CC BY
31
УДК 630*377.44
Д. В. Клоков1, Е. А. Леонов1, A. А. Ермалицкий2
1 Белорусский государственный технологический университет 2Белорусский национальный технический университет
ОСОБЕННОСТИ ОЦЕНКИ ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЖЕННОСТИ ХОДОВОЙ ЧАСТИ ФОРВАРДЕРА 8К8
Разработано методическое и программное обеспечение, которое позволяет исследовать динамические процессы в ходовой части лесной колесной погрузочно-транспортной машины. При проведении моделирования рассматривались комплексная динамическая система «двигатель -трансмиссия - движители - поверхность движения - предмет труда» и ее основные подсистемы, адекватно отражающие конструктивные особенности форвардера; новые математические модели процесса движения погрузочно-транспортной машины с колесными формулами 4К4, 6К6 и 8К8, описывающие вертикальные, продольно-угловые колебания машины, с комплексным учетом воздействия неровностей опорной поверхности движения, двигателя как источника заданной мощности, связей остова машины с пачкой сортиментов и движителем.
Целью исследований являлось повышение эффективности лесозаготовительного процесса и снижение отрицательного воздействия на лесную среду путем обоснования параметров уже созданных и перспективных лесных погрузочно-транспортных машин. Теоретические исследования базировались на применении методов системного анализа, теории случайных процессов, статистической динамики, теоретической механики и оптимального конструирования.
Получены новые данные по динамической нагруженности ходовой части, энергоемкости рабочего процесса и другим эксплуатационно-технологическим показателям погрузочно-транс-портной машины в условиях эксплуатации лесохозяйственных и лесозаготовительных предприятий Республики Беларусь.
Ключевые слова: вибронагруженность, динамика, форвардер, двигатель, дизель, мощность, виброускорение, движитель.
D. V. Klokov1, E. A. Leonov1, A. A. Ermalitskiy2
1Belarusian State Technological University 2Belarusian National Technical University
FEATURES ESTIMATION OF DYNAMIC LOADING OF FORWARDERS 8K8 UNDERCARRIAGE
Methodology and software are developed that allow to explore dynamic processes in the undercarriage of wheel cargo timber transport vehicles. When conducting simulations the complex dynamic system "engine - transmission - movers - surface movement - the subject of work" was considered and its major subsystems, reflecting adequately the structural features of forwarder. New mathematical models of the movement process of cargo transport vehicles with wheel formulas 4K4, 6K6 and 8K8 describing vertical, longitudinal and angular oscillations of the machine, with a complex account of the impact of the support surface irregularities of motion, of the engine as the source of the given power, of connection of machine core with a bundle of logs and movers.
The purpose of this research was to improve the efficiency of logging process and to reduce negative impacts on the forest environment by parameters substantiation of existing and future forest cargo vehicles. Theoretical studies were based on the application of systems analysis methods, theory of random processes, statistical dynamics, theoretical mechanics and optimal design.
New data on the dynamic loading of the chassis, power consumption of the working process and other operational and technological parameters of loading and transport vehicles were received in service conditions of forestry and logging enterprises of the Republic of Belarus.
Key words: vibration load, dynamics, forwarder, engine, diesel, power, vibration acceleration, mover.
Введение. В соответствии с концепцией развития лесозаготовительной отрасли лесного комплекса в Республике Беларусь, действующей до 2015 года, активно развивается собственное лесное машиностроение. Непосредственное участие принимает целый ряд машиностроительных предприятий, и в первую очередь
ОАО «Минский тракторный завод» и холдинг «АМКОДОР». В настоящее время созданы и выпускаются серийно погрузочно-транспорт-ные машины на базе шарнирно-сочлененного и двухзвенного шасси.
Ввиду различной компоновки машин и вариантов технологического оборудования были
20_ISSN 1683-0377. Трулы БГТУ. 2015. № 2. Лесная и деревообрабатывающая промышленность
разработаны и прошли экспериментальную апробацию четыре расчетные схемы форварде-ров. Первая соответствует машине типа 4К4 (МЛПТ-354М1, МЛПТ-344) [4], вторая - машине типа 6К6 (МЛ-131, «Амкодор 2661-01», «Амкодор 2662-01») [3, 4, 7], третья - машине типа 8К8 («Амкодор 2682-01», перспективный вариант) [2] и четвертая - двухзвенной машине (МПТ-461.1, МПТ-471) [5, 8].
Комплекс математических моделей процесса работы машин при выполнении ими технологических операций. Эти модели отражают сложную связь подсистем машины (двигатель, трансмиссия, ведущие мосты, движители, предмет труда). Учитываются реальные возмущающие воздействия (неровности поверхности волока, крутящий момент двигателя), а также реальные параметры машины.
При разработке расчетной модели МЛПТ был принят ряд допущений [2, 4]: распределенные массы трансмиссии машины заменены сосредоточенными, соединенными безинерцион-ными упруго-демпфирующими связями; машина движется прямолинейно без спусков и подъемов; колесная система рассматривается как плоская симметричная относительно своей продольной оси; остов машины представляет собой твердое тело с продольной осью симметрии; колеса совершают безотрывное движение без бокового проскальзывания; беговая дорожка шины рассматривается в виде безинерцион-ного обруча с радиусом, равным радиусу качения, а контакт колеса с дорогой точечным; жесткости шин, подвески, трансмиссии, постоянны, демпфирующие сопротивления пропорциональны первой степени скорости деформа-
ции; в элементах трансмиссии не учитывается жесткость зубьев зацепления, так как она значительно больше жесткости валов; высокочастотные колебания шестерен, валов и других деталей трансмиссии как с сосредоточенными, так и с распределенными параметрами не рассматриваются; механизм рулевого управления зафиксирован в положении, соответствующем прямолинейному движению трактора; колебания масс системы малые.
Применяя различные способы моделирования, измерения, записи и воспроизведения, можно получить наглядное представление об эксплуатационном нагрузочном режиме по его временной реализации.
Основная часть. В качестве перспективного шасси рассмотрим машину с колесной формулой 8К8 и приведем некоторые результаты оценки динамических показателей.
На рисунке представлены зависимости динамических реакций на мостах машины с продольными базами в диапазоне 5,3-5,8 м, при различных скоростях движения и нагрузках. Анализируя приведенные зависимости, можно проследить, что при движении по пасечному волоку отмеченный характер изменения среднеквадратичных значений угловых и вертикальных ускорений с увеличением скорости движения возрастает на всех нагрузочных режимах.
Поэтому движение по пасечному волоку рассматривалось как один из наиболее сложных режимов, так как, безусловно, при эксплуатации машины всегда возможны наезды на единичные неровности в виде пней или порубочных остатков.
Gr , кН лмп1
40
35
30
25
20
15
10
5 -Kj
0
10 7,2
3,6
и, км/ч
Gr
40 35 30 25 20 15 10 5 0
кН
10 7,2
3,6
и, км/ч
а б
Зависимость средних квадратичных значений амплитуд вертикальных динамических реакций переднего (а) и заднего моста с балансирным редуктором (б) форвардера 8К8 от скорости и при движении по пасечному волоку: 1, 2 - машина соответственно без груза и с грузом 14 т (при базе Ьт = 5,30 м); 3, 4 - (Ьт = 5,80 м)
3
4
4
Расчеты свидетельствуют, что рассматриваемые показатели для условий эксплуатации по дорогам с улучшенным покрытием в среднем имеют значения в 1,5 раза меньше, чем при движении по пасечному волоку (технологическому коридору).
Спектральный анализ процессов движения машины также подтверждает вывод о том, что с увеличением скорости частота изменения динамических реакций возрастает. Проанализировав процесс изменения динамических реакций, можно констатировать, что наиболее приемлемой схемой является лесная машина на базе шасси 8К8 с базой 5,8 м.
Однако, как и во всех рассматриваемых вариантах, одним из ограничивающих факторов выступает эксплуатационная скорость. Установлено, что по нагруженности переднего моста при движении по пасечному волоку скорость не должна превышать 8,2 км/ч. На магистральном волоке (лесной дороге) допустимая скорость до 12,5 км/ч, что явно достаточно для реализации показателей эффективности машины при эксплуатации.
После рассмотрения возникающих нагрузок на переднем мосту балансирной тележки по-грузочно-транспортной машины можно констатировать, что характер их изменения в зависимости от эксплуатационных условий существенно отличается.
При базе машины 5,8 м и скоростях движения 3,6 и 10,8 км/ч как частотный диапазон, так и размах амплитуд указывают на зависимость динамических реакций от параметров машины. На переднем мосту максимум спектральной плотности динамической реакции приходится на частоты от 3,5 до 14 Гц при указанных скоростях. Объяснением этому может служить кинематика работы балансирной равноплечей тележки.
Анализ динамики груженого форвардера показывает, что происходит разгрузка передних колес балансирной тележки и дополнительное нагружение задних колес вследствие влияния со стороны таких факторов, как параметры шин [6], балансира, и условий движения.
При проектировании лесных машин используют, как правило, следующие основные критерии оптимальности: минимум приведенных затрат; максимум экономической эффективности; минимум потерь; технические критерии. В целом эти критерии являются комплексными, так как учитывают ряд различных факторов, влияющих на работу системы машины.
Параметры выходных процессов и их количество определяются в каждом конкретном случае конкретной постановкой задачи исследования. При определении параметров шин и подвески груза рассматривается математическая модель колебаний форвардера в комплексе. В качестве выходного процесса исследовались величина вертикальной динамической реакции мостов машины ЯУ (кдин), а также значения коэффициента динамичности кдин.
Заключение. В результате анализа полученных данных установлено, что область оптимальных параметров определяется следующими интервалами: радиальная жесткость шин сш = 350-500 кН/м, коэффициент неупругого сопротивления кш = 45-55 кН-с/м, жесткость демпфирующих элементов грузовой платформы сп = 1900-2050 кН/м, коэффициент неупругого сопротивления кп = 75-90 кН-с/м и продольная база погрузочно-транспортной машины Ьт = 5,3-5,8 м.
Рекомендуемые значения жесткости и коэффициента неупругого сопротивления снижают величину средних квадратичных значений динамических реакций мостов в среднем на 13-25%.
Литература
1. Клоков Д. В. Оценка нагрузочных режимов трансмиссий погрузочно-транспортных машин «БЕЛАРУС» // Труды БГТУ. 2013. № 2 (158): Лесная и деревообраб. пром-сть. С. 45-46.
2. Клоков Д. В. Имитационная модель движения лесной погрузочно-транспортной машины типа 8К8 // Труды БГТУ. Сер. II, Лесная и деревообраб. пром-сть. 2008. Вып. XVI. С. 122-126.
3. Протас П. А., Клоков Д. В. Аналитическое исследование процесса взаимодействия колесных трелевочных машин с пачкой хлыстов и волоком // Актуальные направления научных исследований XXI века: Теория и практика. 2014. Т. 2, № 5-4. С. 256-260. Б01: 10.12737/7110.
4. Клоков Д. В. Обоснование параметров и оценка динамических показателей лесной колесной погрузочно-транспортной машины: автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Минск, 2001. - 21 с.
5. Клоков Д. В., Трибуль С. В. Расчетно-теоретическая оценка динамики прицепного погрузоч-но-транспортного агрегата на базе трактора МТЗ-82В // Труды БГТУ. Сер. II, Лесная и деревообраб. пром-сть. 1998. Вып. VI. С. 38-44.
6. Арико С. Е. Результаты испытаний шин лесных машин // Труды БГТУ. 2012. № 2 (149): Лесная и деревообраб. пром-сть. С. 51-54.
7. Голякевич С. А. Математическая модель для оценки нагруженности несущих конструкций многооперационных лесозаготовительных машин // Труды БГТУ. 2013. № 2 (158): Лесная и деревообраб. пром-сть. С. 65-71.
