Содержание к диссертации
Введение
1 Обоснование и актуальность темы 12
1.1 Причинно-следственный анализ возникновения ущерба при промежуточных и малообъемных рубках 12
1.2 Исследование возможных путей создания малогабаритных машин 29
1.3 Обзор работ, посвященных исследованиям динамических процессов взаимодействия лесных машин с предметом труда 36
1.4 Выводы по главе, цель и задачи исследования 41
2 Разработка малогабаритной тягово-тран с портной машины (МТТМ) 44
2.1 Структурно-компоновочная схема машины 44
2.2 Обоснование компоновочной схемы 49
2. 3 Определение нагрузки на машину 53
2.4 Определение коэффициента распределения нагрузки между машиной и волоком 61
2.5 Теоретический анализ эксплуатационных параметров МТТМ 68
2.5.1 Обоснование параметров расчетных хлыстов 68
2.5.2 Результаты расчета диапазона размерных характеристик трелюемых хлыстов 69
2.5.3 Сравнительный анализ различных способов трелевки 74
2.5.4 Имитационное моделирование движения малогабаритной лесной машины 80
2.5.5 Сравнительная оценка эффективности использования МТТМ и зарубежных аналогов 90
3 Влияние колесно-шагающего движителя на динамическую пагруженность одноосной машины 95
3.1 Составление динамической расчетной схемы 95
3.2 Динамическая модель движения 102
3.3 Определение основных параметров динамической системы «машина -хлыст» 106
3.4 Исследование динамической нагруженности системы «машина — хлыст» 111
4 Экспериментальные исследования 113
4.1 Методика и планирование экспериментальных исследований 113
4.1.1 Определение прочностных характеристик почвы 115
4.1.2 Методика определения коэффициента буксования 119
4.1.3 Метод определения плотности почвы 122
4.1.4 Установление размеров преодолеваемого препятствия 123
4.1.5 Методика определения колебаний системы «машина-хлыст»... 124
4.2 Определение объема репрезентативной выборки 126
4.3 Расчет погрешности измерений 128
4.4 Результаты экспериментальных исследований 131
4.4.1 Зависимость коэффициента буксования от нормальной и крюковой нагрузки 131
4.4.2 Приращение плотности лесной почвы после прохода движителя. 136
4.4.3 Максимальная высота преодолеваемого препятствия 138
4.4.4 Амплитуды и частоты вынужденных колебаний системы «машина-хлыст» 139
Заключение 145
Библиографический список
- Обзор работ, посвященных исследованиям динамических процессов взаимодействия лесных машин с предметом труда
- Определение коэффициента распределения нагрузки между машиной и волоком
- Динамическая модель движения
- Методика определения коэффициента буксования
Введение к работе
Опыт эксплуатации существующих трелевочных и транспортных машин на лесосеках показывает, что проведение рубок промежуточного пользования сопровождается неоправданно высокой степенью уничтожения запаса насаждения, что влечет за собой уменьшение продуктивности оставляемого на доращивание древостоя.
Воздействие лесозаготовительной техники на лесную экосистему исследовалось многими авторами. Начало этому было положено в трудах классика отечественного лесоводства М. Е. Ткаченко, позднее воздействие лесозаготовительной техники в той или иной степени изучали А. В. Побединский, И. С. Мелехов, В. Ю. Савицкий, С. М. Гугелев, В. Н. Меньшиков, В. И. Да-нилюк и др. Основы теории движения колесных и гусеничных машин, а также степени воздействия лесозаготовительных машин были заложены и обобщены в трудах В. П. Горячкина, И. П. Ксеневича, В. А. Скотникова, М. И. Ляско, М. Г. Беккера, А. С. Агейкина, Г. М. Анисимова, Б. М. Большакова, Ю. Ю. Герасимова, И. И. Водяника, В. С. Сюнева и др.
Всесторонние исследования воздействия лесозаготовительных машин производились в основном с позиций снижения влияния техногенных факторов с учетом экологического состояния почв на лесосеках. При этом не оказался не рассмотренным вопрос обоснования параметров малогабаритных машин для рубок промежуточного пользования. Опубликованные работы носят лишь рекомендательный характер, в частности в регламентирующих технологический процесс документах устанавливаются пределы давления на грунт и в случаях, когда применение традиционной крупногабаритной техникой затруднено, рекомендуется вывозка летательными аппаратами и конная трелевка. Необоснованными оказываются также рекомендации по целесообразности применения в качестве тяговых базовых средств малогабаритных тракторов, большинство которых изначально разрабатывалось для обработки сельхозугодий и в силу этого имеющих специфическую компоновку.
Распределение массы у тракторов классической сельскохозяйственной компоновки не соответствует условиям труда и характеру расположения груза для лесопромышленного трактора, в статическом состоянии без груза сила тяжести МТЗ-80(82), ЛХТ-55 и др. распределяется в соотношении 40% на переднюю ось и 60% на заднюю. При установке на них трелевочного оборудования и погрузке древесины нагрузка на заднюю ось становится еще больше, вследствие чего давление под ведущими движителями возрастает, а управляемость из-за разгрузки передней оси ухудшается.
Поэтому, проведение рубок промежуточного пользования, на данном этапе развития техники и технологии работ, наряду с вырубкой нежелательных деревьев сопровождается уничтожением потенциально пригодных к до-ращиванию экземпляров доминирующей породы при прокладке технологических коридоров. Результатом такого ухода становится снижение продуктивности насаждения из-за недоиспользования долгое время продуцирующей земли и пространства между кронами деревьев, которое в средневозрастных и старшего возраста насаждениях может достигать до 2 м /га в год. Кроме того, уплотнение почвы в технологических коридорах, неизбежно возникающее при многократном проезде машин даже небольшой массы, ухудшение ее водно-физических свойств и повреждение корневых систем деревьев, растущих рядом с коридором, приводят иногда не только к недополучению ожидаемого дополнительного светового прироста, связанного с разреживанием, но и к снижению текущего прироста этих деревьев.
В целом можно заключить, что на уровень повреждения леса и минерализации почвы оказывают весомое влияние конструктивные факторы лесных машин, в числе которых габаритные размеры, давление на опорную поверхность, способ маневрирования и способ размещения груза (хлыстов и деревьев). Очевидно, что сокращение количества поврежденных деревьев возможно за счет уменьшения площади технологических коридоров путем снижения габаритов лесных машин при одновременном повышении их проходимости и маневренности.
Наиболее широко данное направление развивается за рубежом. Так, в Швеции, при проведении первых приемов рубок ухода, удаления семенников в лесах естественного возобновления, разработке труднодоступных лесосек и бурелома наряду с традиционными средствами трелевки применяют легкие, маневренные, малогабаритные машины, наносящие меньший вред окружающей среде.
Как показывает анализ, парк малогабаритной лесной техники представлен в основном дорогостоящими узкоспециализированными зарубежными машинами на базе компоновочных схем колесных и гусеничных тягово-опорных систем.
На основе изучения отечественного производства мини-техники можно сделать вывод, что наиболее рациональную компоновку по массогабарит-ным, тяговым и экологическим показателям можно получить на базе колес-но-шагающей двухмодульной системы в составе серийно выпускаемого промышленностью тягово-энергетического и специального грузонесущего модулей.
В условиях рубок промежуточного пользования и лесосечно-восстановительных процессов, малогабаритные переместительные машины являются наиболее эффективными в имеющейся номенклатуре трелевочной техники с точки зрения сохранности лесорастительных условий и последующего максимального выхода деловой древесины. Неоспоримым их преимуществом является минимизация трудозатрат на разработку транспортной составляющей процесса освоения лесосеки, в виду беспрепятственного проезда по труднодоступным участкам лесосеки к намеченным в рубку деревьям.
Высокая степень унификации машины вызывает необходимость разработки методики выбора и теоретического обоснования основных параметров конструктивно-компоновочной схемы для адаптации к трелевочным работам, которая в дальнейшем, по мере развития производства с последующим неизбежным переходом к конструированию оригинальных узлов и деталей, сможет послужить основой для вновь проектируемых машин.
Поэтому, обоснование параметров многофункциональной малогабаритной переместительной машины для беспрепятственного проезда по труднодоступным участкам лесосеки к намеченным в рубку деревьям при рубках промежуточного пользования является актуальной задачей в виду ее значимости для экологии и лесохозяйственного комплекса страны.
В первой главе диссертационной работы выполнен анализ влияния элементов ходовых систем существующей номенклатуры лесозаготовительной техники на лесорастительные условия, возможных направлений повышения их экологической совместимости, снижения техногенного воздействия на лесную растительность и продуктивность лесов путем синтезирования различных технических решений. Установлено, что в процессе создания новой техники необходимо учитывать роль динамики лесных грузов, накладывающей определенные ограничения на применяемую технологию и значительного влияния на погрешности в работе машин и механизмов, надежность и возникновение аварий. В результате сделаны выводы о том, что данное направление представляет большой научный интерес и значимость для экологии и нужд лесохозяйственного комплекса страны. Определены цели и задачи исследования.
Цель работы: обоснование параметров малогабаритной тягово-транспортной машины для повышения эффективности рубок промежуточного пользования и малообъемных лесозаготовительных производств.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Разработать и теоретически обосновать компоновочную схему МТТМ.
Теоретически обосновать основные конструктивные параметры в зависимости от применяемой технологии.
Провести теоретический анализ эксплуатационных свойств МТТМ.
Разработать эквивалентную динамическую схему, математическую модель системы «машина - хлыст» и выполнить экспериментальные исследования динамической нагруженности элементов конструкции на натурном образце с целью определения достоверности результатов теоретических исследований.
Экспериментально исследовать влияние МТТМ на лесорасти-тельные условия, определить тяговые возможности и проходимость натурной модели.
Вторая глава посвящена обоснованию структурно-компоновочной схемы и теоретическому анализу эксплуатационных параметров машины. В ней, рассмотрена конструктивная схема малогабаритной колесно-шагающей трелевочной системы, в том числе оригинальной одноосной машины использующей тело хлыста в качестве стабилизатора в продольном направлении; на основе рассмотрения задачи о деформации хлыста, учитываемой при проектировании лесозаготовительной техники, определены размерные характеристики эксплуатационных параметров расчетных хлыстов; выполнен эксплуатационный и экономический анализ различных способов трелевки; разработаны математическая модель и алгоритм имитационной модели движения малогабаритной лесной машины под пологом леса.
В третьей главе рассмотрено влияние колесно-шагающего хода на динамику процесса трелевки хлыстов одноосной машиной. Здесь установлено влияние различных факторов на колебания системы «машина - гибкий груз» в целом, разработана эквивалентная динамическая схема с конечным числом степеней свободы. Разработана методика приведения распределенных параметров хлыста, в частности универсальное выражение для определения момента инерции в любом сечении по длине хлыста, проведено исследование системы «машина - гибкий груз».
Четвертая глава посвящена методике и результатам экспериментальных исследований характеристик малогабаритной машин. Ее отличительной особенностью является комплексно-дифференцированный подход к изуче-
нию предмета исследования. Полученные результаты позволяют прогнозировать важнейшие эксплуатационные характеристики как существующей, так и вновь создаваемой техники.
Научная новизна. Впервые для рубок промежуточного пользования: теоретически обоснована структурно-компоновочная схема малогабаритной тягово-транспортной машины, отличающаяся видом взаимодействия с грузом при трелевке в полупогруженном положении и высокой степенью унификации с минимальным использованием оригинальных деталей; предложен способ трелевки в полупогруженном положении одноосным транспортным средством с опорой на хлыст для стабилизации в продольном направлении; разработана методика определения эксплуатационных параметров расчетных хлыстов, отличающаяся учетом упругих характеристик предмета труда; разработана имитационная модель движения малогабаритной машины под пологом леса, отличающаяся математическим описанием траектории имитирующей стратегию оператора по выбору возможной траектории движения и способа генерирования пространственного расположения деревьев с учетом законов естественного отбора, использование которой позволяет оценивать доступность насаждения к освоению; разработана математическая модель системы «машина - хлыст», отличающаяся расчетной схемой учитывающей особенности размещения и перемещения гибкого груза под воздействием кинематических возмущений от кол есно-шагающего хода.
Основные положения, выносимые на защиту:
структурно-компоновочная схема малогабаритной тягово-транспортной машины;
результаты теоретических и экспериментальных исследований трелевки в полупогруженном положении одноосным транспортным средством с опорой на хлыст для стабилизации в продольном направлении;
выражений для определения параметров прогиба и момента инерции в любом сечении по длине хлыста;
результаты имитационного моделирования проникаемости насаждения;
методики установления эксплуатационных параметров предмета труда, рациональных режимов работы и прогнозирования проходимости малогабаритной машины;
результаты экспериментальных исследований экологичности и эффективности колесного и колесно-шагающего хода.
Практическая значимость работы. В результате выбора и расчета основных конструктивных узлов с учетом технологии производства работ, обоснованы параметры рациональной по массогабаритным, экологическим и стоимостным показателям, альтернативной зарубежным и отечественным образцам, многофункциональной тягово-транспортной машины для рубок промежуточного пользования и малообъемных лесозаготовительных производств. Полученные математические зависимости позволяют: производить расчеты рациональной компоновки и важнейших эксплуатационных показателей как существующих, так и вновь создаваемых «железных коней»; определять параметры технологического процесса рубок промежуточного пользования с использованием наряду с традиционными средствами трелевки легких средств для перемещения древесины.
Экспериментальные исследования были проведены на натурном образце, разработанном и изготовленном на кафедрах «Автомобили и двигатели» Красноярского государственного технического университета и «Технология и оборудование лесозаготовок» Сибирского государственного технологического университета. Испытания экспериментального образца малогабаритной лесной машины проведены лично автором, при содействии кафедр «Автомобили и двигатели» КГТУ и «Проектирование лесного оборудования» Сиб-ГТУ в условиях реальной лесосеки в учебно-опытном лесхозе СибГТУ. Теоретическая часть разработана автором на кафедре «Технология и оборудование лесозаготовок» СибГТУ в период обучения в аспирантуре.
Автор выражает глубокую признательность профессору, доктору технических наук Анопченко В. Г. за помощь в изготовлении колесно-
шагающих движителей и ценные замечания полученные в ходе выполнения работы.
#
Обзор работ, посвященных исследованиям динамических процессов взаимодействия лесных машин с предметом труда
Колесно-шагающий движитель, в силу особенностей конструкции, является возбудителем колебаний, которые влияют на плавность хода. Вследствие взаимодействия с телом хлыста, который в данном случае является подсистемой с распределенными параметрами и определенной упругостью (жесткостью), колебания, генерируемые КШД, могут совпасть с собственными частотами хлыстов, что приведет к явлению резонанса и, как следствие, ухудшению условий вывозки древесины, долговечности конструкции машины, условия работы оператора и т. п. Поэтому работу лесной машины необходимо рассматривать не только с позиций наносимого повреждения лесной среде, но и с учетом динамических нагрузок конструкции, рабочего оборудования и предмета труда. Исследования [43, 44], показывают, что динамические нагрузки могут в несколько раз превышать статические, поэтому их учет при проектировании является обязательным.
Исследованиям нагруженности ходовых систем и трансмиссий транспортных средств общего назначения посвящены работы Силаева А. А., Ро-тенберга Р. В., Аксенова Н. В., Анисимова Г. М., Чудакова Е. А., Цитовича И. С, Бочарова Ы. Ф., Семенова В. М., Щуплякова В. С, Фрумкина А. К., Львова Е. Д., Барского И. Б., Кутькова Г. М., Аниловича В. Я., Чернявского И. Ш., Яценко Н. Н., Хачатурова А. А., Тарасика В. П., Горбачева Н. Н. и других.
Динамическая нагруженность лесотранспортных машин, вопросы плавности хода, условий работы, устойчивости исследовались в работах По-летайкина В. Ф., Верхова Ю. И., Лозового В. А., Силукова Ю. Д., Анисимова Г. М., Горбачевского В. А., Жукова А. В., Гольдберга А. М., Орлова С. Ф., Семенова В. М., Закина Я. X., Николюка В. С. и других исследователей.
Многими исследователями доказывается необходимость учета в расчетах специфики лесных грузов. Этому вопросу посвящены работы, связанные с валкой, трелевкой, погрузкой, обрезкой сучьев [45, 46, 47, 48, 49, 50] и при вывозке хлыстов лесовозным подвижным составом.
В работах [46, 49, 50] отмечено, что на устойчивость движения машин влияют: характеристика подвесок, микрорельеф поверхности пути, параметры упругости груза и др. В зависимости от назначения машины и ее конструкции влияние этих факторов может по разному сказываться на ее колебаниях и устойчивости при движении.
Подавляющее большинство исследований динамической нагруженно-сти конструкций машин и механизмов лесной промышленности проведено в области погрузочно-разгрузочного и транспортного оборудования. Из этих работ известно, что помимо статических нагрузок от воздействия на рабочие органы предмета труда действуют и динамические, которые зависят от многих факторов: скорости движения, упругих характеристик подвески транспортных машин, рабочего оборудования и, наконец, от динамических характеристик хлыстов, деревьев. При этом выделяют следующие динамические характеристики, влияющие на динамическую нагруженность лесных машин -жесткость, модуль упругости, распределение массы по длине хлыста, частотные характеристики.
Так результаты эксперимента в работе В. П. Мельникова [51, 52, 53] свидетельствуют, что колеблющиеся хлысты при подъеме их челюстным погрузчиком оказывают существенное динамическое воздействие на рабочее оборудование. Так при скорости подъема 0,4 м/с динамическое воздействие определяется коэффициентом динамичности Кд=1,21. При увеличении скорости подъема до 1,2 м/с Кд увеличивается до 1,65, то есть на 37,5%.
Увеличение коэффициента динамичности при вертикальных нагрузках, действующих на стрелу погрузчика с жестким и гибким грузом, очень наглядно определено в работах В. Ф. Полетайкина [44, 54, 55]. В этом случае возмущающие силы, вызывающие колебания упругих элементов погрузчика (в том числе и хлыстов) зависят от скорости движения погрузчика с грузом. С изменением скорости погрузчика с гибким грузом от 60 см/с до 91 см/с коэффициент динамичности погрузчика изменяется от 2,94 до 5,93. Для жесткого груза Кд изменялся от 2,68 до 4,78, то есть гибкий груз увеличивает динамические нагрузки на стрелу на 20-24%. Экспериментальные данные в этой работе показывают, что при всех сочетаниях рода груза и конструкций подвески, коэффициент динамичности в стреле в 1,7-2,7 раза выше, чем в передней подвеске [54]. Это говорит о том, что рабочее оборудование, непосредственно взаимодействующее с предметом труда, наиболее нагружено в динамическом отношении.
Определение коэффициента распределения нагрузки между машиной и волоком
Анализ вычислений жесткостей вершинной и комлевой частей хлыста, выполненных в работах [94, 95, 96] позволяет сделать следующие выводы: из всех эксплуатационных характеристик наибольшее влияние на жесткость частей хлыста оказывает его высота, сбежистость и порода дерева.
Вследствие того, что одним из аргументов жесткости как функции выступает прогиб [63], то все вышеперечисленные эксплуатационные характеристики будут оказывать значительное влияние и на него.
При определении породы расчетных деревьев необходимо установить зоны возможной эксплуатации МТТМ. Основными промышленными породами лесов Восточной Сибири являются еловые и сосновые насаждения [97]. Оптимальным возрастам рубок для ели и сосны Западной и Восточной Сибири, согласно приказу Гослесхоза СССР № 1102/6-9 от 12.11.1990, будут насаждения старше соответственно 120 (III-IV бонитета) и 120 (III-IV) лет. Так как проходные рубки ухода заканчиваются за 20 лет до возраста рубки, то верхние пределы возраста для выбранных пород принимаем равными 100 лет.
Одной из составляющих технологического процесса заготовки хлыстов на лесосеке является обрезка вершинок, при этом диметры вершинного торца для ели и сосны варьируются в пределах 0,05-0,17 и 0,06-0,24 м соответственно [98]. Зная, что наименьшие диаметры хлыстов на высоте груди и в вершинном отрезе для производства пиловочника составляют для обеих пород соответственно 0,2 м и 0,16 м [99], принимаем указанные размеры в ка честве нижних пределов. В связи с этим, деревья меньшего диаметра целесообразнее раскряжевывать на сортименты и трелевать МТТМ-1 в пакете.
Известно, что эксплуатационные характеристики зависят от разрядов древостоев [78, 100]. Поэтому параметры расчетных деревьев определим еще и с учетом основных разрядов высот конкретных древостоев.
Расчет длины грузового модуля и прогибов хлыстов по приведенной методике выполним для отечественного мотоблока МБ-2К «Нева» с КШД [40]. Геометрические характеристики hM6, hK0H, 1мб а составят в данном случае соответственно 0,47 м, 0,45 м, 0,38 ми 15. В качестве предмета труда выступают еловые и сосновые хлысты, параметры которых (длина, диаметры, объем, плотность свежесрубленной древесины) взяты из [101, 102, 103], Минимально необходимая длина модуля по (2.1): 0 47 /ги =- -0,38 = 1,44. sin 15
Расчет рациональной компоновки МТТМ-1 по формулам (2.1)-(2.4) при помощи параметрической идентификации модели показал, что для транспортировки сортиментов длиной 4 м (сортименты меньшей длины пользуются меньшим спросом у потребителя) длина грузонесущего модуля составит 2 м. С учетом колебаний хлыста и толщины модуля, окончательно длину грузонесущего модуля принимаем равной 2 м. Исходя из этого расчет длины прогнувшейся части произведем на расстоянии 2 м от комлевого среза. Результаты расчетов конструктивных и действительных прогибов еловых и сосновых хлыстов по (2.31) и (2.32) приведены в приложениях 1 и 2. ю Рисунок 2.12 Сравнение конструктивных и действительных прогибов еловых хлыстов: 1) YK0HCTp II и Y II - конструктивный и действительный прогиб еловых хлыстов II разряда высот; 2) YK0Hcrp ПІ И Y III - КОНСТРУКТИВНЫЙ И ДЄЙСТВИТЄЛЬНЬІЙ прогиб еловых хлыстов III разряда высот; 3) YKOHCTP IV И Y IV - конструктивный и действительный прогиб еловых V и Y V констр хлыстов IV разряда высот; 4) Y конструктивный и действительный прогиб еловых хлыстов V разряда высот.
Динамическая модель движения
Анализ результатов исследований амплитуды колебаний показал, что резонансные явления в рассматриваемой системе будут происходить при совпадении частот вынуждающей силы с собственной частотой колебаний хлыста. В свою очередь, вынуждающая сила в зависимости от кинематических параметров КШД, в разных фазах движения может генерировать колебания как различной, так и одинаковой амплитуды и частоты. В обоих случаях колебания будут являться периодическими но, в первом случае за один период будут реализовываться два разных полусинусоидальных импульса.
Рассмотрим первый случай. Так как нельзя достаточно точно аппроксимировать возмущающую функцию в случае не эквивалентных друг другу фаз движения КШД, рассмотрим процесс установления вынужденных колебаний путем дискретизации процесса.
Для этого разобьем возмущающую функцию на два полусинусоидальных импульса с амплитудой и продолжительностью соответствующих фаз движения. Так, для КШД зарегистрированного патентом № 2038248 РФ, длина колесной и шаговой фазы равны соответственно /к 0,215 и 1Ш 0,115 м. В результате расчета амплитуды возмущающей силы по формуле (3.8) получены следующие значения - в колесной фазе Н0 = 1841 Н, в шаговой - Но =1641 Н, при следующих исходных данных: скорость движения V= 0,854 м/с; т0 = 300 кг; Дж= 0,32 м; = 0,277 м; ак= 18; аш= 12.
Результаты решения уравнения (3.12) показывают, что вынужденные колебания практически не отличаются от закона изменения возмущающей силы и максимальная амплитуда отклонения составляет в колесной и шаговой фазе соответственно 9-10" ми 8,1-10" м.
Среди всего многообразия конструктивных решений параметров КШД, необходимо также рассмотреть такие неблагоприятные с точки зрения дина 111 мическои нагруженности колесно-шагающие системы, рабочий процесс которых состоит из эквивалентных друг другу колесной и шаговой фаз движения.
Для рассматриваемой модели КШД возмущающая сила будет описываться гармоническим законом, в котором за период реализуется один полусинусоидальный импульс, при длине колесной и шаговой фазы ОД 6 м. Резонансная скорость при этом составит 7,5 м/с, тогда как максимальная скорость МТТМ-2 с грузом не должна превышать скорости пешего хода человека равной 5 км/ч.
Таким образом, трелевка рассчитанного во второй главе диапазона размерных характеристик хлыстов будет происходить без боронования лесной почвы грузовым модулем. Экспериментальные исследования
Экспериментальные исследования необходимы для проверки работоспособности компоновочной схемы и предлагаемого способа трелевки с опорой на хлыст, выявления эксплуатационных показателей предлагаемого образца МТТМ, степени воздействия модели на лесорастительные условия, сравнения эквивалентной и реальной динамических схем, а также для сравнительной оценки колесного и колесно-шагающего хода.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 1. Определить силу тяги движителей в зависимости от коэффициента буксования kg. 2. Определить коэффициент буксования в зависимости от нормальной и крюковой нагрузки. 3. Определить максимальную высоту преодолеваемого препятствия движителями. 4. Определить уплотнение почвы после прохода движителей. 5. Определить ускорения системы «МТТМ-2 — хлыст». 4.1 Методика и планирование экспериментальных исследований
Как показывает практика, экспериментальные исследования лесных машин проводятся на натурных образцах в условиях максимально приближенных к производственным. Тем самым достигается полное совпадение условий эксплуатации и эксперимента. Поэтому, было принято решение о проведении эксперимента на действующем образце МТТМ в условиях реальной лесосеки.
В качестве объекта исследований и воздействия на лесорастительные условия на кафедрах «Автомобили и двигатели» КГТУ и «Технологии и оборудования лесозаготовок» СибГТУ был спроектирован и собран экспериментальный образец, имитирующий модель малогабаритной тягово-транспортной машины. Для повышения проходимости модели в качестве ходовой системы были использованы колесно-шагающие движители, спроектированные в КГТУ В. Г. Анопченко.
Методика определения коэффициента буксования
Основные гармоники колебательного процесса определяли путем разложения в ряд Фурье с последующим построением амплитудно-частотного спектра представленным на рис. 4.16. При этом в соответствии с рекомендациями [123], ось частот предварительно разбивали на отрезки соответствующие октавным полосам, с отношением верхних граничных частот к нижним равным двум и определяли амплитуду виброускорения для каждой полосы в отдельности.
Проведенный спектральный анализ показывает, что определяющими процесс колебаний будут две основные гармоники сигнала с частотами 10,3 и 50 Гц, генерируемые соответственно колесно-шагающим ходом и двигателем энергетической установки, причем собственные частоты колебаний хлыста и КШД лежат в одной октавной полосе. Так как нас интересует эффект от наложения частот КШД и собственной частоты колебаний хлыста, дифференцируем их от остальных возмущений. После фильтрации исходный сигнал представлен нарис. 4.17.
Амплитуда колебаний, при максимальном значении ускорения в шаговой фазе движения 4,045 м/с2, составила 3-Ю"3 м. Учитывая диссипацию колебаний по мере удаления от источника возбуждения, примем, что над центром КШД амплитуда равна единице, а в конце активно участвующей в колебательном процессе части хлыста нулю. Тогда, при амплитуде шаговой фазы КШД 5-Ю"3 м, общей длине динамической системы 9,87 м и базе МТТМ-2 равной 2,28 м, расчетное значение амплитуды колебаний составит Лрасч = (l-2,28/9,87)-5-10 =3,8-10 м, что подтверждает наши теоретические выводы о незначительности собственных колебаний хлыста и изменении вынужденных колебаний по закону возмущающей силы.
Для машиностроительной отрасли в нашей стране, с позиций усталостной прочности материала, принято, чтобы ускорения колебательного движения не превышали l,5g (где g — ускорение свободного падения). Таким образом, для предотвращения усталостного разрушения, элементы конструкции должны быть экранированы от энергетической установки, а скорость движения не должна превышать 3,6 км/ч.
Повышенный уровень колебаний может оказывать вредное влияние на организм оператора, приводя к нарушению функционирования мышечной и центральной нервной систем и вызвать так называемую «вибрационную болезнь». В нашем случае оператор координирует движение машины, контактирует с корпусом только руками, колебательный резонанс для которых наступает при частоте возмущения 3 Гц, что намного ниже эксплуатационной частоты колесно-шагающего хода.
Выводы по главе
1. Уменьшение коэффициента буксования при достижении величин нормальной и крюковой нагрузки соответственно 1120,4 и 550 Н позволяет сделать вывод о том, что при их пропорциональном увеличении с определенного момента определяющим фактором процесса реализации тягового усилия будет нормальная нагрузка на КШД. Недоиспользование грузоподъемности тягово-энергетического модуля приведет к излишней минерализации лесной почвы, тогда как увеличение объема нагрузки на рейс сверх рассчитанных объемов будет способствовать повышению величины касательной силы тяги, что в целом согласуется с рекомендациями курса теории автомобиля по повышению проходимости путем увеличения сцепного веса.
2. Величина реализуемой касательной тяги позволяет осуществлять трелевку за вершины, что увеличивает производительность машины на 24%.
3. Известно, что рост корней ели прекращается при плотности почвы 1500 кг/м [134]. Средние значения плотности почвы после однократного проезда колеса и КШД с нормальной нагрузкой 1500 Н составили соответст-венно 1553,8 и 1482,8 кг/м , т. е, использование серийного колеса мотоблока в качестве движителей МТТМ в еловых насаждениях с куртинами молодняка недопустимо.
Эксперименты показывают, что после однократного прохода КШД плотность почвы под башмаком остается практически неизменной, уплотнение происходит лишь в местах опоры движителя на концы башмаков. Абсолютный прирост плотности лесной почвы после воздействия КШД в 1,73 раза меньше, чем от серийного колеса мотоблока.
4. По результатам третьей части эксперимента можно судить о том, что высота преодолеваемого препятствия КШД больше чем у колеса в 9,4 раза. Необходимо отметить, что статический радиус колеса и КШД составляют соответственно 0,22 и 0,3 м, тогда соотношение высот препятствий при сопоставимых размерах движителей составит примерно 1:7 в пользу КШД.
5. Колебания, генерируемые источником возмущения в элементах системы «МТТМ-2 - хлыст», многократно накладываясь, искажают истинную величину определяющих процесс колебаний. 6. Воздействие колебаний на оператора будет ощутимым, но легко переносимым. 7. Экспериментальные исследования по определению амплитуды колебаний подтверждают правильность аналитических выводов о величине и характере колебательного процесса системы «МТТМ-2 - хлыст» и, что возмущения, генерируемые колесно-шагаюшим ходом, не будут вызывать резонансных явлений и минерализации лесной почвы грузовым модулем.
