CC BY
63
Динамический анализ манипуляторов кузовных мусоровозов Р.В.Каргин, О.С.Мирошниченко, И.В.Каргина
Шахтинский институт (филиал) ЮРГТУ(НПИ), г. Шахты
В настоящее время основы инженерного расчета и проектирования отдельных подсистем, рабочих органов и в целом автомобилей для сбора и вывоза твердых бытовых отходов базируются на известных положениях теоретической механики, сопротивления материалов, теории механизмов и машин и теории автомобилей. Существующая методика расчета манипулятора включает определение характеристик расчетных положений, кинематический и динамический анализ системы и прочностной расчет конструкции без учета подвижности рамы автомобиля [1].
Для описания и учета колебаний мусоровоза в рабочем режиме составлены расчетная схема (рис. 1), дифференциальные уравнения колебательных движений рамы автомобиля и манипулятора с контейнером с использованием уравнений Лагранжа II рода и получена зависимость угла колебаний рамы за рабочий цикл манипулятора. Для определения амплитудно-частотных характеристик составлено уравнение колебаний манипулятора с учетом колебаний рамы автомобиля в рабочем режиме и получена зависимость изменения угла подъема манипулятора за рабочий цикл мусоровоза при различной загрузке кузова [2].
1«
0
1+ и с
Рис. 1. Колебательная система мусоровоза
Полученные зависимости не учитывают демпфирования, т.е. колебания являются незатухающими. Практически в процессе колебаний всегда происходит рассеяние энергии и, поэтому, свободные колебания являются затухающими.
Согласно теории эксплуатационных свойств автомобилей силы сопротивления, вызывающие превращение механической энергии в теплоту, что приводит к затуханию колебаний, возникают в результате работы амортизаторов, межлистового трения в рессорах, трения во втулках, шарнирах и др., а также в результате деформаций шин. Силы сопротивления подвески значительно больше, чем силы сопротивления, вызывающие гашение колебаний в шинах, поэтому учитывается только рассеяние энергии в подвес-
ке. Силы сопротивления подвески принимаются пропорциональными скорости колебаний [3, 4].
С учетом вышесказанного определены силы сопротивления подвески и составлены дифференциальные уравнения свободных колебаний рамы автомобиля с учетом затухания
I2 ( P,. Л
g
- P,.
3
+ P.
(р" - у”)= -PKOHm[l(сыр + у sinp)+ S\-
- (cosp + y/sinp)+ 8
2
GL
2
~г~ у ” ~~
4g g
P
3
+P
(р"-у" )=
GiL
2
cL у +
+ Рконт V(c0SP + ¥sinp)+ 8]+ Pcons 2(c0SP + У sinp)+ 8
-ву у,
где I - длина манипулятора, м; g - ускорение свободного падения, м/с2; РСОш - масса манипулятора, Н; Рконт - масса контейнера, Н; <р- угол подъема манипулятора, рад; /угол колебаний рамы автомобиля, рад; 5 - расстояние от оси крепления манипулятора к раме автомобиля до оси аутригера, м; 0^ - масса мусоровоза, Н; Ь - расстояние между рессорами автомобиля, м; с - жесткость подвески автомобиля, Н/м2; /' - момент сил сопротивления вращению рамы автомобиля.
Складывая, получаем
/ / + 2п/ / + к2/ = В,
(1)
где 2n=Gfb*2==- 1г; e=v°L\
G¡L Gi L \
cG;
g
здесь /0 - начальный угол отклонения рамы автомобиля. Из условия статического равновесия
Уо =
Gj_
2cL
Неоднородное дифференциальное уравнение (1) имеет общее решение
У = У1 + У 2 >
где у1 - общий интеграл однородного дифференциального уравнения
у1 + 2пу\ + к2у1 = 0
и имеет вид
у1 = e- nt (A cosk1t + D sin k1t);
у2 - частное решение неоднородного дифференциального уравнения
у2 = С ^ const
(2)
(3)
л
Из (1) к у2 = B, откуда
С учетом (3) и (4)
в
у = е ~ш (А свБк^ + D бш к^) + —г
к2
(5)
Л2 + 2пЛ + к2 = 0.
где
Характеристическое уравнение для (2) имеет вид Его корни Л1 2 =— П ± ¿к1,
2
к! = л1 к2 — п2 =
в;Ь2
Я(сС1Ь4 — §Р2).
Константы А и В в общем решении (5) находим по начальным условиям: при 1=0 считаем, что у=у0, а у'0=0. Для этого из (5) находим
у' = —пе—ш(Асобк^ + ББтк^) + е—п(—Ак1 Бтк^ + Вк1 соьк^). (6)
Подставляя начальные условия в уравнения (5) и (6), получаем
л В г» пА
А = у0 — к2;В = Ц
Решение уравнения (5) позволило установить зависимость угла колебаний рамы автомобиля за рабочий цикл манипулятора (рис. 2).
У, град
в технологическом режиме:
1 - для пустого мусоровоза; 2 - при полной загрузке мусоровоза
С учетом свободных затухающих колебаний рамы мусоровоза получена зависимость изменения угла подъема манипулятора (7) за рабочий цикл мусоровоза (рис. 3)
®=ф+у=а + e rlt(Acosk1t + ББтк^) +
в_
к2
(7)
где а - угловая скорость подъема манипулятора, рад/с; t - время рабочего цикла подъема манипулятора, с.
мусоровоза:
1 - для пустого мусоровоза; 2 -при полной загрузке мусоровоза
Для расчетных схем формирования нагрузок в системе «захват - бак - захват» (рис. 4) получены зависимости изменения величины усилий в элементах конструкции захвата за рабочий цикл работы манипулятора с учетом свободных затухающих колебаний рамы мусоровоза (рис. 5).
Рис. 4. Схема действия сил в системе «захват-бак-захват»: а) - со стороны захвата на бак; б) - со стороны бака на захват
N. Н
6000 г
-8000 L
Рис. 5. Усилия в элементах конструкции серийного захвата при загрузке полного контейнера в полный мусоровоз
С целью уменьшения действующих усилий в элементах конструкции захвата, повышения надежность его работы и предотвращения деформации стенок контейнера разработана конструкция захвата [5], обеспечивающая подхват контейнера под днище.
Для определения нагрузок, возникающих в элементах новой конструкции захвата, разработаны расчетные схемы (рис. 6) и составлены уравнения равновесия действия сил со стороны захвата на стенку бака (8) и равновесия сил, действующих со стороны бака на захват (9).
Рис. 6. Расчетные схемы сил в системе «захват-бак-захват» для новой конструкции захвата: а) - со стороны захвата на бак; б) - со стороны бака на захват
2= 0; N. - Р ■ ¡1п0 = 0,
2Рку = 0; - Р ■ соб® = 0,
В л
2 тО = 0; Р------СОБ®- Му-------Р ■ НС • БІП® + (8)
2 у 2
+ N. ■Н— - М = 0.
. х 2
2 Рих = 0; 2 риу = 0;
Nx ТШТ2 ■ БІПв + ТШТ1 ■ Біп(в + У ) = 0, - Ny + ТШТ2 ■ СОБ Р - ТШТ1 ■ соб(Р + У) = 0,
(9)
2 то? = 0; М + N х
( Н - ь '
--------е
I 2 J
й
+ N! ■ -2 = о.
где Nx, N - нормальные давления на стенку и днище контейнера соответственно, Н; Р
- вес контейнера , Н; В - ширина контейнера, м; й - длина подхвата под днище контейнера, м; Нс - высота центра масс контейнера, м; Н - высота контейнера, м; Ь - длина «вилочной» планки захвата, погружаемой в контейнер, м; ТШТ1 - усилие, действующее на шток гидроцилиндра прижима, Н; ТШТ2 - усилие, действующее на шток управляющего гидроцилиндра, Н; в - угол наклона управляющего гидроцилиндра к оси У, рад; у
- угол между осями гидроцилиндров, рад; е - расстояние от верхнего края контейнера
до точки крепления штоков гидроцилиндров, м.
Решение уравнений (8) и (9) позволяет оценить изменение величины усилий в элементах конструкции захвата за рабочий цикл работы манипулятора с учетом колебаний платформы мусоровоза (рис. 7).
N. Н
при загрузке полного контейнера в полный мусоровоз
Полученные зависимости показывают, что при использовании предлагаемой конструкции захвата нагрузки, возникающие в системе «захват-бак-захват» уменьшаются в разных фазах цикла работы манипулятора от 1,2 до 5,5 раз.
Результаты работы получены при поддержке Минобрнауки РФ в рамках государственного задания на проведение НИОКР, шифр заявки № 7.1256.2011.
Список литературы
1. Ермилов А.Б. Расчет и проектирование спецавтомобилей для сбора и вывоза твердых бытовых отходов: Учебное пособие / МАДИ.- М., 1983. - 99 с.
2. Конструкции и рабочие процессы манипуляторов кузовных мусоровозов / Р.В.Каргин, О.С.Мирошниченко // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2010. № 6. С. 75-78.
3. Литвинов А.С. Управляемость и устойчивость автомобиля / А.С. Литвинов. - М.: Машиностроение, 1971. - 416 с.
4. Метод снижения вибронагруженности колеса легкового автомобиля / С.Л.Горин, П.В.Харламов // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. 2011. № 1. С. 12-17.
5. Патент RU 2400417 С1 МПК B65 F3/04. Захват устройства для разгрузки контейнеров в кузов мусоровоза / А.С.Носенко, Р.В.Каргин, М.С.Алтунина, О.С.Мирошниченко.
- Заявл. 10.03.2009. Опубл. 27.09.2010, Бюл. № 27.
