НАГРУЗКИ НА ЛЕСОПОГРУЗЧИКИ ПРИ ДВИЖЕНИИ ЧЕРЕЗ ПРЕПЯТСТВИЯ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 630.370

Хвойные бореальной зоны. 2020. Т. XXXVIII, № 3-4. С. 178-182 НАГРУЗКИ НА ЛЕСОПОГРУЗЧИКИ ПРИ ДВИЖЕНИИ ЧЕРЕЗ ПРЕПЯТСТВИЯ

В. Ф. Полетайкин, Е. В. Авдеева

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газеты «Красноярский рабочий», 31

Лесопогрузчики перекидного типа 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. 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. Повышение производительности лесопогрузчиков связано с решением вопросов повышения грузоподъемности и быстродействия механизмов, скоростей движения, улучшения условий труда операторов. Однако интенсификация режимов работы обуславливает повышение уровня динамических нагрузок на элементы конструкции, возникающих под действием внешних возмущений. При проведении исследований и расчетов на стадии проектирования внешние возмущения рассматриваются либо в виде нагрузок, закон изменения которых во времени задан (детерминирован), либо в виде стационарных случайных процессов, характеристики которых определяются экспериментальными исследованиями. В данной статье рассмотрены вопросы определения динамических нагрузок на элементы конструкции гусеничных лесопогрузчиков методом математического моделирования режимов движения машины с грузом при детерминированных внешних воздействиях.

Ключевые слова: гусеничные лесопогрузчики, динамические нагрузки, элементы конструкции, математическое моделирование.

Conifers of the boreal area. 2020, Vol. XXXVIII, No. 3-4, P. 178-182 LOADS OF THE LOGGER AT THE MOVEMENT THROUGH OBSTACLES V. F. Poletajkin, E. V. Avdeeva

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsk^ rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

Loggers of perekidny type from 25 to 42 kN on the basis of timber industry tractors are widely applied by loading capacity in the wood industry of Russia at preparation of wood raw materials in the form of switches and trees with krone. Taking into account that 75 % of wood raw materials are prepared in such look, these cars will be widely used and further. Proceeding from it, questions of increase of a technological level of loggers are actual. Increase of productivity of loggers is connected with the solution of questions of increase of loading capacity and speed of mechanisms, speeds of movement, improvement of working conditions of operators. However the intensification of operating modes causes increase of level of dynamic loads of elements of the design, arising under the influence of external indignations. At carrying out researches and calculations at a design stage external indignations are considered or in the form of the loadings which law of change in time is set (is determined), or in the form of the stationary casual processes which characteristics are defined by pilot studies. In this article questions of definition of dynamic loads of elements of a design of caterpillar loggers by a method of mathematical modeling of modes of movement of the car with cargo are considered at the determined external influences.

Keywords: caterpillar loggers, dynamic loadings, design elements, mathematical modeling.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследования [1; 2] показывают, что динамические нагрузки, возникающие при работе лесопогрузчиков, значительно превышают статические, поэтому при проектировании новых машин их необходимо учитывать. Величина и характер действующих нагрузок, зависимость их от конструктивных и эксплуатационных факторов определяются моделированием

режима движения машины с грузом (грузового хода). Универсальным языком математического моделирования динамических систем является язык дифференциальных уравнений, описывающих движение масс при возмущающих воздействиях. Точность результатов при этом зависит от полноты учета факторов, оказывающих влияние на работу машины и, следовательно, на нагруженность элементов конструкции. При движении лесопогрузчика с поднятым в транс-

Хвойные бореальной зоны. XXXVIII, № 3-4,2020

портное положение грузом, вследствие воздействии на ходовую систему реакций поверхности пути, возникают упругие колебания элементов систем. При преодолении препятствий одновременно обеими гусеницами возникают продольно-угловые колебания корпуса, рабочего оборудования и груза. Упругими элементами являются рессоры подвески корпуса базового трактора, металлоконструкция и гидросистема рабочего оборудования, вершинная и комлевая части хлыстов. При разработке моделей исходят из предположения о том, что колебания упругих элементов совершаются с малыми амплитудами, что позволяет описывать состояние систем линейными неоднородными дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами. На рис. 1 представлена расчетная (эквивалентная) схема гусеничного лесопогрузчика класса грузоподъемности 35 кН на базе лесопромышленного трактора с полужесткой подвеской корпуса. При разработке схемы приняты следующие допущения: характеристики упругих элементов линейны; гусеничные ленты и опорные катки ходовой системы постоянно контактируют с опорной поверхностью.

Обозначения на схеме: - масса рабочего оборудования, динамически приведенная к концу стрелы; т[ - масса вершинной части расчетного дерева, приведенная в его центр тяжести; от" - масса комлевой части расчетного дерева, приведенная в его центр тяжести; от3 - подрессоренная масса базовой машины и части рабочего оборудования; от3 - подрессоренная масса базовой машины и части рабочего оборудования, приходящаяся на заднюю подвеску; от3 - подрессоренная масса базовой машины и части рабочего оборудования, приходящаяся на переднюю подвеску;

Г"

2 *

С"

2 *

Сг - коэффициенты жесткости

упругих элементов системы, соответственно, рессор, стрелы, вершинной и комлевой частей дерева, гидро-

системы; К,, Кс, К

^2-

К".

Рис. 1. Расчетная схема гусеничного лесопогрузчика с полужесткой подвеской корпуса: а - с жестким грузом (сортиментами); б - схема размещения упругого груза (хлыстов) в захвате; 1 - корпус машины; 2 - стрела; 3 - основание поворотное; 4, 5 - гидроцилиндры; 6- опора

+%т(-у2 - т^- -Л)=

т-, /3 /3 тп1

2 2'3

С^1 1

1 . ..... 1

Р4 ~Ю = 04 (О —

от;* 14 ' ' от14 '*

2 2 '4

КТ - коэффициенты демпфирующих сопротивлений в упругих элементах, соответственно, рессор, стрелы, вершинной и комлевой частей расчетного дерева, гидросистемы; /с - длина стрелы; /3, /4 - расстояния от продольной оси машины (оси 2) до центров тяжести вершинной и комлевой частей расчетного дерева. В качестве обобщенных координат системы приняты угловые перемещения аА-, ас, Р2. Р4. соответственно, корпуса, стрелы, вершинной и комлевой частей дерева. Таким образом, по числу приведенных масс и упругих элементов система обладает четырьмя степенями свободы относительного движения. В случае движения лесопогрузчика с жестким грузом (сортиментами), система обладает двумя степенями свободы, так как при этом теряются две степени свободы (р2, р4). Параметры от3. у6, с3, А3 динамически приведены к центру приведения массы оть Дифференциальные уравнения, описывающие относительное движение приведенных масс в процессе упругих продольно-угловых колебаний динамической системы с четырьмя степенями свободы (движение лесопогрузчика с хлыстами), показанной на рис. 1, получены в следующем виде.

ас + —(ас -аА.)" — (ас -аА-)" — ~(У2 "Л)-тх /?/] /?/] /с

А-1 1 С11 1 А-11

—--—(У2-У\)——-—(Уа-УО—~х

ОТ] /с ОТ] /с ОТ]

/с тх1-с

^з „ 'с Л

а

+ ]] п ак и" ,2 (аС аА")

от

от

т\1 А

-\.,-^{ас-ак) = ОъЦ)^—. (1)

от3 А

т\ А

Дифференциальные уравнения, описывающие состояние системы с двумя степенями свободы (движение лесопогрузчика с сортиментами) получены в следующем виде:

ас+2г|6(ас-ад.) + о^(ас-ад.) = --——■01 (/),

('"1 +'"2 К"

ак+-2ц7ак+-а-7-ак-

1с-А ^ 2

А

ю;

(ас-ад.)-

-2т,„(ас-а = (2)

А т'Ц

где сог - парциальные угловые частоты упругих колебаний элементов системы; к, - коэффициенты демпфирующих сопротивлений в элементах системы; Ci - коэффициенты жесткости упругих элементов; г|( - удельные демпфирующие сопротивления; 0; (/) - внешние возмущающие воздействия.

Вынужденные колебания упругих элементов лесопогрузчика являются следствием кинематического возмущения от действий реакций поверхности пути и сил инерции масс в переносном движении, возникающих при преодолении машиной препятствий [2]. При этом принимается допущение о том, что профиль препятствия описывается уравнением:

Уравнений (2):

й(0 = ^[1-со8(2тгИГ//,)],

(3)

НИИ

а(/) = Кик(()/ А,

а(Г) = (Хп/г(Г) / А)" = -

АЬ2

■~со$,{2 жУПЬ). (5)

а (о=м1(/)=(ш1г2+/С1)

2п2¥2Ьгг АЬ2

-С05(2пУИЬ),

2п2У2Ь

АР

2

! Ь),

2"К2У2И

04(/)=М4(О = (т\\2 +/")--^сов^яИГ//,),

е3(г)=м3(г)=

АЛ-

°п(Фсц ~ЛЬ'А КпЬтахж5т(2жУ1 / Ь)

20п(усц-/)У-КгА ~СъКпкт^ш\2жУИЬ)

(6)

2ж2¥2Ь

(21(г)=М1{г) = [{т1 +т1)г2 + /С12]-^р^со^кУг ! Ь).

бз (1)=М3(1)

АЬ1

°п(Фсц ~ЛЬ'А

Кпктахж5\п{2жУ1 / Ь) (фСц ~ /)У ■ Къ- А

(7)

где /?(/) - текущее значение высоты препятствия; /гшах - наибольшая высота препятствия; Ь - длина препятствия; V - скорость движения машины; I - время движения машины через препятствие.

Возмущающими воздействиями на подсистемы динамической системы лесопогрузчика (стрелу, гидросистему, упругий длинномерный или жесткий груз) 01 (0' 02 (0' бз(') 64(0 являются моменты сил инерции масс в переносном движении относительно оси заднего балансира подвески корпуса базовой машины [2].

<2,«) =М,«) =!,&«). (4)

Угловые перемещения масс в переносном движе-

где Ц - коэффициент, учитывающий влияние размеров звеньев кинематики ходовой системы трактора на вертикальные перемещения корпуса машины при движении через препятствия различными парами опорных катков [2], при этом тяговое усилие машины принято равным силе тяги по сцеплению.

Угловое ускорение

2 ж2У2КиИ„

С учетом (4), (5) выражения правых частей уравнений (1) получены в следующем виде

С,КпЬт^т2(2жП/ьУ

где (¡а - сила тяжести лесопогрузчика; /- коэффициенты сцепления движителя с грунтом и сопротивления движению лесопогрузчика.

РЕЗУЛЬТАТЫ

И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Моделирование режимов работы и анализ зависимости динамических нагрузок на элементы конструкции лесопогрузчика (стрелу с гидросистемой, корпус, подвеску корпуса) от скорости движения выполнено на математических моделях при следующих условиях: /гтах = 0,2 м,Ь = 0,68 м. При этом скорость движения машины варьировалась от 0,7 до 0,9 м/с, шаг дискретизации скорости ДV =0,1 м/с. Влияние высоты препятствий на динамическую нагруженность элементов конструкции установлено при изменении /гтах от 0,1 до 0,25 м при V = 0,8 м/с. При этом шаг изменения высоты препятствия Д/гтах = 0,05 м. Размеры препятствий приняты по данным [4; 5], интервал скорости - по технической характеристике базовой машины. Сопоставительный анализ результатов исследований лесопогрузчиков с упругим и жестким грузом позволил определить степень влияния свойств груза на уровень динамических нагрузок. Исследование влияния эксплуатационных факторов (V, Итвх) на величину динамических нагрузок в режиме грузового хода выполнено интегрированием уравнений методом Рунге-Кутта четвертого порядка в системе ММсЬСАГ). Шаг изменения аргумента I (время) принимался М = 0,01 с. Анализ предварительных результатов показал, что возмущающие воздействия на динамические системы достигают максимальных значений при наезде на препятствие крайних опорных катков, что обусловлено особенностями кинематики ходовой части базовой машины. Учитывая это, интервал интегрирования систем уравнений по времени ограничен временем переезда препятствия первой парой опорных катков. В качестве критерия оценки нагруженности элементов конструкции лесопогрузчиков принимались коэффициенты динамичности нагрузок.

При оценке нагрузок на ходовую систему и корпус указанные коэффициенты определялись по выражению:

*д=1 +

УбСЪ = 1 , Уб Р»

(8)

1 з СТ УбСТ

здесь Рзст - статическая нагрузка на упругие элементы подвески от подрессоренной силы тяжести базы рабочего оборудования и груза; у6 - деформация упругого элемента подвески под действием динамических сил, определяемая в результате интегрирования систем уравнений; у6ст - то же под действием статических сил.

Хвойные бореальной зоны. XXXVIII, № 3-4,2020

над осью переднего балансира, А = А\. При этом

Д'р.о =Л ">'б •

В табл. 1 и 2 приведены значения коэффициентов динамичности нагрузок на элементы конструкции рабочего оборудования, подвески корпуса и ходовой системы лесопогрузчика при движении с грузом через препятствия с различной скоростью. В соответствии с Техническим описанием и инструкцией по эксплуатации движение лесопогрузчика при погрузке и при перегонах допускается на первой и второй передачах и задним ходом, что составляет 0,6-0,9 м/с.

На рис. 2, 3 показаны кривые изменения динамических нагрузок на рабочее оборудование и ходовую систему при движении лесопогрузчика первой парой опорных катков через препятствие высотой 0,2 м со скоростью 0,8 м/с. Характер кривых показывает, что при наезде на препятствие динамические нагрузки интенсивно нарастают, достигая максимальных значений через 0,4...0,7 с.

Таблица 1

Значения коэффициентов динамичности нагрузок при изменении скорости движения (Атах= 0,2 м, ф = 73°)

Элементы конструкции Вид груза Скорость, м/с

0,7 0,8 0,9

Рабочее оборудование (стрела, гидро- Сортименты 3,24 3,72 4,22

система) Хлысты 3,83 4,44 4,93

Подвеска корпуса, ходовая система Сортименты 2,10 2,16 2,28

Хлысты 2,29 2,38 2,48

Уест ~ ^зст /С з ■ (9)

Статическая нагрузка

пиаАп + (щ +тЛаА, Рзст = 3 - 1-. (10)

А

Коэффициент динамичности нагрузок на рабочее оборудование

Кд =1 + ^1 = 1 + ^. (И)

Р\ст У\ст

Здесь Р1СТ = (»/] +»/2)дсо5ср = Ухст^х ~ статическая нагрузка на рабочее оборудование; урс, - деформация

упругих элементов рабочего оборудования, определяемая из решений систем уравнений; у1СТ - статическая деформация рабочего оборудования; ср - угол наклона стрелы к оси 2 в режиме грузового хода (ф = 73°, при этом центр тяжести груза расположен

Таблица 2

Значения коэффициентов динамичности нагрузок при изменении высоты преодолеваемых препятствий (Г= 0,8 м/с, ф = 73°)

Элементы конструкции Вид груза Высота препятствий, /гшах,м

0,1 0,15 0,2 0,25

Рабочее оборудование (стрела, Сортименты 2,55 2,83 3,72 4,05

гидросистема) Хлысты 2,68 3,65 4,44 5,23

Подвеска корпуса, ходовая система Сортименты 1,51 1,89 2,16 2,32

Хлысты 1,67 2,13 2,38 2,61

Рис. 2. Кривые изменения динамических нагрузок на рабочее оборудование:

1-е жестким грузом (сортиментами); 2-е упругим длинномерным грузом (хлыстами)

Рис. 3. Кривые изменения нагрузок на корпус и ходовую систему:

1-е жестким грузом (сортиментами); 2-е упругим длинномерным грузом (хлыстами)

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. При движении лесопогрузчика через препятствия на элементы конструкции рабочего оборудования, корпус и ходовую систему воздействуют значительные динамические нагрузки. На рабочее оборудование их величина достигает 110 кН, на корпус и ходовую систему 140 кН. При этом нагрузки носят знакопеременный характер.

2. При увеличении скорости грузового хода от 0,7 до 0,9 м/с динамические нагрузки интенсивно возрастают. При движении лесопогрузчика с сортиментами коэффициенты динамичности нагрузок на рабочее оборудование увеличиваются с 3,24 до 4,22, на подвеску корпуса и ходовую систему от 2,1 до 2,28; при движении с хлыстами, соответственно, от 3,83 до 4,93 и от 2,29 до 2,48.

3. При увеличении высоты препятствия от 0,1 м до 0,25 м коэффициенты динамичности нагрузок на рабочее оборудование возрастают при движении с сортиментами от 2,55 до 4,05, при движении с хлыстами от 2,68 до 5,23. При тех же условиях коэффициенты динамичности нагрузок на подвеску корпуса и ходовую систему возрастают, соответственно, от 1,51 до 2,32 и от 1,67 до 2,61.

4. Коэффициенты динамичности нагрузок на рабочее оборудование при движении через препятствия с хлыстами выше на 20...22 %, чем при движении с сортиментами, на подвеску корпуса и ходовую систему на 9... 12,6 %, что характеризует влияние свойств длинномерного груза на величину динамических нагрузок на элементы конструкции лесопогрузчиков.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ССЫЛКИ

1. Александров В. А. Механизация лесосечных работ в России. СПб. : Изд-во СПб. ГЛТА, 2000. 208 с.

2. Полетайкин В. Ф. Прикладная механика лесных подъемно-транспортных машин : монография ; Сиб. гос. технологии, ун-т. Красноярск, 2010. 247 с.

3. Гасымов Г. Ш, Александров В. А. Нагрузки в элементах конструкции валочно-пакетирующих машин : монография. СПб. : Изд-во Политех, ун-та, 2009. 155 с.

4. Редькин А. К. Основы моделирования и оптимизации процессов лесозаготовок. М. : Лесн. пром-сть, 1988. 256 с.

5. Рыскин Ю. Е. Особенности микропрофиля трелевочных волоков и их статистические характеристики // Тр. ЦНИИМЭ. Вопросы создания колесных трелевочных тягачей. Химки : ЦНИИМЭ, 1970. С. 148157.

REFERENSCES

1. Aleksandrov V. A. Mekhanizatsiya lesosechnykh rabot v Rossii. Sankt-Peterburg, Izd-vo SPb. 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.

3. Gasymov G. Sh., Aleksandrov V. A. Nagruzki v ele-mentakh konstruktsii valochno-paketirayushchikh mashin : monografiya. Sankt-Peterburg, Izd-vo Politekh. un-ta, 2009, 155 s.

4. Red'kin A. K. Osnovy modelirovaniya i optimizatsii protsessov lesozagotovok. Moskva, Lesn. prom-st', 1988, 256 s.

5. Ryskin Yu. E. Osobennosti mikroprofilya trele-vochnykh volokov i ikh statisticheskiye kharakteristiki // Tr. TSNIIME. Voprosy sozdaniya kolesnykh trelevoch-nykh tyagachey. Khimki, TSNIIM-E, 1970, S. 148-157.

© Полетайкин В. Ф., Авдеева Е. В., 2020

Поступила в редакцию 25.03.2020 Принята к печати 05.10.2020