ДВИЖЕНИЕ ГОРНОЙ ЛЕСНОЙ МАШИНЫ ПОПЕРЕК СКЛОНА Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 630.37:001.891

Хвойные бореальной зоны. 2018. Т. XXXVI, № 5. С. 455-459 ДВИЖЕНИЕ ГОРНОЙ ЛЕСНОЙ МАШИНЫ ПОПЕРЕК СКЛОНА В. Н. Холопов, В. А. Лабзин

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

E-mail: atlm101@yandex.ru

Устойчивое движение горной лесной гусеничной машины поперек склона при возможном боковом скольжении и сползании вниз по склону дает возможность расширить область применения машин в лесном массиве для производственных работ. Для исследования устойчивого движения поперек склона была разработана, спроектирована и изготовлена в соответствии со сделанными изобретениями экспериментальная гусеничная машина. Анализ экспериментальные данные позволил сформулировать условия безопасности движения четырехгусенич-ной сочлененной машины поперек склона по предельной крутизне по условиям сцепления в поперечном направлении. Обоснованы и предложены действия водителя для безопасного движения машины поперек склона.

Выполнено теоретическое обоснование взаимодействие параметров сочлененной гусеничной машины с показателями опорной поверхности. Приведены условия автоматического поворота машины без сползания. Определены показатели тележек машины.

Ключевые слова: двух гусеничная машина, сочленённая гусеничная машина, горный склон, движение поперек склона, коэффициенты сцепления, скольжения, теоретическое обоснование.

Conifers of the boreal area. 2018, Vol. XXXVI, No. 5, P. 455-459 MOVEMENT OF A MOUNTAIN FOREST MACHINE ACROSS THE SLOPE V. N. Kholopow, V. A. Labzin

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: atlm101@yandex.ru

Steady movement of mountain forest caterpillar machine across the slope with possible lateral slip and slipping down the slope makes it possible to expand the scope of machines in the forest for work. An experimental machine caterpillar was developed, designed and made in accordance with the inventions, on which stable movements across the slope were explore. The conditions for the safety of the movement of the four caterpillar articulated vehicles across the slope along the limiting slope according to the conditions of clutch in the transverse direction are formulated. Justified and proposed actions of the driver for the safe movement of the machine across the slope. The interaction of the parameters of the articulated tracked machine with the parameters of the supporting surface is theoretically justified. Are presented the automatic turning condition of the machine without sliding is given. Indicators of machine trolleys are determined.

Keywords: two tracked machine, articulated machine, mountain slope, friction coefficient, sliding, movement across the slope, theoretical justification.

ВВЕДЕНИЕ

Ввод в хозяйственный оборот горных лесов обеспечивает расширение заготовок не древесных лесных ресурсов, заготовку деловой древесины хвойных пород, а также обновление лесных массивов путем лесо-восстановленем [1; 2]. При этом основную роль для механизации технологических операций отводится гусеничным транспортным средствам и их способности обеспечивать безопасную работу на склоне в различных направлениях. Рассмотрим движение горной двух гусеничной лесной машины на склоне [3]. При движении гусеничной машины поперек склона возможно ограничение ее проходимости из-за бокового скольжения. Начало и продолжающее скольжение гу-

сеничной машины, как правило, сопровождается неконтролируемым сползанием машины вниз и по склону, при котором возможно опрокидывание машины из-за удара гусеницы при скольжении о препятствие [4]. Из-за того, что коэффициент сцепления гусениц в поперечном направлении меньше, чем в продольном, прекращение боковое скольжение возможно путем разворота машины вверх по склону. В дальнейшем, возвращая машину к прежнему направлению движения и прекращая боковое скольжение путем разворота машины, возможно преодоление проблемного участка склона с низким коэффициентом сцепления в поперечном направлении. Гарантией безопасности такого движения является: во-первых, быстрая реакция водителя

на изменение направления движения машины: во-вторых, сведение к одному рычагу или рулевому колесу управление механизмами поворота двух гусеничной машины. Этим достигается, что механизм поворота, типа простой дифференциал, увеличивает скорость забегающей гусеницы. Только при выполнении этих условий процесс бокового скольжения будет ограничен во времени, а машина не разовьет большую скорость бокового скольжения (например, боковая сила, ускоряющая машину при ее скольжении на склоне крутизной 30о, равна половине веса машины).

Метод прекращения бокового скольжения путем разворота машины вверх по склону, возможно, применять и на четырех гусеничной сочлененной машине [5; 6], причем с целью исключения влияния на безопасность движения поперек склона человеческого фактора, этот разворот должен быть осуществлен в начале скольжения [7-9].

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЙ

Обосновать влияние показателей коэффициентов сцепления тележек с опорной поверхностью четырех гусеничной сочлененной машины, обеспечивающей безопасность работы при поперечном движении на горном склоне.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Определить условия движения горной гусеничной машины поперек склона при поперечном скольжении вниз по склону и повороте машины поперек склона.

ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Была разработана спроектирована и изготовлена в соответствии со сделанным изобретением экспериментальная гусеничная машина [3]. Выполненная как моторная тележка сочлененной гусеничной машины включает в себя, гусеничную тележку на которой установлен моторно-трансмиссионный блок с кабиной колесного самоходного шасси Т-16М. Гусеничная тележка связана с моторно-трансмиссионным блоком через подшипники, установленными на выходных валах блока, и цилиндрами, с помощью которых возможен наклон вперед и назад для установки кабины с блоком в вертикальном положении при движении машины по склону. В качестве механизма поворота использован межколесный дифференциал моторно-трансмиссионного блока. В результате экспериментальных исследований в летне-зимний периоды были проверены возможности движения машины вверх и вниз по склоне с необходимым маневром.

Сформулируем необходимые условия для безопасности движения четырех гусеничной машины поперек склона по предельной крутизне по условиям сцепления в поперечном направление.

Первое условие. При возникновении бокового скольжения одной гусеничной тележки вторая гусеничная тележка скользить не должна.

Второе условие. Гусеничная тележка при начавшемся скольжении должна поворачивать нескользящую гусеничную тележку.

Третье условие. Управление машиной при периодическом скольжении одной из тележек и возврате

машины к прежнему направлению движения будет обеспечена безопасность, если будет скользить задняя по ходу движения тележка. В этом случае машина повернет в направлении вершины склона и скольжение в поперечном направлении прекратится. Следовательно, коэффициент сцепления в поперечном направлении передней гусеничной тележки должен быть больше коэффициента сцепления в поперечном направлении задней гусеничной тележки и меньше коэффициента сцепления в продольном направлении (коэффициенты сцепления передней и задней гусеничных тележек в продольном направлении могут быть одинаковы).

Исходя из первого условия, следует отношение, которое имеет вид

Pi + P>2 > Pi + Р2, (1)

где Рф1; Рф2 - соответственно силы сцепления в поперечном направлении передней и задней тележек; Pi 1; Pi2 - соответственно скатывающие силы передней и задней тележек.

Выражение (1) можно записать

Рф1 + Рф2 > Pi + P2, (2)

Поскольку

Рф1 = ц1 G1 cos а; Рф2 = д2 G2 cos а;

Pi1 = G1 sin а; Рф2 = G2 sin а, где Gb G2 - соответственно веса передней и задней тележек; ц1; д2 - коэффициент сцепления в поперечном направлении передней и задней тележек; а - крутизна склона.

Выражение (2) представим следующим образом:

cos а - G1 sin а > G2 sin а - |i2G2 cos а. (3)

G ц?

Обозначим кс z = —, тогда

G

li

|G cos а - G sin а > kaGx sin а - z|kGGx cos а.

Разделим левые и правые части уравнения на цпGn cos а:

i- ма > kG ^а - zka

ii

и решим относительно z:

li

z >

tg а

li

-1 +1

V kG

(4)

Назовем e_, =

li tg а

коэффициентом запаса устой-

чивости по сползанию (slide) первой тележки, тогда отношение коэффициентов сцепления в поперечном направлении для выполнения первого условия будет иметь вид

.1- kG 8si kG

i

(5)

Если веса передней и задней тележки равны, то

г >— -1. (6)

е,1

Найдем ограничение отношения коэффициентов сцепления в поперечном направлении, исходя из второго условия.

Схема сил, действующих в поперечном направлении на четырехгусеничную, сочлененную машину при ее движении поперек склона

Для простоты будем считать, что эпюра реакции грунта имеет форму прямоугольника, центр тяжести тележек расположен на оси симметрии опорной площадки гусеницы, разворот машины происходит с такой малой скоростью, что силами инерции можно пренебречь. Схема сил, действующих на машину, показана на рисунке.

Обозначения на рисунке: L - длина опорной площадки передней тележки; kLL - длина опорной площадки задней тележки (kL - коэффициент длины задней тележки); kTL - расстояние между опорными площадками передней и задней тележек (kT - коэффициент расстояния); kTL - расстояние между опорными площадками передней и задней тележек (kT - коэффициент расстояния); kTL - расстояние между опорными площадками передней и задней тележек (kT - коэффициент расстояния); kXL - координаты полюсов поворота гусениц передней тележки (kT - коэффициент координаты полюсов поворота); Рл; Pi2 - скатывающая сила передней и задней тележек соответственно:

Рл = G1 sin a; P2 = G2 sin а; (7)

Рф2 - сила сцепления задней тележки

Pp2 = |2G2 cos а = z!\kGG1 cos а; (8)

Pp1_1 =|J.1G1 cos а = i1G1kx cos а;

L

(9)

L - k L

Pp1-2 = MG—— cos a=M1G1(1 - kx )cos a; (10)

Mf - момент сопротивления перекатыванию гусениц при повороте передней тележки, определяемый обкаткой правой и левой гусениц относительно центра поворота передней тележки.

На горизонтальной поверхности

Mf = (11)

где f - коэффициент сопротивления перекатывания гусениц; Вх - колея передней тележки.

Очевидно, на склоне гусеница, расположенная выше по склону, будет с увеличением угла а разгружаться, центр поворота сместиться к нижней гусенице. При таком положении тележки, близком к опрокидыванию, этот момент должен быть близок к нулю.

Составим сумму моментов действующих сил относительно точки О,.

P

p1-2

L -KL

- + KL + kTL + 0,5k¿L | +

или

+Pn (0,5L + kTL + 0,5k¿L) --Pp1 -1(0,5kxL + kTL + 0,5kLL) + Mf = 0,

Pt1_2L(0,5 + 0,5kx + kT + 0,5kL ) + +PjL(0,5 + kr + 0,5kL )--P p1-1 L(0,5kx + ^ + 0,5kL ) + МСоП = 0.

(12)

Подставим в уравнение (12) значение сил из (10), (7) и (9):

| G (1 - kx )L cos а(0,5 + 0,5kx + kr + 0,5kL) +

+GL sin а(0,5 + kr + 0,5kL ) -

-|1 G1kxL cos а(0,5kx + kT + 0,5kL) + Mf = 0.

Разделив правые и левые части уравнения на GL cos а, получим

(1 - kx )(0,5 + 0,5kx + kr + 0,5kL) + +(0,5 + kr + 0,5k¿) -

11

-kx (0,5kx + kT + 0,5kL) +

M

f

|jGj L cos а

= 0. (13)

Обозначим ky = ■

M

сопр

, где kf - коэффици-

^1G1L cos a f

ент момента сопротивления, и, раскрыв скобки, получим

-kx -kx(2kT + kL) + (0,5 + kr + 0,5kz) + Mi

+kr + 0,5kL + kr + 0,5 = 0.

Решим это уравнение относительно k . Поскольку величина k не может быть отрицательной, перед радикалом оставим знак «плюс»:

К = -kr - 0,5kL +

kT + kTkL + 0,25kL +

Mi

(0,5 + kr + 0,5k¿) + kr.

(14)

Составим сумму проекций сил на плоскость, перпендикулярную продольной оси машины:

Рф1-1 + Рф2- Рф1-2- Pi- Р 2 = 0. (15)

Подставим значение сил из (7)-(10) с учетом того,

7 G2

что kr = ^:

G Gi

M1G2kx cos а + zlikGGi cos а - ц^ (1 - kx) cos а --G sin а - sin а = 0.

Разделим правую и левую части уравнения на ljGj cos а:

kx + zkx -(i-kx) -kG -tg = 0.

Mi Mi

Решив уравнение (16) относительно kx

К = 0,5

tg а

. li

(i + kG) - kGz + i

0,5k,.

(0,5 + kr + 0,5k¿) + x Mi

x (0,5 + kr + 0,5k¿) + ky + 0,25.

=

Mi

tg а

получим:

.i + kn

z < ■

бц - +-ц-+0,25+kf

bcl

0,5b

i + k

G__l2_

kGes1 kG M^i

0,5i+kG + ^-

¿Cg + 0,25 + kf

es1

0,5b

Если гусеничные тележки имеют одинаковые геометрические размеры и одинаковый вес и кг = 1, уравнение (20) будет иметь вид

(16)

(17)

Приравняв правые части уравнения (14) и (17), решим полученное квадратное уравнение относительно г. Поскольку для осуществления разворота машины величина г должна быть меньше единицы, перед радикалом оставляем знак «минус».

0,5^ (1 + ке) + (0,5 + кг + 0,5^)

г =-*--

0,5Ь

(18)

Полученное значение z по уравнению (18) следует считать максимально допустимым по возможности разворота машины, тогда, с учетом того, что Ъ = 0,5 + кт + 0,5kL - коэффициент расстояния между центрами тяжести (center of gravity) тележек и

(19)

Условие автоматического поворота машины без сползания будет иметь вид (уравнения 15 и 19)

2-1 <ц2 <_! + 4 _ 2/4,25 + — + kf.

Mi

(21)

Известно, что реакция опорной поверхности на гусеницу зависит от крутизны опорной поверхности. Для гусеницы, находящейся выше по склону, эта реакция равна (если центр тяжести находится на оси симметрии машины)

R = — (0,5 B cos а - h sin а).

B 1 cg

(22)

где hcg - расстояние от опорной поверхности до центра тяжести машины.

Момент сопротивления перекатываю гусеницы тогда может быть определен следующим образом:

Mf = RBf, (23)

или, после подставки значения R из (22).

Mf = Gx f (0,5B cos а - hcg sin а). (24)

Найдем значение коэффициента момента сопротивления

G1 f (0,5B1 cos а - hcg cos а)

kf =-

MJG1L cos а

или

kf= 0,5 B+ - B К f ^,

f LMi L Mi

(25)

(26)

h

где khi =-cgi - коэффициент высоты расположения

B

i

центра тяжести передней тележки. Mi

Так как e s1 = ■

tg а

сать следующим образом:

kf=B f

уравнение (26) можно перепи-

(

0,5 kh Mi

(27)

e si У

(20)

ВЫВОДЫ

1. При небольшой разнице в коэффициентах сцепления в поперечном направлении передней и задней тележек поворот машины начинается раньше, чем начнет скользить вся машина, другими словами, даже при небольшой разнице этих коэффициентах боковое скольжение будет сопровождаться поворотом машины, что приведет к прекращению бокового скольжения.

2. Увеличением разнице коэффициентов сцепления передней и задней тележек коэффициент запаса устойчивости по сползанию растет, и вероятность скольжения передней тележки при самопроизвольном развороте машины уменьшается.

3. Выполненная четырех гусеничная горная машина с некоторой разницей в коэффициентах сцепления в поперечном направлении передней и задней тележек горная машина может обеспечить полную безопасность работы на горном склоне при движении машины поперек склона.

e

e

e

1

<

БИБЛИОГРФИЧЕСКИЕ ССЫЛКИ

1. Невзоров В. Н., Холопов В. Н., Лабзин В. А. К вопросу создания машины для заготовок и транспортировки не древесных лесосырьевых ресурсов // Инновации в науке и образовании: опыт, проблемы, перспективы развития : Всерос. очно-заоч. науч.-практ. и науч.-метод. конф. с междунар. участием. Ч. 2. Инновации в научно-практической деятельности / Красноярский гос. аграр. ун-т. Красноярск, 2010.

2. Холопов В. Н., Невзоров В. Н., Лабзин В. А., Концепция машины для заготовки и транспортировки лесного не древесного растительного сырья // Хвойные бореальной зоны. 2013. Т. ХХХ1, № 1-2.

3. Пат. 2059502 RU, 6 B 62 D 55/00. Горная двух гусеничная машина / Холопов В. Н., Лабзин В. А.; заявитель Краснояр. гос. технологич. акад. № 93036810/11; заявл. 19.07.1993; опубл. 10.05.1996. Бюл. № 13.

4. А. с. 2003552 RU, В 62 D 49/08. Устройство для предотвращения скольжения и опрокидывания трактора / Холопов В. Н., Лабзин В. А. № 4873396/11; заявл. 12.10.1990; опубл. 30.11.1993. Бюл. № 43-44.

5. А. с. 1613378 SU, А1 В 62 В 55/00. Двухзвенная гусеничная машина / Холопов В. Н., Лабзин В. А.; заявитель и патентообладатель Сиб. гос. технологич. ун-т. № 4633737/31-11; заявл. 09.01.1989; опубл. 15.12.1990. Бюл. № 46.

6. А. с. 1614954 SU, B 60 K 17/24. Двухзвенная гусеничная машина / Холопов В. Н., Лабзин В. А. ; заявитель и патентообладатель Сиб. гос. технологич. ун-т. № 4633736/31-11; заявл. 09.01.1989; опубл. 23.12.1990, Бюл. № 47.

7. А. с. 1749099 SU, B 62 D 5/06. Система управления шарнирно сочлененной гусеничной машины / Холопов В. Н. Лабзин В. А.; заявитель и патентообладатель Сиб. гос. технологич. ун-т. № 4758884/11; заявл. 16.11.1989; опубл. 23.07.1992, Бюл. № 27.

8. Пат. 2089431 RU, С1 6В 62 В11/08, 5/06. Устройство для управления сочленённой двух теле-жечной гусеничной машиной / Холопов В. Н., Лабзин В. А.; заявитель Краснояр. гос. технологич. акад. № 93036804/11; заявл.19.07.1993; опубл. 10.09.1997, Бюл. № 25.

9. Пат. 2457139 RU, C1 МПК B62D 12/00 (2006.01) B62D 11/18 (2006.01). Рулевое управление энергетической тележки сочлененной гусеничной машины / Холопов В. Н., Лабзин В. А.; заявитель и патентообладатель Сиб. гос. технологич. ун-т. № 2011005668/11; заявл. 11.01.2011; опубл. 27.07.2012, Бюл. № 21.

10. Холопов В. Н., Лабзин В. А. Продольная устойчивость сочленённой машины для транспортировки пищевой продукции леса. Красноярск : Изд-во КрасГАУ. Красноярск, 2012. № 8.

REFERENCES

1. Nevzorov V. N., Kholopov V. N., Labzin V. A. K voprosu sozdaniya mashiny dlya zagotovok i trans-portirovki ne drevesnykh lesosyr'yevykh resursov // In-novatsii v nauke i obrazovanii: opyt, problemy, perspek-tivy razvitiya : Vseros. ochno-zaoch. nauch.-prakt. i nauch.-metod. konf. s mezhdunar. uchastiyem. Ch. 2. Innovatsii v nauchno-prakticheskoy deyatel'nosti / Kras-noyarskiy Gos. Agrar. Un-t. Krasnoyarsk, 2010.

2. Kholopov V. N., Nevzorov V. N., Labzin V. A., Kontseptsiya mashiny dlya zagotovki i transportirovki lesnogo ne drevesnogo rastitel'nogo syr'ya // Khvoynyye boreal'noy zony. 2013. T. XXXI, № 1-2.

3. Pat. 2059502 RU, 6 B 62 D 55/00. Gornaya dvukh gusenichnaya mashina / Kholopov V. N., Labzin V. A.; zayavitel' Krasnoyar. Gos. Tekhnologich. Akad. № 93036810/11; zayavl. 19.07.1993; opubl. 10.05.1996. Byul. № 13.

4. A. s. 2003552 RU, V 62 D 49/08. Ustroystvo dlya predotvrashcheniya skol'zheniya i oprokidyvaniya trak-tora / Kholopov V. N., Labzin V. A. № 4873396/11; zayavl. 12.10.1990; opubl. 30.11.1993. Byul. № 43-44.

5. A. s. 1613378 SU, A1 V 62 V 55/00. Dvukhzvennaya gusenichnaya mashina / Kholopov V. N., Labzin V. A.; zayavitel' i patentoobladatel' Sib. Gos. Tekhnologich. Un-t. № 4633737/31-11; zayavl. 09.01.1989; opubl. 15.12.1990. Byul. № 46.

6. A. s. 1614954 SU, B 60 K 17/24. Dvukhzvennaya gusenichnaya mashina / Kholopov V. N., Labzin V. A. ; zayavitel' i patentoobladatel' Sib. Gos. Tekhnologich. Un-t. № 4633736/31-11; zayavl. 09.01.1989; opubl. 23.12.1990, Byul. № 47.

7. A. s. 1749099 SU, B 62 D 5/06. Sistema uprav-leniya sharnirno sochlenennoy gusenichnoy mashiny / Kholopov V. N. Labzin V. A.; zayavitel' i patentoobla-datel' Sib. Gos. Tekhnologich. Un-t. № 4758884/11; zayavl. 16.11.1989; opubl. 23.07.1992, Byul. № 27.

8. Pat. 2089431 RU, S1 6V 62 V11/08, 5/06. Ustroystvo dlya upravleniya sochlerennoy dvukh telezhechnoy gusenichnoy mashinoy / Kholopov V. N., Labzin V. A.; zayavitel' Krasnoyar. Gos. Tekhnologich. Akad. № 93036804/11; zayavl. 19.07.1993; opubl. 10.09.1997, Byul. № 25.

9. Pat. 2457139 RU, C1 MPK B62D 12/00 (2006.01) B62D 11/18 (2006.01). Rulevoye upravleniye energe-ticheskoy telezhki sochlenennoy gusenichnoy mashiny / Kholopov V. N., Labzin V. A.; zayavitel' i patentoobladatel' Sib. Gos. Tekhnologich. Un-t. № 2011005668/11; zayavl. 11.01.2011; opubl. 27.07.2012, Byul. № 21.

10. Kholopov V. N., Labzin V. A. Prodol'naya ustoychivost' sochlerennoy mashiny dlya transportirovki pishchevoy produktsii lesa. Krasnoyarsk : Izd-vo KrasGAU. Krasnoyarsk, 2012. № 8.

© Холопов В. Н., Лабзин В. А., 2018

Поступила в редакцию 20.07.2018 Принята к печати 31.10.2018