CC BY
12
ТЕХНОЛОГИЯ ЗАГОТОВКИ И МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДРЕВЕСИНЫ УДК 630.370.4
РАЗРАБОТКА ДИНАМИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ЗАХВАТА ЛЕСОПОГРУЗЧИКА
В.Ф. Полетайкин, В.С. Аверьянов
Сибирский государственный технологический университет, пр. Мира, 82, Красноярск, Россия
Наиболее энергоемкими в лесной промышленности являются погрузочно-разгрузочные, штабелевочные и другие переместительные операции, поэтому вопросы создания транспортно-технологических машин с высокими показателями надежности являются актуальными. В конструкциях выпускаемых лесопогрузчиков применяется механизм поворота нижней челюсти захвата, состоящий из звездочек и роликовых цепей, установленных в жесткие направляющие. Из анализа материалов эксплуатационных испытаний на надежность опытных и серийных образцов лесопогрузчиков следует, что наиболее слабыми элементами механизмов поворота нижней челюсти является роликовая цепь и звездочка. Для повышения надежности лесопогрузчиков перекидного типа требуется проведение комплексных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию эффективных конструкций механизмов поворота захвата. Рычажные механизмы более надежны за счет меньшего количества шарнирных звеньев. Но эти механизмы не получили распространения в конструкциях лесопогрузчиков перекидного типа, что объясняется недостаточным количеством исследовательских и экспериментальных работ по обоснованию их кинематических и динамических параметров. В предлагаемой статье рассмотрены результаты разработки кинематической схемы механизма поворота захвата рычажного типа, а так же математических моделей систем «Лесопогрузчик - груз», «Механизм поворота - груз», «Механизм поворота - рабочий орган -груз», учитывающих влияние на величину динамических нагрузок в элементах конструкции механизма поворота конструктивных и эксплуатационных факторов.
Ключевые слова: лесопогрузчики, захват, механизм поворота, динамические нагрузки, математические модели
The most power-intensive in the forest industry are loading and unloading, stacking and other commutative operations therefore questions of creation of transport technological machines with high rates of reliability are actual. In designs of the let-out loggers the mechanism of turn of the lower jaw of capture consisting of asterisks and roller chains established in the rigid directing is used. The conclusion follows from the analysis of materials of operational fail-safe tests of skilled and serial samples of loggers that the weakest elements of the mechanism of turn of the lower jaw is the roller chain and an asterisk. Increase of reliability of loggers of cross over type requires carrying out complex research and developmental works on creation of effective designs of mechanisms of turn of capture. Lever mechanisms are more reliable due to smaller quantity of hinged links. But these mechanisms didn't gain distribution in designs of loggers ofcross over type that is explained by insufficient number of research and experimental works on justification of their kinematic and dynamic parameters. In the offered article the results of development of the kinematic scheme of the mechanism of turn of capture of lever type, and also mathematical models of systems "Logger — Freight", "Turn Mechanism — Freight", "Turn Mechanism — Working Body — Freight" considering influence on the size of dynamic loadings in elements of a design of the mechanism of turn of efficiency and operational factors are considered.
Keywords: loggers, capture, turn mechanism, dynamic loadings, mathematical models
Целью работы является повышение надежности лесопогрузчиков перекидного типа класса 25 - 40 кН. Для достижения поставленной цели в статье рассмотрена кинематическая схема механизма поворота захвата рычажного типа, разработаны математические модели систем «лесопогрузчик - груз», «механизм поворота - груз», «механизм поворота - рабочий орган - груз», учитывающие влияние конструктивных и эксплуатационных факторов на величину динамических нагрузок в элементах конструкции механизма поворота в процессе набора пачки лесоматериалов. На последующих этапах работы предусматривается математическое моделирование рабочих режимов и обоснование параметров механизма поворота захвата рычажного типа, обеспечивающих повышение надежности лесопогрузчиков, а так же выполнение экспериментальных исследований с целью проверки адекватности математических моделей и достоверности полученных результатов.
Расчетные схемы и математические модели динамических систем
Сравнительный анализ исследований нагружен-ности элементов конструкции механизмов поворота захвата с рычажными звеньями показал, что их недостатком является наличие перегруженных элементов конструкции, таких как направляющие, что снижает их надежность. Недостатком механизма, содержащего звездочки и роликовые цепи является сложность конструкции из-за большого количества шарнирно соединенных звеньев, что также ведет к снижению надежности лесопогрузчика. В связи с этим была предложена кинематическая схема механизм поворота захвата (рисунок 1) лесопогрузчика перекидного типа, состоящая из гидроцилиндра 3, смонтированного на стреле 1, шток которого шарнирно соединен с коромыслом 6 и тягой 5 поворота рычага 4, соединенного с нижней челюстью 2 посредствам шлице-вого соединения. Неподвижная стойка 7 закреплена
на стреле 1. Механизм работает следующим образом: при втягивании штока гидроцилиндра 3 тяга 5, связанная со штоком, поворачивает рычаг 4, и нижняя челюсть 2 закрывается. Угол поворота челюсти составляет 181о. Преимуществами предлагаемого механизма являются простота конструкции за счет применения более простых составляющих элементов, малое количество шарнирно соединенных между собой звеньев, что обеспечивает повышение надежности машины. Механизм не содержит направляющих, подвергающихся действию значительных нагрузок в режиме набора груза.
Вопросами исследования динамики процесса набора лесоматериалов захватами челюстного типа занимались В. С. Кузин, В. А. Драгомиров, В. Ф. Ильин, Б. Н. Мирошниченко, В. И. Шустов и др. В работах указанных авторов рассмотрен режим внедрения захвата лесопогрузчика в штабель лесоматериалов, его силовые и энергетические показатели.
По результатам анализа опубликованных работ можно сделать следующие выводы:
Отсутствуют работы по исследованию влияния на величину динамических нагрузок на элементы конструкции механизма поворота захвата эксплуатационных и конструктивных факторов.
В имеющихся работах по исследованию процесса набора груза нет обоснований оптимальных параметров кинематики и конструкции механизма поворота захвата, обеспечивающих снижение усилий в его элементах и повышение надежности конструкции.
В работе рассматриваются оба режима, так как по величине и характеру действующих нагрузок на элементы конструкции они различны. Внедрение захвата в штабель осуществляется за счет тягового усилия, создаваемой базовым трактором при взаимодействии движителя с поверхностью погрузочной площадки. Исследования ЦНИИМЭ показывают, что при наборе груза на захват действуют: Р - сила сопротивления перемещению захвата по грунту; Руд - сила сопротивления перемещению деревьев при упоре в захват; Р -сила инерции перемещаемых деревьев. Равнодействующая этих сил Ро6щ приложена в точке, находящейся на середине высоты челюсти- Н и направлена под углом Рр=45^56 градусов к поверхности пути (рисунок 2).
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). Расчетная схема системы «лесопогрузчик-груз» для варианта движения машины на спуск представлена на рисунке 2.
°Ф+ + с08(&)), (1)
g т Офсц.со8(аил)=
(2)
Рисунок 1 - Механизм поворота захвата
Процесс набора пачки лесоматериалов из штабеля можно разделить на два последовательных режима:
Внедрение захвата в штабель за счет тягового усилия базового трактора.
Отделение пачки лесоматериалов вращением нижней челюсти захвата посредством механизма поворота.
д
в ■ Цв.)—тг+е • / ■ Ма„. К■ ипСА.)+«*$,))
g ш •
Офисов (ат) = б с12х
-С-вт(а.)—(3)
g ш
В выражениях (1), (2), (3): f - коэффициент сопротивления качению; в - сила тяжести лесопогрузчика; х - глубина внедрения захвата в штабель; ^ - коэффициент трения челюсти о грунт; Ф сц - коэффициент сцепления движителя с поверхностью пути. Данные выражения используются для нахождения величины равнодействующей сил сопротивления внедрению в зависимости от эксплуатационных факторов (коэффициентов сцепления и сопротивления движению, угла уклона погрузочной площадки). В процессе внедрения захвата в штабель лесопогрузчик перемещает призму лесоматериала переменного объема. В этих условиях имеет место торможение масс лесопогрузчика и груза, в элементах конструкции лесопогрузчика возникают динамические нагрузки, которые необходимо учитывать при выборе параметров механизма поворота захвата. Для установления закономерностей влияния внешних сил на динамическую нагружен-ность элементов конструкции механизма поворота и штоков гидроцилиндров привода поворота захвата, составлена расчетная схема системы «Механизм поворота - груз» (рисунок 3) и математическая модель (4). При разработке математической модели приняты следующие условия и ограничения: а) груз, находящийся
в захвате, нижняя челюсть, элементы механизма поворота принимаются жесткими телами, сжатие жидкости в гидроцилиндрах привода поворота захвата не учитывается; б) продольная ось челюстного захвата лесопогрузчика находится в одной вертикальной плоскости с центром тяжести пачки хлыстов, принятой как одномассовое твердое тело; в) полезная нагрузка на рабочий орган принята равной свободной силе тяги, которую может развить лесопогрузчик; г) 0 < а
< 7° градусов; д) 0,06 0,25; е) 0,5 < срсц < 1,1. Пределы варьирования эксплуатационных факторов (а 5 £, ср ) установлены на основе анализа условий эксплуатации лесопогрузчиков. Математическая модель системы «Механизм поворота - груз» представлена в следующем виде
Р •/
гобщ 1Р
-2ЯА-1х+т • у • / = 0 . (4)
Рисунок 2 - Расчетная схема системы «лесопогрузчик-груз» при движении на спуск
На рисунке 2: Рк - касательная сила тяги; Рг- сила сопротивления качению; Р. - сила сопротивления уклона; Р. -сила инерции при разгоне или торможении; Р№ - сила сопротивления воздушной среды; Р - сила тяги на крюке; а ж ~ Угол Уклона погрузочной площадки.
Рисунок 3 - Расчетная схема системы «Механизм поворота - груз»
На рисунке 3: Мо - момент силы Робщ относительно точки О; Мк - момент реакций связи относительно точки О; М. - момент от сил инерции пачки лесоматериалов Р.л относительно точки О; 1р - плечо действия равнодействующей сил сопротивления относительно точки О; - реакция связи в шарнире А; ^ - длина рычага механизма; 1у - плечо действия сил инерции пачки лесоматериалов относительно точки О; И - высота штабеля, перемещаемого захватом; фо - угол естественного откоса штабеля; 1чел - длина нижней челюсти захвата.
В уравнении (4): ш - масса лесоматериалов, передвигаемых захватом; ] - ускорение лесоматериалов при наборе. Математическая модель используется для исследования режима внедрения захвата в штабель и влияния эксплуатационных (коэффициентов сцепления и сопротивления движению, угла уклона погрузочной площадки) и конструктивных (разме-
ров звеньев механизма поворота и нижней челюсти) факторов на нагруженность элементов конструкции механизма поворота и штоков гидроцилиндров привода поворота захвата. Следующим этапом набора пачки лесоматериалов является процесс отделения ее от штабеля посредством механизма поворота и гидроцилиндров. Для моделирования работы системы
и определения величины возникающих динамических нагрузок в данном режиме составлена расчетная схема системы «Механизм поворота - рабочий орган - груз» (рисунок 4). В качестве точек приведения масс элементов конструкции и груза приняты: центр масс груза (т. С) и ось крепления штока к коромыслу и тяге (т. В). К точке С приведены массы груза, нижней челюсти, рычага и части тяги, к точке В массы штока с поршнем, коромысла и части тяги. Положение рассматриваемой системы в любой момент времени однозначно определяют следующие параметры: угол поворота челюсти - а и угол поворота коромысла - (3, которые и принимаются за обобщенные координаты системы.
при нулевой податливости рабочей жидкости, элементов гидропривода и звеньев механизма поворота и нижней челюсти; б) центр тяжести груза находится в одной вертикальной плоскости с продольной осью лесопогрузчика (захвата); в) 0 < а < 181°; г) 0 < X < 560 мм. На основе уравнения Лагранжа второго рода составлена система дифференциальных уравнений
• (5)
Рисунок 4 - Расчетная схема системы «Механизм поворота - рабочий орган - груз» На рисунке 4: Р - усилие на штоке гидроцилиндра; Р- расстояние от оси вращения коромысла до оси вращения гидроцилиндра; 8ш1п - минимальная длина гидроцилиндра; X - ход поршня; 1к - длина коромысла; пеВ - переносная скорость точки В; г>ш - скорости поступательного движения поршня со штоком; Рш -усилие на тяге механизма; - расстояние от точки С до оси вращения нижней челюсти точки О; а0 - угол между и осью ординат; 12 - расстояние от оси тяги до оси вращения нижней челюсти; 13 - расстояние от оси тяги до оси вращения коромысла; Р0 - угол менаду отрезком Р и коромыслом в крайнем положении; 14 -плечо действия усилия Р относительно точки Б; г>А -скорость поступательного движения точки А; сок, сош, югР - Ужовые скорости, соответственно, коромысла, поршня со штоком и груза.
При разработке модели движения системы в данном режиме приняты следующие условия и ограничения: а) процесс поворота нижней челюсти протекает
В уравнениях (5): 1р, 1ч, .Г 1к - моменты инерции, соответственно, рычага, челюсти, груза, коромысла; Г , Г'т - моменты инерции тяги, приведенные соответственно, к токе А и к точке В; т с - 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.
ВЫВОДЫ
1. Применяемые в конструкциях лесопогрузчиков механизмы поворота нижней челюсти захвата отличаются сложностью конструкции и вследствие этого, недостаточной надежностью. Работы по их совершенствованию являются актуальными.
2. Предлагаемая конструкция, расчетные схемы и математические модели динамических систем «лесопогрузчик - груз», «механизм поворота - груз», «механизм поворота - рабочий орган - груз» направлены на совершенствование конструкции, обоснование оптимальных параметром механизма поворота захвата и повышение надежности лесопогрузчиков.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Александров В.А. Механизация лесосечных работ в России [Текст] / В.А. Александров. - С,- Пб.: Изд-во С-Пб. ГЛТА, 2000.-208 с. 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.
Поступила в редакцию 17.08.15 Принята к печати 10.05.16
