Главная

Исследовательские группы

Научно-практический журнал
Хвойные бореальной зоны
(в перечне ВАК)

Введение

Динамические нагрузки на технологическое оборудование в боковом направлении в режиме грузового хода лесопогрузчика возникают при наезде на препятствие одним бортом машины, при смещении центра тяжести груза относительно продольной оси, при движении машины поперек уклона погрузочной площадки. Кроме того, при колебаниях пакета хлыстов вследствие разности жесткости и массы вершинной и комлевой частей деревьев в поперечной плоскости возникает дополнительный момент. Совпадение указанных факторов во времени обуславливает экстремальные режимы работы, которые необходимо учитывать при проектировании лесопогрузчиков. Для анализа нагрузок на технологическое оборудование в поперечно-вертикальной плоскости необходимо разработать эквивалентные динамические модели системы «лесопогрузчик-груз» при различных сочетаниях подвески корпуса машины и вида транспортируемого груза и их математические модели, учитывающие влияние на уровень нагрузок ряда эксплуатационных факторов: скорости движения, высоты преодолеваемых препятствий, упругих характеристик деревьев, смещения центра тяжести груза от продольной оси машины, угла уклона погрузочной площадки.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

В лесной промышленности России на погрузке древесного сырья в виде хлыстов и деревьев с кроной наибольшее распространение получили гусеничные лесопогрузчики на базе лесопромышленных тракторов с полужесткой подвеской корпуса (ТТ-4М, МТ-5). Ведутся работы по созданию и освоению производства лесопогрузчиков на базе тракторов с эластичной подвеской (ТЛТ 100). Исходя из этого, при разработке эквивалентной динамической модели принимались технические характеристики и конструктивная компоновка лесопогрузчика ЛТ-188 на базе трактора ТТ-4М. При разработке динамической модели учитывается, что наибольшие нагрузки в боковом направлении возникают при расположении  стрелы с грузом в вертикальном положении. Масса упругого груза рассматривается сосредоточенной в трех точках, подвешенных на упругих элементах: в центрах тяжести вершинной и комлевой частей расчетного дерева, часть массы дерева, ущемленная захватом, приведена к концу стрелы. На рисунке 1 представлена расчетная схема (динамическая модель), составленная для исследования динамики нагрузок, действующих на технологическое оборудование в поперечно-вертикальной плоскости.
В качестве обобщенных координат системы приняты линейные перемещения масс в направлении оси X и угловые перемещения относительно оси Z (X, b2, b4, bс, bк). По числу обобщенных координат система имеет четыре степени свободы. С учетом малых амплитуд колебаний в относительном движении масс между  линейными и угловыми перемещениями существуют соотношения:

b2 =; b4 =;  bК =  =   = DY2 / l3  =DY4 / l4 ; bС  = X/ lC   .

(1)

На схеме: m1 – масса подвижных частей рабочего оборудования, динамически приведенная к концу стрелы; ,  - массы вершинной и комлевой частей расчетных деревьев, приведенные в их центры тяжести; m3 – подрессоренная масса трактора и неподвижных частей рабочего оборудования; ,  – изгибная жесткость вершинной и комлевой частей расчетных деревьев, приведенные в их центры масс; ,  - демпфирующие сопротивления вершинной и комлевой частей расчетных деревьев; l3, l4 - расстояния от продольной оси машины, соответственно, до центров масс вершинной и комлевой частей расчетных деревьев; CX - изгибная жесткость стрелы в поперечном направлении (в направлении оси X); C - жесткость корпуса трактора при кручении; CP - жесткость упругого элемента подвески корпуса трактора; KP - демпфирующие сопротивления в подвеске корпуса трактора; LP - расстояние между вертикальными осями рессор; PЛ, PП - реакции поверхности пути, передающиеся на рессоры (левую и правую, соответственно); MK - крутящий момент, действующий на корпус трактора; MC - момент от сил упругости технологического оборудования. ;
. Здесь C - жесткость корпуса при кручении; bK - угол закручивания корпуса; bС - угловое перемещение стрелы. Угол деформации стрелы относительно оси Z           .

 

Рисунок 1 – Эквивалентная динамическая модель лесопогрузчика с полужесткой подвеской корпуса с упругим грузом

Система дифференциальных уравнений движения масс составлена методом кинетостатики (на основе принципа Даламбера). Перемещения центров масс в процессе колебаний происходят относительно положения устойчивого равновесия. При этом силы тяжести уравновешиваются силами упругости при статической деформации упругих звеньев. Уравнения поперечно-угловых колебаний (перемещений масс в относительном движении) получены в следующем виде:

(2)

В уравнениях             (2) Q1 (t), Q2 (t), Q3 (t), Q4 (t) – обобщенные силы, соответствующие обобщенным координатам системы – внешние возмущающие воздействия на динамическую систему. Внешними возмущающими воздействиями, возбуждающими вынужденные колебания системы в поперечно-вертикальной плоскости, являются силы инерции масс в переносном движении, возникающие при наезде лесопогрузчика на препятствие одним бортом.
Как отмечалось выше, вследствие того, что величины масс и жесткостей вершинной и комлевой частей пакета деревьев (дерева) не одинаковы, при колебаниях возникает дополнительный момент в плоскости XOY, увеличивающий уровень динамической нагруженности элементов конструкции рабочего оборудования.
Величина его определяется по выражению:

,

(3)

где МГ - момент от сил упругости груза относительно оси Z;
МВЧ, МКЧ - моменты от сил упругости, соответственно, вершинной и комлевой частей пакета деревьев.
Данный момент возникает и при совмещении центра тяжести пакета деревьев с продольной осью машины при движении по горизонтальному участку пути и при наезде на препятствия как одним, так и одновременно двумя бортами машины. Величина его существенно возрастает при смещении центра тяжести груза от продольной оси машины. Установлено (Сообщение СНИИЛП, 1968), что это смещение может достигать 1,67 м. Влияние данного момента на уровень нагрузок на рабочее оборудование лесопогрузчиков является предметом самостоятельных исследований.
После приведения к стандартной форме и преобразований система уравнений (2) принимает следующий вид:

(4)

В уравнениях (4) wi - парциальные частоты упругих элементов системы; hi - коэффициенты демпфирующих сопротивлений  в системе. Значения указанных параметров для трех классов лесопогрузчиков (25, 35, 63 кН) получены в работе (Полетайкин, 1997).
При движении лесопогрузчика через чередующиеся препятствия одним бортом центры масс m1, m2, m3 перемещаются в направлении оси Х, соответственно, на величину Lx(t) и lx(t) (рис. 2). В качестве источников вынужденных колебаний  системы принимаются детерминированные воздействия, возникающие при движении машины через препятствие косинусоидального профиля:

,

(5)

где h(t) - текущее значение высоты препятствия;
hmax - наибольшая высота препятствия;
L - длина препятствия;
V - скорость движения машины;
t - время движения машины через препятствие.

Рисунок 2 – Схема определения возмущений в поперечно-вертикальной плоскости

Вынужденные колебания в этом случае являются следствием действия сил инерции масс в переносном движении

;

(6)

.

(7)

Выразим перемещения Lx(t) и lx(t) через перемещения h3(t).
Из рисунка 2

; ,

(8)

здесь

(9)

Вертикальное перемещение

,

(10)

где КП - коэффициент, учитывающий влияние размеров звеньев кинематики ходовой системы трактора на вертикальные перемещения корпуса при движении машины через препятствие (передаточное число механизма подвески корпуса).
С учетом (5), (8), (10)

;

(11)

(12)

При использовании в системах дифференциальных уравнений обобщенных координат в виде угловых перемещений (bС, bК, b) моменты сил инерции масс переносного движения определяется по выражениям:

;

(13)

(14)

здесь Ic1, Ic3 - центральные моменты инерции масс m1+m2, m3 относительно осей Z1 , Z2, проходящих через точки 1,2 (рис. 2).

;

;

(15)

,

(16)

где IВ, IК - центральные моменты инерции масс , ;
r2 , r4 – радиусы вращения центров масс ,  относительно оси наклона машины.

 .

Из рисунка 2

.

(17)

При переезде препятствий hmax? 0,5 м  bП<10°.
Для таких значений углов  tgbП » sinbП»bП.
С учетом (10)

(18)

Подставляя (5) в (18) и дважды дифференцируя, получим выражение углового ускорения масс в переносном движении:

.

(19)

С учетом  (13), (14), (15), (16), (19) выражения правых частей уравнений (2) принимают следующий вид:            

	;	(20)
	;
	;
	.

Левые части уравнений (2), (4) отображают состояние рассматриваемой системы и включают ее основные динамические характеристики – Ci,mi,hi,wi, а также геометрические параметры. Правые части указанных уравнений представляют собой внешние возмущающие воздействия на систему. Они включают в себя эксплуатационные факторы – hmax, V, от которых зависит уровень внешних возмущений на систему и величина динамических нагрузок на элементы системы. Таким образом, разработанные модели позволяют выполнять исследования влияния на величину динамических нагрузок, действующих на рабочее оборудование в поперечно-вертикальной плоскости, конструктивных (параметров системы) и эксплуатационных факторов. Кроме этого, варьированием размеров l3, l4 они позволяют исследовать влияние смещения центра тяжести груза от продольной оси машины на уровень боковых динамических нагрузок.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Виногоров Г.К. К методике обоснования расчетных деревьев при решении лесоэксплуатационных задач. // Тр. ЦНИИМЭ / Виногоров Г.К. – Химки – 1971, с.51 – 67.
2. О размещении грузозахватных органов погрузочных средств на пакетах хлыстов. Сообщение СНИИЛП. В кн.: Лесоэксплуатация и лесосплав. Реферативная информация. – М.: Лесная промышленность, 1968.
3. Полетайкин В.Ф. Проектирование лесных машин. Динамика элементов конструкции гусеничных лесопогрузчиков: учебное пособие для студентов специальностей 17.04.00, 17.11.00 и аспирантов специальности 05.21.01 всех форм обучения / В. Ф. Полетайкин. – Красноярск: КГТА, 1997. – 248 с