Анализ нагрузок при движении лесопогрузчиков через препятствия Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Полетайкин В. Ф. Анализ нагрузок при движении лесопогрузчиков через препятствия ... УДК 630.370.4

Хвойные бореальной зоны. Том XXXV, № 3-4. С. 110-114 АНАЛИЗ НАГРУЗОК ПРИ ДВИЖЕНИИ ЛЕСОПОГРУЗЧИКОВ ЧЕРЕЗ ПРЕПЯТСТВИЯ

В. Ф. Полетайкин

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Рассмотрены внешние динамические нагрузки на корпус базового трактора и рабочее оборудование гусеничных лесопогрузчиков классов грузоподъемности 25, 35, 63 кН. При движении через препятствия одновременно двумя бортами под действием сил инерции масс в переносном движении возникают продольно-угловые колебания и связанные с ними внешние динамические нагрузки в продольно-вертикальной плоскости. При движении через препятствие одним бортом возбуждаются поперечно-угловые колебания и внешние нагрузки в боковом направлении. Учет этих нагрузок при выполнении расчетов прочности металлоконструкции и гидропривода в процессе проектирования лесопогрузчиков позволяет повысить надежность машин и эффективность их использования. При анализе нагрузок принималось допущение о движении лесопогрузчика через препятствия косинусоидального профиля. Возникающие при этом внешние нагрузки (входные сигналы) изменяются по этому же закону. При рассмотрении линейных динамических систем, подчиняющихся принципу суперпозиции, принимается положение о том, что нагрузки на выходе системы (выходные сигналы) изменяются во времени по закону изменения входных воздействий (входных сигналов), но отличаются по частоте и сдвинуты по фазе на некоторый угол. Полученные результаты позволяют выполнять анализ динамических нагрузок на элементы конструкции лесопогрузчиков трех классов грузоподъемности с учетом влияния ряда факторов (размеры препятствий, скорость движения машины, вид транспортируемого груза и другие).

Ключевые слова: лесопогрузчики гусеничные, корпус, рабочее оборудование, динамические нагрузки.

Conifers of the boreal area. Vol. XXXV, No. 3-4, P. 110-114

THE ANALYSIS OF LOADINGS AT THE MOVEMENT OF LOGGERS THROUGH OBSTACLES

V. F. Poletajkin

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

In article external dynamic loads of the case of a basic tractor and the working equipment of caterpillar loggers of classes of the loading capacity 25, 35, 63 kN are considered. At the movement through obstacles at the same time longitudinally angular fluctuations and the related external dynamic loadings in the longitudinally vertical plane arise two boards under the influence offorces of inertia of masses in the figurative movement. At the movement through an obstacle one board excites cross and angular fluctuations and external loadings in the lateral direction. The accounting of these loadings when performing calculations of durability of a metal construction and hydraulic actuator in the course of design of loggers allows to increase reliability of cars and efficiency of their use. In the analysis of loadings the assumption about the movement of a logger through obstacles of a cosinusoidal profile was accepted. The external loadings (entrance signals) arising thus change under the same law. By consideration of the linear dynamic systems submitting to the principle of superposition situation that loadings at the exit of system (output signals) change in time under the law of change of entrance influences (entrance signals) is accepted, but differ on frequency and are shifted on a phase on some corner. The received results allow to make the analysis of dynamic loads of elements of a design of loggers of three classes of loading capacity taking into account influence of a number offactors (the sizes of obstacles, speed of the movement of the car, a type of the transported freight and others).

Keywords: loggers caterpillar, the case, the working equipment, dynamic loadings.

Постановка задачи

Лесопогрузчики перекидного типа различной грузоподъемности на базе лесопромыщленных тракторов широко применяются в лесной промышленности России при заготовке древесного сырья в виде хлыстов и

деревьев с кроной. С учетом того, что 75 % древесного сырья заготавливается в таком виде, эти машины будут широко использоваться и в дальнейшем. Исходя из этого, вопросы повышения технического уровня лесопогрузчиков являются актуальными. При погруз-

ке древесного сырья в виде хлыстов и деревьев с кроной гусеничные лесопогрузчики в процессе грузового хода преодолевают различные препятствия. При этом возникают сложные динамические процессы взаимодействия элементов конструкции лесопогрузчика с предметом труда и опорной поверхностью. Так, при движении лесопогрузчика через препятствия одновременно двумя бортами под действием сил инерции масс в переносном движении возникают продольно-угловые колебания и связанные с ними внешние динамические нагрузки в продольно-вертикальной плоскости. При движении через препятствие одним бортом возбуждаются поперечно-угловые колебания и внешние нагрузки в боковом направлении. В соответствии с принятой технологией погрузочных работ грузовой ход лесопогрузчиков перекидного типа выполняется при вертикальном или близком к нему положении грузовой стрелы. Это диктуется необходимостью обеспечения достаточной продольной устойчивости машины против опрокидывания, равномерного распределения силы тяжести машины и груза по опорной поверхности гусениц и, следовательно, создания меньшего удельного давления на грунт. Однако при этом увеличивается высота расположения центра массы груза, что приводит к увеличению моментов внешних нагрузок на элементы конструкции машины. Учет этих нагрузок при выполнении расчетов прочности металлоконструкции и гидропривода в процессе проектирования лесопогрузчиков позволяет повысить надежность машин и эффективность их использования.

Динамические нагрузки на элементы конструкции гусеничных лесопогрузчиков при движении с грузом через препятствие

Динамические нагрузки на элементы конструкции, возникающие в режиме грузового хода, при проектировании лесопогрузчиков могут быть учтены непосредственно в расчетах, если их значения установле-

ны заранее, или введением в расчеты коэффициентов динамики (Кд ), если известны статические, но неизвестны действительные значения динамических нагрузок.

Под коэффициентом динамики в данном случае понимается отношение динамической нагрузки к статической, т. е.

Кд = ( Рд + РСТ )/ PCT = 1 + РдР ,(1)

/ •'СТ

где Рд - динамическая нагрузка (сила, момент силы); PCT - статическая нагрузка.

На величину динамических нагрузок на элементы конструкции лесопогрузчика в процессе грузового хода оказывает влияние большое количество факторов. Наибольшее влияние оказывают скорость движения машины, высота препятствий, условия движения (коэффициенты сопротивления движению f и сцепления фСц). Кроме этого существенное значение имеет вид транспортируемого груза (хлысты, сортименты), тип подвески корпуса трактора (жесткая, полужесткая, эластичная), жесткость рабочего оборудования.

Источником возбуждения вынужденных колебаний упругих элементов лесопогрузчика являются силы инерции масс в переносном движении, т. е. силы инерции, возникающие при движении через препятствие. Указанные силы, возбуждая относительные перемещения масс при динамических деформациях в процессе упругих колебаний элементов конструкции, повышают общий уровень нагруженности конструкции.

На рис. 1 представлена расчетная схема для определения сил инерции масс и их моментов в переносном движении в продольно-вертикальной плоскости при перемещении гусеничного лесопогрузчика через препятствие одновременно двумя бортами.

Рис. 1. Расчетная схема определения сил инерции масс при движении лесопогрузчика через препятствие: т1, т2 -массы рабочего оборудования и груза, приведенные к концу стрелы; т3 - подрессоренная масса трактора и неподвижных частей рабочего оборудования; Я, Я3 - радиусы инерции масс; 1С - длина стрелы; а(1:) - угловое перемещение корпуса трактора

Силы инерции масс mi в переносном движении и их моменты относительно оси заднего балансира ходовой системы лесопогрузчиков трех классов грузоподъемности (25, 35, 63 кН) определялись по основным уравнениям динамики:

а, (Г) = т№), (2)

мг (/) = зг 6,

где /г,"(/) - ускорение масс в переносном движении; к, у) - перемещение центров масс в переносном движении при переезде препятствия; Ji - моменты инерции масс относительно оси заднего балансира; 6 = а у) - угловое ускорение центров масс; а(/) -угол поворота (угловое перемещение) корпуса трактора относительно оси заднего балансира (рис. 1). При определении к, (/) и к"^) исходим из допущения о том, что машина движется по неровностям пути косинусоидального профиля, который описывается выражением вида

к(Г) = (1 - 008 2ли/ / Ь),

(3)

где Щ) - текущее значение высоты препятствия; и -скорость движения машины; Ь - длина препятствия; t - время движения машины через препятствие. Вынужденные колебания в этом случае являются следствием кинематического возбуждения и действия сил инерции масс в переносном движении. Скорость пе-

реносного (вертикального) перемещения - к'((), ускорение - к" (^ .

Угловые перемещения масс в переносном движении а^), выраженные через вертикальные И^) и

размеры ходовой системы (рис. 1) определялись по выражению

аЦ) = Щ)КП / А, где А - база трактора; КП - коэффициент, учитывающий влияние размеров звеньев кинематики ходовой системы трактора на вертикальные перемещения масс при движении через препятствие. По физическому смыслу коэффициент КП представляет собой передаточное число кинематической схемы ходовой системы (табл. 1).

На рис. 2 показана схема ходовой системы трактора ТТ-4М (базы лесопогрузчиков класса 35.42 кН), в табл. 2 - размеры звеньев кинематики.

Момент силы инерции массы т1 в переносном движении

И^) = + т1 Я2)а (t). (4) При А1 > А4 (рис. 1 - наклонное положение стрелы):

Я = А12 + (Ик + кн )2. (5) Здесь кя =,] 12 - (А - А4)2, где JCl - центральный момент инерции массы т1.

Таблица 1

Значения коэффициентов КП

Пары опорных катков, интервалы времени t¡ Грузоподъемность лесопогрузчика, кН

25 35 63

1. 0 < t1 < Т 11// = 0,6176 11// = 0,6176 11// = 0,6176

2. Т < t2 < 2Т 12 // = 0,3823 12 // = 0,3823 12 // = 0,3823

3. 2Т < tэ < 3Т 12 // = 0,3823 а1/ р = 0,2363 0,5/ // = 0,5

4. 3Т < t4 < 4Т 11// = 0,6176 ^ = 0,292 1р = 0,5 /

5. 4Т < t5 < 5Т - = 0,4716 1р /2 / / = 0,3823

6. 5Т < t6 < 6Т - - /1/ / = 0,6176

Таблица 2

Размеры звеньев кинематики ходовой системы трактора ТТ-4М, м

l li l2 b a1 P Pi a C

0,68 0,42 0,26 0,84 0,26 1,1 0,335 43° 0,211

Таблица 3

Значения Q (t), Mi (t) в интервалы 0 й й 6T

Обозначения

Интервалы времени tj

величин 0-Т Т-2Т 2Т-3Т 3Т-4Т 4Т-5Т 5Т-6Т

Кл. 25кН

Q1(t), кН 18,657 11,54 11,54 18,65 - -

Q2(t) 8,634 5,344 5,344 8,643 - -

Q2(t) 16,672 10,32 10,32 16,67 - -

Q3(t) 25,713 16,91 16,91 25,71 - -

M1(t), кНм 77,959 48,25 48,25 77,95 - -

m 2(t) 35,949 22,2 22,25 35,94 - -

M2(t) 69,42 42,97 42,97 69,42 - -

M3(t) 43,786 26,1 27,10 43,78 - -

Кл.35 кН

Q1(t), кН 26,166 16,8 10,39 12,84 20,74 -

Q2(t) 9,696 6,001 3,709 4,584 7,246 -

Q2(t) 21,498 13,70 8,225 10,16 16,41 -

Q3(t) 23,2 14,3 8,876 10,96 16,71 -

M1(t), кНм 135,35 87,7 51,78 63,99 103,9 -

M 2(t) 48,188 29,8 18,43 22,78 36,79 -

m 2(t) 105,943 66,13 40,87 50,51 81,58 -

M3(t) 42,283 28,65 17,708 21,882 35,342 -

Кл.63 кН

Q1(t), кН 22,78 14,1 18,44 18,44 14,1 22,78

Q2(t) 13,78 8,53 11,15 11,15 8,53 13,78

Q2(t) 26,53 16,42 21,48 21,48 86,42 26,53

M1(t), кНм 124,64 77,15 200,9 100,9 77,15 124,64

M 2(t) 75,140 46,51 60,83 60,83 46,51 75,124

m 2(t) 144,67 89,55 117,12 117,12 89,55 144,67

Угол поворота системы относительно оси заднего балансира при движении через препятствие: a(t) = h(t)KП / A. Угловое ускорение:

2 2 2nut (6)

a(t) = б = h(t) кП / a = 2Kn hmax л2 °2

AL2

cos-

L

Момент силы инерции:

М 3(/) = (0Съ + т3 Я2)а(/). (7)

где 3Съ - центральный момент инерции массы т3.

Моменты сил инерции масс т2, т'2, т2 определяются аналогично.

При движении лесопогрузчиков с хлыстами или деревьями колебания вершиной и комлевой частей пакета создают дополнительные нагрузки Q2(t), Q1'(t), М2(/),МЩ), которые определяются по

формулам, аналогичным (1) - (7). Максимальные значения сил и моментов сил при движении лесопогрузчика через препятствия различными опорными катками, полученные в результате исследований, приведены в табл. 3.

Данные табл. 3 показывают, что в режиме грузового хода при переезде препятствий на элементы конструкции лесопогрузчиков воздействуют значительные внешние динамические нагрузки. Наибольшие их значения наблюдаются при переезде препятствий крайними опорными катками. Это обусловлено особенностью конструкции ходовых систем базовых тракторов: крайние опорные катки установлены на меньших плечах относительно оси вращения балансиров, что снижает плавность хода машины и, соответственно, увеличивает динамические нагрузки на машину. Данные нагрузки являются внешними возмущающими воздействиями на элементы динамиче-

ской системы лесопогрузчика (входными сигналами), обуславливают упругие колебания. Закон изменения их во времени детерминирован и определяется функцией профиля преодолеваемых препятствий (косину-соидальный). При исследованиях и расчетах линейных динамических систем, подчиняющихся принципу суперпозиции, принимается положение о том, что нагрузки на выходе системы (выходные сигналы) изменяются во времени по закону изменения входных воздействий (входных сигналов), но отличаются по частоте и сдвинуты по фазе на некоторый угол. Указанные отличия определяются параметрами динамических систем (массами, коэффициентами жесткости, демпфирующими сопротивлениями). Таким образом, полученные результаты позволяют выполнять анализ динамических нагрузок на элементы конструкции лесопогрузчиков трех классов грузоподъемности с учетом влияния ряда факторов (размеры препятствий Ь, Итах, скорость движения машины, вид транспортируемого груза и др.).

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ССЫЛКИ

1. Александров В. А. Моделирование технологических процессов лесных машин : монография. М. : Экология, 1995. 257 с.

2. Полетайкин В. Ф. Прикладная механика лесных подъемно-транспортных машин : монография / СибГТУ. Красноярск, 2010. 247 с.

REFERENCES

1. Aleksandrov V. A. Modelirovaniye tekhnologi-cheskikh protsessov lesnykh mashin : monografiya. M. : Ekologiya, 1995. 257 s.

2. Poletaykin V. F. Prikladnaya mekhanika lesnykh pod"yemno-transportnykh mashin : monografiya / SibGTU. Krasnoyarsk, 2010. 247 s.

© Полетайкин В. Ф., 2017

Поступила в редакцию 25.09.2017 Принята к печати 20.11.2017