Optimization of design parameters of the vibration protection system of a motor grader seat with quasi-zero stiffness

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

BACKGROUND: Vibrations occurring during operation of land transport-technological machines deteriorate the quality of control, reduce the productivity of the work performed, adversely affect the health of machine operators. In order to reduce the impact of vibrations on the operators, vibration protection systems of the cab and seat are used.

AIMS: For practical application of the developed design of the passive vibration protection system of the motor grader operator’s seat on the basis of a parallelogram mechanism, tensile spring, cable and rollers, it is necessary to develop an algorithm for optimizing the values of design parameters.

METHODS: The mean square value of seat acceleration in a stationary reference frame, determined as a result of simulation of the motor grader motion over a set of stochastic microprofiles of the support surface with various characteristics and velocities, was used as an optimization criterion. Comprehensive simulation mathematical model of a motor grader with cabin vibration protection supports and vibration protection system of a seat was used. All parameters of the optimization algorithm and model were divided into fixed, random and varying ones. The latter include a number of dimensions of the parallelogram mechanism of the seat vibration protection system, the coefficient of viscous friction of the mechanism’s shock absorber, the height of the quasi-zero stiffness zone. The dependence of the criterion on the design parameters of the seat vibration protection mechanism, which has an implicit pattern and is determined by means of a simulation mathematical model, served as the target function. Boundary conditions were imposed on a number of parameters to ensure the operability of the mechanism, manufacturability of its parts as well as ergonomic considerations. Optimization of the values of the varying parameters was performed with the simplex method. At the same time, a part of the parameters unambiguously influencing the value of the target function was preliminarily maximized or minimized within the boundary ranges.

RESULTS: An algorithm for assignment and optimization of design parameters of the vibration protection system of a motor grader seat with quasi-zero stiffness is developed, one of the key features of which is the possibility to adjust the vibration protection system of the seat to the weight of the current operator. Examples of algorithm application are given.

CONCLUSIONS: The algorithm makes it possible to determine the optimal values of design parameters of the seat vibration protection system based on a parallelogram mechanism such as: the dimensions of the parallelogram mechanism, including the attachment points of rollers and cable, the coefficient of tensile spring stiffness, the coefficient of viscous friction of a shock absorber, the parameter of adjusting the mechanism to the weight of the current operator. The key feature of the developed vibration protection system and the optimization algorithm of its design parameters is the possibility of adjustment to the weight of the current operator.

About the authors

Mikhail S. Korytov

Siberian State Automobile and Highway University

Author for correspondence.
Email: kms142@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5104-7568
SPIN-code: 2921-4760
Scopus Author ID: 57035238500
ResearcherId: B-5667-2015
https://sibadi.org/about/staff/korytov-mikhail-sergeevich/

Associate Professor, Dr. Sci. (Tech.), Professor of the Automotive Transport Department

Russian Federation, 5 Mira Ave., 644080 Omsk

Vitaly S. Shcherbakov

Siberian State Automobile and Highway University

Email: sherbakov_vs@sibadi.org
ORCID iD: 0000-0002-3084-2271
SPIN-code: 6171-2320

Dr. Sci. (Tech.), Professor of the Automation and Power Engineering Department

Russian Federation, 5 Mira Ave., 644080 Omsk

Irina E. Kashapova

Siberian State Automobile and Highway University

Email: iriska-97-17-13@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-0631-564X
SPIN-code: 8011-6829

Postgraduate Student, Lecturer of the Automation and Power Engineering Department

Russian Federation, 5 Mira Ave., 644080 Omsk

References

  1. Aiello G, Vallone M, Catania P. Optimising the efficiency of olive harvesting considering operator safety. Biosystems Engineering. 2019;185:15–24. doi: 10.1016/j.biosystemseng.2019.02.016
  2. Mikheyev VV, Saveliev SV, Shushubaeva MK. Natural adaptation of deformable work tools during vibratory soil compaction and enhancement of there performance. J. Phys.: Conf. Ser. 2019;1260. doi: 10.1088/1742-6596/1260/6/062015
  3. Berezin IYa, Pronina YuO, Bondar’ VN, et al. Simulation of the formation of vibration loading of operator workplace of industrial tractor. Tractors and agricultural machinery. 2016;83(8):14–18. (In Russ). doi: 10.17816/0321-4443-66188
  4. Kuz’min VA, Godzhaev ZA. Comparative evaluation of the effectiveness of the vibration protection of the active suspension system with PID control. Tractors and agricultural machinery. 2018;85(3):62–67. (In Russ). doi: 10.17816/0321-4443-66407
  5. Podrubalov VK, Podrubalov MV, Nikitenko AN. Applicability of different models of wheel tractor dynamic system for the calculation assessment of its vibration load. Tractors and agricultural machinery. 2014;81(1):20–25. (In Russ). doi: 10.17816/0321-4443-65657
  6. Yang L, Zhen L, Yulong X, et al. Experimental and theoretical analysis for isolation performance of new combined isolation devices under blast loading. Advances in Civil Engineering. 2020;2020. doi: 10.1155/2020/8425785
  7. Mian J, Shoushi L, Yong G, et al. The improvement on vibration isolation performance of hydraulic excavators based on the optimization of powertrain mounting system. Advances in mechanical engineering. 2019;11(5). doi: 10.1177/1687814019849988
  8. Korchagin PA, Teterina IA, Rahuba LF. Improvement of human operator vibroprotection system in the utility machine. J. Phys.: Conf. Ser. 2018;944. doi: 10.1088/1742-6596/944/1/012059
  9. Yang X, Wu H, Li Y, et al. Dynamics and isotropic control of parallel mechanisms for vibration isolation. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 2020;25(4):2027–2034. doi: 10.1109/TMECH.2020.2996641
  10. Chi F, Zhou J, Zhang Q, et al. Avoiding the health hazard of people from construction vehicles: a strategy for controlling the vibration of a wheel loader. Int. J. Environ. Res. Public Health. 2017;14(3);275. doi: 10.3390/ijerph14030275
  11. Nehaev VA, Nikolaev VA, Zakernichnaya NV. Vibration protection of a human-operator based on the application of disturbance-stimulated control mechanism. J. Phys.: Conf. Ser. 2018;1050. doi: 10.1088/1742-6596/1050/1/012057
  12. Bratan S, Kharchenko A, Vladetskaya E, et al. Analysis and synthesis of vibration isolation system of a grinding machine with account of the operational reliability of its elements. Metal Working and Material Science. 2019;21(1):35-49. doi: 10.17212/1994-6309-2019-21.1-35-49
  13. Ivanov S, Meleshkova Z, Mikalauskas A, et al. Modeling of nonlinear vibration protection systems of mining machines. Procedia Computer Science. 2019;156:292–299. doi: 10.1016/j.procs.2019.08.205
  14. Lyashenko MV, Pobedin AV, Potapov PV. Analysis of possible dynamic vibration dampers uses in tractor cabins suspensions. Procedia Engineering. 2016;150:1245–1251. doi: 10.1016/j.proeng.2016.07.132
  15. Ning D, Sun S, Du H, et al. An electromagnetic variable inertance device for seat suspension vibration control. Mechanical systems and signal processing. 2019;133. doi: 10.1016/j.ymssp.2019.106259
  16. Podrubalov VK, Nikitenko AN, Podrubalov MV. Optimization of vibration protection systems for operator in mobile vehicle with random kinematical excitation. Izv. MGTU “MAMI”. 2013;7(2–1): 212–220. (In Russ). doi: 10.17816/2074-0530-68324
  17. Korytov MS, Kashapova IE, Shcherbakov VS. Quasi-zero rigidity condition for static force characteristic of parallelogram mechanism for seat vibration protection system. The Russian Automobile and Highway Industry Journal. 2022;19(2):144–155. (In Russ). doi: 10.26518/2071-7296-2022-19-2-144-155
  18. Burian YA, Silkov MV, Trifonova EN. Support with quasi-zero stiffness effect for processing equipment. AIP Conference Proceedings. 2019;2141. doi: 10.1063/1.5122117
  19. Chang Y, Zhou J, Wang K, et al. A quasi-zero-stiffness dynamic vibration absorber. J. Sound Vibr. 2021;494. doi: 10.1016/j.jsv.2020.115859
  20. Zhao F., Ji J.C., Ye K., et al. Increase of quasi-zero stiffness region using two pairs of oblique springs. Mechanical Systems and Signal Processing. 2020;144. doi: 10.1016/j.ymssp.2020.106975
  21. Korytov MS, Shcherbakov VS, Titenko VV, et al. Simulation model for the determination of energy losses during vibrations of the working equipment of a earth-moving machine in the transport mode. J. Phys.: Conf. Ser. 2019;1260. doi: 10.1088/1742-6596/1260/11/112015
  22. Malakhov II, Sukovin MV. Mathematical model of system “the microrelief of - way equipment”. Internet-zhurnal Naukovedenie. 2016;8(2(33));116. doi: 10.15862/14TVN216
  23. Khasanov AS, Zvereva AI. Graphical sensitivity analysis of optimal solutions of linear programming problems. Vestnik MGOU. Serija: Fizika-matematika. 2021;2:61-76. doi: 10.18384/2310-7251-2021-2-61-76
  24. Popov LD. On parameter control in iterative linear programming methods based on a new class of smooth exterior penalty functions. Trudy Instituta Matematiki i Mekhaniki UrO RAN. 2022;28(4): 191–200. doi: 10.21538/0134-4889-2022-28-4-191-200

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Scheme of design parameters of the seat vibration protection mechanism.

Download (89KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Dependences of root-mean-square vertical acceleration of the seat as on the coefficient of viscous friction of a shock-absorber bh, at various values of dimensions L1 and b and constant formula of the dimension x3=b + 0,05 m: a) at L1=0,4 m; b) at L1=0,8 m; c) at L1=1,2 m.

Download (226KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Dependences of root-mean-square vertical acceleration of the seat as on the coefficient of viscous friction of a shock-absorber bh, at different values of dimensions L1 and x3 and constant value of dimension b=0,1 m: a) at L1=0,4 m; b) at L1=0,8 m; c) at L1=1,2 m.

Download (239KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Block diagram of the algorithm for assignment and optimization of design parameters of the vibration protection system of a seat based on a parallelogram mechanism.

Download (252KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 Eco-Vector

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
 


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».