Development of a dynamic model of a front loader for the analysis of operational properties and determination of loads acting on its elements

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Погрузка и выгрузка сыпучих грузов и полезных ископаемых в открытых карьерах, на производственных и строительных площадках производится с использованием фронтальных погрузчиков (ФП) [1−8]. Кроме того, ФП применяются при уборке улиц от снега в зимний период, для работы на лесозаговке и т. п. Повышения эффективности использования ФП можно добиться за счет выбора рациональных параметров силовой установки, механизма изменения положения ковша, параметров рулевого управления и т. п.

Для фронтальных погрузчиков важно минимизировать энергозатраты на складывание звеньев, подъеме и опрокидывании ковша с грузом при заданных временных ограничениях, для обеспечения конкурентных преимуществ. Сокращение энергозатрат влияет на автономность, универсальность, время простоя техники и прибыль. Кроме того, важно обеспечить долговечность деталей и узлов, а также выбрать рациональные размеры, обеспечивающие работоспособность деталей под действием максимально возможных усилий, возникающих в процессе эксплуатации ФП. Готовых методов расчета, учитывающих все многообразие нагрузочных режимов, в которых эксплуатируются фронтальные погрузчики, в настоящее время не существует.

Решить эти задачи можно с использованием компьютерного моделирования. В настоящее время для проектирования несущих систем, элементов ходовой части, рулевого управления и т. п., получения нагрузок в шарнирах и силовых связях, соединяющих раму с другими элементами, на ранней стадии проектирования используют имитационные модели динамики транспортных средств, разработанные в приложениях расчета динамики твердых тел [9, 10]. Используемый подход позволяет автоматизировано получить нагрузки на все элементы транспортного средства в любой момент моделирования. Полученные нагрузки могут быль легко импортированы в приложения по проведению прочностных расчетов методом конечных элементов. Также во время моделирования можно оценить энергозатраты в заданном нагрузочном режиме.

Цель работы – разработка динамической модели фронтального погрузчика для определения различных эксплуатационных свойств и нагрузок в шарнирах при работе в заданных нагрузочных режимах.

Для достижения цели в данном исследовании разработана и представлена имитационная модель динамики фронтального погрузчика, а также выбраны типовые нагрузочные режимы движения. Проведены расчеты в среде моделирования динамики твердых тел в выбранных нагрузочных режимах. Представлены примеры результатов расчета некоторых нагрузочных режимов.

ОПИСАНИЕ ДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ФРОНТАЛЬНОГО ПОГРУЗЧИКА

Общий вид динамической модели фронтального погрузчика с массой груза в ковше равной 3500 кг, разработанной в системе расчета динамики тел, представлен на рис. 1. Синими стрелками на изображениях показаны усилия в шарнирах или силовых связях, красными – моменты. Численные значения показывают величину силы в Н и момента в Н·м. На рис. 1 для примера показаны магнитуды реакций в пятне контакта колес с опорной поверхностью и вес груза в ковше.

 

Рис. 1. Общий вид модели фронтального погрузчика в статическом положении при полной массе на горизонтальной ОП.

Fig. 1. General view of the front loader model in a static position with full weight on a horizontal support surface.

 

Математическая модель погрузчика (рис. 2) включает в себя баки, ведущие мосты, ДВС, генератор, гидроцилиндры рулевого управления, груз, ковш, задний мост, кабину, колеса, механизм подъема и опрокидывания ковша, несущую систему (две полурамы), опорную поверхность (дорогу), ТЭД привода ведущих колес.

 

Рис. 2. Компоненты математической модели фронтального погрузчика.

Fig. 2. Components of the mathematical model of the front loader.

 

Допущения, использованные при построении модели:

• все звенья динамической системы абсолютно жесткие;
• трение в шарнирах отсутствует;
• груз смоделирован абсолютно жестким единым телом, жестко связанным с ковшом. Для удобства моделирования различных нагрузочных режимов, вес груза, а также горизонтальная составляющая силы сопротивления движению моделируются как внешняя сила из стандартной библиотеки приложения по расчету динамики связанных тел;
• деформация колес учтена в модели взаимодействия колеса с опорной поверхностью, реакции на колесо от опорной поверхности приложены в центре колеса.

Имитационные модели, созданные в приложениях по расчету динамики твердых тел, позволяют определять нагрузки в шарнирах для последующих прочностных расчетов [11], определять нагрузки для расчета долговечности деталей [12], подбирать компоненты колесной машины. Также разработанная математическая модель позволяет определить тягово-динамические свойства машины, топливную экономичность, оценить работу рулевого управления.

Общий вид модели ведущего моста со схемой размещения шарниров и силовых связей в модели фронтального погрузчика показан на рис. 3. Модели переднего и заднего мостов одинаковые. Задний мост повернут вокруг вертикальной оси ФП на 180 градусов. Звенья ведущего моста связаны между собой (рис. 3): шарнирами, ограничивающими все степени свободы (Fixed); пружинами кручения (Rotational Spring), имитирующими шлицы и блокировку дифференциала; цилиндрическими шарнирами, моделирующими подшипники (Revolute); шарнирами, моделирующими зубчатое зацепление ГП, дифференциала и колесного редуктора (Gear).

 

Рис. 3. Общий вид модели переднего моста со схемой размещения шарниров и силовых связей в модели фронтального погрузчика.

Fig. 3. General view of the front axle model with the layout of hinges and force connections in the front loader model.

 

Как правило, в реальных конструкциях ФП передний мост жестко крепится к несущей системе, а задний мост может поворачиваться на ±15° относительно продольной оси ФП. В разработанной модели передний мост жестко соединяется с рамой шарниром Fixed, задний мост соединяется с рамой шарниром Revolute (рис. 4). Передаточные числа компонентов моста для всех нагрузочных режимов оставались одинаковыми.

 

Рис. 4. Схема размещения шарниров, связывающих ведущие мосты с несущей системой.

Fig. 4. Scheme of placement of hinges connecting drive axles with a carrier system.

 

Опорная поверхность (ОП) задана поверхностью, параметры которой считываются из внешнего файла. При моделировании используется стандартная модель взаимодействия шины с опорной поверхностью из библиотеки приложения по расчету динамики твердых тел [13, 14, 15].

Общий вид модели колесного движителя представлен на рис. 5. Принята следующая нумерация звеньев, шарниров и силовых соединений: элементы, относящиеся к левому переднему движителю, имеют индекс 11; элементы, относящиеся к правому переднему движителю, – индекс 12; элементы, относящиеся к левому заднему движителю,– индекс 21; элементы, относящиеся к правому заднему движителю, – индекс 22. Шины размерностью 17.5–25, номинальной грузоподъемностью 50 000 Н. Масса одного колеса в сборе составляет 200 кг.

 

Рис. 5. Модели колесного движителя.

Fig. 5. Wheel mover models.

 

Моделирование нагрузочных режимов фронтального погрузчика производилось на различных ОП. Общий вид основных моделей ОП, использованных при моделировании, представлен на рис. 6. Коэффициент сцепления колес с ОП задавался равным 0.6, коэффициент сопротивления движению равен 0.02.

 

Рис. 6. Общий вид моделей ОП: a – испытательная площадка для моделирования длинного цикла; b – испытательная площадка для моделирования короткого цикла; c – прямая плоская трасса; d – трасса для прохождения коридора.

Fig. 6. General view of the support surface models: a – a test site for simulating a long cycle; b – test site for simulation of a short cycle; c – straight flat track; d – route for passing the corridor.

 

Модель электродвигателя задана в отдельном подключаемом dll файле. В качестве исходных данных в модели двигателя используются скоростные, силовые (мощностные) параметры, а также поле КПД (рис. 7).

 

Рис. 7. Характеристики электродвигателя: динамическая характеристика и КПД электродвигателя.

Fig. 7. Motor characteristics: dynamic behavior and efficiency of the electric motor.

 

ОПИСАНИЕ РАСЧЕТНЫХ СЛУЧАЕВ

В работе проведен анализ условий эксплуатации фронтальных погрузчиков [6, 7, 8]. По результатам анализа составлен список расчетных случаев, приведенный в табл. 1.

 

Таблица 1. Список расчетных режимов для определения эксплуатационных свойств и нагрузок в шарнирах несущей системы фронтального погрузчика

Table 1. List of design modes for determining the operational properties and loads in the hinges of the front loader carrier system

№	Название
1.	Расчет нормальных реакций на горизонтальной опорной поверхности с номинальной массой груза в ковше
2.	Расчет нормальных реакций на горизонтальной опорной поверхности при снаряженной массе
3.	Расчет нормальных реакций на спуске и подъеме с номинальной массой груза в ковше
4.	Расчет нормальных реакций на спуске и подъеме при снаряженной массе
5.	Расчет нормальных реакций на косогоре с номинальной массой груза в ковше
6.	Расчет нормальных реакций на косогоре при снаряженной массе
7.	Расчет максимально возможного угла преодолеваемого подъема при заданном коэффициенте сцепления колес с ОП
8.	Движение по «короткому циклу» и определение энергозатрат
9.	Движение по «длинному циклу» и определение энергозатрат
10.	Движение ФП в бульдозерном режиме
11.	Движение ФП в транспортном режиме
12.	Расчет потребной мощности на складывание звеньев на месте
13.	Расчет потребной мощности на подъем ковша
14.	Расчет минимального радиуса поворота
15.	Расчет опрокидывающей нагрузки в прямом положении рамы
16.	Расчет опрокидывающей нагрузки при полностью сложенных полурамах
17.	Проезд коридора

 

ОПИСАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ

В результате проведенных расчетов во всех нагрузочных режимах получены усилия в шарнирах и силовых связях фронтального погрузчика.

Примеры результатов по некоторым нагрузочным режимам приведены на рис. 8 (a – движение ФП в бульдозерном режиме; b – общий вид модели ФП при максимально сложенных рамах; c – определение опрокидывающего усилия; d – движение по кругу с минимальным радиусом поворота; e – движение на подъеме; f – расчет нормальных реакций на косогоре).

 

Рис. 8. Примеры моделирования нагрузочных режимов.

Fig. 8. Examples of simulation of load modes.

 

По показаниям на рис. 8 в направлениях и цифровых значениях магнитуд реакций в пятне контакта можно определить режим качения колес, значение реакций и т. п. Например, на рис. 8, a показан скриншот с состоянием модели при преодолении заданного бульдозерного сопротивления равного 49 658.58 Н. Также с помощью модели можно определить вес груза в ковше, вызывающего опрокидывание модели относительно передней оси – опрокидывающая нагрузка (рис. 8, b). Для описанной модели ФР эта нагрузка составила 89 500 Н. Кроме того, модель позволяет оценить траектории движения любых звеньев. Так на рис. 8, d линиями показаны траектории движения колес передней оси, по которым можно определить, например, минимальные радиусы поворота ФП. В результате моделирования получены реакции в пятне контакта в любой момент времени для каждого нагрузочного режима. Например, для нагрузочного режима «расчет момента и мощности привода складывания звеньев» (рис. 8, c).

На рис. 9 представлен пример изменения реакций в пятне контакта фронтального погрузчика при моделировании движения по неровной ОП для всех колес.

 

Рис. 9. Изменение реакций в пятне контакта фронтального погрузчика при движении по неровной ОП: a – продольные реакции; b – поперечные реакции; c – вертикальные реакции.

Fig. 9. Change in reactions in the contact patch of a front-end loader when driving on an uneven support surface: a – longitudinal reactions; b – transverse reactions; c – vertical reactions.

 

Также с помощью разработанной динамической модели производилась оценка работоспособности рулевого управления. Для этого был задан коридор [16], в котором должен был двигаться исследуемый ФП. В результате моделирования получена визуальная информация, о том, что ФП не вышел за границы заданного коридора (рис. 10), а также получены усилия в гидроцилиндрах рулевого управления, необходимые для поворота ФП. По этим усилиям подбираются гидроцилиндры рулевого управления.

 

Рис. 10. Общий вид модели коридора.

Fig. 10. General view of the corridor model.

 

ВЫВОДЫ

В работе создана имитационная модель динамики фронтального погрузчика для получения нагрузок, действующих на несущую систему, элементы подвески и другие элементы колесной машины.

Произведенный анализ условий эксплуатации погрузчиков позволил сформировать список нагрузочных режимов, представленный в работе. В рассмотренных нагрузочных режимах определяются не только максимальные нагрузки, но и анализируются эксплуатационные свойства, производится анализ работы систем управления стрелой и ковшом, а также рассматриваются системы рулевого управления.

Разработанная модель динамики погрузчика универсальная. Она позволяет не только определять нагрузки в шарнирах и силовых связях, но и анализировать кинематику механизма подъема и опрокидывания ковша, кинематику механизма поворота, проводить анализ эксплуатационных свойств.

Задавая исходные данные, соответствующие различным моделям тяговых электродвигателей с помощью разработанной модели провести анализ энергоэффективности работы ФП в заданных нагрузочных режимах.

Исследования выполнены ФГБОУ ВО «ЧГУ им. И.Н. Ульянова» по договору № 517-21 от 22 апреля 2021 г. при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках реализации комплексного проекта по теме «Создание высокотехнологичного импортозамещающего производства семейства фронтальных погрузчиков с гибридным электроприводом» Соглашения № 075-11-2021-051 от 24 июня 2021 г.

ДОПОЛНИТЕЛЬНО

Вклад авторов. И.В. Чичекин – разработка динамической модели, написание текста рукописи; Ф.А. Нырков – проведение расчетов, оформление иллюстраций; В.С. Григорьев – редактирование текста рукописи, экспертная оценка, утверждение финальной версии. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Исследования выполнены ФГБОУ ВО «ЧГУ им. И.Н. Ульянова» по договору № 517-21 от 22 апреля 2021 г. при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках реализации комплексного проекта по теме «Создание высокотехнологичного импортозамещающего производства семейства фронтальных погрузчиков с гибридным электроприводом» Соглашения № 075-11-2021-051 от 24 июня 2021 г.

ADDITIONAL INFORMATION

Authors’ contribution. I.V. Chichekin – development of a dynamic model, writing the text of the manuscript; F.A. Nyrkov – carrying out calculations, creating images; V.S. Grigoriev – editing the text of the manuscript, expert review, approval of the final version. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work (according to international ICMJE criteria).

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Funding source. The research was carried out by Chuvash State University under contract No. 517-21 dated April 22, 2021 with the financial support of the Russian Ministry of Education and Science as part of the implementation of a comprehensive project on the topic "Creation of a high-tech import-substituting production of a family of wheel loaders with a hybrid electric drive” of Agreement No. 075-11-2021-051 dated June 24 2021.

About the authors

Ilya V. Chichekin

Bauman Moscow State Technical University

Email: hiv2@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7632-7657
SPIN-code: 4060-0720

Cand. Sci. (Engin.), Associate Professor of the Department of Wheeled Vehicles

Russian Federation, 5, 2-ya Baumanskaya av., Moscow, 105005

Filipp A. Nyrkov

Bauman Moscow State Technical University

Email: nfa18m127@student.bmstu.ru
ORCID iD: 0000-0003-3431-8116
SPIN-code: 8208-7643

student of the Department of Wheeled Vehicles

Russian Federation, 5, 2-ya Baumanskaya av., Moscow, 105005

Vladimir S. Grigoruev

Chuvash State University

Author for correspondence.
Email: wsgrig@chuvsu.ru
ORCID iD: 0000-0003-3437-9541
SPIN-code: 4989-7923

Senior Lecturer of the Department of Mechanical Engineering Technology

Russian Federation, Cheboksary

References

Supplementary files