МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПОГРУЗКИ ПАЧЕК СОРТИМЕНТОВ И ХЛЫСТОВ КОЛЕСНЫМ ЛЕСОПОГРУЗЧИКОМ С ГИДРОМАНИПУЛЯТОРОМ
Ермалицкий А.А., Клоков Д.В., Насковец М.Т. (УО «БГТУ», г. Минск, РБ)
For study of dynamic stability wheel timber loading manipulator type is designed simulation mathematical model, allowing analyse the dynamic processes on different mode, define the influence a parameter systems on functioning the machine and motivate the most rational parameters timber loading and manipulator.
В последние годы в Беларуси имеет место ежегодное увеличение объемов сортиментной заготовки древесины. По различным подсчетам лесозаготовки, основанные на вывозке хлыстов, в масштабах государства составляют теперь около 23%. В этих условиях одной из ключевых проблем лесного комплекса является проблема сохранения и повышения уровня производительности труда и эффективности производства на различных фазах лесозаготовительного процесса. Главным образом, это связано с грамотным выбором, заменой способов и средств механизации тех или иных технологических операций.
Как известно, одними из важнейших операций по заготовке древесины, являются ее погрузка, перегрузка и сортировка на лесопогрузочных пунктах. На различных конференциях и семинарах, посвященных рассматриваемой проблеме, многими учеными и специалистами лесного комплекса обосновывается выполнение процессов погрузки в лесном массиве и на перегрузочных пунктах колесными манипуляторными лесопогрузчиками большой грузоподъемнос-ти [1]. Эта техника может эффективно использоваться при проведении как сортиментной, так и хлыстовой заготовки древесины.
Однако вопросам проектирования и обоснования конструктивных параметров таких машин с учетом специфики лесных грузов конструкторами и учеными уделено недостаточно внимания. Анализ литературных источников показывает, что подобные задачи рассмотрены применительно к отдельным элементам общего цикла работы лесных машин с гидроманипуляторным оборудованием различного назначения [2, 3, 4].
При проектировании погрузочно-разгрузочных машин с рабочим оборудованием манипуляторного типа особенно актуальны вопросы обеспечения поперечной устойчивости против опрокидывания. От данного показателя работы во многом зависят безопасность выполнения технологических операций, динамическая нагруженность элементов системы и в конечном итоге производительность. Кроме того, в процессе осуществления технологического цикла погрузки система «колесный лесопогрузчик-манипулятор-дерево» испытывает нагрузки, являющиеся определяющими при расчете и обосновании параметров погрузочно-разгрузочных устройств и их воздействия на шасси машины и конструкцию манипулятора.
Машины, имеющие гидравлический привод, испытывают наибольшие динамические нагрузки при разгоне и торможении управляющих гидроцилиндров [5,6]. К наиболее тяжелым режимам работы рассматриваемого типа машин можно отнести подъем стрелой комлевой части хлыста и первое торможение гидроцилиндра.
С целью исследования динамической устойчивости гидроманипуляторного лесопогрузчика нами разработаны имитационные математические модели (1,2), которые позволяют анализировать динамические процессы на различных режимах, определять влияние параметров системы на работу машины и обосновывать наиболее рациональные параметры лесопогрузчика и манипулятора.
Мы рассмотрели одни из наиболее тяжелых режимов работы машины – в первом варианте – систему колебаний машины при поднятии пачки сортиментов (1), во втором – подъем стрелой комлевой части хлыста, лежащего на грунте (2). В обоих случаях расчетные модели учитывают связь вертикальных и угловых колебаний системы и позволяют рассмотреть их в поперечной и продольной плоскостях.
|
|
(1) |
Положение гидроманипулятора выбрано поперек продольной оси машины. Внешнее воздействие на систему передается от перемещения штока управляющего гидроцилиндра стрелы при его пуске или торможении.
В первом случае расчетная схема описывается 3 степенями свободы, во втором – 4, которые характеризуются соответствующими обобщенными координатами вертикального (Yт, Yпач, Y1, Y2) и углового (Θ) перемещения.
Расчетная схема также включает вертикальные жесткости упругих элементов сi и коэффициенты демпфирования ki машины и груза. Масса поворотной колонны гидроманипулятора приводится к массе машины mт, масса m1 (mпач), включающая массу захвата, приведенную массу стрелы манипулятора, массу груза, сосредоточена в одной точке. Применительно к расчетной схеме поднятия хлыста в качестве массы груза выступает дискретная масса хлыста m1, находящаяся в точке захвата гидроманипулятором комлевой части. Модель длинномерного груза на этой схеме принята трехмассовой.
Модель груза на расчетной схеме процесса подъема комлевой части хлыста принята трехмассовой. Дискретные массы m2 и m3 сосредоточены в точках, характеризующих центр тяжести дерева и верхний отрез хлыста, лежащий на грунте, соответственно.
|
|
(2) |
Дифференциальные уравнения движения колебательных динамических систем получены с помощью уравнения Лагранжа II рода.
Для того, чтобы получить сведения о полных перемещениях элементов системы (с учетом статических), в уравнения введены силы веса дерева. При этом мы считали, что статические деформации шин, аутригеров и гидроманипулятора от веса элементов базовой машины и собственно манипулятора уже произошли. В этом случае на конце стрелы погрузочного оборудования будет действовать результирующая сила статического давления от груза, вошедшая в вышеприведенные системы уравнений в виде следующих зависимостей:
|
|
(3) |
|
|
(4) |
,
,
где QПАЧ и QХЛ – вес пачки сортиментов и хлыста соответственно; lХЛ2 – расстояние от вершинной части хлыста до его центра тяжести; LХЛ – общая длина хлыста; ∆α – внешнее возмущение, оказываемое на рассматриваемые системы, вызванное угловым перемещением стрелы, которое в зависимости от следующих условий равно
|
|
(5) |
где t - время подъема дерева, в течение которого происходит нарастание нагрузки (t ≤ 0,9 c) (время работы управляющего гидроцилиндра.
Разработанные математические модели позволили провести расчетно-теоретические исследования процесса подъема древесины гидроманипулятором и рассмотреть влияние параметров гидроманипулятора и груза – пачки сортиментов (хлыста) на динамические показатели устойчивости.
Одной из целей данного исследования было определение расчетным путем коэффициента динамичности системы, который характеризует возможные отклонения груза при его перемещении и действии возмущающих сил различного вида. В результате расчетов получены графические зависимости, характеризующие динамику системы при различных значениях СХЛ и СГМ. Также было установлено существенное влияние жесткости хлыста и манипулятора на величину коэффициента динамичности (kД) системы. Так, с увеличением СГМ до 20·104 Н/м, kД для массы m1 достигает величины 1,47. Интересен тот факт, что с ростом Схл коэффициент динамичности убывает и при СХЛ больше 16·104 Н/м приближается к единице, а с ростом СГМ, kД резко возрастает. Так как жесткость хлыстов является величиной независимой, существенного снижения динамических нагрузок на манипулятор можно добиться за счет изменения СГМ, путем введения в конструкцию дополнительных, упругих элементов.
Кроме того, приведенные расчетные модели позволяют в зависимости от жесткости манипулятора и жесткости хлыста определить максимальные динамические нагрузки и частоты колебаний, возникающие в рассматриваемых системах, и подобрать, в конечном счете, такое сочетание параметров установки, при котором динамические нагрузки минимальны. Все это дает возможность снизить металлоемкость конструкций и сократить сроки подготовки машины к серийному производству.
Литература
1. Ермалицкий А.А., Насковец М.Т. Механизация погрузки лесоматериалов в лесных массивах // Актуальные проблемы лесного комплекса: Сб. науч. тр. / БГИТА. – Брянск, 2004. – Вып.9. – С. 182–185.
2. Жуков А.В. Проектирование лесопромышленного оборудования: Учеб. для вузов. –Мн.: Выш. шк., 1990. –312 с.
3. Кушляев В.Ф. Лесозаготовительные машины манипуляторного типа. –М.: Лесн. пром-сть, 1981. –248 с.
4. Жуков А.В. Динамика харвестера // Труды БГТУ. Сер. Лесн. и деревообр. Пром-сти. 2003. Вып. XI. С. 28–35.
5. Комаров М.С. Динамика грузоподъемных машин. –К.–М.: Машгиз, 1953. –188 с.
6. Баринов К.Н., Александров В.А. Проектирование лесопромышленного оборудования: Учеб. пособие. –Л.: Издательство Ленинградского университета, 1988. –240 с.