Моделювання руху напівпричіпного скрепера по схилу

Размещено на http://www.allbest.ru/

МОДЕЛЮВАННЯ РУХУ НАПІВПРИЧІПНОГО СКРЕПЕРА ПО СХИЛУ

Ковалевський С.Г.

Анотація

У статті наведені результати визначення показників стійкості напівпричіпного скрепера при транспортуванні грунта на схилі за допомогою розробленої комп'ютерної моделі, що дозволяє провести дослідження поведінки машини з мінімальними витратами часу, матеріалів та забезпечити безпеку персоналу. Модель створена з урахуванням маси та геометричних параметрів реального напівпричіпного скрепера з тягачем на базі колісного трактора. Відтворені основні вузли тягача, такі як рама, що складається з двох напіврам, з'єднаних шарніром, ходова частина, кабіна, сідельно-зчіпний пристрій та скрепера, який складається з тягової рами, ковша з передньою заслінкою та задньою стінкою, заднього мосту. Для моделювання наповнення ковша були створені додаткові елементи, які імітували об'єм та вагу грунта. Випробування на стійкість проводилися на віртуальному стенді, який мав можливість зміни куту опорної поверхні з розташованим скрепером. Проведені дослідження дозволили визначити граничні кути схилу, при яких скрепер втрачав стійкість за рахунок ковзання або перекидання, в залежності від ступеня заповнення ковша та коефіцієнта тертя опорної поверхні. Втрата стійкості скрепером відбувалася за рахунок ковзання по похилій поверхні стенду, супроводжувалася повертанням скрепера відносно тягача за наявності шарніра між тягачем та скрепером та відривом від опорної поверхні колеса скрепера та торкання опорної поверхні виступаючих частин ковша. Результати досліджень показали, що втрата стійкості скрепера при русі по поверхні, яка має коефіцієнт тертя, що дорівнює 0,9 починається з ковзання при куті нахилу 300 для порожнього скрепера та 270 для повністю завантаженого ґрунтом. Втрата стійкості в цьому випадку відбувається повільно, модель рухається по складній траєкторії, створюючи опір ковзанню дотиками опорної поверхні виступаючими частинами ковша. Процес протікає впродовж значного проміжку часу, що дає можливість оператору скрепера прийняти міри для зупинки скрепера. При зменшенні коефіцієнта тертя до величин 0,3 - 0,6, втрата стійкості проходить більш швидко, ковзання відбувається по прямій до підстави схилу, з невеликими поворотами скрепера відносно тягача. Граничні кути схилу, на яких може працювати модель без втрати стійкості, зменшуються до 24 -270 для Кт =0,6 в залежності від ступеню заповнення ковша та до 17-200за умови, якщо коефіцієнт тертя дорівнює 0,3.

Ключові слова: скрепер, комп'ютерна модель, схил, стійкість, граничний кут, ґрунт, коефіцієнт тертя..

Аннотация

В статье приведены результаты определения показателей устойчивости полуприцепного скрепера при транспортировании грунта по уклону при помощи разработанной компьютерной модели, что позволяет провести исследование поведения машины с минимальными затратами времени, материалов и обеспечить безопасность персонала. Проведенные исследования позволили определить предельные углы уклона, при которых скрепер терял устойчивость за счет скольжения или опрокидывания, в зависимости от степени заполнения ковша и коэффициента трения опорной поверхности. Полученные данные, после подтверждения другими исследованиями с использованием математических, физических моделей и реальных машин, могут стать основанием для определения рациональных режимов работы полуприцепного скрепера и формирования рекомендаций оператору.

Ключевые слова: скрепер, компьютерная модель, уклон, устойчивость, предельный угол, грунт, коэффициент трения.

Abstract

The article presents the results of determining the stability indicators of a semi-trailed scraper when transporting soil along a slope using the developed computer model, which allows us to study the behavior of the machine with a minimum expenditure of time, materials and ensure the safety of personnel. stability due to sliding or tipping, depending on the degree of filling of the bucket and the coefficient of friction of the bearing surface. The obtained data, after confirmation by other studies using mathematical, physical models and real machines, can become the basis for determining the rational operating modes of a semitrailer scraper and forming recommendations for the operator.

Key words: scraper, computer model, slope, stability, limiting angle, soil, coefficient of friction.

Актуальність дослідження

Робота скрепера складається з декількох операцій, які періодично повторюються в робочому циклі. Транспортування ґрунту виконується на значну відстань та супроводжується переміщенням машини поздовжніми та поперечними схилами, переїздами через перешкоди, що викликає необхідність дослідження стійкості скрепера.

Огляд напрямів підвищення ефективності роботи напівпричіпного скрепера показав, що існуючі засоби дозволяють забезпечити заповнення ковша ґрунтом «з шапкою», результатом чого є зниження стійкості машини в транспортному режимі, особливо при роботі на схилах.

Проведення досліджень за допомогою розроблених комп'ютерних моделей дозволяє зменшити витрати та час експериментів, забезпечити безпеку персоналу під час проведення випробувань.

Таким чином, дослідження показників стійкості напівпричіпного скрепера при роботі на схилі та встановлення граничних значень основних чинників, дозволить підвищити ефективність роботи скрепера, що говорить про актуальність поставленої задачі.

Анализ публикацій. Відомо багато досліджень стійкості автомобілів та тракторів [1,2,10], сільськогосподарських машин [3,11] результати яких не можуть бути використані для оцінки поведінки скреперів на схилі.

Роботи з підвищення стійкості скреперів присвячені дослідженню тягово-зчіпних, маневрених якостей, керованості машини при взаємодії коліс самохідного скрепера з опорною поверхнею при повороті [4,5].

Дослідження системи повороту будівельних машин та розробка концепції взаємодій елементів системи машина - місцевість, з формулюванням ряду вимог до машини для виконання її призначення з мінімальними економічними витратами, вибір оптимального співвідношення між основними параметрами машини виконано в роботі [6].

Розробка комплексу показників ефективності для вибору раціональної конструктивної схеми і складання методики визначення параметрів поворотного механізму одноосьових тягачів самохідних скреперів, з урахуванням екологічних і економічних факторів впливу обраного конструктивного рішення поворотного механізму на маневрені якості самохідної машини розглянуто в роботі [7].

Світовий досвід досліджень транспортних систем свідчить про тенденції збільшення долі віртуальних експериментів при проектуванні та випробуваннях машин, що дозволяє знизити вартість та час створення нової техніки [8].

В статті [9] наведено результати досліджень показників стійкості самохідного скрепера на схилі за допомогою розробленої комп'ютерної моделі. В якості основних чинників, що впливають на граничний кут схилу, при якому скрепер втрачає стійкість, були прийняті ступінь заповнення ковша ґрунтом та напрям руху по схилу. Встановлено, що граничний кут схилу, при якому скрепер втрачає стійкість, спочатку зростає при збільшені ваги ґрунту в ковші, а потім зменшується при максимальному заповнені ковша. Отримані результати не можуть бути використані для напівпричіпного скрепера.

Підсумок аналізу виконаних досліджень свідчить, що в розглянутих роботах не досліджувалась робота напівпричіпного скрепера при транспортуванні грунта на схилі з метою забезпечення стійкості машини.

Мета роботи. Метою досліджень роботи напівпричіпного скрепера на схилі за допомогою розробленої комп'ютерної моделі було встановлення основних чинників, що впливають на показникі стійкості.

Основна частина

Побудова комп'ютерної моделі напівпричіпного скрепера проводилося в програмному комплексі Autodesk Inventor, який надає широкий спектр можливостей, має зрозумілий інтерфейс, простоту оперування командами та доступність використання. Якщо для проведення такого роду досліджень використовувати справжні машини, то витрати на паливо, транспортування, усунення несправностей складуть значних величин.

Модель створена з урахуванням маси та геометричних параметрів реального напівпричіпного скрепера з тягачем на базі колісного трактора (рис. 1).

Рис. 1. Комп'ютерна модель напівпричіпного скрепера

Модель тягача складається з двох напіврам, з'єднаних шарніром, ходової частини і кабіни та сідельно-зчіпного пристрою. За допомогою шарніра стає можливим поворот напіврам на заданий кут.

Модель напівпричіпного скрепера складається з тягової рами, ківша з передньою заслінкою та задньою стінкою, заднього мосту.

Для з'єднання тягача та скрепера використовується сідельно-зчіпний пристрій, який дозволяє робити поворот скрепера в плані, а також качання скрепера в вертикальній площині в обидві сторони.

Сідельно-зчіпний пристрій складається з порталу, закріпленого на рамі трактора, гребня шарнірно підвішеного на поперечинах, опертих на передній та задній важелі, верхні кінці яких пальцями з'єднані з порталом. Гребень сідельно-зчіпного пристрою вертикальними пальцями з'єднаний з тяговою рамою та може гойдатися на важелях в повздовжньому напряму, що необхідно при переїзді скрепера через нерівності дороги.

Для моделювання наповнення ковша були створені додаткові елементи, які імітували об'єм та вагу ґрунта.

Випробування на стійкість проводилися на спроектованому віртуальному стенді, який мав можливість зміни куту опорної поверхні з розташованим скрепером. Стенд складається з двох частин: нижня нерухома та верхня рухома. Остання має одну ступінь свободи. Обертання здійснюється завдяки шарнірному з'єднанню (рис. 2).

Рисунок 2 - Віртуальний стенд для випробувань

Примусовий рух верхньої поверхні, задавався залежністю кута нахилу від часу, з урахуванням початкової та фінальної крапки лінії графіка. Таким чином імітувалося поводження скрепера при знаходженні на різних схилах.

Після створення стенду у відкриту зборку було додано комп'ютерну модель напівпричіпного скрепера, встановлено взаємозв'язок між колесами скрепера і опорною поверхнею, задано необхідні параметри в контакті для приближения до реальних умов роботи, які включають до себе показники жорсткості, демпфування та тертя (рис. 3).

Рисунок 3 - Скрепер розташований на стенді

Проведені дослідження дозволили визначити граничні кути нахилу рухомої частини стенду, при яких скрепер втрачав стійкість за рахунок ковзання або перекидання, в залежності від ваги ґрунту в ковші та характеристики опорної поверхні, яка визначалася коефіцієнтом тертя (рис.4).

Рисунок 4 - Втрата стійкості за рахунок ковзання скрепера по опорній поверхні

Втрата стійкості скрепером відбувалася за рахунок ковзання по похилій верхній поверхні стенду, супроводжувалася повертанням скрепера відносно тягача за наявності шарніра між тягачем та скрепером, відривом від опорної поверхні колеса скрепера та торкання опорної поверхні виступаючих частин ковша. самохідний скрепер тертя схил

Саме відрив колеса скрепера від поверхні стенда приймався за втрату стійкості машини в цілому за рахунок перекидання.

Рисунок 4 - Втрата стійкості за рахунок ковзання скрепера з відривом коліс

Рисунок 5 - Залежність граничного кута схилу а від заповнення ковша ґрунтом n та коефіцієнта тертя поверхні К_Т

Результати досліджень, наведені на рис.5, показали, що втрата стійкості скрепера при русі по поверхні, яка має великий коефіцієнт тертя (Кт = 0,9), починається з ковзання при куті нахилу 30⁰ для порожнього скрепера та 27⁰ для повністю завантаженого ґрунтом, що, насамперед, зумовлено збільшенням вертикальної координати центру ваги машини. Слід відзначити, що втрата стійкості в цьому випадку відбувається повільно, модель рухається по складній траєкторії, створюючи опір ковзанню дотиками опорної поверхні виступаючими частинами ківша (рис.4). Процес протікає впродовж значного проміжку часу, що дає можливість оператору скрепера прийняти міри для зупинки скрепера.

В той же час, при зменшенні коефіцієнта тертя до величини 0,6, а, тим паче до 0,3, втрата стійкості проходить дуже швидко, ковзання відбувається по прямій до підстави схилу, з невеликими поворотами скрепера відносно тягача. Граничні кути схилу, на яких може працювати модель без втрати стійкості, зменшуються до 24 - 27⁰ для К_Т =0,6 в залежності від ступеню заповнення ковша та до 17-20⁰ за умови, якщо коефіцієнт тертя дорівнює 0,3.

Висновки

Транспортування ґрунта скрепером, в значній мірі, виконується по пересіченій місцевості та супроводжується подоланням поздовжніх та поперечних схилів, що може привести до втрати стійкості.

Використання комп'ютерного моделювання дозволяє провести дослідження поведінки скрепера на схилах під час виконання транспортних операцій за короткий час, за умови забезпечення безпеки персоналу.

Проведення експериментів за допомогою розробленої комп'ютерної моделі напівпричіпного скрепера дозволило визначити граничні кути схилу, при яких скрепер втрачає стійкість, в залежності від ступеню заповнення ковша ґрунтом та коефіцієнта тертя поверхні схилу.

Результати досліджень показали, що максимальне значення граничного кута схилу за умови руху скрепера паралельно підставі схилу з порожнім ковшем складає 30⁰, а з заповненим ковшем - 27⁰ для коефіцієнта тертя, що дорівнює 0,9. При зменшенні коефіцієнта тертя до 0,3 граничні кути зменшуються до значень 20 та 17⁰ відповідно.

Отримані дані, після підтвердження іншими видами досліджень з використанням математичних, фізичних моделей та реальних машин, можуть стати підставою для визначення раціональних режимів роботи напівпричіпного скрепера при виконанні транспортних операцій в умовах пересіченій місцевості та формування рекомендацій оператору.

Література

1. Забелышинский З.Э. Оценка устойчивости шарнирно-сочлененного колесного трактора и тракторного поезда в различных дорожных условиях / З.Э. Забелышинский, М.А. Подригало, Е.А. Дубинин // Вестник Нац. техн. ун-та «ХПИ»: сб. науч. тр. Темат. вып.: Автомобиле- и тракторостроение. - Харьков: НТУ «ХПИ» - 2015. - № 8 (1117). - С. 3-10.

2. Подригало М.А Оценка устойчивости и управляемости автомобиля по собственной частоте его колебаний в плоскости дороги // М.А. Подригало, Д.М. Клец, В.И. Гацько // Автомобильная промышленность, 2014. - № 5 - С. 29 - 33.

3. Хайліс Г.А. Основи проектування і дослідження сільськогосподарських машин: навчальний посібник / Г.А. Хайліс, Д.М. Коновалюк // К.: НМК ВО, 1992. - 320 с.

4. Хмара Л.А. Машини для земляних робіт / Л.А. Хмара, С.В. Кравець, В.В. Нічке // Рівне-Дніпропетровськ-Харків, 2010. - 557 с.

5. Кириченко И.Г. Модульная концепция проектирования технологических машин для строительного производства: монография / И.Г. Кириченко // Х.: ХНАДУ, 2002. - 120 с.

6. Баловнев В.И. Подобие и моделирование в системе проектирования дорожно-строительных машин: учеб. пособие / В.И. Баловнев // М.: МАДИ, 2014. - 148 с.

7. Павлов В.П. Дорожно-строительные машины / В.П. Павлов, Г.Н. Карасев // Сиб. федер. ун-т, 2011.- 172 с.

8. Колесникович А.Н. Виртуальные испытания транспортных средств на статическую устойчивость / А.Н Колесникович, В.Б. Альгин, С.В. Харитончик // Сб. науч. трудов НИРУП «Белавтотракторостроение» -Минск. - 2004. - С.229-233.

9. Кириченко І.Г., Ковалевський С.Г., Безсонов М.М. Дослідження стійкості самохідного скрепера пр. роботі на схилі за допомогою комп'ютерної моделі / І.Г. Кириченко, С.Г. Ковалевський, М.М. Безсонов // Науково-технічний та виробничий журнал «Підйомно-транспортна техніка». Одеса: ОдНПИ - 2018.- №1(57). - С. 12-18.

10. Yang, X. Fuzzy Logic Based Control of the Lateral Stability of Tractor Semitrailer Vehicle / X.Yang, J. Song, J Gao, // Mathematical Problems in Engineering. - 2015. - 692912.

11. Dieumet D. Online adaptive observer for rollover avoidanceof reconfigurable agricultural vehicles / D. Dieumet, T. Benoit; L. Roland, // Computers and electronics in agriculture. - 2016. - Vol. 126. - p. 32 - 34.

References

1. Zabelyshinskij Z.E'. Oczenka ustojchivosti sharnirno-sochlenennogo kolesnogo traktora i traktornogo poezda v razlichny'kh dorozhny'kh usloviyakh / Z.E'. Zabely'shinskij, M.A. Podrigalo, E.A. Dubinin // Vestnik Nacz. tekhn. un-ta «KhPI»: sb. nauch. tr. Temat. vy'p.: Avtomobile- i traktorostroenie. - Kharkov: NTU «KhPI» - 2015. - # 8 (1117). - S. 3-10.

2. Podrigalo M.A Oczenka ustojchivosti i upravlyaemosti avtomobilya po sobstvennoj chastote ego kolebanij v ploskosti dorogi // M.A. Podrigalo, D.M. Klecz, V.I. Gacz'ko // Avtomobil'naya promy'shlennost', 2014. - # 5 - S. 29 - 33.

3. Khajli's G.A. Osnovi proektuvannya i' dosli'dzhennya si'l's'kogospodars'kikh mashin: navchal'nij posi'bnik / G.A. Khajli's, D.M. Konovalyuk // K.: NMK VO, 1992. - 320 s.

4. Khmara L.A. Mashini dlya zemlyanikh robi't / L.A. Khmara, S.V. Kravecz', V.V. Ni'chke // Ri'vne-Dni'propetrovs'k- Kharki'v, 2010. - 557 s.

5. Kirichenko I.G. Modul'naya konczepcziya proektirovaniya tekhnologicheskikh mashin dlya stroitel'nogo proizvodstva: monografiya / I.G. Kirichenko // Kh.: KhNADU, 2002. - 120 s.

6. Balovnev V.I. Podobie i modelirovanie v sisteme proektirovaniya dorozhno-stroitel'ny'kh mashin: ucheb. posobie / V.I. Balovnev // M.: MADI, 2014. - 148 s.

7. Pavlov V.P. Dorozhno-stroitel'ny'e mashiny' / V.P. Pavlov, G.N. Karasev // Sib. feder. un-t, 2011.- 172 s.

8. Kolesnikovich A.N. Virtual'ny'e ispy'taniya transportny'kh sredstv na staticheskuyu ustojchivost' / A.N Kolesnikovich, V.B. Al'gin, S.V. Kharitonchik // Sb. nauch. trudov NIRUP «Belavtotraktorostroenie» -Minsk. - 2004. - S.229-233.

9. Kirichenko I'.G., Kovalevskij S.G., Bezsonov M.M. Dosli'dzhennya sti'jkosti' samokhi'dnogo skrepera pr. roboti' na skhili' za dopomogoyu komp'yuternoyi modeli' / I'.G. Kirichenko, S.G. Kovalevs'kij, M.M. Bezsonov // Naukovo- tekhni'chnij ta virobnichij zhurnal «Pi'djomno-transportna tekhni'ka». Odesa: OdNPI - 2018.- #1(57). - S. 12-18.

10. Yang, X. Fuzzy Logic Based Control of the Lateral Stability of Tractor Semitrailer Vehicle / X.Yang, J. Song, J Gao, // Mathematical Problems in Engineering. - 2015. - 692912.

11. Dieumet D. Online adaptive observer for rollover avoidanceof reconfigurable agricultural vehicles / D. Dieumet, T. Benoit; L. Roland, // Computers and electronics in agriculture. - 2016. - Vol. 126. - p. 32 - 34.

Размещено на Allbest.ru