Исследования нагруженности рычага динамического лункообразователя при посадке леса

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследования нагруженности рычага динамического лункообразователя при посадке леса

Для механизации подготовки посадочных мест (лунок) для посадки сеянцев и / или саженцев при восстановлении леса на нераскорчеванных вырубках с каменистыми почвами в Петрозаводском государственном университете (ПетрГУ) под руководством профессора А.М. Цыпука разработан динамический лункообразователь.

Теоретическое обоснование проектных параметров динамического лункообразователя выполнено в работах [4-7], однако до настоящего времени не уделялось достаточного внимания вопросам нагруженности основных элементов этой машины - качающихся рычагов.

При переходе от испытаний к производственной эксплуатации имели место непредвиденные поломки машин при взаимодействии с препятствиями (удары о камни, пни) на вырубках, что затрудняет внедрение лункообразователей в производство [8].

Таким образом, исследование нагруженности рычага динамического лункообразователя при посадке леса является актуальным.

С целью оценки нагруженности основного рабочего органа динамического лункообразователя - рычага с шарнирно закрепленной на его конце иглой - при восстановлении леса на нераскорчеванных вырубках с каменистыми почвами, была разработана и апробирована оригинальная методика расчетов с использованием программы для ПЭВМ в среде «Maple», основные положения которой изложены в работах [9-12].

При разработке указанной методики учитывалось, что рычаг лункообразователя в процессе его соударения с неподвижным препятствием (пнем, камнем) деформируется, совершая поперечные колебания (движения). При этом в рычаге возникают изгибающие моменты и соответствующие напряжения, которые могут вызвать его деформирование (изгиб) и разрушение.

Деформация рычага при соударении с препятствием допускается только в пределах упругости. Если превысить этот предел, то пластическая деформация приведет к изменению геометрических параметров рычага (т.е. он погнется), при этом изменится кинематика рабочего органа и ухудшится качество лунок.

Для целей проектирования важно знать коэффициенты динамичности при упругих ударах рычагом о неподвижное препятствие, которое можно рассматривать как абсолютно жесткое (камень) или как препятствие, в котором часть энергии удара рассеивается при его упругой деформации рычагом (пень).

При работе на нераскорчеванных вырубках возможны следующие ситуации соударения рычага лункообразователя с препятствиями:

1) соударение иглы на конце рычага с камнем (принимаем коэффициент жесткости камня к™^м = 75М0⁶ Н/м [8]);

2) соударение рычага с пнем на расстоянии 0,5 м от оси вращения (принимаем коэффициент жесткости пня = 35 * 10⁶ Н/м [10]);

3) соударение иглы на конце рычага с почвой (принимаем коэффициент жесткости гумусной почвы при внедрении в нее иглы к^п = 19,5М0³ Н/м, для минеральной почвы - к^п = 95,3-10³ Н/м [13]).

По конструктивным соображениям (величина воспринимаемых нагрузок и необходимость размещения внутри данного элемента машины ползуна), рычаг лункообразователя Л-2У (см. рис. 1, 2).изготавливается как двуплечий, коробчатого сечения, сварной из двух швеллеров №12 (по ГОСТ 8240-

а) б)

Рис. 1. Агрегат в составе лункообразователя Л-2У и трактора ЛХТ-55: а -- общий вид агрегата; б -- работа агрегата на вырубке

Рис. 2. Общий вид динамического лункообразователя: а - лункообразователь типа Л-2У; б - лункообразователь типа Л-2М; 1 - остов,

2 - навесное устройство,

3 - качающийся рычаг, 4 - игла, 5 - лыжеобразный полоз, 6 - пружина, 7 - материал сталь 5

Момент инерции поперечного сечения равен 608-10^-8 м⁴, погонная масса 37,7 кг/м. Коэффициент жесткости шарнирного крепления рычага к остову Л-2У к°^п составляет 175^10⁶ Н/м. Длины хвостовой, средней и передней части рычага равны соответственно 0,48; 0,51 и 0,75 м.

Рис. 3. Зависимость перемещений точек хвостовой

В результате расчетов по методике [9-12] установлено, что при работе лункообразователя типа Л-2У (с двуплечим рычагом) наибольшие напряжения в рычаге возникают при ударе иглой на конце рычага о камень. Напряжение будет равно о=275,9 МПа, что больше допускаемого напряжения на изгиб углеродистой стали 5 (200 МПа), но меньше, чем предел ее прочности о_В = 500…620 МПа (для легированных сталей о_В = 800.1000 МПа [14]) - см. рис. 3, 4. Коэффициент динамичности k_din =465.

При ударе иглой на конце рычага Л-2У о наиболее твердую, минеральную почву коэффициент динамичности равен k_din = 22, напряжение изгиба а = 12,8 МПа, что не превышает допускаемое напряжение на изгиб углеродистой стали 5 (200 МПа) [14] - см. рис. 5, 6.

Коэффициент перегрузки материала рычага (определяется как отношение коэффициента динамичности при соударении иглы на конце рычага с камнем к аналогичному коэффициенту при соударении с почвой) составляет к_пе = 21.

В динамическом лункообразователе типа Л-2М предусмотрен одноплечий рычаг, то есть без хвостовой части (см. рис. 2). В этом случае длина рычага равна 1,26 м, другие характеристики рычага остаются без изменений.

В результате расчетов по методике [9-12] установлено, что при ударе иглой на конце рычага Л-2М о камень коэффициент динамичности равен k_din = 191, напряжение изгиба о = 187,8 МПа, что не превышает допускаемого напряжения на изгиб углеродистой стали 5 (200 МПа) и меньше, чем предел ее прочности о_в = 500.620 МПа [14] - см. рис 7, 8.

При ударе иглой на конце рычага Л-2М о минеральную почву коэффициент динамичности равен k_din = 49, напряжение изгиба а = 49,7 МПа, что не превышает допускаемое напряжение на изгиб углеродистой стали 5 (200 МПа) [14] - см. рис. 9, 10. Коэффициент перегрузки материала рычага составляет к = 4, что гораздо ниже, чем в случае лункообразователя Л-2У.

Таким образом, изменение конструкции рабочего органа - от рычага первого рода к рычагу второго рода - снижает металлоемкость машины, исключает утыкания коротким плечом в препятствия, уменьшает коэффициент динамичности при ударах рабочего органа о препятствия в почве.

Полученные в работе результаты расчетов согласуются с данными выполненных ранее экспериментальных исследований [5-8].

Относительно высокие значения коэффициентов динамичности при соударениях (77. 465) по сравнению с конструкциями, работающими в безударных режимах (не более 10) [15], показывают, насколько эффективно используется масса машины для совершения работы.

По оси ординат - перемещение в метрах, по оси абсцисс - время в секундах

Рис. 4. Изменение величины изгибающего момента по длине рычага при соударении иглы рычага Л-2У с камнем

По оси ординат - момент в ньютон-метрах, по оси абсцисс - расстояние от левого торца хвостовой части рычага в метрах; M_max = 27917,5 Н * м

Рис. 5. Зависимость перемещений точек хвостовой (короткие) и передней (длинные волны) частей рычага от времени при соударении иглы рычага Л-2У с минеральной почвой

По оси ординат - перемещение в метрах, по оси абсцисс - время в секундах

Рис. 6. Изменение величины изгибающего момента по длине рычага при соударении иглы рычага Л-2У с минеральной почвой

По оси ординат - момент в ньютон-метрах, по оси абсцисс - расстояние от левого торца хвостовой части рычага в метрах; M_max = 1290,3 Н * м

Рис. 7. Зависимость перемещений точек хвостовой (короткие) и передней (длинные волны) частей рычага от времени при соударении иглы рычага Л-2М с камнем

По оси ординат - перемещение в метрах, по оси абсцисс - время в секундах

Рис. 8. Изменение величины изгибающего момента по длине рычага при соударении иглы рычага Л-2М

По оси ординат - момент в ньютон-метрах, по оси абсцисс - расстояние от оси вращения рычага в метрах; M = 19009,3 Н * м

Рис. 10. Изменение величины изгибающего момента по длине рычага при соударении иглы рычага Л-2М с минеральной почвой

По оси ординат - момент в ньютон-метрах, по оси абсцисс - расстояние от левого торца хвостовой части рычага в метрах; M = 5024,4 Н * м

При использовании ударов с целью выполнения манипуляторов лесных машин; предел текучести - работы, к материалам рабочих органов необходимо 640 МПа, предел прочности - 780 МПа). предъявлять повышенные требования, отдавая пред - Дальнейшее исследования нагруженности рыча - почтение легированным сталям, в 1,5…2 раза превы - га динамического лункообразователя при посадке шающим углеродистые стали по пределам прочности. леса рекомендуется вести в направлении изучения С учетом условий работы рычаг динамическо - характера распределения напряжений по длине и го лункообразователя рекомендуется изготавли - сечению рычага с целью обоснования наиболее ра - вать одноплечим (как у лункообразователя Л-2М) ционального профиля сечения рычага, с примене- из низколегированных сталей (например, сталь нием программных систем компьютерного модели - 20ХГСА - применяется для изготовления гидрирования и инжиниринга (CAE-системы).

Список литературы

лункообразователь низколегированный вырубка шарнирный

1. Цыпук, А.М. Применение лункообразователя Л-2У в лесовосстановлении [Текст] / А.М. Цыпук, А.В. Родионов, А.Э. Эгипти // Лесное хозяйство. - 2006. - №1. - С. 42-43.

2. Пат. на полезную модель 56766, МПК А01 С 5/04. Ямокопатель [Текст] / А.М. Цыпук, А.Э. Эгипти, О.Б. Марков, А.В. Родионов; ПетрГУ. - №2006115848/22; заявл. 11.05.2006; опубл. 27.09.2006, Бюл. №27. - 2 с.

3. Родионов, А.В. Рекомендации по восстановлению леса на вырубках с использованием лункообразователя Л-2У [Текст] / А.В. Родионов, А.И. Соколов, В.А. Харитонов, А.М. Цыпук, А.Э. Эгипти; ПетрГУ - Петрозаводск: Изд - во ПетрГУ, 2006. - 52 с.

4. Разработка и внедрение в производство орудий Л-2 для двухрядного приготовления посадочных лунок: Отчет о НИР (промежуточ.) [Текст] / ПетрГУ; рук. А.М. Цыпук. - №ГР 01828067337. - Петрозаводск, 1985. - 109 с.

5. Цыпук, А.М. Повышение эффективности лесовосстановительных работ ресурсосберегающей технологией: Дис…. д-ра техн. наук [Текст] / А.М. Цыпук; ПетрГУ. - СПб., 1996. - 299 с.

6. Марков, О.Б. Обоснование параметров рычажно-кулачкового механизма динамического лункообразователя для посадки лесных культур: Дис…. канд. техн. наук [Текст] / О.Б. Марков; ПетрГУ. - Петрозаводск, 2006. - 163 с.

7. Внедрение в производство лункообразователя: Отчет о НИР (заключит.) [Текст] / ПетрГУ; рук. А.В. Родионов. - №ГР 02.2.006 04941 от 08.06.2006. - Петрозаводск, 2006. - 33 с.

8. Родионов, А.В. Моделирование балочного элемента лесопосадочной машины как упругой механической системы с распределенной массой при соударениях [Текст] / А.В. Родионов, М.И. Раковская, Г.Н. Колесников // Вестник Поморского университета. - 2006. - №4. - С. 148-155.

9. Родионов, А.В. Применение методов математического моделирования в задачах совершенствования технологических процессов на предприятиях лесопромышленного комплекса [Текст] / А.В. Родионов, Г.Н. Колесников, В.В. Поляков и др.; ПетрГУ. - Петрозаводск, 2007. - 161 с. - Деп. в ВИНИТИ 19.02.2007, №147-В2007.

10. Раковская, М.И. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №6860. Моделирование балочного элемента лесохозяйственной машины при поперечном ударе как упругой механической системы с распределенной массой [Текст] / М.И. Раковская, А.В. Родионов, Г.Н. Колесников; заявитель и правообладатель ПетрГУ. - №50200601619; заявл. 07.09.2006; опубл. 11.09.2006.

11. Родионов, А.В. Оценка нагруженности рычага динамического лункообразователя при посадке леса [Текст] / А.В. Родионов, А.М. Цыпук; Петрозав. гос. ун-т. - Петрозаводск, 2008. - 31 с. - Деп. в ВИНИТИ 14.07.2008, №610-В2008.

12. Фесик, С.П. Справочник по сопротивлению материалов [Текст] / С.П. Фесик. - 2-е изд., перераб. и доп. - Киев: Будівельник, 1982. - 280 с.

13. Казак, С.А. Курсовое проектирование грузоподъемных машин: Учеб. пособие для студентов машиностр. спец. вузов [Текст] / С.А. Казак, В.Е. Дугье, Е.С. Кузнецов и др.; под ред. С.А. Казака. - М.: Высшая школа, 1989. - 313 с.

Размещено на Allbest.ru