CC BY
2
¡Полетайкин В. Ф.|, Авдеева Е. В., Шпагин Д. Е., Ровных Н. Л., Сухенко Н. В. Анализ нагрузок на элементы конструкции ... УДК 630.377.4
Хвойные бореальной зоны. 2022. Т. ХЬ, № 3. С. 216-218
АНАЛИЗ НАГРУЗОК НА ЭЛЕМЕНТЫ КОНСТРУКЦИИ ЛЕСНОЙ МАШИНЫ
В ПРОЦЕССЕ ОСТАНОВКИ
В. Ф. Полетайкин, Е. В. Авдеева, Д. Е. Шпагин, Н. Л. Ровных, Н. В. Сухенко
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газеты «Красноярский Рабочий», 31
E-mail: e.v.avdeeva@gmail.com
Для обеспечения достаточной продольной устойчивости, равномерного распределения силы тяжести по опорной поверхности гусениц и, следовательно, создания меньшего удельного давления на грунт, грузовой ход лесопогрузчика производится при вертикальном положении стрелы, что обуславливает возникновение значительных нагрузок при остановке машины с грузом. В статье представлены результаты моделирования динамики нагрузок на рабочее оборудование и корпус лесопогрузчика в режиме остановки с учетом влияния эксплуатационных факторов. Точность результатов при этом зависит от полноты учета факторов, оказывающих влияние на работу машины и, следовательно, на нагруженность элементов конструкции машины. Однако стремление к полному охвату факторов приводит к необходимости составления большого числа уравнений, что усложняет математический аппарат и отрицательно влияет на точность результатов. Поэтому при составлении эквивалентных динамических систем должны учитываться только важнейшие факторы, что позволяет упростить математические модели без ущерба точности поучаемых данных.
Ключевые слова: лесопогрузчики, режим остановки, нагрузки, эксплуатационные факторы.
Conifers of the boreal area. 2022, Vol. XL, No. 3, P. 216-218
ANALYSIS OF LOADS ON THE STRUCTURAL ELEMENTS OF THE FOREST MACHINE
DURING STOPPING
V. F. Poletaykin, E. V. Avdeeva, D. E. Shpagin, N. L. Rovnykh, N. V. Sukhenko
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii Rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: e.v.avdeeva@gmail.com
To ensure sufficient longitudinal stability, uniform distribution of gravity over the supporting surface of the tracks and, therefore, creating a lower specific pressure on the ground, the loader's cargo travel is carried out with the boom in the vertical position, which causes significant loads when the machine is stopped with a load. The article presents the results of modeling the dynamics of loads on the working equipment and the body of the logger in the stop mode, taking into account the influence of operating factors. The accuracy of the results depends on the completeness of accounting for factors affecting the operation of the machine and, therefore, on the loading of the structural elements of the machine. However, the desire to fully cover the factors leads to the need to draw up a large number of equations, which complicates the mathematical apparatus and negatively affects the accuracy of the results. Therefore, when compiling equivalent dynamic systems, only the most important factors should be taken into account, which makes it possible to simplify mathematical models without sacrificing the accuracy of the data obtained.
Keywords: loggers, stop mode, loads, operational factors.
ВВЕДЕНИЕ
Динамические нагрузки, возникающие при работе лесопогрузчиков на неустановившихся режимах, значительно превышают статические, поэтому учет их при проектировании является обязательным. Величина и характер действия нагрузок, влияние на их уровень конструктивных и эксплуатационных факторов определяется моделированием процессов функционирования систем, включая процесс остановки машины с грузом. Величину и характер действия динамических нагрузок на стадии проектирования можно опре-
делить из решения дифференциальных уравнений, описывающих движение масс при возмущающих воздействиях. Точность результатов при этом зависит от полноты учета факторов, оказывающих влияние на работу машины и, следовательно, на нагруженность элементов конструкции машины. Однако стремление к полному охвату факторов приводит к необходимости составления большого числа уравнений, что усложняет математический аппарат и отрицательно влияет на точность результатов. Поэтому при составлении эквивалентных динамических систем должны
Хвойные бореальной зоны. XL, № 3, 2022
учитываться только важнейшие факторы, что позволяет упростить математические модели без ущерба точности поучаемых данных
Цель исследований. Анализ нагрузок на элементы конструкции лесопогрузчика в режиме остановки машины с грузом с учетом влияния эксплуатационных факторов.
Задачи исследования: разработать расчетные схемы и математические модели; выполнить моделирование движения лесопогрузчика в режиме остановки с грузом учетом влияния на величину возникающих нагрузок эксплуатационных факторов.
МЕТОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ
ИССЛЕДОВАНИЙ
В статье использован метод математического моделирования режима остановки машины с грузом. Для исследования нагрузок на элементы конструкции в режиме остановки лесопогрузчиков разработана расчетная схема [1], представленная на рисунке.
Рис. 1. Расчетная схема для исследования режима остановки лесопогрузчика
Обозначения, принятые на рис. 1: т1 - масса подвижных частей рабочего оборудования, динамически приведенная к концу стрелы; т2
- масса жесткого груза, приведенная к концу стрелы; т'2,т"2- массы вершинной и комлевой частей расчетных деревьев, приведенные в их центры тяжести; т3
- подрессоренная масса базовой машины и неподвижных частей рабочего оборудования; СС, С' С'3, С\,
- приведенные жесткости, соответственно, стрелы, гидросистемы, рессор передней подвески корпуса; С2, С2' - изгибная жесткость вершинной и комлевой частей деревьев, приведенные в центры масс; С3 -жесткости передней подвески базовой машины; К'с, К' К3 - приведенные демпфирующие сопротивления, соответственно, стрелы, гидросистемы, рессор
передней подвески корпуса; К'2, К"2 - демпфирующие сопротивления, вершинной и комлевой частей деревьев; а - перемещения корпуса при продольно-угловых колебаниях; у6 - перемещения массы т3 в направлении оси у при продольно -угловых колебаниях; 13,14 - расстояния от продольной оси машины до центров приведенных масс вершинной и комлевой частей расчетного дерева; 1С - длина стрелы; НК - высота корпуса базовой машины. Другие обозначения понятны из рис. 1.
Динамическая система включает в себя приведен-¡2, т2, т2, т3, соединенные упру-
ные массы m
гими связями, представленными на схеме приведенными жесткостями элементов конструкций рабочего оборудования, груза и базовой машины. По числу приведенных масс и обобщенных координат система обладает четырьмя степенями свободы. Движение
! !! !! -масс m1, m2, m2, m3 может быть охарактеризовано линейными Z1 , Z2 , Z3 , y6 или угловыми перемещениями аС, аК, у2 , у3. При разгоне и остановке лесопогрузчика на элементы конструкции рабочего действуют силы инерции масс в направлении оси Z (рис. 1). За точки их приложения принимаются центры приведения масс. Под действием сил инерции масс возникают вынужденные колебания упругих элементов динамической системы. Для системы с четырьмя степенями свободы (рис. 1) получена система из четырех неоднородных дифференциальных уравнений второго порядка (1) [1]:
m2/3 у2 + С2 (Z2 - Z1 )¡3 + К3 (( - Z1 )l3 = Q2 (t) , m2l2 Y3 + C2 (Z3 - Z1 ) + K (Z3 - Z ) ¡4 = 04 (t),
m1 ¡CаC + C1 (aC - aK )lC + K1 (аС - ak )lC -
- C2 (Z2 - Z1 ) )C - K2 (Z2 - Z1 ) ¡C -
- K2( -Z ))c = Q1 (t),
(1)
m^R2 а K + K3 а KR12 + C3 а KR12 -
- C1 (ас - а k )с '(( + hK )-
- K1 (ас-ак)lc (¡с + hK)= Q3 (t).
Здесь Я1 = ^ А2 + йК.
Правые части уравнений (1) представляют собой выражения возмущающих воздействий на элементы динамической системы. В рассматриваемом режиме они равны моментам от сил инерции масс в переносном движении относительно оси заднего балансира базовой машины (точка Б, рис. 1). Для режима остановки лесопогрузчика с грузом правые части уравнений получены в следующем виде:
Q1 (t ) =
mR
'(( + h )2
9,81/(( + h)
R2
Q2 (t) = m2)3 • 9,81-/, Q4 (t) = m2 ¡4 • 9,81- /,
(2)
(3)
(4)
¡Полетайкин В. Ф.|, Авдеева Е. В., Шпагин Д. Е., Ровных Н. Л., Сухенко Н. В. Анализ нагрузок на элементы конструкции
Pg,kH
40 30 20 10 0
20 30 40
Рис. 2. Динамические нагрузки на рабочее оборудование при остановке: 1 - V = 1,1 м/с; / = 0,1; 2 - V = 0,9 м/с; /= 0,1; 3 - V = 0,7 м/с; 4 - V = 0,7 м/с; / = 0,2; 5 - V = 0,9 м/с; / = 0,2; 6 - V = 1,1 м/с; /= 0,2; 7 - V = 1,1 м/с; / = 0,2
P,kH
60 40 20 0
20 40 60 80
Рис. 3. Динамические нагрузки на корпус и ходовую систему при остановке: 1 - V = 0,7 м/с;/ = 0,1; 2 - V = 0,9 м/с; / = 0,1; 3 - V = 1,1 м/с; 4 - V = 1,1 м/с; / = 0,2; 5 - V = 0,9 м/с; / = 0,2; 6 - V = 0,7 м/с; / = 0,2; 7 - V = 0,7 м/с; / = 0,3; « - V = 0,9 м/с; / = 0,3; 9 - V = 1,1 м/с; / = 0,3
а (* )=(-
= (( + m3R
^ 9,81 • f • ho
R
(5)
Здесь / - коэффициент сопротивления движению лесопогрузчика. Остальные обозначения понятны из рисунка (1).
При остановке лесопогрузчика с жестким грузом момент силы инерции масс т1 + т2 равен
Q1 (t) = ¡Л.2 + (m + т2 ) A42 +(( + )
9,81f ( + h )
R2
(6)
Моделирование динамики нагрузок на элементы конструкции лесопогрузчика в режиме остановки выполнено на основе системы уравнений (1) и выражений правых частей уравнений (2), (3), (4), (5) с использованием технических характеристик гусеничного лесопогрузчика класса грузоподъемности 35 кН. Результаты исследований представлены на рис. 2 и 3.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Уровень динамических нагрузок при остановке лесопогрузчика без торможения определяется условиями движения. С увеличением коэффициента сопротивления движению нагрузки нарастают. Так, при изменении /от 0,1 до 0,3 нагрузки на рабочее оборудование возрастают в 2,2 раза, на корпус и ходовую систему - 2,96 раза.
2. Величина скорости машины к моменту начала остановки существенного влияния на динамические
нагрузки не оказывает. Повышение нагрузок в режиме остановки при скорости 1,1 м/с и 0,7 м/с составляет 8,5...17 % (рис. 2 и 3).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ССЫЛКИ
1. Редькин А. К. Основы моделирования и оптимизации процессов лесозаготовок : учеб. пособие. М. : Лесная пром-сть, 1988. 256 с.
2. Полетайкин В. Ф. Прикладная механика лесных подъемно-транспортных машин. Лесопогрузчики гусеничные : монография. Красноярск : СибГТУ, 2010. 247 с.
3. Александров В. А. Моделирование технологических процессов лесных машин : монография. М. : Экология, 1995. 257 с.
REFERENSCES
1. Redkin A. K. Bases of modeling and optimization of processes of logging : manual. M. : Forest industry, 1988. 256 p.
2. Poletaykin V. F. Applied mechanics of forest hoist-ing-and-transport cars. Caterpillar loggers : monograph. Krasnoyarsk, 2010. 247 p.
3. Alexandrov V. A. Modeling of technological processes of forest cars : monograph. M. : Ecology, 1995. 257 p.
© Полетайкин В. Ф., Авдеева Е. В.
Шпагин Д. Е., Ровных Н. Л., Сухенко Н. В., 2022
Поступила в редакцию 15.06.2021 Принята к печати 01.06.2022
