Динамическое моделирование движения гусеничной лесозаготовительной машины с использованием прикладных пакетов компьютерных программ

Лесозаготовительное производство и лесное машиностроение

дисковых пил 4, которые исключают зажим дисковых пил в зоне резания.

Последовательная работа нескольких пильных агрегатов многопильного круглопильного станка позволяет обеспечить устойчивую равномерную подачу обрабатываемого бревна и высокую точность по толщине получаемых необрезных пиломатериалов, а использование принципа раскроя по двухвальной схеме дает возможность применять на станке круглые пилы малых диаметров с пропилом шириной до 3 мм. Таким образом, увеличивается полезный выход пиломатериалов, что обеспечивает снижение энергоемкости процесса.

Для повышения технологических возможностей многопильного круглопильного станка предусмотрен дополнительный фрезерный узел 16 (рис. 1), который расположен между дисковыми пилами 3 нижнего яруса и дисковыми пилами 4 верхнего ярус, включаемый оператором при необходимости удаления закомелистости и крупных остатков сучков на обрабатываемых круглых лесоматериалах.

Переработка древесины по предлагаемой технологии (например, березы) происходит следующим образом: тонкомерная древесина березы на раскрой подается с ориентацией стрелы кривизны в плоскости пиления. Для оптимального ведения производственного процесса пиловочное сырье на раскрой лучше подавать с длиной не более 3 м, для чего предусматривается возможность

их дополнительного поперечного раскроя и торцовки. Продольный раскрой производится, как правило, на необрезные пиломатериалы толщиной до 20-28 мм.

Параметры станка позволяют перерабатывать круглые лесоматериалы с диаметром в верхнем торце от 10 см, длиной от 0,6 м и со стрелой кривизны до 2 см на 1 м длины. Регулируемая скорость подачи составляет не менее 6 м/мин, а производительность по исходному сырью достигает более 40 м3/смену.

Таким образом, разработанное оборудование формирует основу организации для глубокой переработки механической переработки низкокачественной древесины, в первую очередь лиственной, в продукцию с высокой добавленной стоимостью, имеющюю спрос и высокий уровень конкурентоспособности как на внутреннем, так и на мировом рынках.

Библиографический список

1. Кондратюк, В.А. Знания, навыки и технологии обеспечат будущее лесного комплекса / В. А. Кондратюк // Межотраслевой альманах «Деловая слава России», 2011. - № 3 (31).

2. Кожемяко, Н.П. Концентрация лесных ресурсов российской Федерации и эффективность их использования / Н.П. Кожемяко // Вестник МГУЛ - Лесной вестник. № 5 (62). - 2008. - С. 124127.

3. Статистика. Официальный сайт Федерального агентства лесного хозяйства. Web: http://www. rosleshoz.gov.ru/activity/inventory/stat. / (accessed 5 October 2011).

ДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ ГУСЕНИЧНОЙ

лесозаготовительной машины с использованием прикладных пакетов компьютерных программ

Е.Е. КЛУБНИЧКИН, вед. науч. сотрудник ФГУП «ГНЦЛПК», канд. техн. наук, В.Е. КЛУБНИЧКИН, мл. науч. сотрудник ФГУП «ГНЦЛПК», канд. техн. наук, В.М. КРЫЛОВ, гл. конструктор ФГУП «ГНЦЛПК»,

Д.В. КОНДРАТЮК, зам. гл. конструктора ФГУП «ГНЦ ЛПК», асп. МГУЛ

В России 720 га территорий, покрытых лесом, из 68 % являются труднопроходимыми, так как рыхлые, болотистые и сыпучие грунты осложняют выполнение лесосечных и лесозаготовительных работ. В данных усло-

gnclpk@mail.ru

виях наиболее целесообразным является использование гусеничных лесозаготовительных машин

Гусеничный движитель во многих случаях является наиболее целесообразным

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2012

41

Лесозаготовительное производство и лесное машиностроение

по сравнению с колесным движителем в различных почвенно-грунтовых условиях. Возможность применения гусеничного движителя зависит от конкретных производственных условий, применение в лесозаготовительном производстве открывает пространство для компьютерного моделирования. Данная статья посвящена возможностям моделирования динамики движения гусеничных лесозаготовительных машин в прикладном пакете компьютерных программ MSC.ADAMS, в основном универсальном модуль MSC.ADAMS / View, который не ориентирован специально на моделирование гусеничных лесозаготовительных машин. Исследование представляет конкретные примеры: моделирование гусеничных лесозаготовительных машин и способов их успешной реализации во время движения по профилю пути с единичными пороговыми препятствиями в оценке свойств маневренности гусеничного шасси и плавности хода.

MSC. ADAMS программный пакет ориентирован на динамическое моделирование механических систем. Он состоит из основных и расширенных пакетов. ADAMS / View пакет, входит в основной пакет для визуального моделирования общих механических систем. Другие пакеты в большей степени сосредоточены на конкретной области механических систем, например, применяемых в транспортных системах железных дорог, автомобилестроения, авиации и т.д. Также существует пакет для моделирования гусеничных машин, если есть возможность покупки ADAMS Tracked Vehicle (ATV) Toolkit, который может решить практически все задачи с моделированием гусеничной машины. Однако для этого коммерческого продукта необходимо приобретение лицензии. Если же необходимо выполнить только несколько расчетов или покупка ATV приложения является экономически невыгодным мероприятием, единственным решением остается использование основных возможностей пакета ADAMS / View environment. Это исследование описывает использование некоторых методов моделирования динамики движения ГЛЗМ, а также в нем приводятся сравнения с ATV приложением.

Другие опубликованные в разных источниках работы по гусеничным движителям описывают использование MSC. ADAMS для гусеничных машин, но без описания траков (Клубничкин 2008, Karnik 2006). В данных работах говорится о способе моделирования в целом работы гусеничного движителя по профилю пути и возможность исследовать плавность хода. Предметный поиск показал, что существует много работ, в которых описывается методика применения ATV для гусеничных транспортных средств, однако существует только несколько работ, которые используют ADAMS / View (Madsen 2009), но без конкретного описания методов использования ADAMS / View для удачного расчета гусеничной машины.

ATV Toolkit (рис. 1) является разработкой шведского представительства MSC Software Group (MSC Software, Vдstra Fr^unda, Швеция), developed by Mechanical Dynamic Sweden AB, Malmo. Данное программное приложение позволяет создавать и расчитывать

Модели, максимально приближенные к реалистичным пространственным моделям гусеничных машин, в среде ADAMS. ATV Toolkit могут использоваться для широкого спектра применений. Эта среда позволяет создавать гусеничные модели транспортных средств в графическом пользовательском интерфейсе. В прикладном пакете используется сборочная процедура, которая автоматически переносит сегменты траков гусеничной ленты вокруг катков и колес. В заданной форме моделирует дизайн зубьев ведущей звездочки, выполняет многие другие функции и алгоритмы. Ключевой особенностью ATV, с нашей точки зрения, является то, что модель гусеничной машины создается через базу данных пользователя, которая содержит всю необходимую информацию, вкладываемую в создаваемую и модифицированную модели ГЛЗМ.

Как отмечалось выше, MSC.ADAMS / View не специальный инструмент для гусеничных систем, поэтому необходимо использование специальной методики для моделирования гусеничных систем. MSC.ADAMS / View может быть использован для создания модели ГЛЗМ и оценки результатов динамики движения ГЛЗМ. Исследуемая модель должна

42

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2012

Лесозаготовительное производство и лесное машиностроение

Рис. 1. модель гусеничной машины ATV Toolkit

Рис. 2. Сотни контактов в MSC. ADAMS / View. Каждый сегмент гусеничного обвода определен, создан контакт с каждым катком и профилем пути

Рис. 3. Гусеничный механизм в ADAMS / View environment. Ведущее зубчатое колесо и траки с сегментами, созданные в SolidWorks и импортированные в MSC ADAMS/View, трак на рисунке свободно оборачивается вокруг колеса

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2012

43

Лесозаготовительное производство и лесное машиностроение

Рис. 4. Лесозаготовительная машина, созданная в ADAMS / View environment

rg&l 1

PAV S£MCKfc РАЙТ/73

Рис. 5. Исследование динамики гусеничных транспортных средств. Графики для точки на месте водительского сиденья в горизонтальном направлении. Графики построены в порядке появления данных: позиция, скорость, ускорение

Рис. 6. Результаты расчета гусеничной лесозаготовительной машины во время движения через единичное пороговое препятствие на микропрофиле пути

44

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2012

VtfocCy

Лесозаготовительное производство и лесное машиностроение

Рис. 7. Гусеничная лесозаготовительная машина с детально проработанной ходовой системой, приводом и рамой. Модель, созданная в SolidWorks и импортированая в MSC ADAMS / View

содержать по крайней мере опорные и поддерживающие катки, ведущие и направляющие колеса, траки, сегменты гусеничной ленты и профиль поверхности пути. Профиль поверхности пути может быть создан с использованием инструмента полилинии, изображенной в трехмерном пространстве в горизонтальной плоскости. В неоптимизированном случае (с точки зрения времени, необходимого для выполнения моделирования) самым простым решением в ADAMS / View является использование solid-to-solid (твердый к твердому) контактов, которые должны быть определены между сегментами гусеничной ленты, опорными катками, поддерживающими катками, направляющими, ведущими колесами и профилем поверхности пути для всех сегментов гусеничной системы. Это дает нам сотни касательных контактов (рис. 2).

Сегменты гусеничной ленты могут быть созданы с использованием инструментов моделирования ADAMS / View, или они могут быть импортированы из CAD системы, например, Solid Works. Использование инструментов ADAMS / View является, лучшем решением с точки зрения экономии времени, необходимого для выполнения моделирования, а импорт из других пакетов прикладных компьютерных программ обеспечивает больше возможнос-

Рис. 8. Гусеничная лесозаготовительная машина во время движения через единичное препятствие

тей по моделированию геометрии ГЛЗМ (по сравнению с ADAMS v. 2003 г. Полный Пакет Моделирование). Все элементы модели ходовой системы ГЛЗМ должны быть размещены в трехмерном пространстве на своих местах, самостоятельно пользователем, особенно сегменты гусеничной ленты должны быть равномерно обернуты вокруг направляющих, ведущих колес, опорных и поддерживающих катков. В рамках моделирования, описанных ниже, необходимо использовать плоские соединения, чтобы ограничить движение гусеничной ленты, а также и всей машины. Для этого существуют по меньшей мере две возможности. Как видно на рис. 3, первый вариант представляет следующую картину: создать все части модели в САПР, например, в SolidWorks особенно должны быть тщательно разработаны опорные катки, поддерживающие катки, направляющие колеса и сегменты трака, потому что они имеют непосредственное влияние на успех моделирования. Передача мощност от моторно-трансмиссионной установки осуществляется через ведущее колесо на гусеничную ленту. Как упоминалось выше, необходимо, чтобы все контакты были определены для каждого сегмента ходовой системы, отслежены и согласованы с опорной поверхностью пути взаимодействия с каждым сегментом гу-

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2012

45

Лесозаготовительное производство и лесное машиностроение

сеничного трака и всеми ведущими, натяжными колесами, опорными и поддерживающими катками. Мы создали контакты между всеми элементами ходовой системы (опорными, поддерживающими катками, ведущими и направляющими колесами), которые получили свойство трения, а все опорные, поддерживающие катки, ведущие колеса, кроме направляющих колес, были непосредственно прикреплены к раме через упругие неголономные связи, также были созданы контакты между сегментами гусеничной ленты и опорной поверхностью пути. Эти контакты были созданы, чтобы использовать силу кулоновского трения. При создании контактов была использована прикладная компьютерная программа ContactWizard, автор (J. Matej).

Второй вариант заключается в упрощении первого. Создается нецепное колесо, и все колеса и катки фиксируются непосредственно на раме или через упругие неголономные связи (рис. 4). Этот метод в основном подходит для динамического анализа, например, при исследовании вертикального ускорения машины на месте механика водителя, при исследовании эргономики упругих неголономных элементов и кинематики гусеничного механизма с точки зрения транспортных свойств относительно плавности хода. Движение транспортных средств создает единую силу со ступенчатой функцией, как это видно ниже. Использование этой методики позволяет наиболее точно и быстро получить решение задачи по исследованию динамики движения ГЛЗМ.

Для моделирования ходовой системы ГЛЗМ необходимы только общие инструменты, а они как раз и присутствуют в ADAMS. Авторы этой статьи ранее не имели опыта работы с ATV Toolkit. Область компьютерного моделирования гусеничных ходовых систем является достаточно проблематичной в связи со сложностью геометрического построения ходовой системы ГЛЗМ. При решении использовался компьютер ЭВМ Pentium 4 системы (3 ГГц, 1,5 Гб RAM), затраченное время на вычисление варьировалось от одного до двадцати часов. В случае моделирования гусеничной лесозаготовительной машины (рис. 4 и 6) среднее время вычисления было пятьдесят минут, однако в

модели не присутствовали геометрически точные элементы ходовой системы, так как это значительно увеличивает время вычислений.

Если нам необходимы более подробные элементы ходовой системы и ГЛЗМ в целом, можем успешно импортировать точные геометрические модели из САПР. У нас не возникало никаких проблем, когда мы использовали в качестве формата файлов для экспорта модели из SolidWorks расширение Parasolid. Но это неизбежно увеличивает время вычисления.

Все возможности одинаковы для любого типа модели. На рис. 6 и 8 наглядно показано моделирование динамики движения ГЛЗМ, рисунки захвачены из созданного видеофайла в формате AVI. Очень важным является также тот факт, что моделирование гусеничных машин в ADAMS / View применимо ко всем и гусеничным моделям транспортных средств, использование данного пакета позволяет проанализировать динамику движения гусеничных машин, как это показано на рис. 5, 6, 8. Принимая во внимание цели прикладного пакета ATV, мы должны констатировать, что использование ADAMS / View для гусеничных расчетов ограничено, но оно может быть использовано только с субъективной точки зрения. С другой стороны, этот способ решения дает нам полный контроль над моделированием. Как описано выше, мы должны создать все части механизма, добавить все стыки и контакты, шаг за шагом. Основной слабостью моделирования в ADAMS / View, таким образом, является создание контактов, особенно их количество. Основным результатом надо считать то, что ADAMS / View может быть полностью использованы для решения задач, связанных с гусеничными лесозаготовительными машинами, ориентированными, в основном, на определение динамики движения, например, переезд через единичное пороговое препятствие в виде пня или поваленного дерева. Один из примеров более подробной ГЛЗМ показан на рис. 7, 8, созданных в SolidWorks, где рама, ходовая система и технологическое оборудование без существенных упрощений. Модель создается для того, чтобы проверить использование ходовой системы совместно с ведущим колесом, используемым для привода модели. Мы созда-

46

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2012

Лесозаготовительное производство и лесное машиностроение

ли и проанализировали много различных моделей с приводом ведущей звездочки и на основе результатов можем сказать, что геометрия имеет очень важное значение при получении точных расчетов и отработке правильности работы модели. Мы не говорим о том, что необходимо разработать идеально точную форму, надо, по крайней мере, правильно задать диаметр ведущего колеса, которое должно быть установлено в отношении привода машины и количества гусеничных траков в ходовой системе, которые в целом влияют на количество зубьев ведущего колеса, осевой шаг траков, сегментов гусеничной ленты и возможность заблокировать сползание ленты с направляющего колеса (механизма натяжения). Методика и результаты в этой статье основаны на естественном подходе моделирования. Мы старались реализовать моделирование без упрощения, более приближенно к реальному объекту исследования, насколько это было возможно в среде View. Исследования других авторов, опубликованных в научных изданиях, используют более упрощенные методы расчета ходовых систем гусеничных машин. С другой стороны, были опубликованы исследования, которые используют прикладной пакет ATV Toolkit, содержащий большое количество инструментов для моделирования гусеничных машин. Модели гусеничных машин, созданных Ли Чжун (2005), содержали полный набор траков с опорными и поддерживающими катками, направляющими колесами, ведущими колесами, ограничителями хода подвески и виртуальным профилем пути, содержащим виртуальные препятствия, траншеи и уклоны. Пинхас и др.. (2007) описывают моделирование гусеничного гибрида мобильного робота. Они использовали формат файлов Parasolid для импорта деталей из САПР и прикладной пакет ATV с задействованием всего его инструментария для создания модели, состоящей из 178 частей, 888 степеней свободы, 41 соединения и 1579 силовых контактных элементов.

Они подчеркнули, что на этапе разработки конструкторской документации проведение таких виртуальных испытаний с экономической точки зрения было гораздо выгоднее, чем натуральное испытания прототипа. Однако

прикладной пакет ATV только в расширенном комплекте раскрывает специализированные возможности по моделированию окружающей среды, например почвы и снега. В рамках этой статьи нами было описано использование пакета ADAMS / View с сосредоточением внимания только на преодолении неровностей пути и расчете динамики движения, которая показывает влияние более высокой рабочей скорости движения ГЛЗМ и эффект слишком большого осевого шага траков и сегментов гусеничной ленты, в результате которых визуально оценивается провисание гусеницы. Наиболее близкое по смыслу к этой работе исследование было опубликовано Мэдсеном и др. (2007), и они проводили моделирование гусеничного гидравлического экскаватора, моделирование проводилось в пакете MSC.ADAMS / View. Модель состояла из пяти опорных катков, направляющего колеса, трех поддерживающих катков, ведущего колеса и 45 траков. Система подвески состояла только из пружины натяжения направляющего колеса. Опорные катки, поддерживающие катки, и ведущее колесо были жестко связаны с рамой. Каждый трак присоединен к следующему одним контактом, также в этой модели при решении задачи существовал центр тяжести, который представлял собой жесткую связь с ходовой системой экскаватора, которая не моделировалась.

В статье описано использование MSC. ADAMS / Open в моделировании гусеничной лесозаготовительной машины и показаны шаги, которые привели к успешному моделированию. Предполагалось, что местность является жесткой. Тем не менее, возможность для исследования гусеничной лесозаготовительной машины с взаимодействием окружающей среды существует. В современных пакетах САПР можно создать очень подробные и реалистичные модели гусеничных лесозаготовительных машин. После импорта в ADAMS они могут быть рассчитаны и проанализированы, использование результатов определяется целью виртуального моделирования. В рамках описанных выше методов моделирования основной вклад вносится в области лесного и сельского хозяйства при моделировании гусеничных машин и исследовании

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2012

47