CC BY
47
УДК 629.027, 630.30
ЭНЕРГОПОГЛОЩАЮЩАЯ ОПОРА КАБИНЫ ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНОЙ
МАШИНЫ
Питухин А.В., профессор, д.т.н., Петрозаводский государственный университет; директор, Институт лесных, инженерных и строительных наук, г. Петрозаводск, Россия, тел. +7(8142)571317, e-mail: pitukhin@psu.karelia.ru, Костюкевич В.М., доцент, к.т.н., Институт лесных, инженерных и строительных наук, Петрозаводский государственный университет, г. Петрозаводск, Россия, тел. +7(8142)563187, e-mail: vadim9595@yandex.ru Скобцов И.Г., доцент, к.т.н., докторант, Институт лесных, инженерных и строительных наук, Петрозаводский государственный университет, г. Петрозаводск, Россия, тел. +7(8142)563187, e-mail: iskobtsov@mail.ru
Одно из требований к кабине лесозаготовительной машины - способность поглощать определенное количество энергии при деформировании в случае опрокидывания. В работе приводится способ повышения энергопоглощающих свойств устройства защиты кабины лесозаготовительной машины, позволяющий снизить риск травмирования оператора в случае возникновения аварийной ситуации. Это достигается путем введения в конструкцию защитного каркаса кабины энергопоглощающих опор, в которых поглощение энергии происходит при пластическом деформировании их элементов при опрокидывании лесозаготовительной машины. В статье представлена конструкция опоры, описан принцип ее действия в случае возникновения аварийной ситуации, проведены теоретические и экспериментальные исследования деформируемого элемента опоры. В результате теоретико-экспериментальных исследований определены геометрические параметры конструкции энергопоглощающей опоры.
Ключевые слова: кабина трелевочного трактора, устройство защиты при опрокидывании, энергопоглощающая опора.
CAB SUPPORT ENERGY ABSORBING OF THE HARVESTING EQUIPMENT
Pitukhin A., professor, Doctor of Techniques, Petrozavodsk State University; director of the Institute of Forestry, Engineering and Building Sciences, Petrozavodsk, Russia, tel. +7(8142)571317, e-mail: pitukhin@psu.karelia.ru, Kostuykevich V., assistant professor, Ph.D., Institute of Forestry, Engineering and Building Sciences, Petrozavodsk, Russia, tel. 7(8142)563187,
e-mail: vadim9595@yandex.ru,
Skobtsov I., assistant professor, Ph.D., Institute of Forestry, Engineering and Building Sciences, Petrozavodsk State University, Petrozavodsk,
Russia, tel. +7(8142)563187, e-mail: iskobtsov@mail.ru
One of the requirements to the cabin harvester - the ability to absorb a certain amount of energy during deformation in the event of a rollover. The paper presents a method for increasing energy absorption device protection harvester cab, allowing the operator to reduce the risk of injury in the event of an emergency. This is achieved by introducing into the structure of the protective frame supports energy-absorbing cab in which the energy absorption occurs during plastic deformation of the rollover element harvester. The article presents the design of support, described the principle of its action in the event of an emergency, theoretical and experimental study of a deformable support member. As a result of theoretical and experimental investigations the geometrical parameters of energy absorbing design support.
Keywords: trail tractor cab, tipover protection device, energy absorbing.
1. ВВЕДЕНИЕ
Для лесной техники, работающей в условиях пересеченной местности, характерны такие аварийные ситуации, как опрокидывание и удар кабины о грунт, падение на кабину деревьев, веток и сучьев. При этом велика опасность нанесения повреждений оператору лесозаготовительной машины. Одним из путей повышения безопасности труда является оснащение кабин лесных тракторов специальными защитными устройствами [1], позволяющими выдерживать определенные нагрузки и поглощать определенное количество потенциальной энергии при деформировании.
Устройство защиты при опрокидывании; ROPS (roll-over protective structure) - система конструктивных элементов, смонтированных на машине, позволяющая уменьшить опасность нанесения повреждения оператору, пристегнутому ремнем безопасности, при опрокидывании машины. ROPS должно выдерживать определенные внешние нагрузки и поглощать определенное количество потенциальной энергии при деформировании.
2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Проблематика данного исследования является достаточно актуальной, вызывает интерес специалистов как в России [2-4], так и за рубежом [5-7]. В работе авторов [2] проводилась оценка напряженно-деформированного состояния ROPS при опрокидывании колесного трелевочного трактора ТЛК-4-01 (рис. 1, 2) с помощью математической модели, построенной на основе метода переменных параметров упругости.
Рис. 1. Конструкция кабины лесной машины
Конструкция данной системы Я0Р8 представляет собой замкнутый защитный каркас (пояс), расположенный в поперечной плоскости симметрии кабины и имеющий две болтовых опоры крепления к раме трактора.
Рис. 2. Конструкция Я0Р8
Согласно [1], требования к усилиям и поглощаемой энергии при боковом нагружении (имитация опрокидывания) определяются массой машины т. Для колесной лесной машины
\1-2
F =60000
U = 12500
m
10000
ч 1.2
m
10000
, Дж.
m = 14500
Таким образом, согласно вышеприведенным формулам, для колесного трелевочного трактора TJ1K 4-01 массой кг
F = 93.71 кН
минимальное усилие боковой нагрузки составит , а минимальная энергия, поглощаемая при боковом нагружении
U 19.89 кДж. Конструкция ROPS при этом в результате упругих деформаций U1 поглощает около 3 кДж [2], а остальная (наибольшая) часть потенциальной энергии приходится на долю пластических деформаций. Причем, поглощение энергии за счет пластических деформаций защитного каркаса (ROPS) нежелательно, т.к. это может привести к нарушению объема ограничения деформации (DLV) защитной зоны оператора, определяемой по ИСО 3411.
Следовательно, для повышения безопасности оператора и обеспечения требований стандарта [1] необходимо применение в системе ROPS дополнительных энергопоглощающих устройств, которые в случае опрокидывания лесной машины поглотят значительную часть энергии за счет пластических деформаций.
В соответствии с приведенным ГОСТом поглощенную энергию определяют по графику «деформация - усилие» при квазистатическом
FU
(не более 5 мм/с) нагружении. Допустим, что до достижения нагрузки F энергия 1 поглощается только за счет упругих деформаций
каркаса кабины. Тогда при превышении усилия F дальнейшее поглощение энергии U^ осуществляется за счет пластических деформаций элементов опор. В этом случае
U2 = R1 •A1 + R2-A 2 A i A 2
где 1 , ^ - величины деформаций соответственно 1 и 2 опоры; R1 , R2
1 2 - реакции соответственно 1 и 2 опоры,
R2 = R = a • F
d .
Для трактора TJ1K4-01 ® ^ 800 мм и d 850 реакции в опорах составят
r = р=1Ш.9з>71«200 кН
2 1 850 .
В случае бокового нагружения одна из опор будет испытывать напряжения растяжения, а другая - сжатия. Конструктивные особенности крепления защитного каркаса к раме трактора ограничивают возможности использования элементов опор для поглощения энергии при сжатии. Поэтому далее рассмотрен вариант поглощения энергии за счет пластических деформаций элементов опор на растяжение. В этом случае для данной лесной машины величина необходимой пластической деформации элементов опоры может быть оценена по формуле
R7 R2 200
м.
1.1. Конструкция энергопоглощающей опоры
Предлагается энергопоглощающая устройство (опора), в которой поглощение энергии достигается за счет волочения тела болта при растяжении. Преимуществом предлагаемой конструкции опоры является простота конструкции и технологии изготовления и, что важно, возможность простого математичнеского описания процесса деформирования и формоизменения.
Конструкция опоры защитного каркаса кабины лесозаготовительной машины (рис. 3) включает в себя волоку 1, болт крепления кабины 2, гайку-платик 3, амортизатор 4, направляющую 5 и боковые крышки-ограничители 6.
Рис. 3. Конструкция энергопоглощающей опоры
Волока 1, канал которой имеет входную I, рабочую II, калибрующую III и выходную IV зоны (рис. 4), жестко закреплена в нижней части защитного пояса кабины лесозаготовительной машины таким образом, чтобы ось ее сужающегося канала совпадала с осью крепежных отверстий кабины. Болт 2 крепления кабины установлен в канале волоки 1 и зафиксирован на гайке-платике 3 посредством резьбового соединения. Гайка-платик 3 и амортизирующее устройство 4 установлены в направляющей 5, жестко связанной с рамой машины и оснащенной боковыми крышками-ограничителями 6, исключающими перемещение конструкции в плоскости, перпендикулярной направлению движения лесозаготовительной машины.
Работа предлагаемой энергопоглощающей опоры кабины лесозаготовительной машины, осуществляется следующим образом. В случае возникновения аварийной ситуации, например, опрокидывания машины, кабина подвергнется воздействию боковой ударной нагрузки F (рис. 2) со стороны грунта. Данная нагрузка вызовет реакции в опорах: одна из них будет работать на растяжение (реакция
R. . R0
1), другая - на сжатие (реакция 2 на рис.2).
R
Под действием реакции 2 защитный пояс вместе с волокой 1, болтом 2 и гайкой-платиком 3 начнут оказывать сжимающее воздействие на амортизирующее устройство 4, находящееся внутри направляющей 5. Амортизирующее устройство 4 будет деформироваться до тех пор, пока защитный каркас вместе с волокой 1 не коснутся направляющей 5.
R
Под действием реакции 1 защитный пояс кабины начнет растягивать болт 2, пытаясь произвести отрыв левой опоры. В этом случае, волока 1, жестко связанная с защитным поясом, начнет пластически деформировать - удлинять - болт 2, перемещаясь в осевом направлении и создавая предохранительный эффект аварийного энергопоглощения.
Таким образом, в случае опрокидывания машины, ударная нагрузка, действующая на кабину, будет направлена на формоизменение болта 2 и преодоление сил трения о канал волоки 1, тем самым, создавая эффект поглощения основной части энергии удара в результате пластического деформирования болта 2 волочением.
1.1. Расчет энергопоглощающей опоры Усилия и деформации при волочении
Л £
Деформацию при волочении оценивают вытяжкой . Вытяжка за проход равна соотношению длин изделия 1
Ln
и заготовки
SJ S
(при постоянном объеме металла) соотношению площадей поперечного сечения 'до и после волочения.
По опытным данным, вытяжка и наклеп равномерно распределены по толщине очага деформации, что позволяет использовать для расчета давления металла на волоку и усилия волочения метод совместного решения приближенных уравнений равновесия и пластичности.
dx
На рис. 4 двумя поперечными сечениями выделен в очаге деформации элемент толщиной . Нормальные напряжения на его торцах
ах ах + daХЛ _ _
и ( ) считаем равномерно распределенными по площади торца. Кроме них на элемент вместе контакта с волокой действуют
p т т = const
напряжения давления и трения . Примем, что .
Рис. 4. Схематизация процесса волочения
или
х
В условиях равновесия сумма проекций на ось (рис. 4) сил, действующих на элемент, равна нулю, т.е
к■ (г-tga■ <3х)2 ■ (ах + с1(Тх)-7гг2 • сух -2к• (г -0.5• tgadx)dx■ т• ^а-- 2л - {г- 0.5 • tgodx)dx ■ р • tga
После подобных преобразований и удаления бесконечно малых высших порядков условие равновесия
ау л
г
_X
v dx
2tga(ax + р)-2т = 0
г = г0- х ^а О П
Здесь , т.е. имеются две неизвестные величины: х и " . Приближенное уравнение пластичности
а!-аз =стs
(1)
(2)
х У О, О 3 а
Полагая, что оси и ^ совпадают с направлением главных нормальных напряжений 1 и , и угол мал, можно запи-
Ох + Р= О, .
Совместное решение (1) и (2) дает
ох = о0 + (О, +■т/£ а) • ВД^),
тогда из условия пластичности
Р =о, -О0 - (О, а) • 1п(5Д).
5 = 50
Наибольшее давление - на входе в очаг при 0 , т.е.
Ртах = °. -О0 - (О. «) • 1п(5о/51).
Выразим нагрузку при волочении от диаметра деформируемого элемента
F= 51 • [ 0 + (О, +т/£ а) • \niSj51)]= (п /4) • dг^ • О0 + (о, +т/g а) • 1п(^/dl)]
(3)
(4)
(5)
(6) (7)
а s = const а s
Предполагается, что , например как полусумма на входе и выходе из очага деформации. На рис. 4 не показан на
выходе из волоки цилиндрический поясок, т.к. ширина его и влияние сил трения о поясок на усилие волочения незначительны.
а 1 <а s / K K
Устойчивое (безобрывное) волочение возможно, если на выходе из волоки 1 . Коэффициент запаса на практике
равен 1.4 - 2.0. Значение s применяют с учетом фактического наклепа. Расчетные значения диаметров деформируемых элементов определялись путем решения уравнения равновесия внешних и внутренних сил, и составили: ^ ^^ ММ мм (ПрИ наГру3ке в опоре ^ ^^^кН. и диаметре волоки ММ
1.2. Экспериментальное определение сил при волочении
Целью экспериментальных исследований являлось подтверждение и корректировка расчетных значений диаметров деформируемого элемента (болта). Расчетные значения являются ориентировочными и не могут быть окончательными, поскольку реальные значения характеристик (предела прочности, текучести материала, коэффициента трения и др.) могут отличаться от выше принятых.
В ходе экспериментальных исследований испытывались деформируемые элементы со следующими исходными диаметрами
d0l =30.8 мм, d02 =31.1 мм, с/03 = 31.4мм, d04 = 32 мм „ .. L = 30MM „ л„л
Длина резьбовой части , резьба - МЗО.
При изготовлении экспериментальной волоки использовалась инструментальная сталь 5ХНМ. Режимы термообработки:
t = 870o C
- закалка в масло при ;
t = 450oC
- высокий отпуск при ,
ПС = 14°
после термообработки получена твердость 50 HRC. Угол рабочей зоны волоки составлял , длина рабочей зоны - 13 мм.
Диаметр калибрующей зоны ^ ^^ ММ длина калибруЮщей зоны - 3 мм. Входная и выходная зоны волоки имеют длину 3 мм и 2 мм соответственно и угол 450.
При проведении эксперимента использовалась испытательная машина (пресс) на сжатие типа ИП - 1000 (наибольшая предельная нагрузка - 1000 кН). В ходе испытаний были получены следующие значения минимально необходимых нагрузок для начала пластического деформирования:
F1=100kH,соответствует Ч
- ^ кН (соответствует ^02)-
^ кН (соответствует ^03 );
= ^ кН (соответствует ). Экспериментальный и расчетный (теоретический, построен по уравнению (7)) графики зависимости ^) представлены на рис.
5.
По результатам теоретико-экспериментальных исследований предложена конструкция деформируемого элемента со следующими раз-
с/. =32.4 мм 4 =93 мм
мерами: исходный диаметр болта ~ ; исходная длина деформируемого участка болта . Длина деформи-
руемого элемента после его прохождения через волоку может быть вычислена из условия сохранения объема и составит 108.5 мм.
Рис. 5. Зависимость усилия волочения от диаметра деформируемого элемента 3. ОБСУЖДЕНИЕ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В статье предлагается конструкция опорных устройств крепления системы ЯОР8 к раме лесозаготовительной машины, за счет которой осуществляется аварийное энергопоглощение в случае ее опрокидывания. При приложении нагрузки первоначально поглощение энергии происходит за счет упругих деформаций защитного каркаса кабины. При достижении нормируемого минимального усилия боковой нагрузки дальнейшее поглощение энергии происходит только за счет пластической деформации опоры, что позволяет гарантировать сохранение защитной зоны оператора.
Представлена конструкция опоры, в которой поглощение энергии достигается за счет волочения тела болта при растяжении в случае возникновения аварийной ситуации. Проведены теоретические исследования деформируемого элемента опоры, рассчитаны геометрические параметры элементов опор. В ходе экспериментальных исследований были уточнены параметры деформируемых элементов опор.
Литература:
1. International Organization for Standardization (2003) ISO 8082-1: Self-propelled machinery for forestry - Laboratory tests and performance requirements for roll-over protective structures - Part 1: General machines
2. Питухин А.В., Скобцов И.Г. Математическая модель напряженно - деформированного состояния элементов конструкций кабин лесозаготовительных машин с учетом пластических деформаций // Вестник Московского государственного университета леса Лесной вестник. №1 (93). - М.: Изд-во МГУЛ, 2013. - С. 121-125.
3. Питухин А.В., Скобцов И.Г., Хвоин Д.А. Экспериментальная оценка эффективности защитной рамы кабины колесного трелевочного трактора // Фундаментальные исследования. № 12. - М.: ИД Академия естествознания, 2011. - С.155-157.
4. Питухин А.В., Шиловский В.Н., Скобцов И.Г., Кяльвияйнен В.А. Повышение эксплуатационной технологичности лесозаготовительных машин: Монография. - Петрозаводск: ПЕТРОПРЕСС, 2012. - 240 с.
5. Dumitrache P. Parametric modeling ofthe (ROPS/FOPS) protective structures geometry in order to study oftheir behavior using finite element method. The Sorging Journal, 2011. Vol. 6 No. 2. - pp.9-12.
6. Etherton J.R., Cutlip R.G., Hams J.R., Ronaghi M, Means K.H., Gillkpie A. Static load test performance of a telescoping structure for an automatically diployable ROPS. Journal of Agricultural Safety and Health, 2002. Vol.8 No.1. - pp.119-126.
7. Powers J.R., Harris J.R., Etherton J.R., Ronaghi M., Snyder K.A., Lutz T.J., Newbraugh B.H. Preventing tractor rollover fatalities: performance of the NIOSH AutoROPS. Injury Prevention, 2001. Vol. 7 Suppl. I. - pp.54-58.
