CC BY
4
УДК 630.370.4
Хвойные бореальной зоны. 2019. Т. XXXVII, № 2. С. 154-157 ИССЛЕДОВАНИЕ НАГРУЗОК НА ГУСЕНИЧНЫЕ ЛЕСОПОГРУЗЧИКИ
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
Рассмотрены внешние динамические нагрузки на корпус базового трактора и рабочее оборудование гусеничных лесопогрузчиков классов грузоподъемности 25, 35, 63 кН. При движении через препятствия одновременно двумя бортами под действием сил инерции масс в переносном движении возникают продольно-угловые колебания и связанные с ними внешние динамические нагрузки в продольно-вертикальной плоскости. При движении через препятствие одним бортом возбуждаются поперечно-угловые колебания и внешние нагрузки в боковом направлении. При анализе указанных нагрузок принималось допущение о движении лесопогрузчика через препятствия косинусоидального профиля. Возникающие при этом внешние нагрузки (входные сигналы) изменяются по этому же закону. При рассмотрении линейных динамических систем, подчиняющихся принципу суперпозиции, принимается положение о том, что нагрузки на выходе системы (выходные сигналы) изменяются во времени по закону изменения входных воздействий (входных сигналов), но отличаются по частоте и сдвинуты по фазе на некоторый угол. Приведены результаты исследований нагрузок на элементы конструкции гусеничных лесопогрузчиков трех классов грузоподъемности, наиболее распространенных в лесной промышленности нашей страны. Таким образом, полученные результаты позволяют выполнять анализ динамических нагрузок на элементы конструкции лесопогрузчиков на стадии проектирования новых машин.
Ключевые слова: лесопогрузчики гусеничные, корпус, рабочее оборудование, динамические нагрузки.
Conifers of the boreal area. 2019, Vol. XXXVII, No. 2, P. 154-157
RESEARCH OF LOADS OF CATERPILLAR LOGGERS
V. F. Poletajkin
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation
External dynamic loadings on the case of a base tractor and the working equipment of caterpillar loggers of classes of load-carrying capacity 25, 35, 63 кЫ are considered. At movement through obstacles simultaneously longitudinal-angular fluctuations and the external dynamic loadings connected with them in a longitudinal-vertical plane arise two boards under the influence offorces of inertia of weights in portable movement. At movement through an obstacle one board raises cross-section-angular fluctuations and external loadings in a lateral direction. At the analysis of the specified loadings the assumption about logger movement through obstacles cosine a profile was accepted. External loadings arising thus (entrance signals) change under the same law. By consideration of the linear dynamic systems submitting to a principle of superposition, position that loadings on a system exit (target signals) change in time under the law of change of entrance influences (entrance signals) is accepted, but differ on frequency and are shifted on a phase on some corner. Results of researches of loads of elements of a design of caterpillar loggers of three classes of loading capacity, the most widespread in the forest industry of our country are given in article. Thus, the received results allow to make the analysis of dynamic loads of elements of a design of loggers at a design stage of new cars.
Keywords: loggers caterpillar, the case, the working equipment, dynamic loadings.
Лесопогрузчики перекидного типа различной грузоподъемности на базе лесопромышленных 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. При погрузке древесного сырья в виде хлыстов и деревьев с кроной гусеничные лесопогрузчики в процессе грузового
хода преодолевают различные препятствия. При этом возникают сложные динамические процессы взаимодействия элементов конструкции лесопогрузчика с предметом труда и опорной поверхностью. Так, при движении лесопогрузчика через препятствия одновременно двумя бортами под действием сил инерции масс в переносном движении возникают продольно-угловые колебания и связанные с ними внешние динамические нагрузки в продольно-вертикальной плоскости. При движении через препятствие одним бортом возбуждаются поперечно-угловые колебания
Хвойные бореальной зоны. XXXVII, № 2, 2019
и внешние нагрузки в боковом направлении. В соответствии с принятой технологией погрузочных работ грузовой ход лесопогрузчиков перекидного типа выполняется при вертикальном или близком к нему положении грузовой стрелы. Это диктуется необходимостью обеспечения достаточной продольной устойчивости машины против опрокидывания, равномерного распределения силы тяжести машины и груза по опорной поверхности гусениц и, следовательно, создания меньшего удельного давления на грунт. Однако при этом увеличивается высота расположения центра массы груза, приводит к увеличению моментов внешних нагрузок на элементы конструкции машины. Учет этих нагрузок при выполнении расчетов прочности металлоконструкции и гидропривода в процессе проектирования лесопогрузчиков позволяет повысить надежность машин и эффективность их использования.
Динамические нагрузки на элементы конструкции, возникающие в режиме грузового хода, при проектировании лесопогрузчиков могут быть учтены непосредственно в расчетах, если их значения установлены заранее, или введением в расчеты коэффициентов динамики ( Кд ), если известны статические, но неизвестны действительные значения динамических нагрузок.
Под коэффициентом динамики в данном случае понимается отношение динамической нагрузки к статической [1], т. е.
Кд = (Рд + РСТ )/ РСТ = 1 + РрДРст , (1)
где РД - динамическая нагрузка (сила, момент силы); РСТ - статическая нагрузка.
На величину динамических нагрузок на элементы конструкции лесопогрузчика в процессе грузового хода и Кд оказывает влияние большое количество
факторов. Наибольшее влияние оказывают скорость движения машины, высота препятствий, условия движения (коэффициенты сопротивления движению / и сцепления фСц ). Кроме этого существенное значение имеет вид транспортируемого груза (хлысты, сортименты), тип подвески корпуса трактора (жесткая, полужесткая, эластичная), жесткость рабочего оборудования.
Источником возбуждения вынужденных колебаний упругих элементов лесопогрузчика являются силы инерции масс в переносном движении, т. е. силы инерции, возникающие при движении через препятствие. Указанные силы, возбуждая относительные перемещения масс при динамических деформациях в процессе упругих колебаний элементов конструкции, повышают общий уровень нагруженности конструкции.
На рисунке представлена расчетная схема для определения сил инерции масс и их моментов в переносном движении в продольно-вертикальной плоскости при перемещении гусеничного лесопогрузчика через препятствие одновременно двумя бортами.
Силы инерции масс т^ в переносном движении и их моменты относительно оси заднего балансира хо-
довой системы лесопогрузчиков трех классов грузоподъемности (25, 35, 63 кН) определялись по основным уравнениям динамики [2]:
Q (t ) = ),
Mt (t) = J 8,
(2)
где И/'(/) - ускорение масс в переносном движении; И (/) - перемещение центров масс в переносном движении при переезде препятствия; Ji - моменты инерции масс относительно оси заднего балансира; е = а (/) - угловое ускорение центров масс; а(/) -угол поворота (угловое перемещение) корпуса трактора относительно оси заднего балансира (см. рисунок). При определении И (/) и И"(/) исходим из допущения о том, что машина движется по неровностям пути косинусоидального профиля, который описывается выражением вида
h(t ) = -i241 - cos2rcut / L),
(3)
где h(t ) - текущее значение высоты препятствия; и -скорость движения машины; L - длина препятствия; t - время движения машины через препятствие. Вынужденные колебания в этом случае являются следствием кинематического возбуждения и действия сил инерции масс в переносном движении. Скорость переносного (вертикального) перемещения - h ' (t), ускорение - h"(t) .
Угловые перемещения масс в переносном движении a(t), выраженные через вертикальные h(t) и
размеры ходовой системы (см. рисунок) определялись по выражению [2]
a(t) = h(t)КП / A,
где А - база трактора; КП - коэффициент, учитывающий влияние размеров звеньев кинематики ходовой системы трактора на вертикальные перемещения масс при движении через препятствие. По физическому смыслу коэффициент КП представляет собой передаточное число кинематической схемы ходовой системы (табл. 1).
Момент силы инерции массы m1 в переносном движении
Mi(t ) = ( Jc1 + m R2)a (t ). (4)
При A1 > A4 (см. рисунок - наклонное положение стрелы):
R2 = Ai2 + (hk + hH )2. (5)
Здесь
hH =yl l2c - ( Ai - A4)2,
где JC1 - центральный момент инерции массы m1 .
Угол поворота системы относительно оси заднего балансира при движении через препятствие:
a(t) = h(t)КП / A.
Угловое ускорение:
ОС(0 = 6 = Н(г)КП / А =
2КПКык2 о 2
2пог
АЬ2
008-
Момент силы инерции:
М3(г) = (Зс + т3Я2)а(г).
3С - центральный момент инерции массы т3.
Моменты сил инерции масс т2, т'2, ляются аналогично.
(6)
(7)
опреде-
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИИ
При движении лесопогрузчиков с хлыстами или деревьями колебания вершиной и комлевой частей пакета создают дополнительные нагрузки Q2(t), ), М2(/), М"2(г), которые определяются по формулам, аналогичным (1)-(7). Максимальные значения сил и моментов сил при движении лесопогрузчика через препятствия различными опорными катками, полученные в результате исследований, приведены в табл. 2.
Расчетная схема определения сил инерции масс при движении лесопогрузчика через препятствие: т1, т2 - массы рабочего оборудования и груза, приведенные к концу стрелы; т3 - подрессоренная масса трактора и неподвижных частей рабочего оборудования; Я, Я3 - радиусы инерции масс; 1С - длина стрелы; а(г) - угловое перемещение корпуса трактора
Таблица 1
Значения коэффициентов КП
Пары опорных катков, интервалы времени Грузоподъемность лесопогрузчика, кН
25 35 63
1. 0 < г1 < Т 0,6176 0,6176 0,6176
2. Т < г2 < 2Т 0,3823 0,3823 0,3823
3. 2Т < г3 < 3Т 0,3823 0,2363 0,5
4. 3Т < г4 < 4Т 0,6176 0,292 0,5
5. 4Т < г5 < 5Т - 0,4716 0,3823
6. 5Т < г6 < 6Т - - 0,6176
Ь
Таблица 2
Значения Q¡ (г), М1 (г) в интервалы 0 < г1 < 6Т
Обозначения Интервалы времени 1;
величин 0-Т Т-2Т 2Т-3Т 3Т-4Т 4Т-5Т 5Т-6Т
Кл. 25кН
Ql(г), кН 18,657 11,54 11,54 18,65 - -
Q2(г) 8,634 5,344 5,344 8,643 - -
Q2(t) 16,672 10,32 10,32 16,67 - -
Хвойные бореальной зоны. XXXVII, № 2, 2019
Окончание таблицы 2
Обозначения Интервалы времени ti
величин 0-Т Т-2Т 2Т-3Т 3Т-4Т 4Т-5Т 5Т-6Т
Q3(t) 25,713 16,91 16,91 25,71 - -
Ml(t), кНм 77,959 48,25 48,25 77,95 - -
м 2(t) 35,949 22,2 22,25 35,94 - -
м 2(t) 69,42 42,97 42,97 69,42 - -
M 3(t) 43,786 26,1 27,10 43,78 - -
Кл.35 кН
Q1(t), кН 26,166 16,8 10,39 12,84 20,74 -
Q2(t) 9,696 6,001 3,709 4,584 7,246 -
Q2(t) 21,498 13,70 8,225 10,16 16,41 -
Q3(t) 23,2 14,3 8,876 10,96 16,71 -
Mj(t), кНм 135,35 87,7 51,78 63,99 103,9 -
M 2(t) 48,188 29,8 18,43 22,78 36,79 -
m 2(t) 105,943 66,13 40,87 50,51 81,58 -
M 3(t) 42,283 28,65 17,708 21,882 35,342 -
Кл.63 кН
Q1(t), кН 22,78 14,1 18,44 18,44 14,1 22,78
Q2(t) 13,78 8,53 11,15 11,15 8,53 13,78
Q2(t) 26,53 16,42 21,48 21,48 86,42 26,53
Mj(t), кНм 124,64 77,15 200,9 100,9 77,15 124,64
M 2(t) 75,140 46,51 60,83 60,83 46,51 75,124
м 2(t) 144,67 89,55 117,12 117,12 89,55 144,67
ВЫВОДЫ
Данные табл. 2 показывают, что в режиме грузового хода при переезде препятствий на элементы конструкции лесопогрузчиков воздействуют значительные внешние динамические нагрузки. Наибольшие их значения наблюдаются при переезде препятствий крайними опорными катками. Это обусловлено особенностью конструкции ходовых систем базовых тракторов: крайние опорные катки установлены на меньших плечах относительно оси вращения балансиров, что снижает плавность хода машины и, соответственно, увеличивает динамические нагрузки на машину. Данные нагрузки являются внешними возмущающими воздействиями на элементы динамической системы лесопогрузчика (входными сигналами), обуславливают упругие колебания. Закон изменения их во времени детерминирован и определяется функцией профиля преодолеваемых препятствий (косину-соидальный). При исследованиях и расчетах линейных динамических систем, подчиняющихся принципу суперпозиции, принимается положение о том, что нагрузки на выходе системы (выходные сигналы) изменяются во времени по закону изменения входных воздействий (входных сигналов), но отличаются по частоте и сдвинуты по фазе на некоторый угол. Указанные отличия определяются параметрами динами-
ческих систем (массами, коэффициентами жесткости, демпфирующими сопротивлениями). Таким образом, полученные результаты позволяют выполнять анализ динамических нагрузок на элементы конструкции лесопогрузчиков трех классов грузоподъемности с учетом влияния ряда факторов (размеры препятствий L, hmax, скорость движения машины, вид транспортируемого груза и другие).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ССЫЛКИ
1. Александров В. А. Моделирование технологических процессов лесных машин : монография. М. : Экология, 1995. 257 с.
2. Полетайкин В. Ф. Прикладная механика лесных подъемно-транспортных машин : монография / Сиб. гос. технологич. ун-т. Красноярск, 2010. 247 с.
REFERENCES
1. Aleksandrov V. A. Modelirovaniye tekhnologi-cheskikh protsessov lesnykh mashin : monografiya. Moskva, Ekologiya, 1995. 257 s.
2. Poletaykin V. F. Prikladnaya mekhanika lesnykh pod"yemno-transportnykh mashin : monografiya / Sib. gos. tekhnologich. un-t. Krasnoyarsk, 2010. 247 s.
© Полетайкин В. Ф., 2019
Поступила в редакцию 19.02.2019 Принята к печати 21.03.2019
