Voronezh, Voronezh, Russian Federation
Russian Federation
UDK 63 Сельское хозяйство. Лесное хозяйство. Охота. Рыбное хозяйство
An integral part of the drive elements of machines in forestry are devices that ensure their protection against breakdowns during overloads. Safety devices can be installed on various parts of the kinematic chain of the machine drive elements: at the beginning, at the end or in the middle, and can also be built into the working unit (body). It is most advisable to install fuses closer to the end of the drive lines of the kinematic chain of the machine. If torque safety devices are installed at the beginning or in the middle of the drive, they are not in the overload zone (more often, overload occurs next to the working unit or directly on it). Under these conditions, the drive links of the kinematic chain are subject to overloads of various magnitudes. With distance from the place of occurrence of overload, the value of the value of the dynamic moment decreases due to elastic deformations and friction losses in the drive links of the machine. Consequently, there is a breakdown or destruction of parts and components of the drive, and the fuse itself does not work. Thus, in this article, using a calculated mathematical model of the actuation process of safety devices using a computer, calculations were carried out to determine the values of dynamic loads and an assessment was given in the case of installing a fuse at the beginning and at the end of the kinematic chain of the machine drive
safety device, dynamic loads, forestry machine, overload, structure
Введение
Из-за полного отсутствия или несовершенства средств предназначенных для защиты привода и рабочих элементов (органов) машины от перегрузок, они часто или преждевременно подвержены выходу из строя [1].
Большое количество машин используемых в лесном хозяйстве, имеют в своей конструкции предохранительные устройства позволяющие предохранить их от перегрузок, которые, как правило, подлежат установке в начале привода машины [2, 3]. В конструктивном исполнении такое расположение предохранителей в процессе их работы (срабатывании) приводит к возрастанию значений пиковых (максимальных) динамических нагрузок [4, 5].
В плане уменьшения значений величин кратковременных динамических нагрузок проявляющихся в момент возникновения перегрузки, необходимо стремиться к тому, чтобы возникающая перегрузка на исполнительных (рабочих) органах соответствовала моменту срабатывания, на который настроен предохранитель, т.е. он должен быть расположен по возможности ближе к объекту подверженному защите, а в лучшем случае встроен в него [4, 6,].
В настоящее время существует достаточное количество исследований посвященных изучению динамической нагруженности как лесохозяйственных так и других машин в целом [6, 7, 8, 9, 10, 14, 15]. Однако, теоретических исследований посвященных влиянию места установки предохранителя на величину кратковременных динамических нагрузок в момент его срабатывания недостаточно. Поэтому реализованные в настоящей статье теоретические исследования являются актуальными и будут полезны при осуществлении дальнейших исследований в области динамической нагруженности лесохозяйственных машин.
Материалы и методы
Параметры динамической нагруженности в упругих звеньях привода большинства машин применяемых в лесном хозяйстве, в зависимости от места постановки предохранителя, можно оценить, воспользовавшись математическими методами приведения применяемых для многомассовых расчетных схем [9].
Лесохозяйственные машины и их приведенные по крутящим колебаниям схемы характеризуются следующими параметрами:
- моментами инерций масс (инерционные свойства);
- жесткостью на кручение (своства упругости);
- крутящим моментом (нагрузочная способность);
- демпфирующим сопротивлением.
На основе общих методов, которыми описываются простые (несложные) модели составим систему дифференциальных уравнений и выполним расчеты для наших исследований. Механизм подлежащий расчету, заменяется на приведенную эквивалентную схему, которая обладает таким же запасом энергии, как и система реальной (действительной) машины.
При исследовании динамических нагрузок при перегрузке машин используемых в лесном хозяйстве звеном приведения будем использовать вал, на котором установлено предохранительное устройство.
Важным условием при определении и составлении расчетных схем является правильность выбора количества степеней свободы. При увеличении их количества решение становится сложным, а при уменьшении снижается точность решения. Это зависит от конструктивных решений лесохозяйственной машины и предохранительного устройства, установленного для защиты машины от перегрузки. Известно, что при расчете динамической нагруженности простых систем и последующем переходе к расчету более сложных систем, погрешность составляет не более 5% [1,11]. Таким образом, простыми системами приведения можно пользоваться для нахождения величин максимальных и минимальных динамических моментов, которые будут возникать в лесохозяйственных машинах в случае их перегрузок (рис.1).
Рисунок 1. Динамическая система с размыкающимся предохранительным устройством
Figure 1. Dynamic system with opening safety device
Источник: Собственные расчетные схемы авторов
Source: Own calculation schemes of the authors
Процесс срабатывания размыкающихся предохранительных устройств характеризуется следующими периодами работы.
Первый период (рис.2а) – динамическая нагрузка возрастает при возникновении перегрузки на рабочем органе машины, до регулировочного момента на который отрегулирован предохранитель.
Второй период (рис.2б) – срабатывание предохранительного устройства. Значение крутящего момента может возрастать до максимума. Её величина зависит от динамических параметров и характеристики машины.
Третий период (рис.2Ва) – привод системы ведущих валов вращается без нагрузки, а ведомая (рис.2Вб) находится в состоянии покоя (не совершает возвратно-поступательного движения) вследствие полного отключения предохранительного устройства.
Рисунок 2. Схемы для расчета динамических систем с размыкающимися предохранительными устройствами
Figure 2. Schemes for calculating dynamic systems with tripping safety devices
Источник: Собственные расчетные схемы авторов
Source: Own calculation schemes of the authors
Результаты и обсуждение
Оценка динамической нагруженности в конструктивных элементах лесных машин, которые защищены от возникающих перегрузок предохранителями размыкающегося типа необходимо выбирать такие периоды, в которых будут проявляться максимальные (пиковые) динамические нагрузки. В нашем случае эти значения проявляются во втором периоде [2].
При срабатывании предохранителя расположенного ближе к движителю (в начале кинематической цепи) рассчитываемая схема будет представлять собой четырех массовую динамическую систему с жесткой заделкой, рисунок 3а. В случае если предохранитель будет расположен ближе к объекту подлежащему защите, рассчитываемая схема будет представлена трехмассовой динамической системой, так же с жесткой заделкой [2, 4, 11].
Когда предохранительное защитное устройство расположено ближе к движителю, движение системы подлежащей расчету, в общем случае будет представлено четырьмя линейными дифференциальными уравнениями второго порядка (формула 1).
Рисунок 3. Расчетные динамические схемы срабатывания средств защиты расположенных у движителя – а и приближенного к объекту защиты - б
Figure 3. Calculated dynamic schemes of triggering protective equipment located near the engine - a and close to the object of protection – b
Источник: Собственные расчетные схемы авторов
Source: Own calculation schemes of the authors
(1)
В системе (1) I1; I2; I3; I4 это моменты инерции первой, второй, третьей и четвертой массы системы, φ1; φ2; φ3; φ4; углы закручивания первого, второго, третьего и четвертого упругого звена системы. Параметры жесткости упругих звеньев и их коэффициенты демпфирования обозначаются как С12; С23;С34; С40 и β12; β23; β34; β40 соответственно. Рабочий передаваемый крутящий момент, на который настроено предохранительное защитное устройство обозначается как Тр.
Для расчета стандартных моделей дифференциальных уравнений применим метод Рунге-Кутты [12] и произведя некоторые преобразования представим систему (1) в относительных перемещениях:
В полученной системе обозначения ,
,
,
соответствуют приведенным моментам инерции первой, второй, третьей и четвертой массе системы.
Исходя из последующих преобразований система уравнений будет состоять из восьми уравнений первого порядка
В полученной системе ;
.
Вследствие остановки крайней массы, можно составить следующую запись
I5 →∞; φ5 = 0.
Движение системы состоящей из трех масс, рисунок 1б, при расположении предохранителя у защищаемого объекта может быть представлена следующей системой уравнений
Если записать ее в относительных перемещениях она запишется как
Далее после соответствующих преобразований система в относительных перемещениях можно представить в виде шести уравнений первого порядка
После решения уравнений входящих в систему представляющих собой первый порядок при соответствующих начальных условиях:
– система представлена четырехмассовой динамической системой (предохранитель установлен в начале цепи):
при t = 0; Т12 = Т23 = Т34 = Т40 = Тр;
– система представлена трехмассовой динамической системой (предохранитель установлен у защищаемого объекта):
при t = 0; Т23 = Т34 = Т40 = Тр;
Дали нам возможность при помощи ЭВМ используя динамическую систему с известными параметрами, методом подстановки значений [12] найти величину наибольшего значения максимального динамического момента в первом звене в период когда происходит срабатывание предохранителя. Величина регулировочного момента равнялась 85 Нм, шаг интегрирования 0,00001.
Заключение
Проведенные исследования и полученные на основе их результаты позволяют говорить о том, что при размещении предохранителя в начале приводных линий значения пиковых динамических нагрузок всегда превышают значения максимальных нагрузок в случае, когда предохранитель установлен рядом с исполнительными (рабочими) органами машины (рис. 4).
Рисунок 4 График значений максимальных углов закручивания: а – предохранительное устройство расположено в начале кинематической цепи; б – предохранительное устройство приближено к объекту защиты
Figure 4 Graph of values of the maximum angles of twisting: a - the safety device is located at the beginning of the kinematic chain; b - the safety device is close to the object of protection
Источник: Собственные расчетные схемы авторов
Source: Own calculation schemes of the authors
В итоге можно утверждать, что устройства применяемые в конструкциях лесохозяйственных машин для защиты их от перегрузок по крутящему моменту рациональней устанавливать рядом с исполнительными (рабочими) органами машины, а в лучшем случае объединять их в единый конструктивный узел
1. Kazakov V.I., Blinov E.K., Belov V.A., Sennikov V.V., G.D. Glavarskiy. Spravochnik lesohozyaystven-nyh mashin, oborudovaniya i pribory. Pushkino: VNIILM, 2001.134 s.
2. Borodin N.A. Zaschita vykopochnyh l/h mashin ot peregruzok razmykayuschimisya muftami predel'nyh momentov. Dis….kand. tehn. nauk: 05.21.01. Voronezh. 2000;158 s.: il. DOIhttps://doi.org/10.12737/19965
3. Posmet'ev V.I. Obosnovanie perspektivnyh konstrukciy predohraniteley dlya rabochih organov lesnyh pochvoobrabatyvayuschih orudiy Kazakov Voronezh. VGLTA, 2000. 248 s. ISBN:5-7994-0074-7.
4. Ikoeva A.Z., Sviridov L.T. Predohranitel'nye ustroystva mashin i oborudovaniya ot peregruzok. Voronezh. Gos. Lesoteh. akad. - Voronezh, 2006. 18 s. Dep. V VINITI 09.11.2006, № 1345 - V2006.
5. Ikoeva A.Z. Analiz issledovaniy po dinamike privodov i zaschite mashin ot peregruzok predohranitel'nymi ustroystvami. Voronezh gos. lesoteh. akad. Voronezh, 2006: 22 s. Dep. V VINITI 09.11.2006, № 1344: V 2006.
6. Scheblykin P.N. Vybor urovnya parametra zaschity mashin ot peregruzok po krutyaschemu momentu. Transportnoe, gornoe i stroitel'noe mashinostroenie: nauka i proizvodstvo. 2019 (2); 26-28. DOIhttps://doi.org/10.26160/2658-3305-2019-2-26-28
7. Karamyshev E.V. Povyshenie kachestva ogranicheniya predel'nyh nagruzok lesohozyaystvennyh mashin. Dis. kand. tehn. nauk: 05.21.01 - Voronezh, 2000. 184 s.
8. Scheblykin P.N., Borovikov R.G. Polozheniya i trebovaniya, pred'yavlyaemye pri razrabotke sredstv zaschity frezernyh mashin ot peregruzok s uprugim i elementami. Lesotehnicheskiy zhurnal. - 2018; (32): 259-264. DOIhttps://doi.org/10.12737/article_5c1a320a64e545.77850234
9. Shishkarev M.P. Voprosy dinamiki privoda mashiny s adaptivnoy frikcionnoy muftoy. Vestnik mashinostroeniya. 2004 (5): 3-8.
10. Shishkarev M.P. Povyshenie effektivnosti zaschity privodov mashin ot peregruzok adaptivnymi frikcionnymi muftami. Avtoref. Diss…dokt.tehn.nauk: 05.02.02. - Rostov-na-Donu. 2007: 32 s.
11. Kamke E. Spravochnik po obyknovennym differencial'nym uravneniyam. Sankt Peterburg: izd-vo Lan', 2003. 576 s. ISBN: 5-8114-0482-4
12. Bahvalov N.S., Zhidkovy N.P., Kobel'kov G.M. Chislennye metody. 6-e izd. M.: BINOM. Laborato-riya znaniy, 2008;636 s. ISBN: 978-5-00101-836-0
13. Perez-Diaz J.L., Diez-Jimenez E., Valiente-Blanco I., Cristache C., Alvarez-Valenzuela M.A., Sanchez-Garcia-Casarrubios J. Contactless Mechanical Components: Gears, Torque Limiters and Bearings //. Contactless Me-chanical Components: Gears, Torque Limiters and Bearings. Machines, 2014, 2, 312-324. https://doi.org/10.3390/machines2040312
14. Loveykin V.S., Rybalko V.M., Gudova A.V. Somparison of theoretical and experimental investigations of dynamics of start-up of screw conveyor mixer. Naukoviy vіsnik nubіp ukraїni. serіya: Tehnіka ta energetika apk. 2013. №185 (3): 304-311. ISSN: 2078-4481
15. Meshinghewko R., Klendiy O. Naukoviy vіsnik nubіp ukraїni. serіya: Tehnіka ta energetika apk. 2014 (194-1): 164-175. ISSN: 2222-8618.
