A crane-manipulator transfer position impact on a chassis loadings of a base vehicle

Full Text

Введение Универсальные грузовые автомобили часто оснащают краном-манипулятором для самозагрузки [1]. Это позволяет существенно повысить функциональность грузового автомобиля и повысить его потребительские качества [2-4]. Установка кранов-манипуляторов осуществляется их производителями или специализированными организациями, а не производителями грузовых автомобилей [3]. Таким образом, параметры базового шасси входят в число исходных данных для проектирования крана-манипулятора или разработки проекта по его установке [3, 5]. С другой стороны, низкая квалификация сотрудников небольшой организации в ряде случаев не позволяет создать надежную конструкцию, отвечающую всем требованиям качества и безопасности. Типичной ошибкой является неправильная установка тяжелого Г-образного крана-манипулятора большой грузоподъемности на серийный грузовой автомобиль. Цель исследования Целью работы является исследование влияния транспортной конфигурации крана-манипулятора на нагруженность подвески базового шасси. Материалы, методы исследования и обсуждение результатов Конструкция крана-манипулятора предполагает, что в транспортном положении стрела крана-манипулятора должна быть ориентирована вперед по направлению движения автомобиля. Это создает большой дополнительный грузовой момент, который приводит к повышению нагрузки на передний мост и, соответственно, снижению нагрузки на задний мост (рис. 1). Если подвеска автомобиля не рассчитана на такие нагрузки, то подвеска переднего моста может полностью выбрать свой ход, что приведет к ее быстрому отказу [6]. Рис. 1. Неправильная транспортная конфигурация крана-манипулятора: 1 - исходный грузовой автомобиль; 2 - грузовой автомобиль с краном-манипулятором В этом случае более предпочтительно транспортное положение, когда стрела крана-манипулятора ориентирована назад. Однако это приводит к ограничению максимальной высоты перевозимого в кузове груза [3, 5]. Таким образом, задача разработки научно обоснованных расчетных методик и расчетных программ для ЭВМ, позволяющих конструктору при проектировании оперативно выбрать правильную транспортную конфигурацию крана-манипулятора с учетом веса и объема транспортируемого груза, является актуальной. Построение математической модели динамики крана-манипулятора в транспортном положении при движении базового шасси Рассмотрим расчетную схему динамики исследуемой конструкции (рис. 2). При построении математической модели сделаны следующие допущения: · при движении стрела крана-манипулятора ориентирована строго вдоль продольной оси грузового автомобиля, а масса системы симметрично распределена относительно этой оси, поэтому можно использовать плоскую расчетную схему; · так как передвижение рассматриваемых мобильных транспортно-технологических машин в транспортном режиме осуществляется по подготовленным дорогам, чаще всего, по асфальтобетонным, то опорное основание можно считать недеформируемым, имеющим микронеровность [3, 7]. Статический грузовой момент, действующий на шасси со стороны крана-манипулятора, определяется следующим образом: , где g - ускорение свободного падения; z - координата вдоль продольной оси стрелы крана-манипулятора; L - длина стрелы в транспортном положении; m(z) - функция распределения массы стрелы по ее длине; mz0 - масса поворотной колонны, базовой конструкции, гидронасоса, лебедки (т.е. масса крана-манипулятора без элементов горизонтальной части стрелы и крюковой подвески). Рис. 2. Расчетная схема исследуемой машины, оборудованной краном-манипулятором Статические значения деформаций передней и задней подвески базового шасси при воздействии статического грузового момента Mк определяется следующим образом: · расчетный случай 1: при положении стрелы как показано на рис. 1: ; ; (1) · расчетный случай 2: при стреле, развернутой назад (на 180о): ; , (2) где mк - паспортная масса крана-манипулятора; m0 - масса базового шасси; с1 - жесткость передней подвески; с2, с3 - жесткость элементов задней подвески; l1 - расстояние от центра тяжести базового шасси до первой оси; l2 - расстояние от центра тяжести базового шасси до заднего двухосного моста. Статическое значение угла перекоса базового шасси при воздействии статического грузового момента Mк определяется следующим образом: . (3) Анализ выражений (1) - (3) показывает, что в первом случае моментом Mк более нагружена передняя подвеска, а во втором - задняя подвеска, которая предназначена для восприятия основных усилий, вызванных перевозимым грузом. Однако это не означает, что транспортное положение крана-манипулятора, соответствующее первому случаю однозначно оказывает отрицательное влияние на нагруженность подвески базового шасси. Для этого необходимо исследовать динамические нагрузки в исследуемой системе с использованием следующих уравнений движения: (4) где , - масса и момент инерции подрессоренной части базового шасси; - приведенная масса неподрессоренной части переднего шасси; - приведенная масса неподрессоренной части заднего шасси; - приведенная к точке повеса груза масса крана-манипулятора; , , , , - обобщенные координаты системы; - расстояние от центра тяжести базового шасси до точки установки крана-манипулятора; , , - действующие в системе динамические усилия: в передней подвеске, в задней подвеске, в кране-манипуляторе соответственно. Усилия в элементах исследуемой системы определяются следующим образом: где , - коэффициенты жесткости передней и задней подвесок; , - коэффициенты диссипации передней и задней подвесок; , - коэффициенты жесткости и диссипации металлоконструкции крана-манипулятора; - координаты микронеровности опорной поверхности ( = 1, 2, 3). Начальные условия в момент модельного времени t = 0 с для интегрирования системы уравнений (4) - нулевые, кроме следующих: ; ; . Микронеровность опорной поверхности моделируются с применением известного алгоритма [5]. При моделировании используется одна реализация микронеровности для всех осей базового шасси. Для определения нужных точек реализации в произвольный момент времени используются следующие выражения: ; , где и - параметры, обозначающие время, за которое вторая и третья оси (соответственно) достигнут одной и той же точки реализации микронеровности, которую ранее прошла первая ось базового шасси. Параметры микронеровности вычисляются следующим образом: ; , где - база заднего двухосного моста базового шасси; - скорость движения базового шасси (при моделировании принимается постоянной). Результаты компьютерного моделирования динамики крана-манипулятора в транспортном положении при движении базового шасси и их анализ. С использованием предложенной математической модели был выполнен анализ нагруженности подвески порожнего грузового автомобиля КамАЗ 53215 с тяжелым краном-манипулятором типа Kanglim KS3105. Для данной конструкции приняты расчетные параметры модели, указанные в табл. 1. Таблица 1 Расчетные параметры подвески порожнего автомобиля На рис. 3 приведены результаты расчета усилий в передней и задней подвеске исследуемого грузового автомобиля. Аналогичным образом выполнен анализ нагруженности подвески грузового автомобиля в загруженном состоянии. Для этого случая были приняты иные параметры модели, приведенные в табл. 2 (неуказанные параметры соответствуют данным табл. 1). Рис. 3. Суммарные усилия в подвеске порожнего базового автомобиля: а - в передней подвеске; б - в задней подвеске; 1 - расчетный случай 1; 2 - расчетный случай 2 Таблица 2 Расчетные параметры подвески загруженного автомобиля На рис. 4 приведены результаты расчета усилий в передней и задней подвеске исследуемого грузового автомобиля. Рис. 4. Суммарные усилия в подвеске базового автомобиля в загруженном состоянии, Н: а - в передней подвеске; б - в задней подвеске; 1 - расчетный случай 1; 2 -расчетный случай 2 Выводы Анализ приведенных результатов позволяет сделать следующие выводы, приведенные ниже. 1. При передвижении базового грузового автомобиля после разворота крана-манипу-лятора стрелой вперед (расчетный случай 1) динамическая составляющая нагрузки на переднюю подвеску выше на 10…15%, чем при развороте крана-манипулятора стрелой назад (расчетный случай 2), в свою очередь нагрузка на заднюю подвеску ниже на 8…9%. 2. После окончания переходного процесса в начале движения автомобиля динамический процесс изменения усилий в подвеске базового грузового автомобиля определяется колебаниями крана-манипулятора (амплитуда изменения усилия в передней подвеске составляет 14 кН, в задней - 35 кН) и воздействием микронеровности опорной поверхности (амплитуда изменения усилия в передней подвеске составляет 6 кН, в задней - 13 кН). 3. Для грузового автомобиля без крана-манипулятора статическая составляющая нагрузки на переднюю подвеску составляет 71 кН, на заднюю - 75 кН. При ориентации крана-манипулятора стрелой вперед (расчетный случай 1) эти нагрузки равны 77 и 69 кН соответственно. При ориентации крана-манипулятора стрелой назад (расчетный случай 2) - 65 и 81 кН. Таким образом, расположение крана манипулятора стрелой вперед приводит к значительной перегрузке передней подвески. Расположение крана-манипулятора стрелой назад приводит к разгрузке передней подвески. В то же время перегрузка задней подвески оказывается значительно ниже, так как она в большей степени рассчитана на восприятие веса полезного груза. 4. Высокая инерционность основного груза в полностью загруженном автомобиле меняет характер динамического процесса: колебания крана-манипулятора уже не оказывают существенного влияния на величины действующих в подвеске усилий. Однако установленные выше общие закономерности влияния различных транспортных положений крана-манипулятора на нагруженность подвески остаются в силе. Заключение Разработанная математическая модель и расчетная методика должны применяться для рационального выбора транспортной конфигурации крана-манипулятора при заданных в каждом конкретном случае характеристиках базового грузового автомобиля и различных значениях загрузки транспортируемым грузом.

About the authors

A. V Lagerev

Academician I. G. Petrovskii Bryansk State University

Email: avl-bstu@yandex.ru
Dr. Eng.

I. A Lagerev

Academician I. G. Petrovskii Bryansk State University

Email: avl-bstu@yandex.ru
Dr. Eng.

References

Supplementary files