Динамические процессы при развороте малогабаритного погрузчика с бортовой системой поворота Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.869

ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ РАЗВОРОТЕ МАЛОГАБАРИТНОГО ПОГРУЗЧИКА С БОРТОВОЙ СИСТЕМОЙ ПОВОРОТА

Л.В. Назаров, профессор, д.т.н., Л.В. Разаренов, ст. преподаватель,

ХНАДУ

Аннотация. Представлена методика расчета поворота малогабаритного фронтального ковшового погрузчика ПМТС-1200 с бортовой системой поворота.

Ключевые слова: пневмоколесный погрузчик, динамическая схема, автоколебания, дифференциальные уравнения.

Введение

Малогабаритные универсальные пневмоко-лесные фронтальные погрузчики с бортовой системой поворота получили широкое применение. Их отличают от классических погрузчиков высокие эксплуатационные показатели, универсальность применения, маневренность, мобильность. Они просты в управлении и обслуживании, их стоимость и эксплуатационные расходы сравнительно небольшие. Завод «ЮЖДормаш» (г. Бердянск) производит малогабаритные погрузчики СМ 0,7 и ПМТС 1200 грузоподъемностью 700 и 1200 кг. Эти машины имеют жесткою раму, две гидростатические трансмиссии, обеспечивающие бортовой поворот машины. Благодаря набору сменного рабочего оборудования они находят широкое применение в промышленном и гражданском строительстве.

Однако малогабаритные погрузчики, производимыми в СНГ, обладают и рядом недостатков: низким качеством гидрооборудования, недостаточной энергонасыщеностью, способностью к интенсивной раскачке при развороте. Все это обеспечивает недостаточную конкурентоспособность зарубежным машинам.

Одним из негативных свойств этой машины является длительный поворот, на который он тратит до 40% времени цикла. Малогабаритные погрузчики могут выполнять разворот

вокруг своего «геометрического центра», но это влечет за собой интенсивные колебания остова машины, что может привести к дискомфортным условиям для водителя и опрокидыванию погрузчика.

Анализ публикаций

Поворот малогабаритного погрузчика с неуправляемыми колесами напоминает поворот гусеничной машины и происходит за счет скольжения шин. Основное условие возможности поворота машин с четырьмя ведущими неуправляемыми колесами определяется соотношением [2]

В ц, '

где Ь,В - соответственно база и колея колесной машины; (р,/,ц - коэффициенты сцепления движителей с опорной поверхностью, сопротивления качению и повороту колесной машины.

Одним из первых, кто занимался изучением поворота гусеничных машин был А.О. Никитин. Он определил сопротивление повороту в зависимости от радиуса. Впоследствии найденную им зависимость применил для колесных машин. А.С. Литвинов. [1]. А.С. Литвинов, Г.А. Смирнов, предложили методику расчета момента сопротивления повороту двухосной колесной машины с передними

управляемыми колесами, когда радиус их поворота не менее колеи. Исследованием криволинейного движения погрузчика СМ 750, аналогичного ПМТС 1200, занимался П.И. Никулин. Однако никто из названных авторов не обратил внимания на способность машин с бортовым поворотом к самовозбуждению интенсивных колебаний.

Цель и постановка задачи

Короткая колесная база и возможность выполнения разворота машины сходу торможением одного из тяговых насосов создают предпосылки к развитию колебаний остова погрузчика, к его опрокидыванию на угол ковша. Поэтому, наряду с оценкой устойчивости машины в нормативных расчетных положениях для обычных колесных погрузчиков, необходим анализ устойчивости короткобазовых машин при их развороте. Кроме возможной потери устойчивости, эти процессы вызывают в трансмиссии дополнительные динамические нагрузки, которые снижают прочность, долговечность деталей ходового оборудования.

Решение задачи

Испытания погрузчика ПМТС 1200 с регулируемыми вручную гидрообъемными передачами ГСТ 90 показали, что при выполнении поворота машина способна войти в режим автоколебаний. Такого рода явление без остановки машины не поддается управлению оператором из-за его собственных колебаний и воздействий на рычаги подачи тяговых насосов.

'и>

м.

24

1,15

+АГ,

где М24 и М13 - моменты сопротивления повороту забегающего и отстающего бортов машины; Вк — колея машины; г|бр и г|м - механические КПД бортового редуктора и гидромотора; г|рр - механический КПД раздаточного редуктора погрузчика; г|г- гидравлический КПД ГСТ, зависящий от скорости движения машины; N - мощность двигателя.

Увеличение скорости разворота машины сверх граничной влечет за собой заглохание двигателя.

При автоколебаниях силу тяги машины можно представить в виде полинома третьей степени

Г = Ф

С

1-0.217--

-0.066-

^П3

гдеср- коэффициент сцепления;О- вес погрузчика; V - скорость скольжения ходовых колес машины.

Для поиска условий самовозбуждения колебаний погрузчик, рассматривался в виде двухмассовой модели с шестью степенями свободы (рис.2).

Рис. 2. Расчетная схема погрузчика

V

2

Рис. 1. Автоколебание погрузчика при выполнении поворота

Граничная скорость, при которой возможен поворот машины на месте, определяется выражением [4]

На основании расчетной схемы малогабаритного погрузчика общие колебания можно рассматривать как три несвязанных друг с другом процесса:

- процесс колебаний центра масс и остова машины в вертикальной, продольной плоскости по координатамX, 2, ср (рис. 3); 7 *

Уз,4

С

5].

У1,2 С

X

Рис. 3. Колебания центра масс и остова машины в вертикальной продольной плоскости по координатам X, Z, ср

- процесс колебаний машины в вертикальной поперечной плоскости по координатам Z, Г, У (рис.4);

В,

С

В

1,3

А,

С

2,4

Рис. 4. Колебания машины в вертикальной поперечной плоскости по координатам

г, г, у

- процесс колебаний в горизонтальной плоскости по координате а (рис. 5);

Рис. 5. Колебания, в горизонтальной плоскости по координате а

На основании уравнений Лагранжа второго рода получены уравнения движения погрузчика при малом перемещении машины

тх = Гф - 2Ст(х - ф/г) - 4А,(х - ф/г) - /(Я2 +Я4) +

Ш/

+/(Д + я3) - ^А Мз - + у;

ту = -4С-к ( у - у/г - а ——-) - 4Х(у - у/г - а ——-) +

В

+т(10 - (х - ф/г — а—))

лп\ ' а~Ъ

1Ш = -4С г - ф

4Л3 г - ф

.( а —Ь

+2 С3 - г + ф К- г ] + 2Х4 [¿3 - г + ф г пуЪ

тк ■ г3 ~ -2 С3 ^ - г + ф(7? - ?') ] 2А,4 ^ - г + ф(Л - г) 7,рф = Гф ■ (-/г) + 4Ст(.т - ф/г)/г + 4Я.(дг - ф/г)/г + +2С(г - фа)а + 2Х3(г - фа)а - 2С(г + фЬ)Ь --2Х3(г + уЬ)Ь - 2 С3(К -г)\_гъ-г + ф г -2 Х4(К -г) ^ - г + ф(Я - г) 3 Гф • /г;

■1,У = 4СХ-КУ- уЬ-а

а-Ь 2

) + 4Х2 ■ к{у - у/г -

-а-^-^-)-СуВ2-Х3уВ2 + т(¥0 -(.т-ф/г-ос^))2/г;

Гн6с = Гф(-у)-СтаВ2 -ХаВ2 +

+2Сх (V - у/г - а а)а + 2 А,, ( V - у/г - а а)а — -2С} (V - у/г + а Ь)Ь - 2Х2 (у - у/г + а Ь)Ь -

73 ГЭ

-дк2 +к4)~+т Р1 -

р2 - р3 - 114К4 р4 +

т у В 4 '

В их левых частях: к, а, Ь, В - геометрические параметры погрузчика: высота центра масс, расстояние от центра масс до задней и передней оси, колея; ц.- коэффициент сопротивления повороту /-го колеса; Я - соответственно опорные реакции колес; т- ] — продольная инерционная составляющая усилия в центре тяжести; С3, - жесткость подвески рабочего оборудования, приведенная к массе ковша; С,СТ,СХ- радиальная, тангенциальная и боковая жесткости шин.

Комплексная оценка расчетной динамичной нагруженности ведущих колес производится по силе тяги. Данные моделирования на ЭВМ сопоставлялись с экспериментально установленными показателями.

2

2

2

У

Экспериме стальная

у\ -

--.Расчетн я

0.5 1 1.5 2 2.5

Время, с

Рис. 6. Зависимость силы тяги на забегающем борту

На рис. 6 изображены расчетная и экспериментальная кривые изменения силы тяги погрузчика при исходных данных: т= 41 кН; ¥п = 1,2 м/с; С = 850 кНм; Ст=650 кНм; Сх = 1000 кНм; = 2 кНс/м; Х2 = 3 кНс/м; ^з=2 кНс/м; у0 = 1,33 м/с2.

В установившемся процессе, что соответствует приведенным уравнениям движения машины, спустя примерно 1с после начала поворота, характер изменения во времени экспериментальной и расчетной силы тяги в основном одинаков.

Отклонения расчетных средних значений усилий и их амплитуд от экспериментальных не превышает 14%, что в условиях постановки экспериментов в производственных условиях можно полагать вполне приемлемыми. Совпадают в основном и частотные показатели колебаний.

Начальный этап развития колебаний расчетной модели (в пределах первой секунды поворота) несколько отличается от данных испытаний натуральной машины. Объясняется это тем, что расчетная модель учитывает переходные процессы колеблющейся системы, в то время как экспериментальные данные получены для стационарных процессов поворота погрузчика.

И наконец, по прошествии примерно одной секунды после начала поворота погрузчик ПМТС 1200 способен войти в автоколебания, сопровождающиеся отрывом ходовых колес от опорной поверхности (рис. 1).

Заключение

Выполненное теоретическо-эксперименталь-ное исследование позволяет утверждать, что малогабаритные колесные погрузчики с бортовой системой поворота при определенных условиях способны к самовозбуждению интенсивных колебаний, способствующих опрокидыванию машины. Помимо прямой опасности травмирования водителя, это влечет за собой дискомфортные условия выполнения рабочего процесса, перегрузку ходовых колес и колесных полуосей.

Началом потери погрузчиком устойчивости следует считать момент отрыва хотя бы одного из ходовых колес от опорной поверхности. С целью предотвращения развития опасного процесса автоколебаний погрузчика система управления тяговыми насосами должна предусматривать автоматическую блокировку рычагов подачи рабочей жидкости при достижении вертикальных ускорений кресла водителя более 0,25 g .

Конструкция рабочего оборудования должна обеспечивать транспортный режим движения машины, когда ковш поднят на высоту не большую величины вертикальной координаты центра тяжести остова погрузчика.

Литература

1. Фаробин Я.Е. Теория поворота транспорт-

ных машин. - М.: Машиностроение, 1970. - 176 с.

2. Забавников Н.А. Основы теории транс-

портных гусеничных машин. - М.: Машиностроение, 1968. - 396 с.

3. Никулин П.И. Теория криволинейного

движения колесного движителя. - Воронеж, 1992. - 212 с.

4. Назаров Л.В., Истомин В.П., Разарёнов

Л.В. Особенности поворота малогабаритного погрузчика типа ПМТС 1200 // Вестник ХНАДУ. - 2004. - Вып. 25. -С. 54-58.

Рецензент: В.В. Ничке, профессор, д.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 2 июля 2007 г.