hz
Một đánh giá hiệu quả hệ thống treo ghế ngồi người điều khiển của máy xây dựng được trình bày nghiên cứu này Để đạt được mục tiêu, một loại ghế ngồi người điều khiển được chọn để đánh giá và thiết lập trên bệ thử rung động JY-5 Bộ thiết bị phân tích phổ M+P với các cảm biến ICP ba phương được sử dụng để
đo gia tốc dao động vàdữ liệu đo gia tốc dao động được phân tích theo mật độ phổ dao động và tỷ lệ truyền gia tốc để đánh giá hiệu quả của hệ thống treo và đệm ghế ngồi điều khiển dưới tác dụng tần số kích thích dao
động khác nhau
Trang 2BỐ TRÍ VÀ LẮP ĐẶT THIẾT BỊ ĐODAO
ĐỘNG CỦA GHẾ NGỒI
Hiện nay, để đánh giá phân tích hiệu quả ghế
ngồi người điều khiển, một trong hai phương
pháp như đo dao động toàn xe khi xe hoạt
động[11], đo dao động riêng ghế ngồi người
điều khiển trên bệ thử [8], [9] Bệ thử rung động
JY-5, bộ thiết bị phân tích dao động M+P thể
hiện hình 1, 3 cảm biến đo gia tốc ICP ba
phương X, Y, Z được đặt trùng với phương dọc,
phương ngang và phương đứng của ghế ngồi
được bố trí và lắp đặt như hình 2
Hình 1 Bệ thử, thiết bị phân tích M+P và màn
hình hiển thị
Địa điểm và điều kiện thí nghiệm
Thí nghiệm được tiến hành tại phòng thí
nghiệm trọng điểm về dao động và tiếng ồn,
Viện kỹ thuật Cơ khí, Đại học Đông Nam,
TP Nam kinh, Trung Quốc
Ghế thí nghiệm được trang bị cho các loại
máy xây dựng hãng XCMG, Trung Quốc
Nhiệt độ trong phòng: 25oC và nhiệt độ ngoài
phòng: 18oC
Bộ tạo kích thích dao động cho bệ sử dụng
kích thích dao động điều hòa được định nghĩa
như sau:
o
FF ft (1)
o
zz ft (2)
trong đó: F 0, z 0- biên độ lực và chuyển vị kích
thích dao động cho bệ thử; f- tần số kích thích
dao động cho bệ thử, -pha ban đầu của lực
và chuyển vị kích thích dao động cho bệ thử
Khối lượng của bản thân ghế m s =41 kg, khối lượng người điều khiển m d =65kg
Hình 2 Vị trí lắp đặt cảm biến và bố trí ghế đo
trên bệ thử
Hình 3 Bộ điều khiển kích thích dao động
CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ
Để đánh hiệu quả hệ thống treo và đệm ghế ngồi của người điều khiển cũng như ghế ngồi hành khách của phương tiện giao thông, trong nghiên cứu thường chọn một trong các chỉ tiêu sau:
Hệ số SEAT[7] theo phương truyền dao động
được xác định công thức (3)
w w
s b
a SEAT
a
(3)
trong đó, a ws , a wb– lần lượt gia tốc bình phương trung bình ở vị trí trên hệ thống treo ghế ngồi và ở vị trí trên mặt sàn, các giá trí này đều được xác định theo tiêu chuẩn ISO 2631-1 (1997)[10] và được xác định theo công thức (4)
1 2 2 0
1 ( )
T W
T
(4)
Trang 3trong đó: a w là gia tốc bình phương trung
bình; alà gia tốc đotheo thời gian(m/s 2) và T
là thời gian khảo sát(s)
Khả năng truyền dao động [8], [9] được định
nghĩa công thức (5)
( )
( )
xx f
S
H f
S
(5)
trong đó, S xx (f) và S yy (f)-mật độ phổ công suất
đầu vào và đầu ra của kết quả đo
Ngoài ra mật độ công suất phổ PSD của gia
tốc đo sàn ghế và trên mặt ghế, dùng hàm
truyền dao động TFE (Transfer function
estimate) từ mặt sàn lên mặt ghế ngồi để đánh
giá hiệu quả hệ thống treo và đệm ghế ngồi
Trong nghiên cứu này, cả hai dữ liệu đo là tín
hiệu gia tốc dao động trên miền thời gian và
tần số được chọn để phân tích đánh giá hiệu
quả của hệ thống treo ghế ngồi và đệm ghế
ngồi người điều khiển, phân tích đánh giá dữ
liệu đo sẽ được thảo luận ở phần tiếp theo
KẾT QUẢ ĐO VÀ THẢO LUẬN
Các dữ diệu đo gia tốc dao động theo các
phương của hệ thống treo và đệm ghế ngồi
người điều khiển được phân tích trên cả miền
tần số và thời gian thông qua hệ số SEAT
trong nghiên cứu này
Phân tích kết quả đo gia tốc dao động trên
miền tần số
Khi bệ thử được một lực kích kích dao động
điều hòa F=850 sin (4t) (N), trọng lượng
người điều khiển m d =65 kg và đo trong
t=240s, gia tốc dao động trên miền tần số ở
vị trí trên hệ thống treo và trên đệm ghế ngồi
người điều khiển được thể hình 3 và hình 4
0
500m
400m
300m
200m
100m
1 Truc X:
11.208 X
454.54m
Truc Y: m/s Hz
2
Y
Tan so/ (Hz)
(a) Theo phương trước –sau
0
40m
30m
20m
10m
X 2.1875 32.700m
m/s Y
Tan so/ (Hz)
Truc Y: 2
(b) Theo phương trái-phải
0
80m 60m 40m 20m
X 5.0417 56.869m 1
Tan so/ (Hz)
Y
Truc X:
Truc Y:
Hz m/s 2
(c) Theo phương thẳng đứng
Hình 4 Gia tốc dao động trên miền tần số ở vị trí
ghế ngồi
X 11.250 1.1153
1
Truc X:
Truc Y:
Hz m/s 2
Y
500 1000
2000 1500
0
Tan so/ (Hz)
(a) Theo phương trước –sau
0
50m 40m 30m 20m 10m
X 2.1250 40.354m
Truc Y:
Hz m/s 2
Y
Tan so/ (Hz)
(b) Theo phương trái –phải
0
200m
5.2500 137.10m 1
Tan so/ (Hz)
Truc X:
Truc Y:
Hz m/s 2
Y
(c) Theo phương phương thẳng đứng
Hình 5 Gia tốc dao động trên miền tần số ở vị trí
đệm ghế
Từ hình 5 và hình 6 chúng ta thấy rằng tần số xuất hiện biên độ gia tốc lớn theo 3 phương
tại 11,20 Hz, 2,18 Hz, 5,04 Hz và 11,25 Hz, 2,13 Hz, 5,25 Hz trên hệ thống ở vị trí trên hệ
thống treo và trên đệm ghế ngồi người điều khiển Từ kết quả đo nhận thấy hệ thống treo
và đệm ghế ngồi có hiệu quả tương đối tốt theo phương trước sau của ghế Tuy nhiên, nó vẫn xuất hiện cộng hưởng ở tần số thấp trong
vùng (2÷8) Hz nó là nguyên nhân gây ra
không thải mái cho người điều khiến khi máy hoạt động ở vùng tần số thấp
Trang 4Đánh giá hiệu quả ghế ngồi thông qua hệ
số SEAT
Để đánh giá hiệu quả hệ thống treo và đệm
ghế ngồi người điều khiển, hệ số SEAT được
chọn để đánh giá khi bệ thử được một lực
kích kích dao động điều hòa F=850 sin (2ft)
(N), với tần số thay đổi f=(2÷10)Hz, trọng
lượng người điều khiển m d =65 kg và đo trong
t=240s Hệ số SEAT được xác định dựa trên
dữ liệu gia tốc theo phương thẳng đứng của
ghế ngồi người điều khiển đo được theo miền
thời gian Quan hệ giữa hệ số SEAT và tần số
kích thích dao động f theo phương đứng của
ghế ngối người điều khiển được thể hiện trên
hình 6
2 3 4 5 6 7 8 9 10
0
1
2
3
Tan so f/Hz
Hình 6 Hệ số SEAT ở các tần số kích thích khác nhau
Từ hình 6 chúng ta nhận thấy rằng giá trị hệ
số SEAT <1 ở các tần số kích thích 2Hz, 3Hz,
4Hz, 5Hz, 8Hz, 9Hz và 10Hz điều đó có nghĩa
rằng hiệu quả hệ thống treo ghế ngồi theo
phương thẳng đứng tương đối tốt đặc biệt là
tần số kích thích 8Hz giá trị hệ số SEAT giảm
62,8% Tuy nhiên, giá trị hệ số SEAT>1 ở các
tần số kích thích 6Hz, 7Hz nó là nguyên nhân
gây ra không thải mái cho người điều khiến
KẾT LUẬN
Trong nghiên cứu này, một thí nghiệm đo gia
tốc dao động theo các phương của ghế ngồi
người điều khiển máy xây dựng được thiết lập
trên bệ thử để đánh giá hiệu quả hệ thống treo
và đệm của ghế ngồi Dưới đây một số kết
luận được rút ra (1) hệ thống treo và đệm ghế
ngồi có hiệu quả tương đối tốt ở phương trước
– sau của ghế Tuy nhiên, hiệu quả ở các
phương khác tương đối xấu nó là nguyên
nhân gây ra không thoải mái cho người điều
khiển; (2) Theo phương thẳng đứng của ghế
ngồi, giá trị hệ số SEAT<1 ở hầu hết các tần
số kích thích trừ tần số kích thích 6Hz, 7Hz
nó nguyên nhân chính làm giảm hiệu quả hệ thống treo ghế ngồi người điều khiển
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 Jian-Da Wu, Rong-Jun Chen(2004),
“Application of an active controller for reducing small-amplitude vertical vibration in a vehicle
seat”, Journal of Sound and Vibration, Vol.274,
pp 939-951
2 Weichao Sun, Jinfu Li, Ye Zhao, Huijun Gao (2011), “Vibration control for active seat suspension systems via dynamic output feedback with limited frequency characteristic”,
Mechatronics, Vol.21, pp 250–260
3 Seung-Bok Choi, Young-Min Han (2007),
“Vibration control of electrorheological seat suspension with human-body model using sliding
mode control”, Journal of Sound and Vibration,
Vol.303, pp 391–404
4 Ö Gündoğdu (2007), “Optimal seat and suspension design for a quarter car with driver
model using genetic algorithms”, International Journal of Industrial Ergonomics, Vol.37, pp
327–332
5 Younggun Cho, Yong-San Yoon (2001),
“Biomechanical model of human on seat with
backrest for evaluating ride quality”, International Journal of Industrail Ergonomics, Vol 27, pp
331-345
6 Neil J Mansfield, Michael J Griffin (2000),
“Difference thresholds for automobile seat vibration”,
Applied Ergonomics, Vol.31, pp 255-261
7 G.J Steina, R Zahoranský T.P Gunstonb, L Burström, L Meyer (2008), “Modelling and simulation of a fore-and-aft driver’s seat suspensionsystem with road excitation”,
International Journal of Industrial Ergonomics,
Vol.38, pp 396–409
8 Y Qiu, M.J Griffin (2003), “Transmission of vibration to the backrest of a car seat evaluated
with multi-input models”, Journal of Sound and Vibration, Vol 274, pp 297÷321
9 Suzanne D Smith, Jeanne A Smith, David R Bowden (2008), “Transmission characteristics of suspension seats in multi-axis vibration
environments”,International Journal of Industrial Ergonomics, Vol.38, pp.434÷446
10 ISO 2631-1 (1997), “Mechanical vibration and shock-Evanluation of human exposure to
whole-body vibration”, Part I: General requirements,
Trang 5The International Organization for
Standardization
11 Le Van Quynh, Jianrun Zhang, Guowang Jiao,
Xiaobo Liu, Yuan Wang (2011) “Vibration
Analysis and Optimal Design for Cab’s Isolation
System of Vibratory Roller”, Advanced Materials Research, Vol 199-200, pp 936-940
SUMMARY
EVALUATING THE PERFORMANCE OF DRIVER’S SEAT SUSPENSION
SYSTEM OF CONSTRUCTION MACHINE USING A TEST METHOD
Le Van Quynh *
University of Technology - TNU
The rational design of suspension system and cushion of driver’s seat not only reduces transmission of vibration to the human body but also improves driver performance To evaluate the performance of the construction machine driver's seat, a driver's seat vibration test was set up on avibration test bed to measure vibration acceleration under low-frequency excitation conditions
Frequency domain acceleration and the SEAT factor are selected to evaluate the performance of
the suspension and cushion of driver’s seat Analytical results show that the performance of the suspension system and the cushion is relatively good in the fore-and-aft direction and the value of
SEAT factor of the vertical suspension of driver’s seat is less than 1 atthe most of lowexcitation
frequencies and especially reduced 62.8% at the excitation frequency of 8Hz
Keywords: Construction machine, driver's seat, suspension system, test, SEAT factor,
performance
Ngày nhận bài: 08/9/2017; Ngày phản biện: 22/9/2017; Ngày duyệt đăng: 30/9/2017
*
Email: lequynhdl@yahoo.com
