Научная статья на тему 'Моделирование нагружения тяговой рамы самоходного скрепера'

Моделирование нагружения тяговой рамы самоходного скрепера Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
193
30
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
СКРЕПЕР / ТЯГОВАЯ РАМА / РАСЧЕТНАЯ СХЕМА / МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ / ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ / СНИЖЕНИЕ НАГРУЗОК / ТЯГОВА РАМА / РОЗРАХУНКОВА СХЕМА / МАТЕМАТИЧНА МОДЕЛЬ / ПіДВИЩЕННЯ НАДіЙНОСТі / ЗНИЖЕННЯ НАВАНТАЖЕНЬ / SCRAPER / DRAFT FRAME / CALCULATED SCHEME / MATHEMATICAL MODEL / RELIABILITY IMPROVEMENT / LOAD REDUCTION

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Ковалевский С. Г.

Рассматриваются вопросы нагружения тяговой рамы самоходного скрепера во время заполнения ковша грунтом. Разработаны расчетная схема и математическая модель полноприводного скрепера, которая позволила провести моделирование процессов, протекающих в узлах металлоконструкции.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

SIMULATION OF LOADING A DRAFT FRAME OF SELF-POWERED SCRAPER

The problems of loading a draft frame of a self-powered scraper in the process of filling а bucket with soil are studied. The calculated scheme and the mathematical model of an all-wheel drive scraper are developed; it allowed to simulate the process occurring in the joints of a metal structure.

Текст научной работы на тему «Моделирование нагружения тяговой рамы самоходного скрепера»

УДК 621.869

МОДЕЛИРОВАНИЕ НАГРУЖЕНИЯ ТЯГОВОЙ РАМЫ САМОХОДНОГО

СКРЕПЕРА

С.Г. Ковалевский, доц., к. т.н., Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет

Аннотация. Рассматриваются вопросы нагружения тяговой рамы самоходного скрепера во время заполнения ковша грунтом. Разработаны расчетная схема и математическая модель полноприводного скрепера, которая позволила провести моделирование процессов, протекающих в узлах металлоконструкции.

Ключевые слова: скрепер, тяговая рама, расчетная схема, математическая модель, повышение надежности, снижение нагрузок.

МОДЕЛЮВАННЯ НАВАНТАЖЕННЯ ТЯГ0В01 РАМИ САМОХ1ДНОГО

СКРЕПЕРА

С.Г. Ковалевський, доц., к.т.н., Харк1вський нацюнальний автомобшьно-дорожнш ушверситет

Анотац1я. Розглядаютъся питання навантаження тяговог рами caMOxidnozo скрепера nid час заповнення ковша грунтом. Розроблено розрахункову схему та математичну модель повнопри-водного скрепера, яка дозволила провести моделювання процеав, що проттають у вузлах ме-талоконструкцп.

Ключов1 слова: скрепер, тягова рама, розрахункова схема, математична модель, тдвищення HadiuHOcmi, зниження навантажень.

SIMULATION OF LOADING A DRAFT FRAME OF SELF-POWERED SCRAPER

S. Kovalevskyi, Assoc. Prof., Cand. Sc. (Eng.), Kharkiv National Automobile and Highway University

Abstract. The problems of loading a draft frame of a self-powered scraper in the process offilling a bucket with soil are studied. The calculated scheme and the mathematical model of an all-wheel drive scraper are developed; it allowed to simulate the process occurring in the joints of a metal structure.

Key words: scraper, draft frame, calculated scheme, mathematical model, reliability improvement, load reduction.

Введение

Скреперы выполняют большие объемы земляных работ в дорожном, лесотехническом и сельскохозяйственном строительстве. Анализ работы самоходного пневмоколесного скрепера позволяет сделать вывод о недостаточных тяговых качествах для полного заполнения ковша грунтом, что приводит к уменьшению производительности машины [1, 2]. Одним из наиболее распространенных

способов повышения эффективности самоходного скрепера является использование ведущей задней оси с приводом от основного или дополнительного двигателя, что позволяет увеличить степень наполнения ковша, сократить путь и время копания, но приводит к увеличению нагрузок, действующих в узлах металлоконструкции скрепера.

Таким образом, необходимость повышения эффективности эксплуатации самоходного

скрепера за счет определения и использования рациональных режимов работы является актуальной задачей.

Анализ публикаций

Исследования самоходных скреперов, выполненные до настоящего времени, были посвящены определению максимального тягового усилия, необходимого для заполнения ковша, минимальной энергоемкости процесса копания и дальнейшему уменьшению этих величин путем совершенствования конструктивных элементов скрепера [3, 4].

Цель и постановка задачи

Целью работы является разработка научно обоснованных рекомендаций по снижению нагруженности металлоконструкции тяговой рамы самоходного скрепера.

Математическое моделирование процессов

В качестве допущений, которые позволят упростить моделирование работы самоходного скрепера, следует принять рассмотрение

__Ьг

плоской задачи при отсутствии продольного и поперечного уклонов. В динамике процесса копания грунта скрепером известно, что тяговая рама является упругим элементом, жесткость которого значительно ниже жесткости остальных узлов металлоконструкции машины; жесткость скрепера в вертикальном направлении определяется податливостью пневматических колес. Опорная поверхность принята недеформируемой, а продольные усилия на ведущих колесах ограничены сцепными качествами движителей с опорной поверхностью. Тягач и ковш скрепера рассматриваются как абсолютно жесткие тела, имеющие сосредоточенные массы, приложенные в координатах центров тяжести.

Рассмотрим схему сил, действующих на самоходный скрепер при копании грунта, в которой учитываются силы тяги на ведущих колесах Т, Т2, реакции грунта на осях скрепера R1, R2, сопротивление качению колес Е1, F2, горизонтальная и вертикальная составляющие силы сопротивления копанию, приложенные к ножу скрепера Rг, Rв, вертикальные силы тяжести G1,G2 (рис. 1).

---

Рис. 1. Схема сил, действующих на самоходный скрепер при копании грунта

Самоходный скрепер рассматривается как ип, Ц2, радиальной жесткостью С1, С2 ве-

двухмассовая система т1, т2, учитывающая продольные, вертикальные и угловые перемещения по координатам х, у, ф . Упругие связи системы характеризуются коэффициентами жесткости тяговой рамы скрепера в горизонтальной и вертикальной плоскостях

дущих колес, вязким сопротивлением К1, К2.

Для составления уравнений движения тягача самоходного скрепера относительно обобщенных координат х1, л ф1 определим скорость центра тяжести массы т

% = б + ^ % = У1 " 11тф1.

Квадрат скорости первой массы

(1)

V = (б1 + С1-ф1) + (У1 - /1^ •ф1) = б1 +

+2С1б1ф1 + С12ф2 + у12 - 2/1шУ1ф1 + /12тф12.

(2)

Кинетическая энергия первой массы

1

1

т = 2 ^ + 2- Ф2 = ?( б12 + 2С1 б1ф1 +

2 2 2 2 2 1 2 +С ф1 + У - 2/1тУ1ф1 + 11тф1 ) + ^71ф1.

(3)

Производные от кинетической энергии по обобщенным скоростям

НТ- = щ( б + С1Ф1),

ах,

^Т = т1(У - Ат^Х аУ1

(4)

(5)

ОТ,

— = т (С1Х1 + ф1 - /1шУ1 + /1тф1 ) + •/1ф1 . (6)

а ф1

Производные от кинетической энергии по времени

а дт .. ,..

—— = »»1Х + тЛф1, (7)

а? дх1

а дТ .. ..

— ^Т = т1У - т111тф1, (8)

а дУ1

а дт ,.. Т 2 -- 7 т2 т ••

—— = тКХ + т1С1 ф1 - т1/1тУ + т111т + -1ф = а? дф1

= Щ П1Х1 - т111тУ + [т1 (С12 + /1т ) + -1]ф[.

(9)

Вычисляем обобщенные силы, действующие на массу т1.

Сила, действующая на массу т1 со стороны передних колес:

Я1 = С1[-У1 + 11тф1] +

+ Ф1[-у1 + 11т ф1].

Силы, действующие на массу т1 со стороны тяговой рамы

Ргх = и11^Хг + и12^Уг,

Ру = и21^ + и22 АУ г,

(11) (12)

где Ах - удлинение рамы в горизонтальном направлении; Ау - удлинение рамы в вертикальном направлении.

Величины Ах1 и Ау1 определяются как разности перемещений точек крепления рамы к тягачу и скреперу

АУ1 — Х2,

АУ1 = У1 - У2.

(13)

(14)

Коэффициенты и11, и12, и21, и22 определяются по деформациям рамы с помощью метода конечных элементов.

Обобщенные силы определяются с помощью вычисления работы на виртуальных перемещениях. Если масса переднего тягача совершает виртуальное перемещение 5х, а все остальные возможные перемещения этой массы отсутствуют, силы, действующие на массу т , совершат элементарную работу

5Лх = Т1Ьх - F1Ьх --[и„(х - х2) + (У1 - У2 )]8х.

Обобщенная сила для этого случая

Qх = Т - Fl - иих1 + +и11х2 - и12 У1 + и12 У 2 .

(15)

(16)

При виртуальном перемещении 5у элементарная работа сил, действующих на массу т

5Лу = Я^У + Р1у 5у = С15у X

Х[-У1 + /1тф1 ] + к1ЬУ[-у1 + /1тф1 ] + (17)

+ [и21 (х1 - х2 ) + и22(У1 - У2)]5У.

Обобщенная сила для элементарного виртуального перемещения 5у

& = -С1У1 + с111тф1 - к1 у1 + к1/1тф1 +

+и21 ( х1 - х2 ) + и22 (У1 - У2 ).

При виртуальном перемещении 5ф1 элементарная работа сил, действующих на массу т

Чр1 = "^1т5Ф1 + ЭДт5Ф1 - ТЛт5Ф1 = = С15Ф1 [-У1 + АтФ ] + ^15Ф1 [-у1 + 11тф1 ] + (19) +ЭДт5Ф1 - Т1С1т5Ф1.

Обобщенная сила для виртуального перемещения 5ф1

= С111т [-У1 + АтФ ] +

+к111т [-у1 + АтФ1 ] + РАт - Т1С1т ■

(20)

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

С учетом проведенных преобразований уравнения движения массы т запишем

т ' Х1 + т1С1Ф1 = Т - ^ --и11(Х1 - х2) - и12(У1 - У2Х

(21)

т1 ' У + т111тФ1 = -С1У1 + С111тФ1 - к1 у1 +к111тФ1 + и21 (Х1 - Х2 ) + и22 (У1 - У2 ) ,

(22)

тАХ1 - т111ту + [т1(С1 + 11т ) + •/1]Ф1 =

= -С111тУ1 + С111т2Ф1 - (23)

-к111ту1 + КктЪ + F1С1m - Т1С1т .

Аналогичным образом запишем уравнения движения для массы т2

т2' ■■2 + т2^2Ф2 = Т2 - F2 - Rг + +и11(Х2 - х1) + и12(У2 - Уl),

(24)

т2 ' У2 + т2 (122 - 123 )Ф2 = -С2У2 +С2^22Ф2 - к2у2 + к2122Ф2 - (25) -и 21 (Х2 - Х1) - и22 (У 2 - У1 )-^ ,

т2С22 Х2 + т2(122 - ^23 ) у2 +

(С22 + 4 ) + *

+

т2

Ф2 =

= С2^22у2 + С2^22 Ф2 + к2^22У1 (26) -к21222ФФ2 ++ Р2 (С2т + С2 )-

-Т2 (С2т + С2 ) + RГС21 + ^21-

Величина тягового усилия определяется сцепным весом машины и коэффициентом сцепления ф

Т + Т2 =( ^ + R2 )Ф.

(27)

Силы сопротивления копанию определяются интенсивностью возрастания сопротивлений копанию А

Rг — А.Х2, Rв = ^

(28)

Результаты моделирования нагружения тяговой рамы одномоторного и двухмоторного самоходного скрепера с одинаковыми тяговыми и весовыми параметрами представлены на рис. 2.

Р.кН

200

100

1 /Л

/ \

/ \

0,1

0,2

(,сек

Рис. 2. Результаты моделирования усилий, действующих в тяговой раме: 1 - одномоторный скрепер; 2 - двухмоторный скрепер

Анализ проведенных исследований показал, что характер изменения нагрузок в тяговых рамах одномоторного и двухмоторного скрепера является однотипным; при этом наиболее нагруженным режимом является работа скрепера с передней ведущей осью, в которой максимальное значение действующих сил достигает 284 кН. При одинаковых характеристиках машин и условиях работы значение усилия в тяговой раме скрепера со всеми ведущими осями составляет 239 кН. В обоих случаях максимальных величин нагрузки достигают за одинаковый промежуток времени.

Выводы

Определение нагрузок, действующих в тяговой раме самоходного скрепера в процессе

заполнения ковша грунтом, выполнено на основе разработанной расчетной схемы машины. Математическая модель создана с учетом продольных, вертикальных и угловых перемещений двухмассовой системы, представляющей собой тягач и ковш скрепера. Упругие связи системы характеризуются коэффициентами жесткости тяговой рамы скрепера в горизонтальной и вертикальной плоскостях, радиальной жесткостью и вязким сопротивлением ведущих колес.

Разработанная методика позволила определить нагрузки, действующие в тяговой раме скрепера, работающего с передней ведущей осью и со всеми ведущими осями.

Оснащение одномоторного самоходного скрепера полным приводом, при условии равномерного распределения тягового усилия по ведущим осям, позволяет снизить нагрузки, действующие в металлоконструкции тяговой рамы, на 14-17 %, в зависимости от условий работы машины.

Результаты расчетов свидетельствуют о том, что заполнение ковша самоходного скрепера грунтом не приводит к возникновению предельных динамических нагрузок, а возникающие усилия можно характеризовать как нормальные, что дает основание рекомендо-

вать их для расчета металлоконструкций на прочность и долговечность.

Литература

1. Хмара Л. А. Машини для земляних po6iT /

Л.А. Хмара, C.B. Кравець, В.В. №чке та îh. - Р1вне-Дншропетровськ-Харюв, 2010. - 558 с.

2. Кириченко 1.Г. Науков1 основи створення

високоефективних землерийних машин / 1.Г. Кириченко, Л.В. Назаров. - X.: ХНАДУ, 2003. - 586 с.

3. Борисенков В.А. Оптимизация скреперных

агрегатов / В.А. Борисенков. - Воронеж: ВГУ, 1990. - 248 с.

4. Загородних А.Н. Основные направления со-

вершенствования скреперов и скреперных агрегатов / А.Н. Загородних // Совершенствование транспортно-эксплуатацион-ного состояния автомобильных дорог: сб. науч. тр. - 1999. - Том. II. -С.194-201.

Рецензент: ИХ. Кириченко, профессор, д.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 22 марта 2016 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.