К определению колебаний и расчету рабочих органов гусеничных мелиоративных машин для строительства дренажных систем

Вестник ДГТУ. Технические науки. № 15, 2009. -\-

МЕЛИОРАЦИЯ И ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ

СООРУЖЕНИЯ

УДК 626.81

Т.Г. Гасанов, Г.М. Магомедов

К ОПРЕДЕЛЕНИЮ КОЛЕБАНИЙ И РАСЧЕТУ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ГУСЕНИЧНЫХ МЕЛИОРАТИВНЫХ МАШИН ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА ДРЕНАЖНЫХ СИСТЕМ.

В статье приведены результаты исследований по выявлению основных факторов, влияющих на колебания рабочего органа гусеничных мелиоративных машин. Дано математическое описание этих колебаний. Полученные зависимости дают возможность провести расчеты автоматической системы выдерживания заданного уклона и установить область устойчивых режимов работы системы. Указаны пути повышения эксплуатационных показателей гусеничных мелиоративных машин с навесными рабочими органами.

Ключевые слова: неровности, колебания, уравнения, гусеница, рабочий орган, навеска, скорость

Одной из главных задач механизированного строительства каналов и дрен является выполнение продольного заданного уклона. Известно, что при движении мелиоративной машины по неровностям трассы прокладываемого канала или дрены она испытывает продольные угловые колебания, приводящие к отклонениям рабочего органа от линии заданного уклона, вследствие чего дно канала или дрены получается неровным.

Выявление и изучение основных факторов, влияющих на колебания рабочего органа, и математическое описание этих колебаний является важной задачей, решение которой позволяет определить степень влияние основных факторов на колебания рабочего органа и намечать различные способы для устранения или снижения возникающих отклонений рабочего органа от линии заданного уклона. Вычисление колебаний мелиоративных машин дает возможность, кроме того, устанавливать требования, предъявляемые к различным устройствам для поддерживания заданного уклона, и производить расчет исполнительного механизма, служащего для устранения колебательных перемещений рабочего органа относительно линии заданного уклона.

Определение колебаний производился гусеничных мелиоративных машин с навесными рабочими органами, получившими широкое распространение при строительстве каналов и дрен. Оценка колебаний производилась по следующим основным показателям: угловым перемещениям, скоростям и ускорениям системы гусеничная машина - рабочий орган и линейным вертикальным перемещениям, скоростям и ускорениям в зоне расположения режущей кромки навесного рабочего органа.

Для определения перечисленных оценочных показателей колебаний рассмотрим движение гусеничной машины с жестким ходовым оборудованием и с жестко навешенным рабочим органом. На рис. 1 представлена схема сил, действующих на гусеничную машину с общим рабочим органом весом Р. На опорную поверхность гусеничного движителя действуют нормальные q (х1) и касательные п реакции грунта, на передний каток - лобовое сопротивление W. Реакцию грунта, на какой - либо жестко навешенный рабочий орган можно выразить через одну равнодействующую R или через две ее составляющие Rx1 и Ry1 в точке приложения Д.

-\-

Главной отличительной особенностью движения гусеничной машины на грунтах со

слабой несущей способностью является проседание гусеничного движителя на некоторую глубину от поверхности земли. Просадку опорной базы гусеничной машины принято выражать по формулам, аналогичным зависимостям погружения плоских штампов в грунт.

Т

Рис. 1. Схема сил действующих на гусеничную машину с жестким ходовым оборудованием и с жестко навешенным рабочим органом.

Для расчета была принята показательная зависимость

g=cxh¿l

где g - удельное давление; к - осадка; с, // - коэффициенты диформируемости грунта.

Пользуясь этой зависимостью и выражая величину деформации грунта через разность отметок поверхности земли и опорной базы, составим два уравнения движения. Допуская, что действием сил инерции можно пренебречь, т.к. изменения углов наклона гусеничной машины находится в пределах ±6 С о э» 1 , а величины ускорений центра масс системы достаточно малы, получим:

Ь

2 вс\ О

/ух^уу-х1^?

1 м

+ Ку1\1у1(р=0

/[х^-у-х1^

И

í с\\

¿/х1 - Р + 2 вс

1-

И

0

V J

Ь

2 вс ¡х О

//+1

А>У

+2

+ 2 вс х Ь

3

V э;

Д2 х -мк<1У1<рУО

3

1

где х, у - координаты точки В ; <р - угловые перемещения системы; -I-

6 - ширина гусениц; х1 - координата элементарного участка ск1;

/- уравнение поверхности земли относительно координат ХОУ на длине контакта

с гусеничным движителем; - Д - диаметр переднего катка трактора; Ц - координата

центра тяжести; / ордината рельефа в месте прохождения точки А гусеничного

движителя; Ь - длина активно-опорного участка гусеничного движителя; М ^ ~~

момент равнодействующей Я относительно точки опорной поверхности над задним катком В .

Третий член уравнения (2), а также третий и четвертый члены уравнения(З) определялись по известным выражениям лобового сопротивления катящегося по деформируемому грунту колеса.

Ординату точки К режущей кромки рабочего органа выразим формулой

УК = У ~ х\ х вт <р + у\ ,

где х 1, у1 - координаты точки К режущей кромки рабочего органа.

Для решения системы интегральных уравнений и определения неизвестных у, ук и ср был использован метод последовательных приближений Ньютона. Вычислить значение у и ср можно по составленному алгоритму с использованием ЭВМ. Движение машины можно моделировать смещением опорной базы через равные интервалы и для дискретных значений xi вычислять у. и (р.. Неровности поверхности земли задаются

таблично через средние значения ординат под левой и правой гусеницами.

Значения неизвестных находились последовательным направлением их и вычислением поправок, для которых была составлена линейная система двух уравнений. Величина поправок из этих уравнений выражалась через частные производные функции по исконным параметрам. Угловые перемещения вычислялись с точностью до 4 минут, а координаты^ - с точностью до 1мм. Вид значений равнодействующей Ну' и момента Мк осуществлялся в зависимости от значений х, у, ср. Для определения зависимостей Яу' / х, у, ф / и Мк / х, у, ф / были использованы известные схемы расчета реактивных сил сопротивления движения рабочих органов. Все интегральные выражения и их производные решались приближенным методом по формуле парабол Симпсона. Значения угловых и линейных скоростей и ускорений устанавливается по формулам численного дифференцирования в зависимости от полученных величин (pi и у... и поступательной скорости движения машины.

Составленный алгоритм решения позволяет исследовать и определять перемещения,

скорости и ускорения любой точки жесткой системы гусеничной машины и её рабочего органа в зависимости от параметров, входящих в уравнение (2) и (3). При этом вычисление колебаний можно производить как на единичных или многочисленных неровностях, так и на неровностях случайного характера, задаваемых таблично.

Анализ движения гусеничной машины по неровностям поверхности земли показал, что с помощью выведенных уравнений можно описать колебания движущейся машины и определить возникающие перемещения, скорости и ускорения жестко навешиваемого рабочего органа в зависимости от его веса, длины и ширины гусениц, положения центра тяжести, физико-механических свойств грунта (коэффициентов диформируемости), реактивных сил сопротивления движению рабочего органа, поступательной скорости движения, неровностей поверхности земли.

Экспериментальные исследования проводились на землях совхоза «Дмитровский» Московской области. На специальной гусеничной установке и на фрезерном

-\-

каналокапателе КФН - 1000. На испытательном полигоне неровности создавались

искусственно (бульдозером с последующей ручной доделкой до заданного профиля). Продольные колебания экспериментальных машин при переезде неровностей фиксировались измерительным устройством, поперечные колебания остова замерялись маятниковым угломером. Для записи перемещений ползунков реостатов измерительного устройства, регистрации углов поворота маятникового датчики и фиксирования снимаемых характеристик была использована тензометрическая лаборатория на базе автомобиля ГАЗ-63. Для изучения влияния типов ходового оборудования экспериментальные гусеничные машины оборудовались жесткой ходовой подвеской в виде тележек на семи опорных катках и обычной балансирной подвеской трактора Д-54. Исследования проводились как с жесткой навеской рабочего органа, так и с плавающей, где рабочий орган опирался на лыжу, соединенную с отвальным корпусом при помощи дополнительного цилиндра; основные гидроцилиндры переводились в плавающее положение.

В результате исследований было установлено, что при переезде гусеничной машиной с жестким ходовым оборудованием единичных и многочисленных неровностей перемещения режущей кромки жестко навешенного рабочего органа графически изображаются синусоидальными кривыми. На рис.2 для примера представлена одна такая кривая (а) и показан характер изменения скоростей и ускорений режущей кромки рабочего органа (б и в).

Зависимости перемещений скоростей и ускорений являются исходными данными для обоснования выбора параметров исполнительного механизма. Так при выборе длины штока исполнительного гидроцилиндра и его расположения на машине необходимо учитывать максимально возможные перемещения рабочего органа (А), которые необходимо компенсировать ходом штока исполнительного гидроцилиндра. Скорость движения штока и соответственно расход масла в гидросистеме должны выбираться, исходя из максимально возникающих скоростей подъема рабочего органа (V). При расчете возникающих усилий в исполнительном цилиндре, рабочем органе и т.д. необходимо учитывать дополнительные усилия, обусловленные инерцией рабочего органа в зависимости от значений в зависимости от значений возникающих ускорений Указанные зависимости могут быть использованы и для выбора необходимого быстродействия, чувствительности датчика и т.д. Полученные результаты дают возможность также провести расчеты автоматической системы выдерживания заданного уклона и установить ориентировочно динамические характеристики, области устойчивых режимов работы системы и области автоколебаний, время срабатывания исполнительного звена, величины динамической ошибки слежения и др.

Исследования по выявлению влияния параметров неровностей показали, что с увеличением высоты неровностей И (при сохранении постоянной длины I) пропорционально возрастают экстремальные значения перемещений, скоростей и ускорений гусеничной машины. Их наибольшие значения соответствуют максимальным выбранным значениям высот неровностей (1=8м и И=8см). С увеличением длины единичных неровностей I (при постоянной их высоте И) наблюдается сначала резкое увеличение экспериментальных значений перемещений, скоростей и ускорений жесткой системы гусеничной машины, а затем плавное их уменьшение. Наибольшие перемещения, скорости и ускорения возникают при переезде неровностей, длина которых находится в пределах 1=1,0-2,0м. Полученные величины длин неровностей характеризуют наиболее неблагоприятные условия работы гусеничных машин с опорной базой равной 2.0м. При изменении длины базы характер зависимостей остается прежним, и максимальные значения амплитуд соответствуют отношению длины опорной базы длине неровностей равному 1:2.

Оценочные параметры в значительной степени зависят от физико-механических свойств грунта, характеризующихся коэффициентами диформируемости.

_1_143

Экспериментальные исследования показали, что перемещения, скорости и ускорения жесткой системы гусеничной машины на суглинистых грунтах в 1,5 - 2 раза больше, чем на торфяных грунтах со слабой несущей способностью при эквивалентных значениях параметров неровностей.

Как было установлено, отклонения жестко навешенного рабочего органа от средней линии уклона могут меняться в широких пределах (6-40см) при скоростях и ускорениях в диапазонах 0,4-1,3см/с и

0,03-0,09см/с2 (первые пределы соответствуют характерным, а вторые - наиболее неблагоприятным условиям работы машины). Указание величины были определены при скорости движения каналокапателя равной 1см/с. При увеличении скорости движения пропорционально растут значения скоростей и ускорений растущей кромки жестко навешенного рабочего органа.

Рис. 2 Схема сил действующих на гусеничную машину с жидким ходовым оборудованием и с жестко навешенным рабочим органом.

Большое разнообразие встречаемых неровностей поверхности земли в значительной степени осложняют задачу автоматизации строительства каналов и дрен по заданному уклону. Автоматическое регулирование в различных условиях работы приводит или к невыполнению требуемой точности выдерживания заданного уклона при настройке на какую-либо определенную скорость движения исполнительного механизма, или к тому, что выполнение требуемой точности регулирования может быть достигнуто за счет значительного усложнения автоматической системы, чувствительной к различным скоростям перемещений рабочего органа. Для обеспечения выполнения заданного уклона

-\-

с помощью простых автоматических устройств необходимо снижать возникающие

максимальные перемещения, скорости ускорения рабочего органа.

Эффективное снижение значений показателей колебаний рабочего органа может быть достигнуто с помощью плавающей навески. При переезде каналокапателя с плавающей навеской через единичные неровности амплитуда колебаний рабочего органа по сравнению с жесткой навеской уменьшается в 3-4 раза.

Степень сглаживания неровности зависит от конструктивного исполнения навески, типа рабочего органа и режимов его работы. Наименьшие отклонения рабочего органа наблюдаются при устойчивой его работе, когда обеспечивается равновесие действия сил сопротивления движению и общего веса рабочего органа с находящимся на нем грунтом. Нарушение равнодействия приложенных сил приводит к самозаглублению или самовыглублению рабочего органа.

Как показали исследования, по сравнению с жестким ходовым оборудованием балансирная подвеска позволяет в 1,1 - 1,3 раза уменьшить колебания рабочего органа, жестко навешиваемого на базовую машину, за счет сжатия и растяжения пружин подвески эффективность уменьшения колебаний определяется жесткостью пружин, их запасом хода, конструктивным выполнением и величиной возникающих реактивных сил сопротивления движению рабочего органа.

При реальных условиях работы на различных объектах требуемая точность выполнения заданного уклона не всегда может быть достигнута. Поэтому испытания таких устройств и механизмов уклона целесообразнее проводить на искусственных неровностях, охватывающих как характерные, так и наиболее неблагоприятные условия работ. Это будет гарантировать устойчивое выполнение требуемой точности при работе на различных объектах.

Библиографический список:

1. Б.А.Васильев; В.Б. Гантман, В.В.Комисаров и др. Под редак. И.И.Мера. «Мелиоративные машины» М.колос 1980г.

2. Г.В. Силаев «Тракторы и автомобили с основами технической механики»: учебное пособие. М. МГУЛ, 2002 - 347с.

Вестник ДГТУ. Технические науки. № 15, 2009.

-\-

T.G. Gasanov, G.M. Magomedov

To adjectives of vibration and account end-of-arm tracks land reclamation machinery for building drainage system

In the article gives the results of the researches basic factor, influencing upon fluctuations worker organ caterpillar reclamation machinery. There is dependencies enable to conduct the calculations of the automatic system of the withstanding the given gradient and install the area firm state of working systems. The Specified way of increasing of the working factors caterpillar reclamation machinery with add-on end-of-arm Keywords: burrs, rippling, end-of-arm, hinge plate, speed,track.

Гасанов Тельман Гамзатович

Область научных интересов: Механизация и автоматизация мелиоративных и дорожных. Автор более 50 работ.

Магомедов Г.М. (1955) старший преподаватель кафедры ОиБД Дагестанского государственного технического университета, кандидат педагогических наук. Окончил Дагестанский государственный педагогический институт (1976) г. Махачкала. Дагестанский государственный университет (2008) г. Махачкала.

Область научных интересов: основы эффективного использования научно-технического прогресса в области строительства и транспорта. Автор более 15 работ.