Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

АНАЛИЗ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СИСТЕМЫ ОПЕРАТОР – РАБОЧАЯ ЗОНА ОПЕРАТОРА В ТРАНСПОРТНОМ СРЕДСТВЕ В ЭКСТРЕННЫХ СИТУАЦИЯХ

Кобзев А.А. 1 Шахнин В.А., 1 Шмаков В.С. 1
1 ГОУ ВПО Владимирский Государственный университет, Владимир, Россия
Рассматривается создание математической модели и анализ динамической системы: оператор (механик-водитель) – рабочая зона оператора в транспортном средстве в экстремальных ситуациях с целью моделирования процесса и определения динамических воздействий на оператора. Проводится анализ взаимодействия оператора и ТС. Вопросы, подлежащие рассмотрению и исследованию настоящего динамического процесса, следующие: математическое описание кинематической схемы оператора как звена со сложной угловой кинематикой; материализация кинематической системы силами тяжести и моментами инерции, формирование динамической матрицы «оператора»; описание рабочей зоны оператора и объекта (транспортного средства с учетом упругостей моментов инерции и т.п., определяемых массами, моментами инерции, параметрами движения объекта); разработка математической модели настоящей системы; разработка открытой системы моделирования и исследования настоящей динамической системы.
оператор
механик-водитель
рабочая зона
алгоритм
экстренная ситуация
динамические нагрузки
1. Андронов М.А., Межевич Ф.Е., Немцов Ю.М., Саввушкин Е.С. // Безопасность конструкции автомобиля. - М.: Машиностроение,1985. - С. 160.
2. Илюхин Ю.В., Подураев Ю.В. // Проектирование исполнительных систем роботов. Линеаризованные системы. - М.: Изд. МПИ, 1989. - С. 75.
3. Лурье А.И. // Аналитическая механика. - М.: Физматгиз, 1961. - С. 824.
4. Игнатьев М.Б., Кулаков Ф.М. Покровский А.М.// Алгоритмы управления роботами-манипуляторами. - М.: «Машиностроение» , 1977. - С. 248.
В последние годы особенно динамично развиваются испытания автомобильной техники на активную (тормозные свойства, управляемость и устойчивость, обзорность) и пассивную безопасность.

В настоящее время анализ взаимодействия механика-водителя с элементами его рабочей зоны основан на натурных испытаниях. Эксперимент состоит в соударении транспортного средства и находящимся в нем манекеном оператора с внешней абсолютно жесткой средой. Эти испытания дорогостоящие и, кроме того,  продолжительны во времени, так как разбиваются автомобили и деформируются манекены  с системой датчиков, велики затраты по времени на подготовку материальной части испытаний. В рамках данной статьи рассматривается постановка задачи для анализа взаимодействия механика-водителя с его рабочей зоной  при соударении автомобиля с внешней средой, разрабатывается кинематическая схема МВ, процесса взаимодействия автомобиля с сидящим в нем водителем-механиком.

Вопросы, подлежащие рассмотрению и исследованию настоящего динамического процесса:

  • математическое описание кинематической схемы оператора  как звена со сложной угловой кинематикой;
  • материализация кинематической системы силами тяжести и моментами инерции;
  • формирование динамической матрицы «оператора»;
  • описание рабочей зоны оператора и объекта (транспортного средства с учетом упругостей моментов инерции и т.п., определяемых массами, моментами инерции, параметрами движения объекта); разработка математической модели  настоящей системы; разработка открытой системы моделирования и исследования настоящей динамической системы.

Настоящие исследования направлены на создание математической модели и анализ динамической системы: оператор (механик-водитель) -  рабочая зона оператора в транспортном средстве в экстремальных ситуациях  с целью моделирования процесса и определения динамических воздействий на оператора. На рис.1 представлена укрупненная структурная схема процесса взаимодействия механика-водителя с его рабочей средой в транспортном средстве, на котором приняты следующие обозначения: F1(σ)  - возмущение при движении от рельефа σ на ТС;

F2(t)  - управляющее воздействие от МВ на ТС через двигатель и движитель и рулевое управление;

Q(t) - деформации корпуса МВ (звеньев системы), причем   .

Со стороны объекта на водителя в экстремальных ситуациях (резкие угловые и линейные ускорения) действуют возмущения (усилия). Представим вектор возмущения в виде 

.

Рис.1. Структурное представление системы механик-водитель - транспортное средство - внешняя среда

Рассмотрим основные параметры тормозной динамики: начальная скорость, замедление (установившееся) при торможении, время и путь торможения, равномерность торможения; сохранение эффективности тормозной системы в течение срока службы ТС, устойчивость в процессе торможения, легкость управления и т.д.

К основным характеристикам можно отнести: зависимости изменения скорости, ускорения и пути от времени торможения; зависимости нарастания замедления от времени торможения; зависимости сил сцепления гусеничного движителя от времени торможения. На рис. 2. в качестве примера приведена тормозная диаграмма ТС при экстренном торможении на сухой дороге с начальной скорости V0.

На тормозной диаграмме выделены три фазы торможения:

I - фаза реакции водителя и выбора зазоров в приводе тормозов;

II - фаза нарастания замедления;

III - фаза установившегося замедления.

Остановочный путь находим по выражению

,

где tP - время реакции водителя (зависит от водителя);

tЗ - время запаздывания привода (выбор зазоров в приводе и тормозном механизме);

tНЗ - время нарастания замедления (зависит от темпа роста тормозных сил на гусеницах);

tУ - время торможения с установившимся замедлением;

V0 - скорость перед торможением.

 

Рис. 2. Тормозная диаграмма ТС на сухом покрытии

Установившееся замедление без блокирования гусениц

 ,

где ∑RX - тормозные силы на гусеницах;

М - масса ТС.

Первая фаза характеризуется временем реакции водителя и запаздыванием привода. Перемещение машины за этот период (скорость практически постоянная)

 .

Время реакции водителя находится в пределах 0,1...1,0 с, а время запаздывания зависит от выбора зазора в приводе и выбора зазора между тормозной лентой и барабаном, который должен быть в пределах δ = 1...2 мм и восстанавливается при проведении технического обслуживания или по потребности. При износе накладок зазор δ растет, что приводит к увеличению времени запаздывания и хода поршня бустера гидропневмоцилиндра. В конечном итоге, это приводит к росту перемещения ТС в первой фазе и снижению эффективности в третьей фазе (фаза установившегося замедления). Следует отметить большую трудоемкость восстановления зазора δ при проведении технического обслуживания. Неравномерный износ тормозных лент по бортам приводит к появлению возмущающего момента и, как следствие, уводу или заносу при экстренном торможении.

Анализируя структурную схему тормозной системы, можно выделить три системы:

  • рабочая тормозная система (РТС). Все элементы механической части привода, гидро и пневмопривода выполняют заложенные при конструировании функции.
  • запасная тормозная система (ЗТС). Система должна обеспечить остановку ТС при предписанном тормозном пути в случае отказа одного из элементов тормозной системы.
  • стояночная тормозная система (СТС). СТС имеет общий механический привод с рабочей тормозной системой и используется на стоянке.

Представим механика-водителя в виде многозвенной системы в виде скелетона с кинематической схемой вида рис.3. Механик-водитель представля­ет собой пространственную механическую систему из N тел (звеньев), соединенных между собой кинематическими парами пя­того класса (с одной степенью свободы). Далее под системой будем понимать скелетон механика-водителя, а именно, скелет с силовыми мышцами по соответствующим суставам.

Вектор  является векто­ром обобщенных координат системы. На первом этапе принимаем следующие допущения:

  • пре­небрегаем силами трения в кинематических парах;
  • считаем связи идеальными, голономными и удерживающими;
  • звенья абсолютно жесткие.

Тогда описание ди­намики многозвенной системы может быть получено с помощью уравнений Лагранжа 2-го рода. Для системы тел звенья,

находящейся в потенциальном поле сил тя­жести.

F - сила воздействия со стороны ТС на МВ.

 

Рис.3. Расчетная схема системы

l0,...,l3 - длина звеньев, С0,...,С3 - центр масс звеньев,q1,...,q7 - обобщенные координаты углов, r0,...,r3 - расстояние от сустава до центра масс звена, Fp - воздействие на МВ от руля ТС

Тогда описание ди­намики многозвенной системы может быть получено с помощью уравнений Лагранжа 2-го рода. Для системы тел звенья, находящейся в потенциальном поле сил тя­жести, уравнения Лагранжа 2-го рода записываются в векторной форме так:

Здесь φ - вектор обоб­щенных скоростей , причем ; Т  - кинетическая энергия механизма; П - потенциальная энергия системы; М  - вектор обоб­щенных неконсервативных сил (NX1) представляющий собой сумму вектора сил Мпр, передаваемых от испол­нительных мышц на конечности скелетона, и вектора внешних сил Мвн. Вычислив потенциальную энергию системы и определив моменты статических сил, обусловленных мас­сой звеньев и массой головы, получим модель системы в виде дифференциальных уравнений Лагранжа 2-го рода:

 

Найдем кинетическую энергию механической системы и  получим систему уравнений

Для верхних конечностей МВ:

 Для туловища МВ:

Полагаем, что силы Ф1, Ф2 со стороны корпуса ТС на плечевой сустав МВ действуют одновременно и одинаковы. Приведенные силовые воздействия к координатам со стороны ТС обозначены как F1,...,F4. Из полученной системы уравнений видно, что движения звеньев динамически взаимосвязаны. Кроме того, звенья l4, l5 (спинной и шейный позвоночники соответственно) следует рассматривать в одном из двух вариантов: 1) упругое звено с определенной жесткостью и приведенной стрелкой прогиба относительно геометрического центра l(С, F) ;  2) звено, состоящее из набора последовательно соединенных двухшарнирных звеньев. В соответствии с физиологическим строением скелета человека, известно, что позвоночник состоит из 33-34 позвонков: 7 шейных, 12 грудных, 5 поясничных, 5 крестцовых, 4-5 копчиковых.

Кроме того, инерционные   характеристики   (величины b11, ...,b23  и  а11, ...,а44) зависят от обобщенных координат, а, следовательно, от кон­фигурации механизма. Полученные дифференциальные уравнения являются нелиней­ными.

В настоящее время проводится моделирование взаимосвязанной системы механик-водитель - транспортное средство. Цель исследований - определение силового воздействия на механика, реакций шарниров и суставов, получение эффекта разрушения шарниров и суставов. 

Рецензенты:

  • Халатов Е.М., д.т.н., профессор, начальник расчетно-аналитического центра КБ «Арматура» - Филиала ГКНПЦ им. М.В. Хруничева, г. Ковров.
  • Гоц А.Н., д.т.н., профессор кафедры тепловых двигателей и энергетических установок Владимирского государственного университета Министерства образования и науки, г. Владимир.

Работа получена 11.11.2011.


Библиографическая ссылка

Кобзев А.А., Шахнин В.А.,, Шмаков В.С. АНАЛИЗ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СИСТЕМЫ ОПЕРАТОР – РАБОЧАЯ ЗОНА ОПЕРАТОРА В ТРАНСПОРТНОМ СРЕДСТВЕ В ЭКСТРЕННЫХ СИТУАЦИЯХ // Современные проблемы науки и образования. – 2011. – № 5. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=4931 (дата обращения: 28.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074