cz stotliwo ciowe miary dynamiki ekspozycji drga i stanu

cz stotliwo ciowe miary dynamiki ekspozycji drga i stanu

PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ
z. 98
Transport
2013
Rafa Burdzik, Piotr Folga, Bogusaw azarz
Politechnika lska, Wydzia Transportu, Katedra Budowy Pojazdów Samochodowych
CZSTOTLIWO
CIOWE MIARY DYNAMIKI
EKSPOZYCJI DRGA I STANU TECHNICZNEGO
AMORTYZATORÓW SAMOCHODOWYCH
REJESTROWANE W MIEJSCACH WNIKANIA
DRGA DO ORGANIZMU CZOWIEKA
Rkopis dostarczono, kwiecie 2013
Streszczenie: W artykule przedstawiono wyniki bada drga pojazdu samochodowego
z zabudowanymi amortyzatorami o zidentyfikowanym stanie technicznym. Podczas bada
rejestrowano przyspieszenia drga pionowych w wybranych punktach konstrukcyjnych pojazdu,
midzy innymi na pycie podogowej w miejscach przylegania stóp pasaerów do podogi. W ramach
analizy wyników wyznaczono miary amplitudowe w wyznaczonych pasmach czstotliwociowych.
Porównano wartoci tych miar w zalenoci od stopnia wypenienia amortyzatorów czynnikiem
roboczym. Pozwala to na wstpna ocen wpywu stanu technicznego amortyzatora na poziom
i dynamik ekspozycji drga ogólnych na czowieka.
Sowa kluczowe: ekspozycja na drgania, widmo drga, tumienie amortyzatorów
1. WPROWADZENIE
Efekty oddziaywania transportu powinny by rozpatrywane, jako podane
i niepodane oraz zewntrzne i wewntrzne. Podane efekty transportu zwizane s z
jego funkcj celu, czyli przemieszczaniem oraz zwikszeniem mobilnoci. Niepodane
za z negatywnym oddziaywaniem na otoczenie. Podzia na efekty zewntrzne i
wewntrzne wynika z oddziaywania na elementy „systemu”, które nie uczestnicz w
procesie transportowych i te bezporednio zwizane z tym procesem. Efekty
oddziaywania wewntrznego maj charakter sprzenia zwrotnego i wpywaj na
efektywno procesów transportowych. Przykadem niepodanych efektów
oddziaywania transportu o znaczeniu zewntrznym i wewntrznym s drgania. Jako
zjawiska generowane i propagowane do rodowiska mog powodowa uszkodzenia
infrastruktury transportowej oraz pozostaych elementów otoczenia.
48
Rafa Brudzik, Piotr Folga, Bogusaw azarz
Drgania rozpatrywane, jako zjawiska wewntrzne zmniejszaj efektywno procesów
transportowych oraz zmniejszaj bezpieczestwo i komfort w transporcie. Coraz czciej
drgania, jako niepodane procesy resztkowe, wykorzystywane s w monitorowaniu
i diagnozowaniu maszyn [1,7,9,10,13,15]. Mona wyodrbni wiele ukadów i elementów
w pojedzie, których zadaniem jest pochanianie drga lub minimalizacja ich
oddziaywania. Ukad zawieszenia pojazdu, skadajcy si z elementów tumicych,
resorujcych i prowadzcych, w duej mierze odpowiedzialny jest za tumienie drga
pochodzcych od nierównoci drogi [2-4]. Elementy gumowe, stanowice konstrukcje
mocowania takich ukadów, jak silnik, skrzynia biegów czy ukad wydechowy, take w
duej mierze odpowiedzialne s za pochanianie drga generowanych przez te ukady.
Celem kadego z ukadów i elementów tumicych jest minimalizacja oddziaywania drga
na pozostae ukady i na ludzi znajdujcych si w pojedzie. Drog do propagacji fal
drganiowych i oddziaywania na czowieka stanowi konstrukcja, rama czy nadwozie
pojazdu. Zmiany w strukturze i skadzie materiau mog wpywa na jego zdolnoci
propagacji fali drganiowej [5,8,12,14]. Przenosz one drgania o charakterze ogólnym na
czowieka, gównie za porednictwem koczyn dolnych oraz rodkowego i dolnego
odcinka krgosupa.
2. ODDZIAYWANIE DRGA NA CZOWIEKA
Bardzo du grup osób naraonych na drgania ogólne s kierowcy, pasaerowie,
motorniczy, operatorzy maszyn budowlanych i drogowych. Propagacja drga do
organizmu przenoszona jest za porednictwem siedziska pojazdów przez miednic, plecy i
boki oraz pyt podogow przez stopy. Najwiksze zagroenie dla czowieka stanowi
drgania, których czstotliwo wymuszenia bdzie zbliona do czstoci drga wasnych
narzdów wewntrznych czowieka. Dla czstotliwoci drga poniej 2 Hz ciao czowieka
zachowuje si jak jednolita masa. Pierwsza czstotliwo rezonansowa dla czowieka
przebywajcego w pozycji siedzcej wynosi 4 Hz lub 6 Hz. W tabeli poniej
przedstawiono pasma czstotliwoci drga wasnych dla poszczególnych organów ciaa.
Zakresy te maj charakter orientacyjny, gdy istotny wpyw na ich wartoci ma
indywidualna budowa czowieka.
Tablica 1
Zakres czstotliwoci drga wasnych wybranych organów ciaa ludzkiego
Lp.
3
4
5
6
7
8
11
Nazwa organu
Gowa
Klatka piersiowa
odek (zalenie od st. napenienia)
Oczy
Ukad rka-przedrami (zalenie od ust.)
Receptory dotyku (Vater-Paciniego cia.)
Wtroba
Czstotliwo [Hz]
4 - 5 , 17 – 25
5–9
2–7
20 – 25
10 – 30
200 – 300
3–4
Czstotliwociowe miary dynamiki ekspozycji drga i stanu . . .
49
c.d. Tablicy 1
12
13
14
15
Krgosup
Miednica
Koczyny górne
Koczyny dolne
8
5–9
3
5
Konsekwencj oddziaywania drga na czowieka s rónego rodzaju niekorzystne
zmiany w organizmie bdce nastpstwem ekspozycji na drgania [6,11]. Zakres i proces
postpowania tych zmian zale w duej mierze od miejsca ich wnikania do organizmu.
Reakcje organizmu czowieka na drgania dzieli si na:
- reakcje subiektywne RS,
- reakcje psychosomatyczne RPS,
- reakcje, zaburzenia czynnociowe ustroju RC.
3. ANALIZA WYBRANYCH MIAR
CZSTOTLIWO
CIOWYCH
W celu analizy skadowych czstotliwociowych sygnaów drganiowych
przeprowadzono badania pojazdów pobudzanych do drga za pomoc wzbudnika
sterowanego przemiennikiem czstotliwoci. Umoliwio to pobudzenie ukadu do drga w
wybranym pamie stabilizowanych czstotliwoci oraz po wyczeniu stanowiska analiz
tumionych drga swobodnych.
Jako gówny czynnik stanu technicznego elementu tumicego drgania przyjto stopie
wypenienia pynem amotyzatorowym cylindra amortyzatora. Proces napeniania
amortyzatora czynnikiem roboczym przedstawiono na rysunku 1.
Rys. 1. Proces napeniania amortyzatora czynnikiem roboczym
50
Rafa Brudzik, Piotr Folga, Bogusaw azarz
Pierwszy etap analizy wyników zakada ocen dynamiki zjawisk drganiowych pojazdu
w miejscach konstrukcyjnych wnikania drga do organizmu czowieka. W artykule
przedstawiono wyniki analizy drga o charakterze ogólnym rejestrowane na panelu
podogowym w miejscach przyoenia stóp pasaerów. Do transformacji sygnau
zastosowano FFT (Fast Fourier Transform), które umoliwia wyznaczenie widm
fourierowskich sygnaów. Przykadowe widma zarejestrowanych sygnaów przedstawiono
na rysunku poniej.
Rys. 2. Widma zarejestrowanych sygnaów drga
Czstotliwociowe miary dynamiki ekspozycji drga i stanu . . .
51
Tak zaprezentowany rozkad sygnau umoliwia analiz dominujcych skadowych
dynamicznych w ukadzie. Umoliwi to wyszukiwanie czstotliwoci rezonansowych i
czstotliwoci wymuszenia. Przeprowadzono szczegóow analiz czstotliwociow
sygnaów, która polegaa na wstpnej selekcji pasm czstotliwoci charakterystycznych (z
dominujcymi wartociami amplitud widma sygnau) dla poszczególnych punktów
mocowania czujników. Wyselekcjonowano nastpujce pasma analizy drga pyty
podogowej pojazdu:
- 2 [Hz] do 4,5 [Hz]
- 5 [Hz] do 7 [Hz]
- 12 [Hz] do 17 [Hz]
- 21 [Hz] do 22 [Hz]
- 33 [Hz] do 38 [Hz]
- 62 [Hz] do 66 [Hz]
- 85 [Hz] do 88 [Hz]
- 105 [Hz] do 110 [Hz]
- 150 [Hz] do 155 [Hz]
- 190 [Hz] do 196 [Hz]
Pasma analizy czstotliwociowej sygnaów drga pyty podogowej samochodu
przedstawiono na rysunku 3.
Rys. 3. Pasma analizy zarejestrowanych sygnaów drga pyty podogowej pojazdu
Nastpnie zestawiono maksymalne wartoci amplitud widm sygnaów w
wyselekcjonowanych pasmach czstotliwociowych dla badanych wartoci parametrów
stanu technicznego amortyzatora. Uzyskane wyniki analizy przedstawiono w formie
graficznej za pomoc wykresów supkowych na rysunkach 4 i 5.
52
Rafa Brudzik, Piotr Folga, Bogusaw azarz
a)
b)
0,4
0,35
p rz y s p ie s z e n ie [m /s 2 ]
p rz y s p ie s z e n ie [m /s 2 ]
0,35
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
0
2,84
6,32
12,3
21,55
34,14
64,67
86,2
107,7
150,8
194
2,2
6,11
12,23
21,57
czstotliwo [Hz]
c)
64,69
86,24
107,8
150,8
194
86,24
107,7
150,9
194
d)
p rz y s p i e s z e n ie [m /s 2 ]
0,4
p rz ysp iesz en ie [m /s2]
34,35
czstotliwo [Hz]
0,35
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
2,2
6,6
12,27
21,55
33,9
64,69
86,15
107,8
150,9
0,18
0,16
0,14
0,12
0,1
0,08
0,06
0,04
0,02
0
194
2,15
6,32
12,23
21,55
czstotliwo [Hz]
34,24
64,65
czstotliwo [Hz]
Rys. 4. Rozkad maksymalnych amplitud widm sygnaów drganiowych pyty podogowej
samochodu marki Fiat Punto dla wyselekcjonowanych czstotliwoci charakterystycznych
(amortyzator wypeniony czynnikiem roboczym w 50%); a) miejsce trzymania stóp kierowcy,
b) miejsce trzymania stóp pasaera przedniego, c) miejsce trzymania stóp pasaera tylnego z lewej
strony, d) miejsce trzymania stóp pasaera tylnego z prawej strony
a)
b)
p rz y s p i e s z e n i e [m / s 2 ]
p rz y s p ie s z e n ie [m /s 2 ]
0,35
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
4,1
6,57
13,02
21,53
37,75
64,62
86,16
107,7
150,8
0,4
0,35
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
3,54
193,9
6,11
12,37
21,53
czstotliwo [Hz]
c)
64,62
86,2
107,7
150,8
194
86,11
107,7
150,8
193,9
d)
0,4
0,35
p rz y s p ie s z e n i e [m /s 2 ]
p rz y s p ie s z e n ie [m /s 2 ]
36,26
czstotliwo [Hz]
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
4,1
6,574
14,16
21,53
37,11
64,62
czstotliwo [Hz]
86,11
107,7
150,8
193,9
0,18
0,16
0,14
0,12
0,1
0,08
0,06
0,04
0,02
0
4,39
6,32
12,37
21,55
34,33
64,52
czstotliwo [Hz]
Rys. 5. Rozkad maksymalnych amplitud widm sygnaów drganiowych pyty podogowej
samochodu marki Fiat Punto dla wyselekcjonowanych czstotliwoci charakterystycznych
(amortyzator wypeniony czynnikiem roboczym w 100%); a) miejsce trzymania stóp kierowcy,
b) miejsce trzymania stóp pasaera przedniego, c) miejsce trzymania stóp pasaera tylnego z lewej
strony, d) miejsce trzymania stóp pasaera tylnego z prawej strony
Czstotliwociowe miary dynamiki ekspozycji drga i stanu . . .
53
4. PODSUMOWANIE
Oddziaywanie drga na czowieka w transporcie jest zagadnieniem bardzo istotnym.
Nage lub nasilajce si zjawiska drganiowych o charakterze miejscowym mog mie
wpyw na bezpieczestwo. Czowiek jako operator rodka transportu poddany drganiom o
charakterze miejscowym moe straci kontrol nad sterowaniem. Bardzo istotne s take
drgania o charakterze ogólnym, które maj znaczcy wpyw na poczucie dyskomfortu.
W artykule przedstawiono wyniki analiz czstotliwociowych miar drganiowych
rejestrowanych na pycie podogowej pojazdu w funkcji stanu technicznego elementów
tumicych drgania w pojazdach samochodowych. Najwiksz wraliwo diagnostyczn
wykaza symptom stanu technicznego amortyzatora w postaci wartoci maksymalnej
amplitudy drga w pamie 12-17 [Hz]. Jest to pasmo czstotliwoci rezonansowej mas
nieresorowanych. W przedstawionych wynikach bada samochodu Fiat Punto
czstotliwo ta wynosi okoo 12,5 Hz. Spadek iloci pynu amortyzatorowego powoduje
zmniejszenie skutecznoci tumienia i wzrost amplitudy w pamie rezonansu mas
nieresorowanych. Jest to bardzo niebezpieczne zjawisko poniewa wpywa bezporedni na
bezpieczestwo pojazdu i w skrajnych przypadkach moe powodowa utrat
przyczepnoci koa do nawierzchni drogi. Ciekawe zjawisko zaobserwowano dla
czstotliwoci okoo 65 Hz, która mona rozpatrywa jako 5-t harmoniczn rezonansu
mas nieresorowanych. W tym przypadku zaobserwowano przeciwn zaleno w postaci
spadku wartoci amplitud maksymalnych wraz ze spadkiem iloci pynu
amortyzatorowego. Dodatkowo na podstawie analizy porównawczej rozkadu drga z
przodu i tyu pyty podogowej stwierdzono, e dominujce skadowe czstotliwociowe,
bdce nonikiem najwikszej energii drganiowej, w punktach wnikania drga do
pasaerów siedzcych z tyu zawieraj si w pamie 62-66 Hz, podczas bada
amortyzatorów wypenionych w 100% czynnikiem roboczym. Mona zatem przyj, e
prawidowy stan techniczny amortyzatora, poza skutecznoci tumienia, wpywa na
przesunicie dynamiki drga ukadu poza pasma czstotliwoci niebezpiecznych dla
bezpieczestwa, czyli rezonansu mas nieresorowanych.
Bibliografia
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Burdzik R.: Monitoring system of vibration propagation in vehicles and method of analysing vibration
modes. J. Mikulski (Ed.): TST 2012, CCIS 329, Springer, Heidelberg, 2012, s. 406-413.
Burdzik R., Gardulski J.: Metodyka wyznaczania diagnostycznych miar stanu technicznego
amortyzatorów samochodowych. Diagnostyka 4(40), 2006, s. 127-132.
Burdzik R., Konieczny ., azarz B.: Influence of damping characteristics changes on vehicles vibration
research. 19th International Congress on Sound and Vibration (ICSV19), Conference proceedings, 2012,
s. 657.
Burdzik R., Gardulski J.: Frequency analysis decimation vibration signals of passenger car’s
suspensions, Transport Problems vol. 2 issue 1, 2007, s. 23-29.
Dobrzaski L.A., Bonek M., Hajduczek E., Klimpel A., Lisiecki A.: Application of high power diode
laser (hpdl) for alloying of X40CRMOV5-1 steel surface layer by tungsten carbides. Journal of Materials
Processing Technology 155/156, 2004, s. 1956-1963.
Engel Z.W., Kowalski P.: Investigation of the influence of simultaneous vibroacoustic exposures on the
operator. Journal of the Theoretical and Applied Mechanics 46(4), 2008, s. 799–811.
54
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
Rafa Brudzik, Piotr Folga, Bogusaw azarz
Figlus T., Wilk A., Madej H., azarz B.: Investigation of gearbox vibroactivity with the use of vibration
and acoustic pressure start-up characteristics. Archive of Mechanical Engineering 58 (2), 2011, s. 209221.
Folga P., Siwiec G.: Numerical analysis of selected materials for flexsplines. Archives of Metallurgy
and Materials 57 (1), 2012, s. 185-191.
azarz B., Wojnar G., Czech P.: Wykrywanie wczesnych faz uszkodze kó zbatych w warunkach
eksploatacyjnych. Eksploatacja i Niezawodnosc – Maintenance and Reliability 2011 nr 1, s. 68-77.
Michalski R, Wierzbicki S.: An analysis of degradation of vehicles in operation. Eksploatacja i
Niezawodnosc – Maintenance and Reliability 1(37), 2008, s. 30-32.
Nader M.: Influence of mechanical vibrationon the human body in the means of transport and its
modeling. Archives of Transport vol. 12, iss. 2, 2000, s. 33-53.
Przyucki R., Smalcerz A.: Induction heating of gears - pulsing dual-frequency concept. Metalurgija
52(2), 2013, s. 235-238.
Radkowski S., Szczurowski K.: Use of vibroacoustic signals for diagnosis of pre-stressed structures,
Eksploatacja i Niezawodno – Maintenance and Reliability vol. 14 No. 1, 2012, s. 84-91.
Wgrzyn T., Wieszaa R.: Significant alloy elements in welded steel structures of car body. Archives of
Materials and Metallurgy vol. 57 iss. 1, 2012, s. 45-52.
Uhl T., Chudzikiewicz A., Karpiski J.: Dynamic problems in rail vehicle design. Archives of Transport
vol. 12, iss. 1, 2000, s. 57-71.
FREQUENCY BASED ESTIMATORS OF VIBRATION EXPOSURE DYNAMICS
AND SHOCK ABSORBER TECHNICAL STATE MEASURED IN PLACES
OF PENETRATION OF VEHICLE VIBRATION TO HUMAN BODY
Summary: The paper presents the results of research on vehicle vibration with built-in shock absorbers
identified technical state. The vertical vibration acceleration were measured at selected points of the vehicle
construction, including on the floor in the foot passengers adhere to the floor. The amplitude measures were
calculated in chosen frequency bands. The comparison of these measures, depending on the percent of filling
of working fluid of shock absorber were presented. This allows for the pre-evaluation of the influence of the
technical state of shock absorber on the level and dynamics of whole-body vibration exposure on humans.
Keywords: whole-body vibration exposure on humans, vibration spectrum, shock absorber