ДИНАМИЧЕСКИЕ НАГРУЗКИ НА ЭЛЕМЕНТЫ КОНСТРУКЦИИ ГУСЕНИЧНЫХ ЛЕСОПОГРУЗЧИКОВ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 630.370

Хвойные бореальной зоны. 2018. Т. XXXVI, № 3. С. 253-258

ДИНАМИЧЕСКИЕ НАГРУЗКИ НА ЭЛЕМЕНТЫ КОНСТРУКЦИИ ГУСЕНИЧНЫХ ЛЕСОПОГРУЗЧИКОВ

В. Ф. Полетайкин

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

Е-mail: poletaikin_vf@mail.ru

Лесопогрузчики перекидного типа грузоподъемностью от 25 до 42 кН 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. Повышение производительности лесопогрузчиков связано с решением вопросов повышения грузоподъемности и быстродействия механизмов, скоростей движения, улучшения условий труда операторов. Однако интенсификация режимов работы обуславливает повышение уровня динамических нагрузок на элементы конструкции, возникающих под действием внешних возмущений. При проведении исследований и расчетов на стадии проектирования внешние возмущения рассматриваются либо в виде нагрузок, закон изменения которых во времени задан (детерминирован), либо в виде стационарных случайных процессов, характеристики которых определяются экспериментальными исследованиями. Рассмотрены вопросы определения динамических нагрузок на элементы конструкции гусеничных лесопогрузчиков методом математического моделирования режимов движения машины с грузом при детерминированных внешних воздействиях.

Ключевые слова: гусеничные лесопогрузчики, динамические нагрузки, элементы конструкции, математическое моделирование.

Conifers of the boreal area. 2018, Vol. XXXVI, No. 3, P. 253-258 DYNAMIC LOADINGS ON ELEMENTS OF THE CRAWLER LOADER DESIGN

V. F. Poletajkin

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: poletaikin_vf@mail.ru

Overloader from 25 to 42 kN on the basis of timber industry tractors are widely applied by loading capacity in the wood industry of Russia at preparation of wood raw materials in the form of switches and trees with krone. Taking into account that 75 % of wood raw materials are prepared in such look, these cars will be widely used and further. From there, questions of loggers technological level increasing are actual.

Increasing of loggers productivity is connected with the increasing of loading capacity and mechanisms speed , movement speeds, improvement operators working conditions.

However the intensification of operating modes causes increasing of dynamic loads level of design elements , arising under the influence of external indignations. At carrying out researches and calculations at a design stage external indignations are considered or in the form of the loadings which law of change in time is set (is determined), or in the form of the stationary casual processes which characteristics are defined by pilot studies.

In this article questions of dynamic loads definition on crawler loader design elements by the mathematical modeling method of the car movement modes with cargo are considered at the determined external influences.

Keywords: crawler loader, dynamic loadings, design elements, mathematical modeling.

ВВЕДЕНИЕ

Лесопогрузчики перекидного типа грузоподъемностью от 25 до 42 кН 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. Повышение производительности лесопогрузчиков связано с решением вопросов повышения

грузоподъемности и быстродействия механизмов, скоростей движения, улучшения условий труда операторов. Однако интенсификация режимов работы обуславливает повышение уровня динамических нагрузок на элементы конструкции.

РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ

МОДЕЛЕЙ

Исследования [1; 2] показывают, что динамические нагрузки, возникающие при работе лесопогрузчиков, значительно превышают статические, поэтому при проектировании их необходимо учитывать. Величина и характер действующих нагрузок, зависимость их от конструктивных и эксплуатационных факторов определены моделированием режима движения машины с грузом (грузового хода). Универсальным языком математического моделирования динамических систем является язык 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. 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 экви-

валентных динамических моделей учитываются только важнейшие факторы, что позволяет упростить математические модели без ущерба точности поучаемых данных. При движении лесопогрузчика с поднятым в транспортное положение грузом, вследствие воздействий на ходовую систему реакций поверхности пути, возникают упругие колебания элементов систем. При преодолении препятствий одновременно обеими гусеницами возникают продольно - угловые колебания корпуса, рабочего оборудования и груза. Упругими элементами являются рессоры подвески корпуса базового трактора, металлоконструкция и гидросистема рабочего оборудования, вершинная и комлевая части хлыстов.

При разработке моделей исходят из предположения о том, что колебания упругих элементов совершаются с малыми амплитудами, что позволяет описывать состояние систем линейными неоднородными дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами. Использование принципа суперпозиций позволяет уменьшить число степеней свободы системы, что в значительной степени упрощает разработку математических моделей.

На рис. 1 представлена расчетная (эквивалентная) схема гусеничного лесопогрузчика класса грузоподъемности 42 кН на базе лесопромышленного трактора с полужесткой подвеской корпуса.

Рис. 1. Расчетная схема гусеничного лесопогрузчика с полужесткой подвеской корпуса: а - схема размещения упругого груза (хлыстов) в захвате; б - с жестким грузом (сортиментами); 1 - корпус машины; 2 - стрела; 3 - основание поворотное; 4, 5 - гидроцилиндры; 6 - опора

При разработке схемы приняты следующие допущения: характеристики упругих элементов линейны; гусеничные ленты и опорные катки ходовой системы постоянно контактируют с опорной поверхностью.

Обозначения на схеме: т1 - масса рабочего оборудо-

!

вания, динамически приведенная к концу стрелы; т2 - масса вершинной части расчетного дерева, приведенная в его центр тяжести; т2 - масса комлевой части расчетного дерева, приведенная в его центр тяжести; т3 - подрессоренная масса базовой машины и части рабочего оборудования; т!3 - подрессоренная

масса базовой машины и части рабочего оборудова-

!!

ния, приходящаяся на заднюю подвеску; т3 - подрессоренная масса базовой машины и части рабочего оборудования, приходящаяся на переднюю подвеску; С3, СС, С2, С2, СГ - коэффициенты жесткости упругих элементов системы, соответственно, рессор, стрелы, вершинной и комлевой частей дерева, гидросистемы; К3, КС, к2, к2, КГ - коэффициенты демпфирующих сопротивлений в упругих элементах, соответственно, рессор, стрелы, вершинной и комлевой частей расчетного дерева, гидросистемы; 1С - длина стрелы; 13,14 - расстояния от продольной оси машины (оси 2) до центров тяжести вершинной и комлевой частей расчетного дерева. В качестве обобщенных координат системы приняты угловые перемещения аК , аС , р2, р4, соответственно, корпуса относительно оси Б, стрелы относительно оси В, вершинной и комлевой частей дерева относительно оси О. Таким образом, по числу приведенных масс и упругих элементов система обладает четырьмя степенями свободы относительного движения при возбуждении вынужденных продольно-угловых колебаний. В случае движения лесопогрузчика с жестким грузом (сортиментами), система обладает двумя степенями свободы, так как при этом теряются две степени свободы (р2, р4). Параметры т3, уб, с3, к3 динамически приведены к центру приведения массы т1 (точка О).

Работа лесопогрузчика. Тяговым усилием трактора нижняя челюсть захвата 1 внедряется под штабель и с помощью механизма поворота пачка деревьев отделяется и зажимается в захвате. Гидроцилиндрами 4 стрела 2 устанавливается в транспортное положение (под углом 90±20° к оси 2) и лесопогрузчик движется к месту укладки груза. До вертикального положения стрела с грузом под действием усилий на штоках гидроцилиндров 4 вращается относительно оси В. Далее до положения укладки стрела совместно с поворотным основанием 3 под действием усилий на штоках гидроцилиндров 5 вращается относительно оси М. При вращении стрелы относительно оси В поворотное основание опирается на неподвижную опору в точке Е, что обеспечивает снижение нагрузок на гидроцилиндры 5.

Дифференциальные уравнения, описывающие относительное движение приведенных масс в процессе упругих продольно-угловых колебаний динамической системы с четырьмя степенями свободы (движение

лесопогрузчика с хлыстами), показанной на рис. 1, получены в следующем виде:

С2 1

т2* 14

1

т21з

р 2 т (у2 - я) +"г т (у2 - л) = 02«

т2 1з т2 1з

с11 1 к11 1

|3 4 + • - (у4 - л) +^7 • - (у4 - у1) = 04«^

т12ч;

(С +—1 (аС - аК) —— ((С - (хк) -т1 т1

С • 1

т1 1С

к2 1

(У2 - У1)--- ~ (у 2 - у\) -

т1 С

(1)

С11 1 к11 1 1

- т • -(У4 - У1)-—• , (у 4 - У)=т—т

т1 1С т1 1С т11С

С3 „ С1 1СА1

((с -ак) -

ак+< а к+< ак - т7'

Л • 1-4(ас-а к)=езс ^

тЗ1 А

т^1 А2

Дифференциальные уравнения, описывающие состояние системы с двумя степенями свободы (движение лесопогрузчика с сортиментами) получены в следующем виде:

ас + 2^б (ас-ак) + юб (ас-ак) =

= ( +1 );2 • 01 ('),

(т1 + т2 ))

„ ■ 2 С • А1 2, ч (2)

ак + ^7 ак + *® 7 'ак--АГ ю8 (ас -ак )-

А

-2^8 (ас -ак = -А0 ('),

А т3А

где юг- - парциальные угловые частоты упругих колебаний элементов системы; к - коэффициенты демпфирующих сопротивлений в элементах системы; С^ - коэффициенты жесткости упругих элементов; "Лг- - удельные демпфирующие сопротивления; 0У) - внешние возмущающие воздействия.

Вынужденные колебания упругих элементов лесопогрузчика являются следствием кинематического возмущения от действий реакций поверхности пути и сил инерции масс в переносном движении, возникающих при преодолении машиной препятствий [2]. При этом принимается допущение о том, что профиль препятствия описывается уравнением:

к(Г) = [1 - со5(2л ГГ / Ь)],

(3)

где к($) - текущее значение высоты препятствия; ктах - наибольшая высота препятствия; Ь - длина препятствия; V - скорость движения машины; t - время движения машины через препятствие.

Возмущающими воздействиями на подсистемы динамической системы лесопогрузчика (стрелу, гидросистему, упругий длинномерный или жесткий груз) 0^), 62(0, 03(^), Q4(t) являются моменты сил инер-

ции масс в переносном движении относительно оси заднего балансира подвески корпуса базовой машины (точка Д рис. 1):

Q, (t ) = Ml (t ) = 1г a (t ). [2]

(4)

Угловые перемещения масс в переносном движении а(/) = КПИ(/)/ А, где КП - коэффициент, учитывающий влияние размеров звеньев кинематики ходовой системы трактора на вертикальные перемещения корпуса машины при движении через препятствия различными парами опорных катков [2], при этом тяговое усилие машины принято равным силе тяги по сцеплению.

Угловое ускорение

а(/) = (КПИ(/)/ А)" = 2п У кпИтах со8(2л V/ /1), (5)

АЬ2

С учетом (4), (5) выражения правых частей уравнений (1) получены в следующем виде

Qi(t ) = Mi(t ) = (mr2 + Ici)

2n2V 2 hm AL2

-Cos(2nVt / L),

2n2V 2 h

Q2(t) = M 2 (t ) = (m2 r2 + 1C2)--2— Cos(2n Vt / L),

AL2

2ti2V 2 h

Q4(t) = M 4(t ) = (m21r2 + Il1)--^Cos^n Vt / L),

Q3(t ) = M3 (t ) =-

AL2

gn (Фсц - f)L •A

Kn hmax n Sin(2n Vt / L)

- 2Gn (Фсц - f )V • K3 • A

C3Knhmax Sin2(2nVt/L). Уравнения (2):

Qi (t) = Mi (t) = [(m + m2)r 2 +1C12 ] x

(6)

. 2n2V2hm

' AL2

- Cos(2n Vt / L),

Q3(t ) = M3 (t ) =-

Gn (Фсц - f )l •a

KnhmaxП Sin(2n Vt / L)

2Gn (Фсц - f )V • K3 • A CKnhmax Sin2(2nVt/L).

(7)

препятствии на динамическую нагруженность элементов конструкции установлено при изменении hmax от 0,1 до 0,25 м при V = 0,8 м/с. При этом шаг изменения высоты препятствия Ahmax = 0,05 м. Размеры препятствии приняты по данным [4; 5], интервал скорости - по технической характеристике базовоИ машины. Сопоставительный анализ результатов исследований лесопогрузчиков с упругим и жестким грузом позволил определить степень влияния свойств груза на уровень динамических нагрузок. Исследование влияния эксплуатационных факторов (V, hmax) на величину динамических нагрузок в режиме грузового хода выполнено интегрированием уравнений методом Рунге-Кутта четвертого порядка в системе Match CAD. Шаг изменения аргумента t (время) принимался At = 0,01с. Анализ предварительных результатов показал, что возмущающие воздействия на динамические системы достигают максимальных значений при наезде на препятствие крайних опорных катков, что обусловлено особенностями кинематики ходовой части базовой машины. Учитывая это, интервал интегрирования систем уравнений по времени ограничен временем переезда препятствия первой парой опорных катков.

При моделировании режимов движения машины определялись деформации и перемещения приведенных масс в процессе колебаний упругих элементов под действием внешних возмущений относительно положения равновесия системы, т. е. относительно положения центров масс после деформаций звеньев под действием статических нагрузок. В качестве критерия оценки нагруженности элементов конструкции лесопогрузчиков принимались коэффициенты динамичности нагрузок. При оценке нагрузок на ходовую систему и корпус указанные коэффициенты определялись по выражению:

^ = 1 +

Убс3

P3

= 1 +•

3CT

Уб

y6ct

(8)

где ОП - сила тяжести лесопогрузчика; /- коэффициенты сцепления движителя с грунтом и сопротивления движению лесопогрузчика.

МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ

ДВИЖЕНИЯ ЛЕСОПОГРУЗЧИКА

Моделирование режимов работы и анализ зависимости динамических нагрузок на элементы конструкции лесопогрузчика (стрелу с гидросистемой, корпус, подвеску корпуса) от скорости движения выполнено на математических моделях при следующих условиях: Итах = 0,2 м, Ь = 0,68 м. При этом скорость движения машины варьировалась от 0,7 до 0,9 м/с, шаг дискретизации скорости АУ = 0,1 м/с. Влияние высоты

здесь Р3СТ - статическая нагрузка на упругие элементы подвески от подрессоренной силы тяжести базы рабочего оборудования и груза; у6 - деформация упругого элемента подвески под действием динамических сил, определяемая в результате интегрирования систем уравнений; у6ст - то же под действием статических сил.

у6ст = р3ст /С 3 . (9)

Статическая нагрузка

т3 дА2 +(т1 + т2 ) дА1

p3ct ='

A

(10)

Коэффициент динамичности нагрузок на рабочее оборудование

Kn = 1 + yPoC = 1 +

P

1ct

y1ct

(11)

здесь /jCT =(m1 + m2) q cos ф = y1CTC1 - статическая

нагрузка на рабочее оборудование; ypo - деформация

упругих элементов рабочего оборудования, определяемая из решений систем уравнений; y1CT - статиче-

ская деформация рабочего оборудования; ф - угол наклона стрелы к оси Z в режиме грузового хода (ф = 73°, при этом центр тяжести груза расположен над осью переднего балансира, А = А1, рис. 1). При

этом Ур.О = y1" у6.

Статическая деформация рабочего оборудования:

( m1 + m2 ) q cos ф

y1ct ="

C

(12)

В табл. 1 и 2 приведены значения коэффициентов динамичности нагрузок на элементы конструкции рабочего оборудования, подвески корпуса и ходовой системы лесопогрузчика при движении с грузом через препятствия с различной скоростью. При этом следует отметить, что в соответствии с Техническим описанием и инструкцией по эксплуатации лесопогруз-

чиков движение лесопогрузчика при погрузке и при перегонах допускается на первой и второй передачах и задним ходом, что составляет 0,6-0,9 м/с.

На рис. 2 показаны кривые изменения динамических нагрузок на рабочее оборудование при движении лесопогрузчика первой парой опорных катков через препятствие высотой 0,2 м со скоростью 0,8 м/с. Характер кривых показывает, что при наезде на препятствие динамические нагрузки интенсивно нарастают, достигая максимальных значений через 0,3...0,7 с.

На рис. 3 показаны кривые изменения динамических нагрузок на корпус и ходовую систему при движении через препятствие. Частота их воздействий определяется колебаниями рабочего оборудования и груза.

Таблица 1

Значения коэффициентов динамичности нагрузок при изменении скорости движения (йтах = 0,2)

Элементы конструкции Вид груза Скорость, м/с

0,7 0,8 0,9

Рабочее оборудование (стрела, гидро- Сортименты 3,24 3,72 4,22

система) Хлысты 3,83 4,44 4,93

Подвеска корпуса, ходовая система Сортименты 2,10 2,16 2,28

Хлысты 2,29 2,38 2,48

Таблица 2

Значения коэффициентов динамичности нагрузок при изменении высоты преодолеваемых препятствий ( V = 0,8 м/с, ф = 73°)

Элементы конструкции Вид груза Высота препятствий, Ьшах,м

0,1 0,15 0,2 0,25

Рабочее оборудование (стрела, Сортименты 2,55 2,83 3,72 4,05

гидросистема) Хлысты 2,68 3,65 4,44 5,23

Подвеска корпуса, ходовая система Сортименты 1,51 1,89 2,16 2,32

Рис. 2. Кривые изменения динамических нагрузок на рабочее оборудование при движении лесопогрузчика через препятствие первой парой опорных катков: 1 - с жестким грузом (сортиментами); 2 - с упругим длинномерным грузом (хлыстами)

Рис. 3. Кривые изменения нагрузок на корпус и ходовую систему при движении лесопогрузчика через препятствие: 1 - с жестким грузом (сортиментами); 2 - с упругим длинномерным грузом (хлыстами)

ВЫВОДЫ

1. При движении лесопогрузчика через препятствия на элементы конструкции рабочего оборудования, корпус и ходовую систему воздействуют значительные динамические нагрузки. На рабочее оборудование их величина достигает 110 кН, на корпус и ходовую систему 140 кН. При этом нагрузки носят знакопеременный характер (рис. 2, 3).

2. При увеличении скорости грузового хода от 0,7 м/с до 0,9 м/с динамические нагрузки интенсивно возрастают. При движении лесопогрузчика с сортиментами коэффициенты динамичности нагрузок на рабочее оборудование увеличиваются с 3,24 до 4,22, на подвеску корпуса и ходовую систему от 2,1 до 2,28; при движении с хлыстами, соответственно, от 3,83 до 4,93 и от 2,29 до 2,48.

3. При увеличении высоты препятствия от 0,1 м до 0,25 м коэффициенты динамичности нагрузок на рабочее оборудование возрастают при движении с сортиментами от 2,55 до 4,05, при движении с хлыстами от 2,68 до 5,23. При тех же условиях коэффициенты динамичности нагрузок на подвеску корпуса и ходовую систему возрастают, соответственно, от 1,51 до 2,32 и от 1,67 до 2,61.

4. Коэффициенты динамичности нагрузок на рабочее оборудование при движении через препятствия с хлыстами выше на 20... 22 %, чем при движении с сортиментами, на подвеску корпуса и ходовую систему на 9.12,6 %, что характеризует влияние свойств длинномерного груза на величину динамических нагрузок на элементы конструкции лесопогрузчиков.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ССЫЛКИ

1. Александров В. А. Механизация лесосечных работ в России. СПб. : Изд-во СПбГЛТА, 2000. 208 с.

2. Полетайкин В. Ф. Прикладная механика лесных подъемно-транспортных машин : монография ; Сиб. гос. технологич. ун-т. Красноярск, 2010. 247 с.

3. Гасымов Г. Ш., Александров В. А. Нагрузки в элементах конструкции валочно-пакетирующих машин : монография. СПб. : Изд-во Политех. ун-та, 2009. 155 с.

4. Редькин А. К. Основы моделирования и оптимизации процессов лесозаготовок. М. : Лесная пром-сть, 1988. 256 с.

5. Рыскин Ю. Е. Особенности микропрофиля трелевочных волоков и их статистические характеристики // Труды ЦНИИМЭ. Вопросы создания колесных трелевочных тягачей / ЦНИИМЭ. Химки, 1970. С. 148-157.

REFERENCES

1. Aleksandrov V. A. Mekhanizatsiya lesosechnykh rabot v Rossii. SPb. : Izd-vo SPbGLTA, 2000. 208 s.

2. Poletaykin V. F. Prikladnaya mekhanika lesnykh pod"yemno-transportnykh mashin : monografiya ; Sib. gos. tekhnologich. un-t. Krasnoyarsk, 2010. 247 s.

3. Gasymov G. Sh., Aleksandrov V. A. Nagruzki v elementakh konstruktsii valochno-paketiruyushchikh mashin : monografiya. SPb. : Izd-vo Politekh. un-ta, 2009. 155 s.

4. Red'kin A. K. Osnovy modelirovaniya i optimizatsii protsessov lesozagotovok. M. : Lesnaya prom-st', 1988. 256 s.

5. Ryskin Yu. E. Osobennosti mikroprofilya trelevochnykh volokov i ikh statisticheskiye kharakte-ristiki // Trudy TSNIIME. Voprosy sozdaniya kolesnykh trelevochnykh tyagachey / TSNIIM E. Khimki, 1970. S. 148-157.

© Полетайкин В. Ф., 2018

Поступила в редакцию 10.04.2018 Принята к печати 28.06.2018