Файл: Малиновский, Е. Ю. Динамика самоходных машин с шарнирной рамой (колебания и устойчивость движения).pdf

Е. Ю. МАЛИНОВСКИЙ, М. М. ГАЙЦГОРИ

ДИНАМИКА

САМОХОДНЫХ

МАШИН С ШАРНИРНОЙ

РАМОЙ

(колебания и устойчивость движения)

Москва

«МАШИНОСТРОЕНИЕ»

1974

Малиновский Е. Ю., Гайцгори М.

моходных машин с шарнирной рамой. А\., «Машино^

строение», 1974, 176 с.

В книге рассматриваются задачи расчета динамики колесных машин с шарнирной рамой. Анализируются преимущества и недостатки этих машин. Приводятся расчетные схемы и уравнения движения машин различ­ ного типа с шарнирной рамой. На основе анализа об­ щей системы уравнений исследуются частные расчетные случаи, связанные с колебаниями и устойчивостью дви­ жения машины. Задачи расчета колебаний решаются с использованием методов статистической динамики. При этом совместно рассматривается комплекс человек — машина— дорога. Результаты исследований сопостав­ ляются с известными зависимостями из теории автомо­ биля.

Книга предназначена для инженерно-технических ра­ ботников машиностроительных предприятий и научноисследовательских учреждений, связанных с разработ­ кой землеройно-транспортных и строительно-дорожных машин. Она может представлять интерес для специали­ стов, занимающихся проектированием автомобилей и других транспортных средств. Табл. 8, ил. 64, список лиг. 38 назв.

Рецензент канд. техн. наук Л. Г. БАРХУДАРОВ.

(^) Издательство «Машиностроение», 1974 г.

I

ВВЕДЕНИЕ

В последние десятилетия увеличился выпуск мощных колес­ ных самоходных машин. Колесные машины широко применяют­ ся в дорожном и мелиоративном строительстве, при добыче строительных материалов, на открытых разработках в горно­ рудной промышленности. Пневматические шины, применяемые в качестве движителя, позволяют удачно сочетать качества авто­ номного быстроходного транспортного устройства и высокие тяго­ во-динамические возможности, необходимые для выполнения технологических операций. За последние 20 лет получили ши­ рокое распространение новые типы машин, качества которых во многом определяются этими положительными особенностями. К таким машинам следует отнести самоходные колесные земле­ ройно-транспортные машины, представляющие широкий класс устройств, включающих скреперы, погрузчики, катки и другие орудия различного технологического назначения, использующие самоходное колесное шасси на пневматических шинах в каче­ стве базовой машины. Возможность получения высокой транс­ портной скорости и маневренности и, как следствие, высокой производительности, делает такие машины предпочтительными для применения на строительных объектах большой протяжен­ ности (дороги, каналы, ирригационные сооружения).

Применение пневматической шины в качестве движителя за­ ставило разработчиков землеройно-транспортных машин решать комплекс проблем, связанный с колебаниями и устойчивостью движения машин на транспортных режимах. Особенно сложно оказалось защитить машину от колебаний. В силу конструктив­ ных особенностей землеройных машин, связанных с их большой массой и технологией рабочих режимов, не всегда возможно ис­ пользовать подвески автомобильного типа. В то же время ма­ шины, предназначенные для строительства, должны работать в условиях бездорожья. Таким образом, желая получить высо­ кие транспортные скорости, строители столкнулись с необходи­ мостью «строить дороги для строительных машин», и конструк­ торы вынуждены были искать новые схемы и конструкции ма­ шин. Несмотря на то, что скреперы, землевозы, погрузчики пред­ назначены для работы во внедорожных условиях, напряжен­ ность движения в условиях строительства, повышенные скоро­ сти, необходимость быстрой переброски с одного объекта на дру­ гой требуют от этих машин обеспечения свободного передвиже­ ния на дорогах. При условии непрерывного повышения транс­ портных скоростей это требование выдвигает перед конструкто-

3

рами широкий круг задач, связанных с обеспечением удовлетво­ рительной управляемости и устойчивости движения машин.

Пытаясь решать задачи «транспортного характера», конст­ рукторы вынуждены были обратиться к опыту автомобилестрои­ телей. Однако особенности принципиальной расчетной схемы машин не всегда позволяли использовать известные «автомо­ бильные» приемы.

Новые машины отличаются от автомобилей так называемой шарнирно-сочлененной схемой. Машины такого типа стали на­ зывать машинами с шарнирной рамой, или шарнирными маши­ нами.

Колесная шарнирная машина, как правило, двухосная и со­ стоит из двух или более секций, соединенных в плане вертикаль­ ными шарнирами, оборудованными специальными механизмами. Эти механизмы обеспечивают относительный поворот секций в плане или «складывание» рамы машины. Изменение угла скла­ дывания определяет необходимую управляемость. Одновремен­ но с вертикальными шарнирами секции сочленены горизонталь­ ным шарниро!м, что дает возможность независимо перемещаться секциям машины относительно продольной оси. Таким образом, по сравнению с автомобильной схемой число независимых коор­ динат, описывающих состояние системы, увеличивается.

До недавнего времени особенности шарнирных машин оста­ вались не изученными, и в большинстве случаев конструкторы опирались только на опыт автомобилестроителей. Однако по ме­ ре накопления опыта становилось ясным, что шарнирно-сочле­ ненная машина представляет собой новый тип колесного эки­ пажа, для которого многие известные автомобилестроителям за­ дачи должны решаться заново. Предстояло исследовать в пер­ вую очередь процессы, в которых более всего отражались отли­ чия, вносимые дополнительными степенями свободы системы; маневренность и управляемость; устойчивость от опрокидыва­ ния; колебания и плавность хода на транспортных режимах при движении по дорогам реального микропрофиля; устойчи­ вость движения при повышенных скоростях.

Достаточно сложные вопросы динамики трансмиссии и при­ вода являются традиционными для самоходных машин и не свя­ заны непосредственно с особенностями шарнирной схемы. То. же самое можно сказать о динамике рабочего оборудования.

В предлагаемой работе подробно рассматриваются вопросы колебаний и устойчивости движения. Все уравнения движения выводятся из общей системы, описывающей движение шарнирносочлененной колесной машины. Полученные результаты сравни­ ваются с аналогичными известными из теории автомобиля. Вме­ сте с тем особенности динамики шарнирно-сочлененной колесной схемы в некоторых случаях позволяют по-новому взглянуть на> известные задачи теории автомобиля и расширить представле­ ния о механизме движения колесных транспортных устройств..

4

1.ОСОБЕННОСТИ ШАРНИРНЫХ МАШИН

1.РАСЧЕТНЫЕ СХЕМЫ

Взависимости от числа вертикальных шарниров, в которых может складываться рама машины в плане, различают двух­ секционные машины (схемы которых имеют один вертикальный шарнир) и трехсекционные (схемы имеют два вертикальных шарнира). В соответствии с направлением движения секции машины удобно называть передней, задней и промежуточной (при трехсекционной схеме). Наибольшее распространение полу­ чили двухсекционные машины. Их характерные расчетные схе­ мы изображены на рис. 1, причем оси Z и X неподвижной си­ стемы координат XYZ совмещены с осями горизонтального и вертикального шарниров. Рассмотрим эти схемы.

На рис. 1,а передняя секция машины представляет собой са­

мостоятельный агрегат — одноосный тягач, задняя — полупри­ цеп. Ось вертикального шарнира несколько смещена относи­ тельно оси моста одноосного тягача. Горизонтальный шарнир, выполняющий функцию балансира, располагается достаточно низко. Обе секции машины могут независимо покачиваться от­ носительно оси Z на 15—20°.

При работе поворотного механизма обе секции могут пово­ рачиваться относительно оси X. Разность углов поворота опре­ деляет угол складывания. В машинах, выполненных по такой схеме, угол складывания достигает 90°. Такую схему имеет боль­ шинство самоходных скреперов и землевозов. Эта схема наибо­ лее удобна для машин и оборудования, агрегатируемых с одно­ осным тягачом.

Особенность схемы, показанной на рис. 1,6, в том, что шар­ нирное устройство располагается приблизительно посредине ба­ зы машины и включает в себя горизонтальный и вертикальный шарниры. Максимальный угол качания каждой из секций отно­ сительно оси Z составляет 8—12°, угол складывания 30—35°. Углы качания и складывания определяются условиями устойчи­ вости, так как рассматриваемые машины (например, тракторы К-700, К-702) чаще всего служат базовыми для установки раз­ личного навесного оборудования.

Передняя и задняя секции машины (рис. 1,в) соединены между собой только вертикальным шарниром. Горизонтальный шарнир используется для балансирной установки одного из мо­ стов (переднего или заднего). Максимальные углы качания ба­ лансира и складывания секций такие же, как и в предыдущей схеме. Рассматриваемый тип расчетной схемы применяется для большинства шарнирно-сочлененных погрузчиков.

6

Несмотря на кажущееся различие, расчетные схемы всех трех типов с точки зрения механика движения представляют собой один и тот же механизм, отличающийся только привязкой к си­ стеме координат места расположения шарнира. На рис. 2, а—г показаны общие виды двухсекционных шарнирно-сочлененных машин.

4 W Рис. 1. Схемы двухсекционных машин:

Рассмотрим расчетные схемы трехсекционных (двухшарнир­ ных) машин. Машины с трехсекционной схемой выпускаются в небольшом количестве и чаще всего для экспериментальных це­ лей. Второй шарнир усложняет конструкцию. Поэтому такое усложнение оправдано при ощутимом технологическом преиму­ ществе (например, возможности «бокового хода»), «Боковой ход» обеспечивается одновременным поворотом передней и зад­ ней секций машины в одну сторону, что особенно удобно ис­ пользовать при создании планировочных машин. При работе в режиме «бокового хода» задние колеса могут двигаться по спланированной поверхности вне колеи передних колес.

7

2. ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ МАШИН

Говоря о тех или иных качествах шарнирной машины, будем сравнивать их с аналогичными свойствами машины, выполнен­ ной по традиционной автомобильной схеме.

Удобно разделить преимущества двухсекционных машин на две группы, которые определяются наличием горизонтального и вертикального шарниров.

При любом микропрофиле опорной поверхности нагрузка на каждое колесо машины, сочлененной из двух секций с помощью горизонтального шарнира, может быть определена тремя урав­ нениями статики. Благодаря горизонтальному шарниру схема машины становится статически определимой, и, несмотря на то, что машина имеет четыре точки опоры (колеса), нагрузка в ее элементах (колесах, мостах, раме) определяется только весом машины GM независимо от профиля опорной поверхности. При этом:

существенно или даже полностью разгружается от скручи­ вания (Мкр) рама машины (рис. 5, а), что приводит не только к снижению ее массы, но и к повышению надежности всей кон­ струкции (например, для автомобилей, работающих в условиях бездорожья, элементы рам испытывают значительные нагрузки);

появляется возможность создания работоспособных ма­ шин без использования механизмов подвески мостов. Для тя­ желых внедорожных машин исключение комплекса механизмов подвески (пружин, демпферов, тяг направляющего механизма) упрощает и удешевляет машину;

повышается проходимость и производительность машин при работе в тяжелых дорожных условиях. Статически определимая схема гарантирует полное использование сцепного веса маши­ ны и исключает вывешивание или разгрузку одного из колес.

Использование вертикального шарнира складывания позво­ ляет:

реализовать большие (до 90°) углы складывания сочленен­ ных секций, чего невозможно осуществить при автомобильной схеме установки управляемых колес на поворотных цапфах (рис. 5, б) . Большие углы складывания обеспечивают высокую маневренность машины при работе на транспортных и рабочих режимах;

снизить затраты мощности на передвижение при маневро­ вых операциях (рис. 5, в). Последнее объясняется тем, что при расположении шарнира складывания посредине базы схема обеспечивает передвижение колес обеих осей машины по одной колее (рис. 6) вместо двух (при автомобильной схеме). При ра­ боте на деформируемых грунтах это дает ощутимый выигрыш в мощности;

упростить конструктивно-компоновочную схему поворотного механизма, поскольку не требуется введения поворотной трапе-

19