CC BY
5
ТЕХНОЛОГИЯ ЗАГОТОВКИ И МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
ДРЕВЕСИНЫ
УДК 630.370
Хвойные бореальной зоны. 2019. Т. XXXVII, № 1. С. 74-78
ИССЛЕДОВАНИЯ НАГРУЗОК НА ЭЛЕМЕНТЫ КОНСТРУКЦИИ ЛЕСОПОГРУЗЧИКОВ
В. Ф. Полетайкин, Е. В. Авдеева, Д. Т. Галемов
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
Е-mail: poletaikin_vf@mail.ru
Режимы эксплуатации лесных машин обуславливают возрастание нагрузок а элементы конструкции. Исследования показывают, что динамические нагрузки, возникающие при работе лесопогрузчиков, могут в несколько раз превышать статические, поэтому учитывать их при проектировании является обязательным условием. Величина и характер действующих нагрузок, влияние на их уровень конструктивных и эксплуатационных факторов определяются в результате математического моделирования или экспериментальных исследований процессов функционирования систем (процессов грузового хода, разгона и остановки машины с грузом и других). Использование методов экспериментальных исследований обеспечивает возможность непрерывной записи измеряемых величин по времени, высокую точность и дистанционное измерение параметров процессов динамического нагружения элементов конструкции машины. Рассмотрены результаты экспериментальных исследований динамических нагрузок на подвеску корпуса и технологическое оборудование гусеничных лесопогрузчиков при движении машины с грузом через препятствия. Математическая обработка результатов исследований позволила получить уравнения регрессии, позволяющие определять значения динамических нагрузок на упругие элементы подвески корпуса лесопогрузчиков класса 40-42 кН при переезде через препятствия различной высоты с различной скоростью при разных положениях стрелы, зависимости нагрузок от эксплуатационных и конструктивных факторов, а так же определять вклад каждого из исследуемых факторов в выход процесса, включая парные взаимодействия факторов.
Ключевые слова: гусеничные лесопогрузчики, динамические нагрузки, экспериментальные исследования.
Conifers of the boreal area. 2019, Vol. XXXVII, No. 1, P. 74-78
RESEARCHES OF LOADS OF ELEMENTS OF THE DESIGN OF LOGGERS V. F. Poletaikin, E. V. Avdeeva, D. T. Galemov
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation Е-mail: poletaikin_vf@mail.ru
The modes of operation of forest cars cause increase of loadings and elements of a design. Researches show that the dynamic loadings arising during the work of loggers can exceed several times static therefore the account them at design is obligatory. The size and character of the operating loadings, influence on their level of efficiency and operational factors decide as a result of mathematical modeling or pilot studies of processes of functioning of systems (processes of the cargo course, dispersal and a stop of the car on freight and others). Use of methods of pilot studies provides possibility of continuous record of the measured sizes on time, high precision and remote measurement of parameters of processes of dynamic loading of elements of a machine design. In article results of pilot studies of dynamic loads of a suspension bracket of the case and processing equipment of caterpillar loggers at the movement of the car with freight through obstacles are considered. Mathematical processing of results of researches allowed to receive the regression equations allowing to define values of dynamic loads of elastic elements of a suspension bracket of the case of loggers of a class of 40-42 kN when moving through obstacles of various height with various speed at different provisions of an arrow, dependence of loadings on operational and efficiency factors, and also to define a contribution of each of the studied factors to a process exit, including pair interactions offactors.
Keywords: caterpillar loggers, dynamic loadings, pilot studies.
Хвойные бореальной зоны. XXXVII, № 1, 2019
Целью экспериментальных исследований является определение величины и характера нагрузок на подвеску корпуса и технологическое оборудование гусеничного лесопогрузчика класса 40-42 кН, доказательство достоверности математического моделирования режимов движения указанных лесопогрузчиков.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Разработка информационно-измерительной системы и методики проведения экспериментов.
2. Экспериментальные исследования режимов движения лесопогрузчика.
3. Математическая обработка результатов экспериментов. Оценка сходимости результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Измерение нагрузок на элементы конструкции лесопогрузчика в процессе движения с грузом при различных положениях стрелы производилось методом тензо-метрирования. Использование данного метода обеспечивает возможность непрерывной записи измеряемых величин по времени, высокой точности и дистанционного измерения параметров процессов динамического на-гружения элементов конструкции машины [1].
Для измерения и регистрации параметров использовались аналогово-цифровая плата Ь-154, преобразователь давления МП-22516, тензометрическая балка с наклейными на ее поверхностях тензометрическими датчиками 2ПКБ-20.100А, персональный компьютер, установленный на испытуемом лесопогрузчике соединенные в информационно - измерительную систему (ИИС). Исследования проводились на натурном образце лесопогрузчика перекидного типа ЛТ-65Б. на базе лесопромышленного трактора ТТ-4М. Блок-схема информационно-измерительной системы показана на рис. 1. Тензометрическая балка предназначена для измерения деформаций рессор передней подвески корпуса при движении лесопогрузчика с грузом. На поверхностях тензометрической балки с двух сторон наклеивались проволочные тензорезисторы 2ПКБ-20.100А, соединенные по схеме моста Уинстона, который через плату Ь-154 соединялся с персональным компьютером. Схема соединения тензорезисторов показана на рис. 1. Тензометрическая балка одним
концом закреплялась на корпусе лесопогрузчика, а другим соединялась шарнирно со штоком направляющей рессоры трактора. Таким образом, возникающие в процессе движения деформации балки и упругих элементов подвески регистрировались тензо-резисторами и через плату Ь-154 оцифровывались и записывались на жесткий диск компьютера. Схема установки балки на испытуемом лесопогрузчике показана на рис. 2. Питание измерительного моста тен-зометрической балки производилось от блока питания постоянного тока Б5-44, напряжение 12 В. С помощью преобразователя давления МП-22516 регистрировалось давление в поршневых полостях гидроцилиндров подъема стрелы. Нагрузка , приложенная к концу стрелы при подъеме груза из положения набора в транспортное и вовремя грузового хода определялась по формуле [2]
Р =
стр
Р
пБг
МП
I эш (р)
/ Iс
(1)
где РМП - давление, регистрируемое преобразователем давления МП - 22516, МПа; Б - внутренний диаметр гидроцилиндра подъема стрелы, м; I - расстояние от оси вращения стрелы до точки крепления штока гидроцилиндра к стреле, м, [2]; р - угол между
осями гидроцилиндра и стрелы; 1с - длина стрелы, м, Нагрузки на элементы конструкции передней подвески корпуса определялись по формуле:
Яы = цис, кН, (2)
где ц - масштаб тарировочного графика,
В
и -
напряжение; В - ордината осциллограммы (выходной
сигнал); С - жесткость рессор базового трактора, .
мм
Таким образом, по величине ординат осциллограмм тензометрической балки строились кривые нагрузок на элементы конструкции передней подвески корпуса лесопогрузчика.
Гидроиитдры побьет с'ргк
Рис. 1. Блок-схема информационно-измерительной системы
мм
Рис. 2. Схема установки тензометрической балки на испытуемом лесопогрузчике: 1 - гибкий груз; 2 - стрела; 3 - преобразователь давления МП-22516; 4 - тензометрическая балка; 5 - рессоры; 6 - балансир; 7 - корпус
Исследования выполнены в соответствии с планом активного полно факторного эксперимента типа 23. В качестве варьируемых факторов принимались: XI _ скорость движения лесопогрузчика - УТР, м/с; х2 -высота преодолеваемых препятствий - йтах, м; х3 - расстояние от центра тяжести груза до оси заднего балансира (грузовое положение стрелы) - Аь м; в качестве критериев оценки результатов - динамические нагрузки на упругие элементы подвески корпуса лесопогрузчика - и на стрелу лесопогрузчика -РСТР, кН. Пределы варьирования факторов:
0,5 < х < 0,9; 0,1 < х2 < 0,35; 2,05 < х3 < 4,55.
В процессе экспериментальных исследований нагрузок на подвеску корпуса измерялись деформации упругих элементов подвески корпуса; скорость движения лесопогрузчика; вес транспортируемого груза; высота препятствия; расстояние от центра тяжести груза до оси заднего балансира (грузовое положение стрелы); давление в нагнетательном трубопроводе гидроцилиндров подъема стрелы.
Деформации рессор подвески корпуса от внешних динамических нагрузок в вертикальном направлении измерялись при помощи тензометрической балки. Тензометрическая балка устанавливалась на корпусе лесопогрузчика и соединялась свободным концом со штоком рессоры. По результатам обработки предварительных экспериментов определялось необходимое и достаточное количество повторений основных экспериментов. При проведении каждого опыта компьютером фиксировалось время движения лесопогрузчика через препятствие.
Скорость движения лесопогрузчика через препятствие первым катком определялась на основании следующей зависимости
^ = L, t
тр
(3)
где Ь - длина препятствия; / - время переезда через препятствие первой парой опорных катков.
Процесс переезда лесопогрузчика через препятствие фиксировался на видеокамеру. Время переезда определялось путем вычитания времени в момент наезда на препятствие первым катком от времени
в момент съезда с препятствия первым катком. Длина препятствия замерялась рулеткой. В качестве препятствий использовались сортименты диаметром 0,20-0,55 м.
Оценка сходимости результатов проводилась по следующей методике:
- строились графики зависимости нагрузок от варьируемых факторов при переезде через препятствие лесопогрузчиком, полученные в результате математического моделирования;
- проводилась оценка нагрузок, полученных в результате экспериментальных исследований и определялась сходимость результатов.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
В результате экспериментов получены значения нагрузок, действующих на упругие элементы передней подвески корпуса и стрелу при движении лесопогрузчика через препятствие. Образец осциллограммы, полученной в результате экспериментальных исследований, представлен на рис. 3.
Данные, полученные в результате экспериментальных исследований, представляют собой числовой массив, состоящий из ряда столбцов. Каждый столбец соответствует определенному каналу записи. Полученные данные, после обработки в программе Power Graph, копировались в математический пакет MathCad в виде матрицы числовых значений. Каждый столбец матрицы умножался на необходимый тариро-вочный коэффициент и на жесткость упругого элемента подвески С3.
После выбора матрицы и интервалов варьирования проводились экспериментальные исследования, результаты которых позволили рассчитать уравнение регрессии следующего вида [2]:
Y = bo + b1x1 + ¿2Х2 + ЬзХз + bi2xu + bl3*13 + b23 X23 , (4)
где Y - значение критерия оценки результатов экспериментов (выхода процесса); x1, x2, x3 - значение
уровней факторов, влияющих на процесс; bl, b2, b3 -коэффициенты регрессии, отражающие степень влияния каждого фактора на выход процесса; b0 - остаточный член в уравнении регрессии, характеризую-
Хвойные бореальной зоны. XXXVII, № 1, 2019
щий средний выход процесса; Ь\2, Ь\3, Ь23 - коэффициенты регрессии, соответствующие эффектам парных взаимодействий факторов. Значимость коэффициентов и адекватность уравнения регрессии проверены по критериям Стьюдента и Фишера.
Значения коэффициентов уравнения регрессии для определения нагрузок на подвеску корпуса лесопогрузчика при натуральных значениях факторов приведены в табл. 1.
Полученное уравнение регрессии позволяет определять значения динамических нагрузок на упругие элементы подвески корпуса лесопогрузчика класса 40-42 кН при переезде через препятствия различной
высоты с различной скоростью при разных положениях стрелы. При этом можно определять вклад каждого из исследуемых факторов в выход процесса, включая парные взаимодействия факторов.
На рис. 4 и 5 показаны кривые изменения динамических нагрузок на упругие элементы подвески корпуса и стрелу лесопогрузчика при переезде через препятствие с гибким грузом, полученные в результате теоретических и экспериментальных исследований.
В табл. 2 и 3 представлены значения нагрузок на подвеску корпуса и стрелу лесопогрузчика при изменении высоты препятствий от 0,15 м до 0,35 м при А1 = 3,1 м; ¥тр = 0,7 м/с.
Рис. 3. Образец осциллограмм, полученных в результате экспериментальных исследований: 1 - осциллограмма давления в гидроцилиндрах подъема стрелы; 2 - осциллограмма деформаций упругих элементов подвески корпуса
Таблица 1
Значение коэффициентов уравнения регрессии для определения нагрузок на подвеску корпуса лесопогрузчика при натуральных значениях факторов
Обозначение коэффициентов Ьс Ь\ Ь2 Ь3 Ьп Ь13 Ь23
Значения коэффициентов 62468 103 421 535 179 661 460
Рис. 4. Динамические нагрузки на подвеску корпуса при движении лесопогрузчика с гибким грузом (А1 = 3,1 м; йтах = 0,25 м)
Рис. 5. Динамические нагрузки на стрелу при движении лесопогрузчика с гибким грузом (А1 = 3,1 м; Атах = 0,25 м)
Таблица 2
Значения нагрузок на подвеску корпуса при изменении высоты препятствий (А1 = 3,1 м; Ктр = 0,7 м/с)
^m^ м 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35
rn, Н Экспериментальные данные 180254 196201 198679 239894 243288
Rn н Теоретические данные 176157 188352 191767 223978 238354
Таблица 3
Значения нагрузок на технологическое оборудование полученные при теоретических и экспериментальных исследованиях при изменении высоты препятствий (А1 = 3,1 м; Ктр = 0,7 м/с)
hmax, м 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35
P Н 1 стр? ^ Экспериментальные данные 72246 76728 78210 80216 85024
P Н стр Теоретические данные 71196 72412 74024 77428 78451
ВЫВОДЫ
1. При увеличении скорости движения от 0,5 м/с до 0,9 м/с нагрузки на технологическое оборудование возрастают на 16-18 % при движении с гибким грузом и на 23-24 % - при движении с жестким грузом
2. При увеличении высоты препятствий от 0,15 м до 0,35 м нагрузки на технологическое оборудование при движении с гибким грузом возрастают на 8-10 %, при движении с жестким грузом на 6-8 %.
3. При увеличении скорости движения от 0,5 до 0,9 м/с нагрузки на переднюю подвеску корпуса лесопогрузчика возрастают на 26,6 % при движении с гибким грузом, и на 9-10 % при движении с жестким грузом.
4. При увеличении высоты препятствия 0,15 до 0,35 м нагрузки на подвеску корпуса (при постоянной скорости) при движении с гибким грузом возрастают до 35 %, а при движении с жестким грузом на 6,6 %.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ССЫЛКИ
1. Александров В. А. Механизация лесосечных работ в России. СПб. : Изд-во С-Пб.ГЛТА, 2000. 208 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. Mekhanizatsiya lesosechnykh rabot v Rossii. SPb. : Izd-vo S-Pb.GLTA, 2000. 208 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., Авдеева Е. В., Галемов Д. Т., 2019
Поступила в редакцию 11.01.2019 Принята к печати 08.02.2019
