CC BY
49
Вестник ХНАДУ, вып. 65-66, 2014
107
УДК 621.869
ОЦЕНКА КВАЗИСТАТИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ МАЛОГАБАРИТНОГО
ПОГРУЗЧИКА ТИПА ПМТС-1200
Л.В. Разарёнов, доц., к.т.н.,
Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет
Аннотация. Представлена методика оценки квазистатической устойчивости малогабаритного погрузчика ПМТС-1200 при выполнении поворота.
Ключевые слова: малогабаритный погрузчик, радиус поворота, инерционные силы, гидростатическая трансмиссия.
ОЦІНКА КВАЗИСТАТИЧНОЇ СТІЙКОСТІ МАЛОГАБАРИТНОГО НАВАНТАЖУВАЧА ТИПУ ПМТС-1200
Л.В. Разарьонов, доц., к.т.н.,
Харківський національний автомобільно-дорожній університет
Анотація. Надано методику оцінки квазістатичної стійкості малогабаритного навантажувача ПМТС-1200 при виконанні повороту.
Ключові слова: малогабаритний навантажувач, радіус повороту, інерційні сили, гідростатична трансмісія.
ASSESSMENT OF THE QUASI-STATIC STABILITY OF ПМТС-1200 SKID-STEER LOADERS
L. Razarenov, Assoc. Prof., Cand., Eng. Sc., Kharkiv National Automobile and Highway University
Abstract. The technique of assessing the quasi-static stability of skid-steer loaders while turning has been presented.
Key words: skid-steer loader, turning radius, inertial forces, hydrostatic transmission.
Введение
Малогабаритные ковшовые погрузчики с бортовой системой поворота, оборудованные двумя регулируемыми вручную гидрообъемными передачами в тяговом приводе, находят широкое применение при выполнении работ в стесненных дорожных условиях и коротких дистанциях. Это обеспечивается возможностью противовключения тяговых насосов. В указанном режиме движения устойчивость машины должна контролироваться в процессе разворота.
В общем цикле работы рассматриваемых погрузчиков определяющими являются разгонно-
тормозные режимы движения и поворот. В сравнении с другими колесными машинами погрузчики с бортовой системой поворота обладают рядом особенностей. Первая особенность связана с изменением массы перемещаемых грузов и переменного положения ковша в пространстве. Это оказывает влияние на положение центра масс машины. Вторая особенность вызвана несимметричным действием инерционных сил в процессе разгона, торможения и поворота машины. Третья - момент сопротивления повороту - зависит от неравномерности нагрузки ходовых колес нормальными силами, что обусловлено изменением положения в пространстве и степени загруженности ковша.
108
Вестник ХНАДУ, вып. 65-66, 2014
В настоящей статье с учетом указанных особенностей проведена оценка квазистатической устойчивости малогабаритного погрузчика с бортовой системой поворота. Как частный случай рассмотрим вопрос устойчивости малогабаритного погрузчика при выполнении поворота.
Анализ публикаций
Вопросам устойчивости ковшовых колесных погрузчиков классической компоновки посвящено большое количество работ [1-4]. ГОСТом на испытания погрузчиков [2] предусмотрена оценка их статической продольной устойчивости; В.М. Векслер и Т.И. Муха [3] в дополнение к этому при расчете устойчивости предложили учитывать процесс динамического торможения опускающегося рабочего оборудования, упругие свойства ходовых колес и опорной поверхности. В работе [4], помимо продольной, рассмотрена поперечная устойчивость ковшового погрузчика, классической компоновки, при движении на закругленных участках пути.
Существующие методики оценки устойчивости не позволяют определить нагрузки на погрузчик при выполнении им поворота. С целью устранения этого в работе разработан метод, который позволяет определить нагрузки, действующие на остов малогабаритного погрузчика.
Цель и постановка задачи
Целью исследования является разработка метода расчета показателей колебательного процесса и динамической устойчивости малогабаритного погрузчика с бортовой системой поворота.
движения центра масс и соответствующих ускорений в результате торможения одного из тяговых гидромоторов.
Один из наиболее опасных случаев имеет место при развороте машины «сходу» при наиболее неблагоприятном расположении ковша по высоте и вылету. Достигается это резким реверсированием одного из гидромоторов тягового привода при первоначальном прямолинейном движении погрузчика с наибольшей скоростью. После чего машина под действием инерционной силы движется по прямой, и лишь спустя некоторое время, когда наклонный диск гидронасоса начнет стремиться к своему нейтральному положению, происходит замедление движения отстающего борта и его остановка.
Для исследования этого случая наихудших условий по опрокидыванию погрузчика рассмотрим кинематику его движения при торможении отстающего борта и оценим его квазистатическую устойчивость [5] по наибольшим значениям центробежной и продольной (тангенциальной) инерционным усилиям без учета колебаний машины, что не противоречит общепринятым положениям [6]. Это соответствует наиболее опасному случаю по опрокидыванию машины.
Рис. 1. Расчетная схема погрузчика для оценки квазистатической устойчивости
В качестве критерия устойчивости погрузчика принят угол отклонения центра масс относительно вертикальной оси, проходящей через середину колеи передних колес.
Оценка квазистатической устойчивости
Мгновенное значение радиуса кривизны траектории движения погрузчика р может быть найдено из условия обеспечения равенства угловых скоростей со поворота правого и левого бортов машины относительно центра вращения
Поскольку опрокидывание малогабаритного погрузчика с бортовой системой поворота возникает под действием двух инерционных сил (центробежной и тангенциальной), то для их определения необходимо установить закономерности формирования траектории
со =
vn
B
р + — 2
(1)
где vn, тл - линейные скорости правого и левого бортов; B - колея погрузчика; р -
Вестник ХНАДУ, вып. 65-66, 2014
109
текущее значение радиуса поворота погрузчика.
Из последнего равенства вытекает
Р =
B 2 .
(2)
ИЛИ
vu - Ул
rk k®-®2-По2 -t
Z6p VM
Тогда, согласно (2) и (7),
В соответствии с представленной схемой (рис. 1) линейная скорость центра масс погрузчика при повороте определяется как среднее значение скоростей правого и левого бортов
Р =
УЛ +Vn - B
rk • k®-®2 -По2 -1 2
Z6p - VM
После упрощений находим
(7)
(8)
V
ЦТ
2
(3)
С другой стороны, при неизменной скорости правого борта (vn = const) в результате реверсирования левого гидромотора имеем
Vл = Vn - J -t, (4)
f 2-vn - Ібр-VM ^ B
P= --------2 --2---1 -_ .
I rk - k®-® e -По -1 ) 2
Рассмотрим вопрос обеспечения квазистатической устойчивости. Скорость центра масс погрузчика при торможении отстающего борта, с учетом (3) и (6), определяется соотношением
где і - ускорение замедления отстающего борта; t - время.
V = Vn -
rk • k®-®l-По2 ■t
2 - VM ■ Ібр
(9)
J = . 'sm ,
Ібр
& =
k®-®2 • Л о2 Vs
Тогда
Тогда тангенциальное ускорение центра масс
JpT
dv„
dt
Гк • V® 2 'ПО
2 - VM ■ i6p
(1О)
J=
rk k®-®2 ^lo2
/6p
V
^ Д A
(5)
где rk - радиус ходового колеса; i6p - передаточное число бортового редуктора; гм - угловое ускорение (замедление) гидромотора; (яе - угловая скорость коленчатого вала двигателя; VM - рабочий объем гидромотора; k® - скорость изменения рабочего объема насоса, зависящая от скорости изменения угла наклона его опорного диска, определяемой подачей подпиточного насоса и размерами гидроцилиндров управления; г|О -объемный КПД насоса и гидромотора.
Следовательно,
rk k®-®2 У-t
Ібр VM
(6)
Применительно к погрузчику ПМТС-12ОО при rk = 0,47 м, VM =89 см3/об; i6p = 25,6;
СМ3
к® = О,159 -----; г|о = О,92 , ускорение
об - рад
центра масс 1,3 м/с2, что практически совпадает с экспериментальными данными.
Гравитационные и инерционные усилия, действующие на погрузчик, определяются его массовыми и геометрическими параметрами, продольным замедлением и скоростью вращательного движения машины вокруг центра поворота. Необходимо отметить, что значение скорости центра масс (9) получено при наибольшей допустимой линейной скорости забегающего борта. Далее будет показано, что разворот машины относительно остановленного борта происходит с линейной скоростью забегающего борта, ограниченной мощностью двигателя. Короткая колесная база и возможность выполнения
110
Вестник ХНАДУ, вып. 65-66, 2014
разворота машины, перемещающейся с высокой скоростью, противовключением тяговых насосов создают предпосылки к опрокидыванию погрузчика на угол ковша. Как правило, вывод машины в описанный режим движения сопровождается интенсивными колебаниями ее остова. В этой связи, наряду с оценкой устойчивости в нормативных расчетных положениях для обычных колесных погрузчиков, впервые выполнен анализ устойчивости рассматриваемых машин при их развороте сходу с переменным радиусом. Максимальное замедление вращения ходовых колес обуславливается наивысшим темпом изменения рабочего объема тяговых насосов
где Vтах - наибольший рабочий объем насоса.
запаса статической устойчивости - менее 1,5. В связи с возможностью разворота короткобазового погрузчика сходу с малыми радиусами поворота возникает необходимость оценить его устойчивость в этом случае с учетом действия тангенциальных и центробежных инерционных сил. Предлагается рассматривать этот процесс на основе уравнений статики, как это делается, например, для грузоподъемных машин. Поскольку машина рассматривается в движении, учитываются динамические нагрузки, но при этом используется уравнение статики, тогда данный вид устойчивости называется квазистатическим (почти статическим). Так как потеря устойчивости в движении машины значительно более опасна, чем в неподвижном состоянии, то коэффициент запаса квазистатической устойчивости должен быть не менее 2 (по аналогии с погрузчиками классического исполнения).
Тогда инерционные силы в центре масс, действующие на погрузчик при повороте с учетом (10), определяются равенствами
PT = m ■ Jut =
m • Гк • Кш-Ш1 'По" 2 - VM ' Z6p
PN = m - CO p ,
(11)
(12)
где VHтах - наибольший рабочий объем насоса; РТ и PN - продольная (тангенциальная) и центробежная инерционные силы; m -масса погрузчика с грузом.
Поскольку со =УЦТ / р, то
V2
Pn = m • ^ .
(13)
Тогда на основании (13) получаем
P
m • у
N тах
2B
(14)
Ранее отмечалось, что для колесных погрузчиков традиционной конструкции оценивается в основном статическая устойчивость с коэффициентом запаса устойчивости не менее 2. Короткобазовый погрузчик с бортовой системой поворота в стандартных положениях имеет несколько меньший коэффициент
Анализ сил, действующих на короткобазовый погрузчик, показывает, что тангенциальная инерционная сила не превышает 30 % нормальной (для ПМТС-1200 при наибольшей скорости забегающего борта Рт = 6,89 кН, PN = 22,9 кН). При оценке квазистатической устойчивости относительно переднего колеса забегающего борта плоскости действия общего опрокидывающего момента и удерживающего практически совпадают. Тогда коэффициент запаса квазистатической устойчивости определяется выражением
mg,
k3 =
,2 Bl
l л--------
ЦТ 4
д/рАт )2 +(PNhw )2
(15)
где l - расстояние от центра тяжести погрузчика до передней оси; h4T - высота центра тяжести; mg - вес погрузчика.
В общем балансе плеч и моментов первые слагаемые подкоренных выражений не превышают 8 и 4 %. Поэтому с погрешностью не более 4 % в первом приближении квазистатическую устойчивость машины можно рассматривать относительно ребра опрокидывания машины, проходящего через колеса забегающего борта. Тогда с учетом двукратного запаса устойчивости
Вестник ХНАДУ, вып. 65-66, 2014
mg-
B
ky = р р
h
N mar цт
> 2,0.
рабочий объем гидромотора; цг - гидравлический КПД ГСТ, зависящий от скорости движения машины; N - мощность двигателя.
С учетом ранее полученных результатов допустимая общая высота центра тяжести погрузчика с наибольшим грузом в ковше определяется на основе равенства
B m -V‘M
mgl- —'h ■
(17)
Откуда следует
h,„ <
g • B2
2 V
2 ’
(18)
где Vn - наибольшая скорость выхода погрузчика на разворот.
Отметим, что для обеспечения квазистатической устойчивости короткобазового погрузчика высота центра тяжести груза в ковше должна совпадать с высотой в том же положении рабочего оборудования центра тяжести машины без груза. Для ПМТС-1200 с грузом в ковше 1200 кг h4T « 0,9м [5].
Из приведенных зависимостей PN max и Рт следует, что при постоянной скорости забегающего борта с торможением до остановки отстающего Рт остается неизменной. В то же время центробежная сила возрастает до максимального значения при остановленном отстающем борте. Объясняется это тем, что с уменьшением радиуса поворота от со до B /2 и неизменной скорости Vn возрастает угловая скорость погрузчика, достигая своего максимума при Vn — 0 .
Тогда максимально допустимая скорость, при которой возможен поворот машины на месте, определяется выражением
N•и2•и В
V = 1г ш к
л = М„ „ 2
(19)
1,15
-+ М „
Расчеты по зависимости (19) показывают, что по мощности двигателя предельная скорость забегающего борта погрузчика при развороте не превышает 50-55 % наибольшей скорости прямолинейного движения.
Если продолжить реверсирование гидромотора отстающего борта, то радиус поворота и инерционная сила PN стремятся к нулю. Таким образом, с позиций квазистатической устойчивости (без учета колебаний погрузчика) наиболее опасным является поворот погрузчика относительно остановленного отстающего борта. Это же подтверждают экспериментальные данные (рис. 2).
§
о
D
О
оа
о
и
£
Радиу с поворота р, м
Рис. 2. График зависимости тягового усилия забегающего борта погрузчика в зависимости от радиуса поворота; Q,, Q400, Q800, Q1200 - масса груза в ковше
Наибольшее тяговое усилие тянущего борта достигается при р — B / 2 . В этом случае поворот рассматриваемого погрузчика подобен повороту гусеничной машины с одной заторможенной гусеницей. Колеса отстающего борта перемещаются с наибольшим боковым юзом, обеспечивая максимальные сопротивления повороту погрузчика.
где М3 и М0 - моменты сопротивления повороту забегающего и отстающего бортов машины; цм - механические КПД бортового и раздаточного редукторов погрузчика; VM -
Выводы
Наихудшие условия квазистатической устойчивости при повороте погрузчика достига-
112
Вестник ХНАДУ, вып. 65-66, 2014
ются при полной остановке колес одного из бортов, центробежная инерционная сила в центре масс достигает своего максимума. При развороте на месте вокруг центра тяжести погрузчика центробежная сила равна нулю и его квазистатическая устойчивость обеспечивается всегда.
В транспортном режиме движения с поворотом при полной загрузке ковша квазистатическая устойчивость обеспечивается, когда высота центра масс погрузчика с грузом не больше высоты центра масс погрузчика без груза. Рекомендуется в транспортном режиме поднимать днище ковша на высоту, не превышающую 2/3 высоты центра масс погрузчика без груза.
Литература
1. ГОСТ 16391-80 Погрузчики строительные
одноковшовые фронтальные колесные. Правила приемки и методы испытаний. Взамен ГОСТ 16391-70; введен 01.01.1982. - М.: Министерство строит., дорожи. и коммунальн. машиностроения, 1980.
2. Фаробин Я.Е. Теория поворота транспорт-
ных машин / Я.Е. Фаробин. - М.: Машиностроение, 1970. - 176 с.
3. Векслер В.М. Проектирование и расчет
перегрузочных машин / В.М. Векслер,
Т.И. Муха. - Л.: Машиностроение, 1971. - 320 с.
4. Проектирование машин для земляных ра-
бот / под редакцией А.М. Холодова. -X.: Вища школа, 1986. - 272 с.
5. Разарёнов Л.В. Повышение эффективности
работы короткобазовых колесных погрузчиков с бортовой системой поворота: автореф. дис. на соискание ученой. степени канд. техн. наук: спец. 05.05.04 «Машины для земляных, дорожных и лесотехнических работ» / Л.В. Разаре-нов. - X., 2011. - 22 с.
6. Холодов А.М. Основы динамики земле-
ройно-транспортных машин / А.М. Холодов. - М.: Машиностроение, 1968. -156 с.
7. Назаров Л.В. Особенности поворота мало-
габаритного погрузчика типа ПМТС-1200 / Л.В. Назаров, В.П. Истомин, Л.В. Разарёнов // Весник ХНАДУ: сб. науч. тр. - 2004. - Вып. 25. - С. 54-58.
Рецензент: М.А. Подригало, профессор, д.т.н. ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 21 июня 2014 г.
