Metoda oceny wielokryterialnej konstrukcji siedzisk pojazdów
Transkrypt
Metoda oceny wielokryterialnej konstrukcji siedzisk pojazdów
PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ z. 98 Transport 2013 Andrzej Ggorowski Politechnika Warszawska, Wydzia Transportu METODA OCENY WIELOKRYTERIALNEJ KONSTRUKCJI SIEDZISK POJAZDÓW Rkopis dostarczono, maj 2013 Streszczenie: Zastosowanie odpowiedniej konstrukcji siedziska pojazdu jest wane zarówno z punktu widzenia komfortu jazdy, bezpieczestwa jak i ochrony zdrowia operatora pojazdu. W artykule zaprezentowano metod oceny wielokryterialnej konstrukcji siedzisk pojazdów. Pozwala ona na optymalny wybór siedziska i cise dostosowanie do konstrukcji pojazdu oraz wymaga i oczekiwa uytkownika. Proponowane narzdzie umoliwia zarówno kompleksow ocen jak i analiz z uwzgldnieniem tylko wybranych kryteriów czy te okrelonych warunków eksploatacyjnych. Przedstawiono zarówno algorytm metody jak i przykad zastosowania praktycznego z uwzgldnieniem gównego priorytetowego kryterium, a mianowicie redukcji drga niekorzystnie oddziaywujcych na operatora pojazdu. Sowa kluczowe: metoda oceny, siedzisko pojazdu, ukad wibroizolacji 1. WSTP Z punktu widzenia komfortu jazdy, bezpieczestwa i ochrony zdrowia operatora pojazdu oraz spenienia wymaga prawnych i normatywnych[6, 7, 12, 24] zastosowanie odpowiedniej konstrukcji siedziska w rónych pojazdach staje si koniecznoci. Jednake wielo rozwiza w tym zakresie znacznie utrudnia prawidowy i optymalny wybór odpowiedniego ukadu. Wybór ten moe by dokonywany z punktu widzenia rónych kryteriów, tak aby jak najlepiej dostosowa siedzisko do okrelonego pojazdu i oczekiwa przyszego uytkownika oraz okrelonych warunków eksploatacyjnych. Rónorodno typów pojazdów i maszyn roboczych, gdzie wskazane jest zastosowanie odpowiednich konstrukcji siedziska uzasadnione jest w peni jak juz wspomniano zarówno ze wzgldu na komfort pracy, ochron zdrowia, ale równie w wielu przypadkach na precyzje czynnoci wykonywanych podczas pracy (jak to ma miejsce szczególnie w maszynach roboczych) czy dokadne operowanie urzdzeniami sterowniczymi. Tak wic przy doborze waciwego ukadu naley uwzgldni równie okrelone warunki eksploatacyjne. 166 Andrzej Ggorowski Transport jest obecnie jednym z gównych róde drga mechanicznych oddziaywujcych niekorzystnie zarówno na konstrukcje pojazdu jak i na czowieka. [6, 8, 12, 20]. Dlatego redukcja drga konieczna jest zarówno z punktu widzenia zapewnienia trwaoci i okrelonej ywotnoci poszczególnych elementów konstrukcyjnych pojazdu jak i ograniczenia niekorzystnego wpywu wibracji na organizm czowieka. Aby skutecznie dokonywa redukcji drga konieczne jest zastosowanie odpowiednich rozwiza konstrukcyjnych. Najlepszym rozwizaniem, jak pokazuj badania [5, 8, 15-17], jest zastosowanie konstrukcji wyposaonych w ukady zawiesze. W artykule zaprezentowano metod oceny wielokryterialnej konstrukcji siedzisk pojazdów ldowych. Przedstawiono zarówno algorytm metody, jak i przykad zastosowania praktycznego z uwzgldnieniem priorytetowego kryterium, jakim jest redukcja drga niekorzystnie oddziaujcych na operatora pojazdu. Gówne zaoenia metody opracowano na zlecenie przemysu w ramach prac badawczych prowadzonych przez autora [9, 10]. 2. KRYTERIA OCENY Dokonujc kompleksowej oceny konstrukcji siedziska mona wyróni szereg kryteriów i wymaga, których spenienie zapewni odpowiednie zachowanie si ukadu siedziska w okrelonych warunkach eksploatacyjnych, a tym samym spenione zostan okrelone funkcji celu ukadu. Analiza przepisów, norm[7, 11, 13, 19-23] oraz bada dotyczce ukadów siedzisk i ich zawiesze[5, 8, 16, 26], jak równie rónorodnych konstrukcji pojazdów z uwzgldnieniem kabin operatorów[3] pozwolia okreli podane parametry i funkcje tego typu ukadów. Dokonujc ogólnego podziau mona wyszczególni sze gównych kryteriów (oraz szereg wymaga z nimi zwizanych) charakteryzujcych konstrukcje siedziska z ukadem zawiesze. Wród nich moemy wyróni: skuteczno wibroizolacji(w tym m.in. zakres redukcji drga, sterowanie, dynamika), niezawodno techniczna(niezawodno dziaania, wytrzymao i trwao, bezpieczestwo), produkcyjne (stopie zoenia konstrukcji, technologia, wykonanie, monta), obsuga i serwis (wymiana, samodzielny monta, atwo sterowania), ergonomia(regulacja, spenienie norm, dostosowanie konstrukcji, wymiary), uniwersalno i elastyczno(monta w rónych i pojazdach, róne konfiguracje, wielowariantowo, zapotrzebowanie odbiorcy, wymagania rynkowe), ekonomiczne(nakady, koszty produkcji, cena sprzeday, koszty eksploatacyjne). Wymagania zwizane z kryteriami wibroizolacji, niezawodnoci technicznej i ergonomii powinny zosta uznane za obligatoryjne(O), pozostae za za podane(P). Dokadna i caociowa analiza tych parametrów moe znacznie pomóc na etapie koncepcyjnym budowy nowego ukadu siedziska z zawieszeniem, jak równie w procesie zakupu czy modernizacji. Metoda oceny wielokryterialnej konstrukcji siedzisk pojazdów 167 3. METODA OCENY WIELOKRYTERIALNEJ W literaturze szeroko stosowane s metody oceny obiektów technicznych z punktu widzenia okrelonego kryterium np. niezawodnoci konstrukcji [14, 18,], jej technologicznoci [25] czy te wytrzymaoci [1, 28]. W tych przypadkach poprzez zdefiniowanie wskaników ilociowych okrela si uyteczno i przydatno ukadu czy obiektu technicznego w okrelonym obszarze zastosowa i w konkretnych warunkach eksploatacyjnych. Przykadowo obliczenia niezawodnoci konstrukcji (i jej oceny) wymagaj m.in. dokonania analizy mechanicznych charakterystyk. To z kolei pociga za sob konieczno dysponowania danymi z pomiarów w okrelonych warunkach eksploatacyjnych przy znanym rozkadzie obcie. Czste trudnoci w uzyskaniu okrelonych dokadnych zbiorów pomiarowych powoduje, e ocena moe by tylko przybliona(zwaszcza w przypadku obiektów nieliniowych). Metoda oceny wielokryterialnej Etap koncepcyjny projektowania Analiza moliwych wariantów rozwiza Etap inwestycji Ocena w procesie zakupu Wybór podanej konstrukcji sporód rozwiza oferowanych na rynku Weryfikacja wariantów rozwiza Etap modernizacji Rys. 1. Zastosowanie proponowanej metody Kompleksowa ocena konstrukcji pozwala szeroko spojrze na dany ukad i okreli przydatno w caej dziedzinie parametrów i zastosowa. Wymaga ona jednak 168 Andrzej Ggorowski uwzgldnienia szeregu wymaga i kryteriów których jednoczesne spenienie jest czsto trudne do zrealizowania. Dla potrzeb projektowania efektywnych ukadów siedzisk(z ukadami zawiesze) czy te optymalnego wyboru z rozwiza ju istniejcych zaproponowano metod oceny wielokryterialnej. Metoda nie wyklucza szczegóowej analizy z punktu widzenia wybranego kryterium np. obliczenia niezawodnoci konstrukcji, któr mona dokona w dalszym etapach oceny. Zastosowanie metody przedstawiono na rys. 1. Podstawow ide metody jest podzia wszystkich kryteriów na obligatoryjne (KO) i podane (KP) i przyporzdkowanie im odpowiedniej grupy wymaga. Kryteria zawierajce grup wymaga obligatoryjnych (O) naley uwzgldni w pierwszej kolejnoci projektujc nowy siedzisko z ukadem wibroizolacji. Kryteria zawierajce grup wymaga podanych (P) s podrzdne w stosunku do wymaga obligatoryjnych, a ich spenienie moe by uzalenione od aktualnych potrzeb rynkowych i moliwoci produkcyjnych i ekonomicznych oraz potrzeb i oczekiwa uytkownika. Taki podzia wymusza przyporzdkowanie kryteriom i wymaganiom podanym mniejszy wag (wi) w stosunku do wymaga obligatoryjnych(priorytetowych). Przyjto nastpujce zalenoci: - - dla wymaga obligatoryjnych (KO) 0, 6 wi d 1 (1) 0 d wi d 0,6 (2) dla wymaga pozadanych (KP) Kryteria ustalaj zadania priorytetowe (obowizkowe) przyszej konstrukcji i funkcje które mog by zrealizowane w zalenoci od moliwoci produkcyjnych technicznych i ekonomicznych. Wymaganiom o wikszym znaczeniu powinny zosta nadane wagi o wikszej wartoci. W ten sposób po analizie wszystkich wymaga mona uzyska ocen jednostkow(Oj) w zakresie danego kryterium. Kolejnym krokiem jest ustalenie sposobu oceny kompleksowej poszczególnych moliwych rozwiza konstrukcji - np. poprzez przyjcie skali punktowej opisanej zalenoci (3): x d Pi d y , x, yC (3) Kocowa ocena poszczególnych rozwiza powinna by obliczana zgonie z nastpujcym wzorem: n ¦ (w u P ) i OR i i 1 n ¦ wi i 1 (4) Metoda oceny wielokryterialnej konstrukcji siedzisk pojazdów 169 Algorytm metody przedstawiono na rys. 2. Rys. 2. Algorytm proponowanej metody 4. ZASTOSOWANIE METODY DO ANALIZY UKADÓW AMORTYZOWANYCH SIEDZISK Obecnie, jak ju wspomniano wczeniej ukady wibroizolacji siedzisk obok zawiesze pojazdów stanowi podstawowe rozwizanie w zakresie redukcji drga oddziaywujcych na operatora. Analiza literatury pokazuje, e skuteczno rozwiza siedzisk i ich ukadów zawiesze moe by róna i nie zawsze sprawdza si w okrelonych warunkach pracy operatora pojazdu czy te maszyny [ 5, 8, 16, 26]. Oprócz dobrania waciwej konstrukcji konieczna jest jej optymalizacja w zakresie budowy, parametrów oraz sterowania. Tak wic osignicie podanej w danych warunkach eksploatacyjnych redukcji drga wynika nie tylko z ogranicze danej konstrukcji, ale równie z moliwoci sterowania jej parametrami. Dokonano przegldu zarówno klasycznych ukadów pasywnych jak adaptacyjnych (semiaktywnych i aktywnych) wyposaonych w systemy sterowania i pozwalajce dostosowywa parametry ukadu do aktualnych warunków eksploatacyjnych 170 Andrzej Ggorowski [2, 5, 8, 15-17, 26, 27]. Naley zaznaczy, e ze wzgldu na znaczne trudnoci w sterowaniu takich ukadów w warunkach rzeczywistych dua cz z nich jest w fazie bada laboratoryjnych. Podstawowe ukady zestawiono w tab. 1. Biorc pod uwag powysz analiz, skuteczno wibroizolacji bya priorytetow (obligatoryjn) i podstawow cech ocenian w analizowanych ukadach. Kryterium w zakresie efektywnoci wibroizolacji poszczególnych ukadów zawiesze objo nastpujce wymagania obligatoryjne: pasmo czstotliwoci drga tumionych – skuteczno tumienia sygnaów o niskich, rednich i wysokich czstotliwociach, stopie trudnoci w identyfikacji parametrów urzdzenia dla poszczególnych stanów pracy, dynamika ukadu w odpowiedzi na wymuszenia harmoniczne i losowe oraz szybkozmienne, moliwoci w zakresie obniania duych amplitud sygnau, spenienie norm w zakresie redukcji drga do poziomu dopuszczalnego, sterowanie – moliwo adaptacji do zmiennych warunków wymusze i drga. Uwzgldniajc szeroki wachlarz rozwiza siedzisk wyposaonych w system zawieszenia dokonano kompleksowej ich oceny. Oprócz cech w zakresie skutecznoci wibroizolacji ocenie poddano szereg innych parametrów analizowanych ukadów, które decyduj o dostosowaniu siedziska do wymaga normatywnych, technicznych, ekonomicznych i rynkowych. Dlatego kolejnymi elementami poddanymi analizie i ocenie byy kryteria niezawodnoci technicznej, produkcyjne(wytwórcze), obsugi, ergonomiczne, uniwersalnoci i ekonomiczne. Proces budowy ukadu wibroizolacji naley traktowa bowiem jako caociowy proces konstruowania caego siedziska. W procesie projektowania nowego siedziska naley wic uwzgldni inne wymogi zawarte w normach m.in. w zakresie ergonomii i bezpieczestwa, wymiarów gabarytowych i rozmieszczenia konstrukcji siedziska w kabinach pojazdów, jego wytrzymaoci oraz palnoci poszczególnych jego elementów. Realizujc powysz metod wagow w stosunku do konstrukcji zawiesze okrelono gówne kryteria oceny (uwzgldniajc m.in. wyniki analiz przeprowadzonych w rozdziaach poprzednich), a nastpnie kademu kryterium przyporzdkowano grup wymaga, jakie powinien spenia przyszy ukad wibroizolacji operatora pojazdów. Tabela 1 Zestawienie konstrukcji siedzisk z ukadami wibroizolacji Lp. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Rodzaj ukadu elektropneumatyczny elektrohydrauliczny elektromagnetyczny elektromagnetyczny hydromechaniczny magnetoreologiczny Pneumatyczno magnetoreologiczny elektroreologiczny hydromechaniczny hydropneumatyczny Wibroizolacja aktywna aktywna aktywna semiaktywna semiaktywna semiaktywna Oznaczenie A1 A2 A3 S1 S2 S3 semiaktywna S4 semiaktywna pasywna pasywna S5 P1 P2 Metoda oceny wielokryterialnej konstrukcji siedzisk pojazdów 171 Oj Przykadowe wyniki ocen jednostkowych (Oj) dla wybranych kryteriów przedstawiono na rysunkach 3a, 3b. Wykres 3a przedstawia wyniki oceny jednostkowej dla kryterium skutecznoci wibroizolacji, 3b natomiast przedstawia wyniki dla grupy wymaga z kryterium niezawodnoci. Na rys. 4 przedstawiono kompleksow ocen (OR) uzyskan dla analizowanych rozwiza - uwzgldniajc wszystkie kryteria obligatoryjne i podane( i wymagania z nimi zwizane). Uzasadniajc wynik kocowy mona wskaza szereg zalet ukadu S4 (pneumatyczno – magnetoreologicznego), w tym duy zakres sterowania, odpowiedni dynamik, du stabilno w poszczególnych stanach pracy, odporno na wysokie i niskie temperatury oraz zanieczyszczenia, mae zapotrzebowanie na energi i niskie koszty eksploatacyjne, stosunkowo mae wymiary i moliwo zastosowania w rónych konfiguracjach. Natomiast do gównych wad naley zaliczy przede wszystkim zoony proces wytwarzania cieczy magnetoreologicznej o dobrych parametrach i znaczne trudnoci w zastosowaniu efektywnego algorytmu sterowania. 10 8 6 4 2 0 Skuteczno wibroizolacji (KO) A1 A2 A3 S1 S2 S3 S4 S5 P1 P2 Oj a) 10 8 6 4 2 0 Niezawodno techniczna (KO) A1 A2 A3 S1 S2 S3 S4 S5 P1 P2 b) Rys. 3. Przykadowe oceny jednostkowe konstrukcji siedzisk pojazdów z uwzgldnieniem wybranych kryteriów o: a) kryterium skutecznoci wibroizolacji, b) kryterium niezawodnoci technicznej 172 Andrzej Ggorowski Ocena kocowa OR 10 8 6 4 2 0 A1 A2 A3 S1 S2 S3 S4 S5 P1 P2 Rys. 4. Ocena kocowa analizowanych rozwiza amortyzowanych siedzisk pojazdów 5. PODSUMOWANIE W artykule zaprezentowano metod oceny wielokryterialnej dla celów wyboru optymalnej struktury siedziska pojazdu przy uwzgldnieniu rónych kryteriów i wymaga konstrukcyjnych. Znaczna ilo wymaga normatywnych, jak i oczekiwa co do przyszych funkcji siedziska (zapewnienie komfortu pracy, bezpieczestwa, ochrony zdrowia) wymusza okrelenie wanoci poszczególnych kryteriów, dlatego metod oparto na ocenie wagowej. Pozwolio to stworzy narzdzie kompleksowej oceny z moliwoci wyboru tylko okrelonych kryteriów oraz elastyczn modyfikacj ich wag. Praktyczne zastosowanie metody pokazano na przykadzie oceny i wyboru siedziska pojazdu przy uwzgldnieniu wibroizolacji, jako kryterium priorytetowego. Obecnie konstrukcje pojazdów musz uwzgldnia ochron ludzi(operatorów maszyn roboczych i pojazdów) przed drganiami[6, 24]. Aby móc zastosowa skuteczne rozwizanie w tym zakresie naley uwzgldni przy wyborze szereg kryteriów dotyczcych warunków eksploatacyjnych pojazdu oraz warunków pracy operatora. Z kolei, aby zapewni odpowiedni dokadno oceny naley w modelu uwzgldni jak najwicej parametrów wpywajcych na kocow jej warto. Dalsze badania autora bd dotyczy metod ocen szczegóowych z uwzgldnieniem wybranych kryteriów. Bibliografia 1. Bezowski A., Metoda oceny wytrzymaoci dugotrwaej kompozytów polimerowych, Kompozyty (Composites) 1(2001)1 s 38-41. 2. Beater P.: Pneumatic Drives, System Design, Modelling and Control, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 2007. 3. Borkowski W., Konopka St., Prochowski L. Dynamika maszyn roboczych, WNT, 1996 Metoda oceny wielokryterialnej konstrukcji siedzisk pojazdów 173 4. Choi SB, Choi YT, Chang EG, Han SJ. Control characteristics of a continuously variable ER damper. Mechatronics 1998;8:143-161. 5. Choi SB , H.K. Lee, E.G. Chang. Field test results of a semi-active ER suspension system associated with skyhook controller. Mechatronics 11/ (2001), pp. 345-353. 6. Dyrektywa 2002/44/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 25 czerwca 2002 r. w sprawie minimalnych wymaga w zakresie ochrony zdrowia i bezpieczestwa dotyczcych naraenia pracowników na ryzyko spowodowane czynnikami fizycznymi (wibracji) (szesnasta dyrektywa szczegóowa w rozumieniu art. 16 ust. 1 dyrektywy 89/391/EWG). 7. Dyrektywa 2005/39/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 7 wrzenia 2005 r. zmieniajca dyrektyw Rady 74/408/EWG w sprawie pojazdów silnikowych w odniesieniu do siedze, ich punktów mocowania i zagówków. 8. Fuller, C.R., S.J. Elliott, and P.A. Nelson. Active control of vibration. 1996, London: Academic Press. 9. Ggorowski A.: Ustalenie metod badawczych dajcych podstaw dla przeprowadzenia weryfikacji odpowiednich rozwiza moliwych do zastosowania w budowie siedzenia operatora maszyn roboczych. Projekt badawczy nr 01 05/10/2010 Przedsibiorstwa Innowacyjno -Wdroeniowego, Grzegorz Janiewicz Wichrowe Wzgórze 10/62, 61-674 Pozna, 2010. 10. Ggorowski A.: Budowa teoretycznego modelu optymalnego rozwizania technicznego ukadu wibroizolacji gwarantujcego spenienie norm , w tym ; konstrukcyjnych , technicznych , technologicznych i uytkowych (dla ukadu amortyzujcego do foteli operatorów maszyn roboczych i pojazdów). Projekt badawczy nr 01 05/10/2010 Przedsibiorstwa Innowacyjno -Wdroeniowego, Grzegorz Janiewicz Wichrowe Wzgórze 10/62, 61-674 Pozna, 2010/2011. 11. ISO 10326-1 1992 Mechanical vibration -- Laboratory method for evaluating vehicle seat vibration -Part 1: Basic requirements. 12. ISO 2631-1:1997: Mechanical Vibration and Shock - Evaluation of human exposure to whole-body vibration, Part 1, General Requirements, International Standards Office, Switzerland, Geneva, 1997 13. ISO 7096 Earth-moving machinery – Laboratory evaluation of operator seat vibration, 2000. 14. Jinhua MI, Yanfeng LI, Huang H-Z, LIU. Y, Zhang X-L.: Reliability analysis of multi-state system with common cause failure based on bayesian networks. Eksploatacja i niezawodnosc – Maintenance and Reliability 2013; 15 (2): 169–175. 15. Lai C. Y, Liao W H.: Vibration Control of a Suspension System via a Magnetorheological Fluid Damper. Journal of Vibration and Control, Sage Publications 2002/ 8: 527-547,. 16. Lang F.G., Kirk T.G., McCormac A., Wilson, R.J., Wilson, J.N., “An electrohydraulic seat suspension system for off-highway vehicles”, College of Engineering, University of Saskatchewan, 1988. 17. Mead, D.J., Passive vibration control. 1999. London: John Wiley & Sons Ltd. 18. Niewczas A.: A method of speed-up reliability evaluation of the internal combustion engine, Eksploatacja i Niezawodnosc - Maintenance and Reliability 1(4)/2000, 16-23. 19. PN-ISO 11112:1998 Maszyny do robót ziemnych. Siedzisko operatora. Wymiary i wymagania 20. PN-EN 14253:2008 Drgania mechaniczne -- Pomiar i obliczanie zawodowej ekspozycji na drgania o ogólnym dziaaniu na organizm czowieka dla potrzeb ochrony zdrowia -- Wytyczne praktyczne. 21. PN-ISO 4253:1996 Cigniki rolnicze -- Usytuowanie siedziska operatora – Wymiary. 22. PN-ISO 5353:1998 Maszyny do robót ziemnych, cigniki i maszyny rolnicze i lene -- Punkt bazowy siedziska. 23. PN-EN 30326-1 2000 Drgania mechaniczne. Laboratoryjna metoda oceny drga siedziska w pojedzie. Wymagania podstawowe. 24. Rozporzdzenie Ministra Gospodarki i Pracy z dnia 5 sierpnia 2005 r. w sprawie bezpieczestwa i higieny pracy przy pracach zwizanych z naraeniem na haas lub drgania mechaniczne. DzU nr 157, poz. 318. 25. Skarbiski M., Skarbiski J., Technologiczno konstrukcji maszyn. WNT, Warszawa. 1987. 26. Song, X. , Ahmadian, M.: Study of Semiactive Adaptive Control Algorithms with Magneto-Rheological Seat Suspension. In: 2004 SAE World Congress, Detroit, Michigan, March 8–11, 2004 SAE International 2004-01-1648, 2004. 27. Soong, T.T., Active structural control: theory and practice. 1990. New York: John Wiley & Sons. 174 Andrzej Ggorowski 28. Tomaszek H, Jasztal M, Zieja M. A simplified method to assess fatigue life of selected structural components of an aircraft for a variable load spectrum. Eksploatacja i Niezawodnosc - Maintenance and Reliability 2011; 4: 29-34. A METHOD FOR MULTI-CRITERIA EVALUATION OF VEHICLE SEAT STRUCTURE Summary: Using an appropriate vehicle seat structure is important both in terms of comfort, safety and health protection to the vehicle operator. This paper presents a method for multi-criteria evaluation of vehicle seat structure. It allows for the optimal choice of seat and closely align to the vehicle structure and the requirements and expectations of the user. The proposed tool provides both a comprehensive assessment of how and analysis, taking into account only the selected criteria or specific operating conditions. Presents both the algorithm and the method of practical application examples including the main priority criterion, namely the vibration reduction which adversely affect the vehicle operator. Keywords: method of assessment, the vehicle seat, vibration isolation system