CC BY
7
Хвойные бореальной зоны, XXXVII, № 5 - 6, 2016
УДК 630.370.4
МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОЧИХ РЕЖИМОВ ЗАХВАТА ЛЕСОПОГРУЗЧИКА
В.Ф. Полетайкин, Е.В. Авдеева
Сибирский государственный технологический университет, пр. Мира, 82, Красноярск, Россия
Лесопогрузчики грузоподъемностью от 25 до 42 кН на базе лесопромышленных тракторов широко применяются в лесной промышленности России при заготовке древесного сырья в виде хлыстов и деревьев с кроной. Исходя из этого, вопросы совершенствования конструкций и повышения надежности лесопогрузчиков являются актуальными. Повышение производительности лесопогрузчиков связано с решением вопросов повышения грузоподъемности, быстродействия механизмов, скоростей движения. Однако интенсификация режимов работы обуславливает повышение уровня динамических нагрузок на элементы конструкции. В данной статье рассмотрены результаты математического моделирования рабочих режимов и оптимизации параметров конструкции механизма поворота захвата лесопогрузчика. Для моделирования влияния эксплуатационных факторов на величину касательной силы и оптимизации параметров механизма поворота применен метод покоординатного спуска. Определено влияние коэффициентов сцепления, сопротивления движению и угла уклона погрузочной площадки на величину свободной силы тяги, расходуемой на преодоление сил сопротивления внедрению захвата в штабель. Оптимизация параметров кинематики рычажного механизма позволила снизить максимальные значения нагрузок на штоки гидроцилиндров привода нижней челюсти в процессе внедрения захвата в штабель на 15 %, в процессе отделения пачки лесоматериалов от штабеля на 29 %.
Ключевые слова лесопогрузчики, захват, механизм поворота, динамические нагрузки, математические модели, оптимизация
Loggers various type are widely applied by loading capacity from 25 to 42 kN on the basis of timber industry tractors in the forest industry of Russia at preparation of wood raw materials in the form of switches and trees with krone. Proceeding from it, questions of improvement of designs and increase of reliability of loggers are actual. Increase of productivity of loggers is connected with the solution of questions of increase of loading capacity, speed of mechanisms, movement speeds. However the intensification of operating modes causes increase of level of dynamic loads of design elements. In this article questions of mathematical modeling of operating modes and optimization of parameters of a design of the mechanism of turn of capture of lever type of loggers are considered. The method of pokoordinatny descent is applied to modeling of influence of operational factors at a size of tangent force and optimization of parameters of the mechanism of turn. Influence of coefficients of coupling, resistance to the movement and a corner of a bias of a loading platform at a size of free force of the draft spent for overcoming of forces of resistance to introduction of capture in a stack is defined. Optimization of parameters of kinematics of the lever mechanism allowed to reduce the maximum values of loads of rods of hydraulic cylinders of the drive of the lower jaw in the course of introduction of capture in a stack by 15%, in the course of separation of a pack of forest products from a stack for 29%.
Keywords: loggers, capture, turn mechanism, dynamic loadings, mathematical models, optimization
G d2x
G9C4/cos(aJ=-G-sin(aJ----p-+ . (3)
+ G-f-Cos(aJ+Po6utifl -sin(^) + cos(^))
В уравнениях (1), (2), (3): f - коэффициент сопротивления качению; G - сила тяжести лесопогрузчика; х - глубина внедрения захвата в штабель; f - коэффициент трения челюсти о грунт; ф - коэффициент сцепления движителя с поверхностью пути. Уравнения используются для нахождения величины равнодействующей сил сопротивления внедрению в зависимости от эксплуатационных факторов (коэффициентов сцепления и сопротивления движению, угла уклона погрузочной площадки) в условиях потери сцепления движителей с опорной поверхностью.
Для установления закономерностей влияния внешних сил на динамическую нагруженность элементов конструкции механизма поворота и штоков гидроцилиндров привода поворота захвата составлена математическая модель (4) системы «Механизм поворота - груз» в следующем виде
На основе уравнения тягового баланса лесопогрузчика получены уравнения движения системы «лесопогрузчик-груз» для трех вариантов работы: при движении по площадке без уклона (1), при движении на спуск (2) и на подъем (3).
- f ■ $+f ■f + , (1)
+ W f ■ sin(e) + cos(e))
G ф сц. • cos( am)=G-sin(o^) -
G ( U ' (2)
g at
+ РобщХА ■ sinGflp) + COS(A0)
В.Ф. Полетайкин, B.C. Аверьянов. Моделирование рабочих режимов захвата лесопогрузчика
Робщ-'г 21(л-1. т •./•/, 0. (4)
В уравнении (4): Р - равнодействующая сил сопротивления внедрению захвата при наборе пачки деревьев, / -плечо действия равнодействующей сил сопротивления относительно оси вращения захвата; Я - реакция связи в шарнире А; /; - длина рычага механизма поворота; /у - плечо действия сил инерции пачки лесоматериалов относительно оси вращения захвата; т - масса перемещаемого штабеля деревьев; _/.- ускорение массы т.
Для моделирования работы системы и определения величины возникающих динамических нагрузок разработана расчетная схема системы «Механизм поворота - рабочий орган - груз» (рисунок 1) и система уравнений (5). На рисунке 1: Р - усилие на што-
ке гидроцилиндра; Б - расстояние от оси вращения коромысла до оси вращения гидроцилиндра; 8ш1п -минимальная длина гидроцилиндра; X - ход поршня; 1к - длина коромысла; иеВ - переносная скорость точки В; и - скорости поступательного движения поршня со штоком; Р - усилие на тяге механизма;
- расстояние от точки С до оси вращения нижней челюсти точки О; а0 - угол между и осью ординат; 1, - расстояние от оси тяги до оси вращения нижней челюсти; 1 - расстояние от оси тяги до оси вращения коромысла; (30 - угол между отрезком Б и коромыслом в крайнем положении; 1 - плечо действия усилия Р относительно точки Б; иА - скорость поступательного движения точки А; сок, сош, ю - угловые скорости, соответственно, коромысла, поршня со штоком и груза
\
\
\
\
\
\
\
\
\
\
\
Рисунок 1 - Расчетная схема системы «Механизм поворота - рабочий орган - груз»
(j'T +Jp +J4+Jja = pm -1г - тпрС -g-R^ ■ sin(a0 + а) F
(J"T +JK)-/3 = P-lK
(S^+X-v.-f)
■sin (fio+0)-Pm.l3
■ (5)
В уравнениях (5): 1,1,1,1 - моменты
- 1 у ' р. ч гр к
инерции, соответственно, рычага, челюсти, груза, коромысла; Гт, 1"т - моменты инерции тяги, приведенные соответственно, к токе А и к точке В; гп^ - приведенная к точке С масса пачки лесоматериалов, нижней челюсти и части механизма поворота. Математическая модель используется для исследования режима отделения пачки
лесоматериалов от штабеля и влияния параметров рычажного механизма поворота захвата на величину усилий на его элементы и штоки гидроцилиндров. Для моделирования влияния эксплуатационных факторов на величину касательной силы применен метод покоординатного спуска, реализуемый в табличном процессоре Excel. Определено влияние коэффициентов сцепления, сопротивления движению и угла уклона погрузочной площадки на величину свободной силы тяги, расходуемой на преодоление сил сопротивления внедрению захвата в штабель. При движении на спуск составляющая
Хвойные бореальной зоны, XXXVII, № 5 - 6, 2016
веса машины действует в сторону ее движения, увеличивая силу надвигания, а значит и нагрузки, действующие на рабочий орган. Исходя из этого данный режим был принят за основной. На рисунке 2 представлен ряд кривых, полученных в результате моделирования режимов работы, каждая из которых соответствует углу уклона погрузочной
площадки а = 0, 1, 2...7° и выражает зависимость величины касательной силы тяги (Р ) от коэффициентов сцепления (фсц) и сопротивления движению При определении внешних нагрузок на элементы конструкции захвата приняты следующие пределы варьирования эксплуатационных факторов: 0,06 < f < 0,15; 0,7 < ф < 1.
^ - - ^ 77 - тстт -
Рсв,Н
150000
140000 130000 120000 110000 100000 90000 80000 70000 60000 50000 40000 30000
0,6 0,60,6 0,60,71
0,7
1
к
Ч
ч}
-00 0,09 -00 0,12 0,90 ,90,9
0,8 0,80,80,8 0,80,8 0,90,£0,9 0,90,£ 0,90,91,0 1,01,0 1,01,0 1,01,01,1 1,1 1,1 1,1 1,1 1,1 1
апл
Рисунок 2 - Зависимость касательной силы тяги при варьировании факторов аш, £ фс для лесопогрузчика класса 25 - 30 кН (ЛТ-240)
При выполнении оптимизации параметров механизма поворота, в качестве критерия оптимальности принято усилие на штоках гидроцилиндров привода поворота захвата - Р. Это обусловлено тем, что данный критерий достаточно полно отображает состояние системы (уровень динамических нагрузок), имеет четкий физический смысл, что соответствует требованиям к выбору критериев оптимальности. Были определены технологические требования к эффективной работе челюстного захвата: а) угол поворота нижней челюсти для обеспечения надежного зажатия груза минимального диаметра, исходя из опыта проектирования лесопогрузчиков перекидного типа, должен составлять не менее 181°; б) угол наклона нижней плоскости захвата к основанию штабеля в процессе внедрения обоснован в результате экспериментальных исследований Кузина В.С. и принимался равным 0°. В качестве варьируемых параметров приняты геометрические размеры l2, l4 (рисунок 1). При разработке схемы механизма во избежание соприкосновений элементов механизма и сохранения габаритов балки стрелы в месте расположения механизма поворота задавались минимальные расстояния при крайних положениях нижней челюсти: от оси вращения коромысла до оси гидроцилиндра, от оси коромысла до оси вращения нижней челюсти, от оси тяги до оси вращения нижней челюсти; опора коромысла была расположена на нижнем срезе балки стрелы. Геометрические параметры боковины стрелы, характеристики гидроцилиндров приняты по конструкциям лесопогрузчиков классов 25 - 40 кН (ЛТ-240, ЛТ-188).
С учетом принятых ограничения параметров:
l2 > 100мм l0 > 110 мм
условий обоснованы
12 + 0.5 X2 < 475лш
(6)
l4 > 358лш а> 181°
Задача нахождения оптимальных параметров механизма поворота захвата решена путем исследования систем «Механизм поворота - груз» и «Механизм поворота - рабочий орган - груз». Целевая функция минимизации усилия на штоках гидроцилиндров в режиме внедрения захвата в штабель представлена в следующем виде
Р =
max
l1 l3
2р .IL.13
л l l
2 4 4
^ min •
(7)
В выражениях (6), (7): РА - усилие на рычаге механизма, равное по величине, но противоположное по направлению реакции связи в шарнире А - RA; l0 - расстояние от оси коромысла до оси вращения нижней челюсти; а - угол поворота рычага (нижней челюсти).Методом покоординатного спуска, реализуемым в табличном процессоре Excel, получен массив значений, из которого выбрано значение величины параметра выхода с соответствующими значениями
0
0,5
0,50,5 0,50
0,50,6
0,6
0,7
0,7
0,7
0,70,7
В.Ф. Полетайкин, В.С. Аверьянов. Моделирование рабочих режимов захвата лесопогрузчика
управляемых переменных, которые являются оптимальными и соответствуют принятым конструктивным и технологическим ограничениям. На рисунке 3 для иллюстрации результатов моделирования представлены кривые изменения усилий на штоках гидроцилиндров привода захвата в процессе отделения пачки лесоматериалов от штабеля лесопогрузчиком класса 25 - 30 кН (ЛТ - 240) до и после оптимизации параметров кинематики механизма поворота захвата в интервале угла поворота от положения челюсти при внедрении до закрытия челюстного захвата. Оптимизация выполнена методом покоординатного спуска в
260000 240000 220000 200000 180000 160000 I 140000 а." 120000 100000 80000 60000 40000 20000 0
табличном процессоре Excel по разработанному алгоритму определения экстремумов функции зависимости усилия на штоках от угла поворота нижней челюсти. В качестве базового варианта при выполнении оптимизации параметров была принята конструкция механизма поворота захвата, разработанная для лесопогрузчика класса 25 - 30 кН в СибГТУ Из первого уравнения системы (5) определяется усилие на тяге Р, которое является возмущающим воздействием на механизм поворота. Из второго уравнения, получено выражение для определения усилия на штоках гидроцилиндров привода Р.
30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160
о
а
— До оптимизации —Оптимальные параметры
Рисунок 3 - Изменение усилий на штоках гидроцилиндров привода захвата в процессе отделения пачки лесоматериалов от штабеля лесопогрузчиком класса 25 - 30 кН (ЛТ - 240)
Оптимизация параметров кинематики рычажного механизма позволила снизить максимальные значения нагрузок на штоки гидроцилиндров привода нижней челюсти в процессе внедрения захвата в штабель на 15 %, в процессе отделения пачки лесоматериалов от штабеля на 29 %. Для оптимизации параметров механизма следует принимать первый случай нагружения - внедрение захвата в штабель, так как этот режим характеризуется большими нагрузками от перемещаемой массы груза и лесопогрузчика
ВЫВОДЫ
1. Разработанные математические модели позволяют анализировать динамику элементов конструкции рычажного механизма поворота захвата лесопогрузчика в двух режимах: при внедрении захвата в штабель и отделении пачки лесоматериалов от штабеля, определять зависимость динамических нагрузок от конструктивных и эксплуатационных факторов.
2. Установлены пределы варьирования основных эксплуатационных факторов (коэффициентов сопротивления движения и сцепления и угла уклона погрузочной площадки) при определении величины внешних
нагрузок 0,06 < f < 0,15; 0,7 < ф < 1; 0 < а < 7°. Опти-
? ? ?? Т сц ? пл
мизация параметров кинематики рычажного механизма позволила снизить максимальные значения нагрузок на штоки гидроцилиндров привода нижней челюсти в процессе внедрения захвата в штабель на 15 %, в процессе отделения пачки лесоматериалов от штабеля на 29 %.
3. В результате математического моделирования рабочих режимов обоснованы оптимальные параметры рычажного механизма поворота захвата лесопогрузчика с учетом конструктивных и технологических ограничений.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПСИОК
Полетайкин В.Ф.Прикладная механика лесных подъемно-транспортных машин [Текст]: Монография / В.Ф. Полетайкин. - Красноярск: СибГТУ, 2010. 247 с. Редькин А.К. Основы моделирования и оптимизации процессов лесозаготовок. - М.: Лесная промышленность, 1988. 256 с.
Аверьянов, В. С. Совершенствование механизма поворота нижней челюсти захвата перекидного лесопогрузчика / В. С. Аверьянов // Вестник КрасГАУ - Красноярск: КрасГАУ, Выпуск 13, 2006. - С. 475 - 480.
Поступила в редакцию 27.06.16 Принята к печати 29.12.16
