CC BY
40
Выводы
1. Выполненная постановка задачи моделирования и четко определенная структура системы позволили наиболее корректно разработать алгоритм моделирования работы автоматически управляемого пневмогидропривода короснимателя.
2. В предложенном алгоритме функционирования гидропривода учитываются различные нелинейности, поэтому обеспечивается корректность физического описания и точность моделирования работы автоматически управляемого пневмогидропривода короснимателя в процессе окорки лесоматериалов.
3. По разработанному алгоритму математическая модель пневмогидропривода может быть реализована в виде имитационной модели в среде визуального моделирования Simulink приложения MatLab.
Литература
1. http://www.valonkone.com [Электронный ресурс].
2. http://www.debarking.com [Электронный ресурс].
3. Побединский В.В., Берстенев А.В., Шуняев С.Н. Моделирование рабочих процессов роторного окорочного станка в среде MatLab // Сб. докл. к междунар. науч.-техн. конф. УГЛТУ (Екатеринбург, 21-23 сен-
тября 2006). - 2006. - С. 135-137.
----------♦------------
УДК 630.37:001.891 В.Н. Холопов, В.А. Лабзин
ПРОДОЛЬНАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ СОЧЛЕНЁННОЙ МАШИНЫ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВКИ ПИЩЕВОЙ
ПРОДУКЦИИ ЛЕСА
Рассмотрено влияние на продольную устойчивость сочленённой гусеничной машины конструктивных особенностей сцепного устройства с поперечным горизонтальным шарниром при движении на горном склоне.
Ключевые слова: пищевая продукция леса, сочленённая машина, сцепное устройство, горный склон, движение, опрокидывание, устойчивость,
V.N. Kholopov, V.A. Labzin ARTICULATED VEHICLE PITCH STABILITY FOR TRANSPORTING THE FOREST FOOD PRODUCTS
Design feature influence of the hitch mechanism with crosscut horizontal hitch on the articulated track-type vehicle pitch stability in the process of motion on a mountain slope is considered
Key words: forest food production, articulated vehicle, hitch mechanism, mountain slope, movement, breakdown, stability.
Введение. На долю Сибири приходится около половины покрытых лесом земель России. Лес является природной кладовой разнообразных дикорастущих плодов, ягод, орехов, грибов, медоносов, лекарственных и пищевых растений.
Расширение источников заготовки недревесной продукции, к которым относятся лесные ресурсы, является важнейшей народнохозяйственной задачей, для решения которой не требуется существенных капитальных вложений.
Основной проблемой для организации рационального сбора недревесного сырья в различных природно-климатических условиях ее произрастания, начиная с просторов лесотундры Крайнего Севера и за-
канчивая горными склонами юга Сибири, является отсутствие малогабаритных и приспособленных к условиям эксплуатации транспортных средств доставки технологического оборудования, обеспечивающего его работы за счет использования ДВС и бережной доставки заготовленной недревесной продукции к месту ее переработки.
Возникшая потребность в разработке универсального малогабаритного транспортного средства для заготовки и эксплуатационных требований к универсальному малогабаритному модульному транспортному средству сформировалась с использованием работ [1-3]. В опубликованных работах [4,5] представлены результаты выполненных научно-исследовательских работ по разработке структурной модели специализированной гусеничной машины для сбора, первичной переработки и транспортировки древесного сырья.
На разработанную конструкцию сочленённой модульной гусеничной машины были получены патенты РФ на изобретения [6 и др.]. Учитывая сложные требования эксплуатации сочленённых машин в горных и труднодоступных районах Сибири, остро ставится проблема обеспечения безопасности работы гусеничной машины на склоне против опрокидывания, что, как следствие, обеспечивает психологическую уверенность водителя в управлении машиной [7,8].
Цель работы. Определить влияние конструктивных параметров сцепного устройства на продольную устойчивость сочленённой гусеничной машины с поперечным шарниром.
Движение сочленённой гусеничной машины, имеющей в сцепном устройстве горизонтальный поперечный шарнир, происходит с улучшенной приспособляемостью движителей к опорной поверхности и с уменьшенными нагрузками в сцепном устройстве. Ограничение движения машины может произойти из-за нарушения устойчивости одной из тележек. При анализе будем считать, что движение машины равномерное без ускорений, катки тележек жёсткие и жёстко прикреплены к рамам тележек, опорная поверхность гладкая и недеформируемая, на каждой тележке с каждой стороны расположено по два катка. Эти принятые ограничения позволят выявить влияние на устойчивость только конструктивных особенностей сцепного устройства.
Расчётная схема сочленённой машины, движущейся на подъём без ускорения, показана на рисунке, на котором передняя и задняя тележки условно отсоединены друг от друга, а их воздействия друг на друга заменены соответствующими силами.
Схема сил, действующих на сочленённую гусеничную машину Уравнение моментов относительно точки «2» для передней тележки
Pzl^nep "І" (*пер ® ^пер COS ОС bnep Рею hc Рспв IСП = (1)
где Pzi — нормальная реакция опорной поверхности на передние катки передней тележки;
Ьпер — база передней тележки;
''пер ~ вес передней тележки;
Нцп — вертикальная координата центра тяжести передней тележки;
Ьпер — горизонтальная координата центра тяжести передней тележки;
Рспг — составляющая усилия в сцепном устройстве, параллельная опорной поверхности;
Рспв — нормальная составляющая усилия в сцепном устройстве;
hc; 1сп — соответственно вертикальная и горизонтальная координаты
поперечного горизонтального шарнира сцепного устройства;
X — угол подъёма.
Направление действия силы Рспг, определяющей взаимодействие тележек в плоскости, параллельной опорной поверхности, зависит от того, в каком соотношении передаётся на движители машины крутящий момент двигателя.
Если
Ркза ó)G3aó sin X + Pf зад1
где G зад — вес задней тележки;
Pf Зад — сила сопротивления качению задней тележки;
Рк Зад — тяговая сила задней тележки,
то сила Рспг направлена в сторону движения машины, как это показано на рисунке.
Если же
Ркза д(Gзад sin X + Pf зад, то сила Рспг направлена против движения, а при
Рк зад = Gзад sin X + Pf зад
сила Рспг равна нулю.
Из суммы проекций на плоскость опорной поверхности действующих на машину внешних сил при движении без ускорений имеем
Ркпер "I" Ркзад = Gnep sin a + Gnep cos a fnep "I"
+ G3adsina + G3adcosaf3ad, (2)
где Ркпер > Ркзад— соответственно тяговые силы передней и задней
тележек;
fnep зад — соответственно коэффициенты сопротивления качению передней и задней тележек.
Введём следующие обозначения:
Ркпер fnep Gnep
кмд = -—; кf = ^ = •
Рк зад J зад Gзад
Тогда уравнение (2) принимает следующий вид:
Г
Р
кпер
1л
V
кмд
= Опер а л Опер соб а /пер Л
пер
пер
У
Опер а Опер соба /пер
ко
ко к /
Преобразуем это уравнение
п г'' • (1 л кО )кмд г (1 кОк / )кмд
Ркпер = Опер бш а^7 \ л Опер соб а /пер~7Г~_ Г
(1 л кмд )кО (1 л кмд )кОк/
(3)
Составляющая усилия в сцепном устройстве, параллельная опорной поверхности, определится из суммы проекций действующих сил на переднюю тележку (рис.).
Рспг = Опер а л Опер соб а /пер Р)
пер
'пер ± кпер-
(4)
Подставим в уравнение (4) значение тяговой силы передней тележки из уравнения (3) и после преобразования получим
Р = О 1 спг Опер
Г ко - кмд . кОк/ - кмд г Л
О мд бшал------------ ---------соБа/пер
V
(1 + кмд )кО
(1 + кмд )кОк /
(5)
У
Опрокидывание передней тележки относительно оси задних катков начнётся после того, как нормальная реакция на передних катках этой тележки станет равной нулю. В начальной фазе при Р^ = 0 будет равна нулю и вертикальная составляющая усилия в сцепном устройстве.
Из уравнения (1) при Р^ = 0 и Рспв = 0 получим
Опер аКцп Опер собаЬпер РспгКс = °-
(6)
Подставим значение Рспг из (5) в (6) и после преобразования получим
/
Ьцп К
V
кО - кмд (1 + кмд )кО
Л
/
У
Ьп л Кс/п
V
кОк/ - кмд (1 + кмд )кО к /
соБа= 0.
У
Откуда
ЬпкО (1 л кмд) л Кс/пер
кО к/ - кмд
г%а =
к
/
пкО (1 + кмд ) - Кс {кО - кмд )
(7)
1
„ т bn у- h-цп . y hc
Здесь bn — — , Ьцп — — , hc — — .
Lnep Lnep Lnep
Уравнение (7) определяет угол подъёма пути, при котором положение передней тележки оказывается неустойчивым, и она при дальнейшем увеличении угла подъёма пути начнёт опираться на заднюю тележку через сцепное устройство.
Опрокидывание задней тележки относительно задних её катков начнётся после того, как нормальная реакция опорной поверхности на передних катках этой тележки станет равной нулю. В начальной фазе при
Pz3ad — 0 остаётся равной нулю и вертикальная составляющая усилия в сцепном устройстве, то есть
Рсзв — 0. Уравнение моментов внешних сил относительно точки контакта заднего опорного катка задней тележки с опорной поверхностью (точка «4») (рис.) имеет вид
Pz3L3ad + &зад^ц3 sin a ~ ^заФъ cosa + Рсзг hc Рсзв (l зад + 1сз ) 0 ■ (8)
При Рzз — 0 и Рсзв — 0 уравнение (8) принимает вид
^зад^цЪ sin a~ GзадЬ3 cosa + Рсзгh 0 ■ (9)
Поскольку по модулю Рсзг — Рспг , подставим из уравнения (5) в уравнение (9) значение Рспг
(РжиРсзг противоположны по знакам, которые изменяются в зависимости от того, растягивающие или толкающие усилия будут в сцепке).
0. (10)
Поскольку Gnep — КоОзад, из (10) получим
^зад^цЗ sin a GзадЬ3 cosa —
Í
— Gnephc
V
KG ~ кмд (1 + кмд )kG
sm a +
KGKf ~ кмд (1 + кмд )kG k f
cosafnep
J
tga —
где Ьз —
KGK f ~ кмд (1 + кмд )к f
кмд
Ьц3 — hc
t KG ~ кмд
1 + кмд
Ь3
L
^ц3
h
ц3
nep
L
nep
к
f
\3 (l + кмд ) — hc (kG ~ кмд )
(11)
Уравнение (11) определяет угол подъёма пути, при котором положение задней тележки становится неустойчивым, и она при дальнейшем увеличении угла подъёма пути начнёт опираться на сцепное устройство передней тележки.
Если угол подъёма пути окажется больше, чем определённые выше по условию опрокидывания, то на поперечном шарнире сцепного устройства появляется нормальная к опорной поверхности сила. Величина её, в случае нулевой нормальной реакции на передние катки передней тележки, может быть определена из уравнения (1)
ер „
(12)
п ^ кцп . „ ьпер n hc
Рспв = Gnep у sin « — Gnep eos« — Рспг j
1сп 1сп 1сп
1 _ 1сп
где 1СП т •
^пер
Подставим значение силы Рспг из (5) в (12), разделим правую и левую части уравнения на О и после преобразования получим
Ьцп (ко - кмд )Й(
пер
P =
1 спв
V
сп
(1 + кмд УспкО
8т а
ҐТ
Ьпер (kG Kf кмд )hc г
r 1 r J п
lcn (1 + кмд Усп kG к f
пер
eos«.
(13)
сп V ми/ сп ^ J J
Сила РСпв будет стремиться повернуть заднюю тележку относительно её переднего катка.
Сумма моментов действующих внешних сил на заднюю тележку относительно точки контакта переднего катка задней тележки (точка «3»)
Рсзгhc + G3adhy3 sin « + G3ada3 eos« Pz4Рзад Рсзв1сз 0 (14)
Предельный угол подъёма без нарушения устойчивости задней и, следовательно, передней тележек может быть определён из уравнения (14) при условии Р2 4 = 0, тогда, после подставления значений сил Рсзв = —Рспв из (13) и Ргаг = —Рспг из (5), получим после преобразований
Ґ
h
с
kG — кмд , j h4n j (kg — кмд )hc
I ч + lC3 j + lC3 ҐЛ
V
(1 + кмд )kG kG l<
сп
(1 + кмд ')lmKG
sm « +
J
+ ( 7Г + Kfn
^ЛС
KGKf — Кмд ІсзЬпер , (КсЩ — Кмд)1аК
а.
где з ; lсз
лер (і + кмд)кскґ ' Тс l
+
{i + Km)TmKGKf
/пер cosa = О,
Ісз
L
пер
L
пер
Умножим левую и правую стороны полученного уравнения на Ко1сп и преобразуем его
а31сп + 1сз bпeрKG + hcf.пер
tg« =
kGk f — кмд (r (1 + кмд )к f
і1сп + Ісз )
Ісз ^пкG Іспhцз hc л (Ісп + lC3)
ц ц 1 + Кмд
(15)
Уравнение (5) определяет угол, дальнейшее увеличение которого приведёт к складыванию сочленённой машины в вертикальной плоскости.
При нарушении устойчивости передней тележки при движении машины на подъём возможны две фазы опрокидывания: опрокидывание относительно оси заднего катка и опрокидывание относительно поперечного горизонтального шарнира сцепного устройства. В последнем случае этот шарнир может либо находиться на постоянной высоте относительно опорной поверхности, либо опуститься на опорную поверхность из-за поворота задней тележки относительно осей её передних катков.
Выводы
1. Полученные уравнения в относительных величинах позволяют оценивать устойчивость группы сочлененных машин с одинаковыми относительными конструктивными параметрами.
2. Полученные безразмерные уравнения показывают, что тележки сочленённой гусеничной машины, с поперечным горизонтальным шарниром, в сцепном устройстве на крутых склонах опираются одна на другую, обеспечивая возможность работы сочленённой машины на крутых склонах, недоступных по условиям опрокидывания двухгусеничным машинам, имеющим схожие параметры с тележками сочленённой машины.
3.Движение на подъём сочленённой машины с поперечным стержнем в сцепном устройстве будет сопровождаться дифферентом тележек, что приведёт к увеличению глубины колеи, поэтому для исключения дифферента следует проектировать конструкцию сцепного устройства с возможностью блокировки поперечного горизонтального шарнира.
Литература
1. Селиванов Н.И. Эксплуатационные свойства сельскохозяйственных тракторов. - Красноярск: Изд-во КрасГАУ. - Красноярск, 2010. - С. 347.
2. Невзоров В.Н., Холопов В.Н., Лабзин В.А. К вопросу создания машины для заготовки и транспортировки недревесных лесосырьевых ресурсов // Мат-лы Всерос. очно-заочной науч.- практ. и науч. метод. конф. с междунар. участием. - Красноярск, 2010. - С.103-106.
3. Невзоров В.Н., Лабзин В.А., Холопов В.Н. Сочленённая гусеничная машина // Проблемы совремённой аграрной науки. - Красноярск, 2011. - С. 238-242.
4. Невзоров В.Н., Холопов В.Н., Лабзин В.А. Структурная модель машины для сбора, первичной переработки и транспортировки недревесного сырья // Проблемы современной лесной аграрной науки. -Красноярск, 2011. - С. 242-247.
5. Лабзин В.А., Холопов В.Н. Лесные сочленённые гусеничные машины. - Красноярск: Изд-во СибГТУ, 2006. - 246.
6. Пат. 2089431 Российская Федерация, МПК С1 6В 62 В11/08, 5/06. Устройство для управления сочленённой двухтележечной гусеничной машиной / В.Н. Холопов, В.А. Лабзин; заявитель Краснояр. гос. технол. акад. - № 93036804; заявл. 19.07.1993; опубл. 10.09.1997, Бюл. № 25.
7. А. с. 1613378 СССР, МКИ3 В 62 0 55/00. Двухгусеничная машна / В. Н. Холопов, В.А. Лабзин (СССР). -№ 4633737/31-14; заявл. 09.01.89; опубл. 15.12.90, Бюл. № 46.
8. А. с. 2003552 СССР, МКИ3 В 62 0 49/08. Устройство для предотвращения скольжения и опрокидова-ния трактора / В. Н. Холопов, В.А. Лабзин (СССР). - № 4873396/11; заявл. 12.10.90; опубл. 30.11.93, Бюл. № 43-44.
---------♦-----------
