автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Повышение транспортно-эксплуатационных качеств лесовозного автопоезда при движении на кривых

од

На правах рукописи

1 ДиЛ 1033

СОКОЛОВ Геннадий Максимович

ПОВЫШЕНИЕ ТРАНСПОРТНО-ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ КАЧЕСТВ ЛЕСОВОЗНОГО АВТОПОЕЗДА ПРИ ДВИЖЕНИИ НА КРИВЫХ

Специальность 05.21.01-Технология и машины лесного хозяйства и лесозаготовок

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Воронеж -1998

Работа выполнена в Марийском государственном техническом yi верситете

Научный консультант - доктор технических наук,

профессор Курьянов В.К.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Карамышев В.Р.

доктор технических наук, профессор Котиков В.М.

Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Патякин В.И.

Ведущая организация - АО «Концерн Лесмаш» (Москва)

Защита состоится 18 декабря 1998 г. в 10 часов на заседании дисс тационного совета Д 064.06.01 в Воронежской государственной лесоп нической академии (394613, г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8 зал заседали ауд. 118).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ВГЛТ, Автореферат разослан f ^f ноября 1998 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета _

д.т.н., профессор Курьянов В.К.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие транспорта, в особенности автомобильного, -является одной из важнейших народнохозяйственных задач, стоящих перед работниками науки и производства. Ее комплексное решение, прежде всего, связано с дальнейшим увеличением производства автомобилей и автомобильных поездов большой грузоподъемности, повышением их технико-эксплуатационных показателей, а также с увеличением объема строительства новых и реконструкцией имеющихся автомобильных дорог. В лесной промышленности автомобильный транспорт занимает главное место в общем объеме механизированной вывозки древесины, и это обстоятельство определяет существенную значимость задачи для отрасли.

Движение лесовозных автопоездов по криволинейным участкам пути является одним из наиболее сложных и ответственных видов их движения в эксплуатационных условиях, . при которых ощутимо проявляются вопросы обеспечения управляемости, вписываемости, а также устойчивости и безопасности.

Следование по кривой, с одной стороны, представляет собой широко распространенный случай движения лесовозного автопоезда на практике. С другой стороны, криволинейное движение лесовозного автопоезда сопровождается целым рядом особенностей, сведения о которых позволяют существенным образом судить о преимуществах или недостатках его конструктивного решения и лежат в основе проектирования.

Поэтому всестороннее изучение вопросов движения по кривым и разработка комплексных критериев оценки качественных свойств конструкции является важной исследовательской задачей в деле проектирования и совершенствования лесовозных автомобильных поездов. Роль этих исследований значительно возрастает в связи с перспективой создания новых типов большегрузных автопоездов, предназначенных для многопакетной транспортировки древесины, для которых перечисленные выше вопросы в условиях движения по криволинейным участкам пути проявляются особенно остро.

Цель и задачи исследований. Целью работы является повышение транспортно-эксплуатационных качеств лесовозного автопоезда при нестационарном движении на кривых за счет обобщения и раз-

вития комплексных методов исследований, результаты которых могут быть использованы при проектировании новых перспективных типов многозвенных лесовозных автопоездов, существенно снижающих удельную себестоимость лесовывозки, а также при проектировании уширен™ в дорожном строительстве и назначении норм их эксплуатации.

В соответствии с целью работы решались следующие задачи.

Обобщение выполненных ранее исследований, систематизация признаков дважды (геометрически и кинематически) нестационарных режимов движения лесовозного автопоезда на кривых, оценка имеющихся понятий и введение новых, необходимых для характеристик рассматриваемого явления, разработка системного подхода к его изучению.

Разработка:

- геометрической теории плоского движения твердого тела, позволяющей геометрические задачи движения лесовозного автопоезда на кривой выделить в самостоятельную группу и существенно расширить круг решаемых вопросов. Установление качественных особенностей нестационарного движения элементов лесовозного автопоезда на кривых, связанных с наличием кругов Лагира и Брес-се;

- основ расчета геометрических характеристик и параметров лесовозного автопоезда, имеющих первостепенное значение при его движении на кривых (траектории точек, характеристики взаимного положения основных элементов, габаритная полоса движения, уши-рение проезжей части и дорожного полотна, влияние бокового увода и бокового скольжения и т.д.). Определение функциональной структуры сцепок различных конструкций и оценка влияния отклонений параметров их элементов от номинальных;

- метода расчета кинематических параметров нестационарного движения основных элементов автопоезда;

- расчетных схем и математической модели динамического равновесия элементов лесовозного автопоезда для общего случая нестационарного криволинейного движения;

- программ для ЭВМ с целью реализации математических моделей и с их помощью установление количественно-качественных характеристик (определение геометрических, кинематических и динамических параметров).

Проектирование на основе теории размерностей и подобия и создание механической модели лесовозного автопоезда, разработка измерительных схем и аппаратуры, методики проведения эксперимента и его реализация в лабораторных условиях.

Разработка методики и проведение натурного эксперимента в производственных условиях. Сравнительная оценка результатов модельных и натурных экспериментов.

Научная новизна. Комплексное исследование нестационарного движения многозвенного лесовозного автопоезда на кривой.

Разработаны методы расчета геометрических, кинематических и динамических параметров, отличающиеся возможностью их применения для нестационарных режимов движения. Реализован принципиально новый системный подход, основанный на созданной автором геометрической теории плоского движения твердого тела. Введены понятия геометрической и кинематической нестационарностей, уточнены известные понятия режимных коэффициентов поворота.

Установлены качественные особенности нестационарного движения элементов лесовозного автопоезда на кривых, определяемые наличием кругов Лагира и Брессе.

Разработан аналитический метод определения габаритной полосы движения, чем доказана принципиальная возможность аналитического решения этой практически важной задачи.

Определены функциональные структуры крестообразной сцепки я тросо-блочной сцепки Головного конструкторского бюро Министерства автомобильной промышленности СССР - зависимость угла поворота колес роспуска от угла складывания автопоезда. Для первой из них установлена степень влияния отклонений ее параметров от номинальных. На конкретных примерах обоснована необходимость назначения допусков на геометрические размеры и упругие свойства элементов сцепки.

Для общего случая нестационарного криволинейного движения лесовозного автопоезда найдены аналитические выражения кинематических параметров движения его точек и элементов. Установлена их общая структура, являющаяся отражением геометрической и кинематической нестационарности.

Применение метода физического моделирования, позволившего з помощью механической модели автопоезда с крестообразной сцеп-гай при относительно небольших материальных затратах определить

совокупность параметров в их взаимосвязи.

Разработана методика натурных испытаний в производственных условиях с учетом особенностей нестационарных режимов криволинейного движения лесовозного автопоезда.

Разработана унифицированная рабочая программа для ЭВМ с выводом графической информации, позволяющая изучение основных вопросов нестационарного движения многозвенного лесовозного автопоезда на кривых довести до практических решений.

Объект и методы исследований. Объектом комплексных исследований являлся лесовозный автопоезд МАЗ-509+ГКБ-9383(2-Р-15)+ +пакет хлыстов. Использованы методы математического моделирования , физического моделирования и натурного эксперимента.

Для описания состояния динамического равновесия в общем случае нестационарного движения автопоезда на кривых создана математическая модель, реализация которой с помощью программ для ЭВМ позволяет определять его геометрические, кинематические и динамические параметры и характеристики.

Физическое моделирование осуществлено с помощью разработанной механической модели лесовозного автопоезда и проведено в лабораторных условиях.

Натурный эксперимент проведен в производственных условиях.

Результаты опытов, полученные в виде осциллограмм, подвергались обработке известными методами математической статистики.

Положения и результаты исследований, выносимые на защиту.

Обобщение методов и новый системный подход к комплексным исследованиям криволинейного движения лесовозного автопоезда.

Основы теории нестационарного движения лесовозного автопоезда по криволинейным участкам пути. Метод расчета геометрических параметров, оценка кинематических параметров. Комплексная математическая модель состояния динамического равновесия лесовозного автопоезда при дважды (геометрически и кинематически) нестационарных режимах движения на кривых с реализацией ее с помощью ЭВМ.

Метод определения функциональной структуры тросовых сцепок и расчета допусков на параметры их элементов.

Проектирование на основе теории размерностей и подобия и создание механической модели лесовозного автопоезда с крестообразной сцепкой. Методика проведения и результаты модельного

эксперимента.

Методика натурных испытаний в производственных условиях. Сравнительная оценка результатов модельных и натурных экспериментов.

Обоснованность результатов исследований. Достоверность и . обоснованность результатов исследований подтверждается применением научно обоснованных методов построения моделей сложных механических систем, фундаментальных методов механики и математики, результатами экспериментальных исследований на механической модели и натурном образце лесовозного автопоезда в производственных условиях, а также положительным опытом их внедрения в практическую деятельность проектных организаций и промышленных предприятий.

Практическая ценность. Разработанная геометрическая теория плоского движения твердого тела позволяет не только существенно расширить круг изучаемых вопросов, связанных с рассматриваемым явлением, но и предназначена для решения определенного класса задач механики. Наличие характерных областей, обусловленных кругами Лагира и Брессе, определяет направление дальнейших перспективных исследований, с помощью которых могут быть выявлены дополнительные резервы на пути оптимального проектирования новых типов большегрузных лесовозных автопоездов.

Выполненные теоретические разработки углубляют теорию движения сложных автотранспортных систем на кривых, позволяя решать важные задачи на стадии их проектирования и при назначении технических условий эксплуатации. Могут быть использованы в дорожном строительстве для расчета уширений дорожного полотна.

Разработанные математические модели, а также методики модельного и натурного эксперимента могут быть использованы при дальнейших исследованиях.

Практическая реализация работы. Основные результаты работы внедрены во Всесоюзном объединении "Пермлеспром", Головном конструкторском бюро по тракторным и автомобильным прицепам Министерства автомобильной промышленности СССР, ГУЛ "Марийскавто-дор", в СКБ-1 и учебный процесс Марийского государственного технического универитета.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на конференциях, совещаниях и

семинарах.

1. Всесоюзная научная конференция. Проектирование, строительство и эксплуатация лесовозных дорог (Минск, 1972).

2. Заседание Технического совета Пермского проектно-конструкторского технологического бюро (Пермь, 1986).

3. Заседание Технического совета Головного конструкторского бюро по тракторным и автомобильным прицепам Министерства автомобильной промышленности СССР (Балашов, 1987).

4. Международный форум "Финно-угорские дни проблем механики" (Венгрия, Рацкеве, 1995).

5. Конференция соросовских учителей Республики Марий Эл (Йошкар-Ола, 1996).

6. Научно-методический семинар преподавателей теоретической механики вузов России (Екатеринбург, 1996).

7. Всероссийская научно-техническая конференция "Теория проектирования и методы расчета лесных и деревообрабатывающих машин" (Москва, 1997).

8. Вторые "Вавиловские чтения". Всероссийская междисциплинарная научная конференция (Йошкар-Ола, 1997).

9. Всероссийская научная конференция "Нетрадиционные методы проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог"(Суздаль, 1998).

10. Международная конференция "Европейские исследования: перспективы развития" (Йошкар-Ола, 1998).

11. Международная научно-практическая конференция "Научно-технические проблемы в развитии ресурсосберегающих технологий и оборудования лесного комплекса" (Воронеж, 1998).

12. Научно-технические конференции МарГТУ (Йошкар-Ола, 1974-1983, 1986-1990, 1994-1996).

Публикации. Основное содержание и результаты диссертации представлены в монографии и 33 опубликованных научных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и рекомендаций, списка использованной литературы и приложений. Общий объем работы 338 стр., из них 200 стр. основного текста, 84 рисунка на 69 стр., 5 таблиц, список литературы (166 наименований) на 12 стр., ' приложения -57 стр.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведена общая характеристика работы, обоснована ее актуальность, научная новизна. Сформулированы цель и задачи исследования, основные положения, выносимые на защиту.

1. Обобщение методов оценки транспортно-эксплуатационных качеств лесовозного автопоезда. В главе рассмотрены особенности движения лесовозного автопоезда на кривых, дана оценка состояния вопроса.

Движение лесовозного автопоезда по криволинейным участкам пути имеет ряд характерных особенностей, отличающих его от других видов эксплуатационных режимов и имеющих первостепенное значение для оценки качеств автопоезда. Эти особенности сопряжены с нестационарностью движения и имеют выраженный геометрический, кинематический и динамический характер. Неравномерное распределение кинематических параметров (линейных и угловых) по телу автопоезда определено имеющими место при нестационарном движении кругами Лагира и Брессе.

В результате анализа литературных источников выяснена и обоснована необходимость комплексного исследования нестационарных режимов движения лесовозного автопоезда на кривых.

До настоящего времени специальной теории движения лесовозного автопоезда нет, поэтому при рассмотрении этих вопросов нередко используются основные положения теории автопоездов общего назначения, берущей свое начало из теории автомобиля.

Вопросы теории автомобиля широко освещены в работах многих отечественных и зарубежных ученых. Среди них наиболее известны труды Е.А.Чудакова, Н.В.Дивакова, Н.В.Яковлева, Г.В.Зимелева, Я.М.Певзнера, Б.С.Фалькевича и др., в которых преимущественное место занимает исследование движения одиночного автомобиля.

Движение автомобильного поезда на криволинейных участках пути представляет собой гораздо более сложное явление, и сведений из теории автомобиля при его изучении оказывается недостаточным. Многостороннее исследование кинематики и динамики автопоездов общего назначения проведены Я.Х.Закиным и обобщены им в прикладной теории движения автопоезда. Частные вопросы движе-автопоездов рассмотрены в работах М.М.Бергмана, А.М.Лысова,

М.М.Щукина, А.П.Колпакова и др.

Изучением движения лесовозного автопоезда начали заниматься сравнительно недавно. Исследования отдельных вопросов в это* области содержат работы Н.С.Ветчинкина, М.И.Кишинского, Б.Г.Гастева, В.И.Мельникова, И.И.Леоновича, В.А.Горбачевского, Р.П. и В.П.Лахно, Б.И.Кувалдина и др. Некоторые задачи движеню-лесовозного автопоезда, в том числе по кривым, рассмотрены I работах И.Н.Житова, И.И.Леоновича, В.А.Горбачевского, В.И.Патя-кина,. В.К.Курьянова, В.Р.Карамышева, В.М.Котикова и др. Комплексное исследование стационарного движения лесовозного автопоезда на кривой осуществлено В.П.Лахно.

Анализ известных работ свидетельствует о том, что криволинейное движение лесовозных автопоездов до настоящего времен* остается практически малоизученным. Отсутствует единая теори? нестационарного движения лесовозного автопоезда на кривых, ошибочно бытующее представление о необходимости при аналитически? исследованиях принятия допущения о постоянстве скорости движения. Решение геометрических задач значительно и неоправданно осложняется.кинематическими соотношениями. Принимаемые допущения в отдельных случаях приводят к существенному огрублению и> результатов, так что заложенные вначале неточности превышают искомые величины и нередко их поглощают. В частности, это I полной мере относится к "теории единого центра", сопряженной с грубыми расхождениями с истинными результатами. Допущенное I отдельных работах смешение понятий приводит к искажению смысле вопросов; некоторые понятия, с позиций строгой теории, требуют уточнений. Если перечисленные недочеты при исследованиях криволинейного движения обычного лесовозного автопоезда до настоящего времени считаются в некоторой мере допустимыми, то при разработке теории автопоездов, предназначенных для многопакетно! вывозки древесины, они подлежат пересмотру и устранению.

Сказанное свидетельствует о том, что при комплексном изучении сложного явления движения лесовозного автопоезда на криволинейных участках пути и решении связанных с ним задач долже! быть осуществлен строгий системный подход, предусматривающш детально выдержанную поэтапную последовательность рассмотреню узловых вопросов.

При этом основное место отводится методу математической

и

моделирования, как наиболее гибкому и эффективному средству получения количественно-качественной картины изучаемого явления. Реализация математической модели, независимо от ее сложности, доведение решений до численных результатов, возможность их анализа являются основными требованиями инженерных исследований.

Современный уровень математического аппарата и возможностей ЭВМ позволяют преодолеть возникающие трудности.

В связи с этим представляется целесообразным провести исследования в следующем объеме и последовательности.

Геометрические задачи. Разработка геометрической теории плоского движения твердого тела, на основе которой определяются круги Лагира и Брессе, для автопоезда - траектории и соотношения между перемещениями характерных точек, габаритная полоса движения, ее площадь. Определение функциональной структуры тросовых сцепок, взаимного положения элементов автопоезда в процессе складывания. Расхождение траекторий средних точек осей автопоезда, расчет уширения дорожного полотна и его площади. Решение задачи совмещения траекторий средних точек осей автопоезда.

Кинематические задачи. Определение линейных и угловых кинематических параметров (скоростей, ускорений) характерных точек и звеньев автопоезда, соотношений меоду ними и их распределения по телу автопоезда. Кинематические особенности (разгон, торможение, равномерное движение).

Задачи динамики. Математическое моделирование состояния динамического равновесия автопоезда и реализация математической модели с помощью программ для ЭВМ с целью определения сил внутреннего и внешнего взаимодействия. Влияние бокового увода и бокового скольжения. Расчет энергетического баланса автопоезда в связи с взаимном превращением энергии поступательного и вращательного движения.

Экспериментальная часть. На основании теории размерностей и подобия проектирование, создание механической модели и реализация эксперимента в лабораторных условиях. Натурный эксперимент в производственных условиях. Определение геометрических, кинематических и динамических параметров, сравнительная оценка результатов модельного и натурного экспериментов.

Последовательность исследований показана на рис.1.

~i г

"1 г

"1 г

"1 г

силовые И внешнее И внутреннее||энерге~ 11изменение11 боковой инерционные!¡взаимо- || взаимо- I|тическийНскорости || увод и факторы 11 действие 11 действие || баланс I1-1¡скольжени

j l.

j l_

~Г

I-1 I--

I разгон| |торможение t_r_i i_,_

ДИНАМИКА

-i Условия I динамического

I равномерное! | движение I

I различные | законы |движения

i 11 i |линейные ||линейные | Iи угловые||к угловые! ¡скорости ||ускорения|

равновесия M=0, L=0

I кривизны |I круги |траекторий|| Лагира и |ДМ звеньев|| Брессе

т

j

i Кинематическая нестационарное: 1 Vi * const

I

|функцион.I¡габаритная! ¡структура!¡полоса | ) сцепки ||движения |

л-,-,

_i

i Геометрическая нестационарное ti+i-Ai^const

Геометрическая теория плос-Цхарактерные области| кого движения твердого тела! ¡подвижной плоскости|

j и

Рис.1. Дерево расчета

2. Основы теории движения лесовозного автопоезда на кривых.

В главе приведены основы разработанной автором геометрической теории плоского движения твердого тела, положенной в основу исследований движения лесовозного автопоезда на кривой.

Задачу о движении основных элементов лесовозного автопоезда на кривых с приемлемыми допущениями можно решать на основе теории плоско-параллельного движения тела. Положение каждого звена автопоезда как плоской фигуры в любой момент времени можно характеризовать положением двух его точек. Для лесовозного автопоезда этими точками являются средние точки осей (т. т. 1,2,3) и сцепной крюк К.

Перечисленные недостатки, выявленные в результате анализа состояния вопроса, и первостепенная значимость геометрических характеристик лесовозного автопоезда применительно к решению стоящих задач потребовали пересмотра существующей теории плоского движения твердого тела и разработки принципиального иного подхода, основанного на предварительном изучении геометрических признаков этого вида движения с последующим их отображением во времени.

Рассмотрены геометрические характеристики - траектории точек, их радиусы кривизны, эволюты, зависимости между линейными и угловыми перемещениями. Названы основные способы задания плоского движения твердого тела по геометрическим признакам. В геометрической интерпретации получены уравнения характерных кругов на подвижной плоскости, которые лишь при отражении в измерении времени становятся известными кругами Лагира и Брессе. Их уравнения, не содержащие параметра времени, являются признаком свойства твердых тел, имеющих три степени свободы в одной плоскости.

Выявлен и уточнен смысл понятия режимного коэффициента поворота, введенного Я.Х.Закиным. На конкретных"7показано, что более правильно толковать о созвучных понятиях коэффициентов поворота вточке и тела. '

Проведен анализ геометрических признаков точек подвижной плоскости. Для общего случая плоского движения найдены уравнения характерных окружностей (рис.2).

Окружность, являющаяся геометрическим местом точек, имеющих на своих траекториях кривизну, равную нулю (точки переги-

ба); на неподвижной плоскости^описана уравнением

[x - (хр + 0,5/г.ур')]2 + [у - Сур - о,5/4хр')з2=(0,5/4зр')2,

(2.1;

центр которой - точка О1 с координатами

х01 = хр + 0,5/Аур'.

(2.2.

у01 = ур - 0,5/£,хр'.

где х, у - текущие координаты; Хр.Ур.Эр.^р - соответственн' координаты точек и длина дуги центроид, угол поворота тела плоскости.

Уравнение окружности в подвижной системе координат 1!0 получим на основании

iu - tup - 0,5(sine/Axp'- cosc,/£,yp')]>2 +

02.3)

+ -(V - tvp + 0,5(cos£,/£,xp' + SinC/^yp')]}2 = (0,5/i;sp')2.

Ее центр расположен в точке Oi

uoi = up - 0,5(sint/txp'- cost/typ'),

(2.4)

Vol = Vp + 0,5(cost/txp' + sint/Cyp').

Рассмотрены ее свойства, она всегда расположена со стороны подвижной центроиды. В кинематике эта окружность ограничивает круг Лагира.

Семейство точек, для которых отношение Ssa"/Ssa' (sa -путь полюса А) является постоянной величиной, является окружностью. В неподвижной системе координат ее уравнение

(2.5)

[х - (хр - XpsA'/2B)3" +

+ [у - (УР - Ур3д'/2В)]2 = (SpsA'/2B)2, где обозначено В = Г - .

R2 = Spsa'/2B, (2.6)

координаты центра Ог которой

Х02 = Хр - XpsA'/2B,

(2.7)

У02 = Ур " УрзА'/2В.

В подвижной системе координат UO'V

(и - U02)Z + (v - v02)2 = R22, (2.8)

где координаты точки Оог(ио2. V02) могут быть найдены по формулам.

При Г = - waVva2 (в кинематике) окружность является reo-

метрическим местом точек, касательные ускорения которых равны нулю, и ограничивает круг Брессе.

Рассмотрены свойства окружности, она в точке Р касается общей нормали п - п к центроидам, прямые О1Р и ОгР взаимно перпендикулярны.

Точка пересечения кругов Лагира и Брессе является мгновенным центром ускорений.

Введено понятие базовой траектории и решена задача определения габаритной полосы движения тела заданного контура и системы взаимосвязанных тел. Применительно в лесовозному автопоезду она получается как результат построения огибающих и траекторий особых точек (угловых точек контуров элементов автопоезда в плане). Приведен расчет ее площади.

Определено расховдение траекторий точек плоско движущейся системы тел, найдена площадь фигуры, ограниченной расходящимися траекториями. Рассмотрена задача совмещения траекторий точек.

3. Геометрические характеристики движения лесовозного автопоезда с управляемым роспуском на кривых. В главе рассмотрены понятия режимных коэффициентов поворота, определены функциональная структура тросовых сцепок, соотношения между перемещениями характерных точек и звеньев автопоезда, рассмотрен вопрос учета бокового увода и бокового скольжения.

Установлено, что наиболее полными характеристиками интенсивности поворота по смыслу являются уточненные понятия режимных коэффициентов поворота в точке и элемента автопоезда. На примерах показано, что они не являются постоянными величинами, как нередко принято считать, а имеют явно выраженный переменный характер, что существенно ограничивает возможности известных расчетных методов.

Рассмотрены особенности крестообразной сцепки как управляющего органа, относящегося к способу управления в зависимости от угла ф складывания автопоезда Ф = Ф(<р) (Ф - угол поворота колес роспуска). Основные требования к ней обоснованы и сформулированы Горбачевским В.А. и Лахно В.П. Однако выбор параметров сцепки определяется ими из анализа установившегося кругового движения автопоезда, которое в реальных условиях имеет место крайне редко. Помимо того, полученные зависимости не дают возможности проводить расчет параметров на переходных стадиях дви-

жения.

Для крестообразной сцепки (рис.3) найдено ^=90°-Во+агсс03-С[Ьд-В1С03((?+бо)] СВ12-2ЬдВ1С03(Ф+6о)+Ьд2]~0' 5>- агссоз{[0,5(1д2+В12+В22-Ьт2)-ЬдВ1СОз((?+5о)]/ (3.1)

/Вг/СВ12-2ЬДВ1С03(Ф+5О)+ЬД2]0' 5>,

где В1, Вг, Ьд, Ьт, 50, Во - конструктивные параметры.

Рис.3. К определению <1>=Ф(9)

Частные производные, входящие в полный дифференциал этой функции

(3.2)

дают возможность производить оценку влияния отклонений параметров сцепки от номинальных на ее функциональную структуру. Приведен пример определения допусков на эти отклонения.

Определена функциональная структура и проведен расчет параметров тросо-блочной сцепки конструкции ГКВ. Установлена ее характерное наличие зон неуправляемости колесами роспуска, ко-

торыэ могут ощутимо сказываться на эксплуатационных свойствах сцепки, в особенности при больших углах складывания автопоезда.

Определены соотношения между геометрическими параметрами движения основных элементов лесовозного автопоезда на кривых. Рассмотрен случай, когда точка 1 следует по траектории касательная - окружность - касательная (рис.4). В качестве независимой переменной принято перемещение точки 2 вдоль основной траектории.

При отсутствии бокового увода режимный коэффициент поворота в точке 2 равен нуль (кП2=0), так как «2(з)=сопзЬ=0. Траектория точки 1 на окружности описывается уравнениями

XI = {?!•(! + эХпт), У1 = -з1п2(т/2). (3.3)

Для автомобиля дифференциальное соотношение между перемещениями имеет вид = 1?1-з1п(г - 4а)-¿т, откуда для ^ > 1 (1 - база автомобиля)

/-

4а = т - гагс^ПГ?! +Е- (1 + 0О/(1 - 0О]/1>, где Е = -I2.

(3.4)

Б = (1?1+Е)/(К1-Е), Г = (т-Го)Е/1, если 4ао=0, Го=0.

Для характерных точек автомобиля - центра масс, средней точки задней оси,сцепного крюка - найдены уравнения траекторий, радиусы и координаты центра кривизны. Определены углы между направлением перемещения этих точек и продольной осью автомобиля, а также приведен ряд вспомогательных соотношений, используемых в дальнейшем расчете.

Аналогичные соотношения перечисленных параметров получены для остальных звеньев автопоезда. Разрешающим для их определения является дифференциальное уравнение, описывающее процесс складывания автопоезда.

с15 = - АВ), здесь А = 51п((р+оСк.-Ф)/(ЬдСозф),

(3.5)

в = (Ьа2 + пЧе2«*!)0'5, йк = агс1:£(-гЛг«1/Ьа).

Рассмотрен вопрос учета влияния бокового увода и бокового

Рис.4. К выводу геометрических соотношений для лесовозного автопоезда при движении на кривой

скольжения на геометрические параметры движения. Приведены примеры расчета поворота автопоезда на 90° и движения в режиме "переставка".

4.Оценка кинематики и динамики движения лесовозного автопоезда на кривых. В главе содержится аналитические исследование кинематики и динамики. Рассмотрено определение линейных и угловых скоростей и^жаре#>?й характерных точек и основных элементов автопоезда. Приведена характеристика внешних сил, рассмотрен баланс кинетической энергии, составлены уравнения динамического равновесия.

Выражения геометрических параметров при независимой переменной э позволяет с помощью дифференцирования по времени установить соотношения для кинематических параметров при любом законе э = бСЬ), то есть для произвольного характера кинематической нестационарности.

Особенности кинематических соотношений следующие:

- полученные выражения относятся к общему случаю геометрически и кинематически неустановившегося криволинейного движения лесовозного автопоезда;

- линейные и угловые скорости выражаются через скорость точки 2 вдоль основной траектории V;

- выражения линейных и угловых ускорений состоят из двух членов, один из которых содержит и является следствием кинематической нестационарности, а другой, содержащий V2, - нестационарности геометрической;

показательно, что даже при равномерном следовании точки 2 вдоль основной траектории линейные и угловые ускорения имеют место вследствие геометрической нестационарности.

При исследовании динамики составлены расчетные схемы с учетом того, что лесовозный автопоезд представляет собой сочлененную механическую систему. При криволинейном движении основные элементы автопоезда под действием активных, реактивных и инерционных сил находятся в состоянии динамического равновесия. Совместное решение системы уравнений позволяет найти силы внешнего и внутреннего взаимодействия автопоезда при движении на кривой.

Полученные уравнения достаточно полно характеризуют лесовозный автопоезд, так как включают в себя одновременно все ос-

новные его параметры: геометрические, кинематические и динамические. Эти уравнения использованы в последующем при проектировании механической модели автопоезда.

Для пакета хлыстов уравнения динамического равновесия имеют вид (рис. 5)

в горизонтальной плоскости

Шгг = Мпа - РгУи) -исп - МпСи) - Цпр^ • Ьк - МПр = 0.

Е(1 = ОпрЦ - ГПЦ(И) - СЬаД = О, (4.1)

& = СЬрУ - РПЦ(И) + СЗпа^ = 0;

в вертикальной продольной плоскости

= - бп-исп+ рпрц(и)-Ьпк - гпР-ьк = о.

(4.2)

= + Zпa - Вп = О,

где 2ПР, 2па, ЧпрМ., Опр^, Опаи. Опа^ - вертикальные и горизонтальные (продольные и боковые) составляющие силы, действующие на пакет со стороны коников роспуска и автомобиля; 6П - сила тяжести пакета-, Мпа, МПр - моменты, действующие на пакет со стороны роспуска и автомобиля; Рп(1{и), Мп(и) - инерци-

онные силовые факторы

Для остальных основных элементов автопоезда уравнения динамического равновесия выглядят аналогично.

Получено выражение баланса кинетической энергии лесовозного автопоезда на кривой. Из него найдено соотношение для определения изменения скорости движения автопоезда из-за взаимного превращения части энергии поступательного и вращательного движения при входе в кривую и выходе из нее. Получено выражение приведенной массы системы.

5. Экспериментальные исследования движения лесовозного автопоезда на кривых. В главе определены цель и задачи экспериментальных исследований, дано обоснование применения метода физического моделирования, определены критерии подобия, спроекти-

Рис.5. Упрощенная расчетная схема силовых факторов, действующих на пакет хлыстов (а,0) и коник (в)

рована и создана механическая модель автопоезда, разработаны методики модельных и натурных экспериментов, приведены их результаты и сделана сравнительная оценка.

Проведен эксперимент по определению качественных и количественных характеристик процессов, происходящих при криволинейном движении лесовозного автопоезда МАЗ-509 + ГКБ 9383 (2-Р-15) + пакет хлыстов. Исследования выполнены на механической модели и на натурном образце в производственных условиях. Измерялись следующие параметры: угол поворота передних колес автомобиля о(1; угол между продольными осями автомобиля и дышла Ф; угол между продольными осями дышла и роспуска Ф; перемещение средней точки задней оси автомобиля вдоль основной траектории 5; время движения Ь; усилия в тросах Тл, ТПр (левом и правом по автомобилю); продольные усилия в дышле Одц; боковые усилия взаимодействия пакета хлыстов и коников автомобиля Ц Па и роспуска Опр-

Из анализа уравнений динамического равновесия на основе теории размерностей и подобия получены индикаторы подобия

(стс1)/(с0сь2)=1, са/(сас1сь2)=1, см/(сйс1)=1, ссс1/са = 1,

(5.1)

С0С1/(СтС72СЬ2)=1, С,1/(СрС12)=1, Сщ/(СрС13)=1, сас(:2/(срс14)=1.

Выражения для определяющих критериев

гп1/ №2) =тм1м/ (Сим2), V Ш1Ь2) =Лм/ (Ом^м2), М/ (01) =Мм/ (0м1м), 31/ (тЧ2) =0м1м/ (т^лДм2),

(5.2)

с1/<3=см1м/0м, :/(р15)=Лм/(рм1м5),

т/ (р13) =шм/ (рм1м3), Qt2/ (р14) =0ми2/ (рм1м4).

где 0 - сила, т - масса, 1 - длина, Ь - время, J - момент инерции, М - момент силы, с - коэффициент жесткости, р - плотность, V - скорость, - ускорение.

В качестве определяющих параметров выбраны т,1Д. Исходя из возможностей проведения опытов в лабораторных условиях, при-

няты следующие константы подобия: для линейных размеров назначаем с1=13, для плотности ср = 1, для ускорений с*=1, тогда получено для массы ст = с13=2197, для силы со = с13=2197, для момента силы см = с14=28561, для времени съ = с1°'5=3,6; для скорости су = с1°'5=3,6; для момента инерции с^ = с15=371293, для коэффициента жесткости сс = с12=1б9.

При испытаниях модель видоизменялась в четырех вариантах. Кроме того, для одного из них изменялся вынос сцепного крюка.

Модель в каждом опыте двигалась так, что средняя точка передней оси автомобиля следовала по траектории касательная-окружность-касательная (путь по окружности соответствовал центральному углу 540°).

Каждый вариант модели испытывался при движении по окружности пяти различных радиусов (1,15; 2,3; 3,45; 4,6; 5,75, что соответствует в натуре 15, 30, 45, 60, 75 м) с разными скоростями (1,79; 2,46; 3,22 м/с). Всего было проведено около 400 контрольных заездов.

Натурные эксперименты проведены на лесовозном автопоезде вышеназванного типа, в котором пакет хлыстов имел массу 15200 кг и длину 24 м. Опытный полигон представлял собой свежевыко-шенное поле, что по грунтовым свойствам соответствовало II категории проходимости на основании деления, предложенного В.Ф.Бабковым. Измерения осуществлены с помощью передвижной тен-зометрической лаборатории конструкции НАТИ на базе ЗИЛ-157К.

При контрольных заездах точка 1 автомобиля следовала по такой же траектории, что и в модельных опытах. Радиусы окружности составляли 30,45,60,75 м, скорости движения-12,20,28 км/ч. Всего было проведено 120 опытов с одновременной записью показаний измерительных приборов на осцилограмму.

На рис.6 показаны зависимости максимальных приращений усилий в активном тросе от радиуса траектории средней точки передней оси автомобиля Иа, скорости движения V и выноса сцепного крюка п, полученные при модельных испытаниях. Установлено, что изменение усилий в тяговых тросах крестообразной сцепки имеют характер затухающих колебаний. Усилия в тросах больше на входе автопоезда в кривую, чем на выходе их нее. Они возрастают с уменьшением радиуса 1?1, увеличением скорости V и особенно с увеличением выноса сцепного крюка п.

со

Характер зависимое- оцт[зан] _ *)

тей продольного усилия дышла от параметров К1, V, п сходен с характером аналогичных зависимостей " для усилий в тросах. При и опытах также производились измерения геометри- ^ ческих и кинематических

параметров, которые имели ^ ^ ^

достаточно хорошее совпадение с. расчетными.

На рис.7 показаны графики зависимостей продольного усилия в дышле Одц» усилия в активном тросе ТПр и усилие в натяжном тросе заднего коника Тк.з. от радиуса На, В) и скорости V, из которых следует:

- при скоростях У=12 -28 км/ч и радиусах !?1 = 30-75 м значения максимальных усилий в дышле находятся в пределах 1300-2500 дан, усилия в активном тросе сцепки Рис.6. Модельный эксперимент 800-1400.дан, в натяжном (графики зависимостей)

тросе заднего коника 300-600 дан;

- перечисленные силовые параметры возрастают с увеличением скорости V и уменьшением радиуса 1?1.

Сравнение результатов модельных и натурных опытов в сопоставимых точках показало, что их расхождение между соответствующими усилиями не превышает 25-30%, что можно считать вполне удовлетворительным. Это позволяет рассматривать результаты модельных и натурных исследований комплексными, дополняющими друг друга.

«го-.

Рис.7. Натурный эксперимент (графики зависимостей)

ОБЩЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Движение многозвенных лесовозных автомобильных поездо] по кривым является одним из наиболее распространенных и ответственных эксплуатационных режимов, характерные особенности кото рых содержат принципиальные отличия от других видов движения Особо трудные эксплуатационные условия, а также наличие длинно мерного груза со специфическими свойствами определяют необходи мость разработки и создания для лесовозных автопоездов собс твенных критериев их оценки и методов исследований.

2. Движение лесовозного автопоезда по кривым представляв собой сложное явление, в котором геометрические, кинематически и динамические характеристики находятся в непосредственной вза

кмосвязи. Поэтому изучение его должно быть комплексным и основано на строгом системном подходе.

Рассмотрены и использованы методы математического и физического моделирования, натурного эксперимента, совокупные результаты которых могут претендовать на необходимую точность и надежность.

3. Реализован подход, основанный на разработанной геометрической теории плоского движения твердого тела. Введены новые понятия геометрической, кинематической нестационарности, базовой кривой, уточнены известные понятия режимных коэффициентов поворота. За счет этого удалось существенно приблизиться к описанию реальных процессов и значительно расширить круг возможных исследований.

4. Нестационарное движение многозвенных лесовозных автопоездов по кривой качественно отличается от стационарного движения, сведения о котором до настоящего времени принимаются за основу при их проектировании и разработке норм эксплуатации. Это различие особо отрицательно сказывается, когда речь идет о создании перспективных автопоездов. В этих случаях имеющиеся представления не могут быть признаны как состоятельные.

5. Для двух видов сцепки установлена функциональная структура. Для крестообразной сцепки разработана методика определения допусков на параметры сцепки и упругие свойства.

6. Получено общее решение задачи аналитического определения степени расхождения и условий сходимости траекторий точек, габаритной полосы движения автопоезда и уширений дорожного полотна (с учетом влияния бокового увода и бокового скольжения на геометрические параметры), их площади.

7. Определен® распределение скоростей точек, лежаадх на продольных осях элементов автопоезда, в виде соотношений в зависимости от скорости движения средней точки задней оси автомобиля вдоль основной траектории. Получены выражения угловых скоростей основных элементов.

8. Изучены линейные и угловые ускорения, выведены их аналитические выражения. В выражениях ускорений точек имеются члены, отражающие влияние геометрической и кинематической нестационарности. Каждым из них можно пренебрегать только в отдельных случаях. Показано, что кинематическая стационарность может

иметь место лишь при геометрически установившемся криволинейном движении.

9. Рассмотрен баланс кинетической энергии лесовозного автопоезда на кривой, определено изменение скорости при входе в кривую и при выходе из нее за счет превращения части энергии поступательного в энергию вращательного движения отдельных элементов и наоборот. В зависимости от интенсивности поворота оно составляет 6-8%.

10. Разработаны принципиальные расчетные схемы и составлены уравнения динамического равновесия элементов автопоезда, позволившее получить выражение сил взаимодействия между пакетом хлыстов и кониками, автомобиля и роспуска, усилий в элементах крестообразной сцепки, а также нормальных и боковых реакций на оси.

11. Разработаны методики модельных и натурных экспериментов. Их реализация в совокупности с комплексом измерительной аппаратуры обусловливает достаточно высокую точность регистрации измеряемых параметров. Сравнение результатов экспериментальных исследований в производственных условиях и на механической модели показывает, что расхождения между ними находятся в пределах общепринятых норм.

Путем модельных испытаний получена качественная картина зависимостей изучаемых величин от различных параметров движения автопоезда и его геометрических и весовых характеристик, а в натурных испытаниях установлены их фактические значения.

12. Результаты исследований показывают, что возрастание внутренних сил взаимодействия пакета и коников, усилий в элементах сцепки, ухудшение вписываемости и устойчивости определяются наличием факторов, препятствующих процессу складывания автопоезда на кривых (особенно на кривых малых радиусов при больших скоростях движения, т.е. при высокой интенсивности поворота): вынос сцепного крюка, наличие сил одновременного сцепления между пакетом хлыстов и кониками большой жесткости.

Перечисленные факторы, с точки зрения повышения эксплуатационных качеств лесовозного автопоезда, являются нежелательными, и при проектировании следует стремиться их исключать за счет конструктивных решений.

13. С учетом того, что для многопакетного автопоезда име-

ется повторяемость звеньев, разработанные методы исследований могут быть реализованы применительно к многозвенному лесовозному автопоезду с несколькими пакетами хлыстов при решении основных вопросов, касающихся их движения по кривым.

14. При нестационарном движении лесовозного автопоезда на кривых возникающие круги Лагира и Брессе разделяют подвижные плоскости, жестко связанные с основными элементами автопоезда, на характерные области, через которые проходят точки автопоезда (в том числе, центры масс его звеньев). Следствием этого качественного отличия от стационарного движения является знакопе-ременность ускорений точек, а, следовательно, и силовых инерционных факторов, кардинально изменяющих картину динамического равновесия звеньев автопоезда.

Это обстоятельство заслуживает особого внимания, и изучение этих особенностей нестационарного движения должно стать предметом специальных самостоятельных исследований.

15. Имеется опыт разработки унифицированной программы для ЭВМ, служащей целям реализации полученной математической модели. С ее помощью осуществляется численное решение задач, связанных с движением многозвенного лесовозного автопоезда по кривой. При этом число пакетов схемы управления роспусками, форма кривой и закон движения могут быть назначены произвольно.

В результате решения определяются траектории характерных точек, взаимное положение звеньев, габаритная полоса движения, распределение линейных и угловых скоростей по телу автопоезда, силы внешнего и внутреннего взаимодействия, энергетические характеристики, влияние бокового увода, изменение скорости движения при входе в кривую и выходе из нее и т.д.

Программа предусматривает вывод графической информации.

В качестве примера рассмотрен случай движения лесовозного автопоезда с двумя пакетами хлыстов по заданной траектории в виде "восьмерки" в режиме торможения при входе в кривую, последующего равномерного движения и разгона при выходе из кривой.

Программа может стать рабочим инструментом в руках проектировщиков и эксплуатационных работников, занятых в сфере транспорта и дорожного строительства.

16. Проведенные исследования могут быть положены в основу создания новых типов многозвенных лесовозных автопоездов, пред-

назначенных для многопакетной вывозки древесины, и использованы при проектировании лесовозных дорог, обосновании и назначении норм эксплуатации.

Результаты исследований внедрены и используются в практической деятельности Всесоюзного лесопромышленного объединения "Пермлеспром" и Головного конструкторского бюро по автомобильным и тракторным прицепам Министерства автомобильной промышленности СССР, ГУЛ "Марийскавтодор", СКБ-1 и учебном процессе Марийского государственного технического универитета.

Основное содержание диссертации отражено автором

в монографии

1. Соколов Г.М. Движение лесовозного автопоезда на кривых. Теория. Расчет. Эксперимент. ВИНИТИ. 1998. N 2507-В98, 274с.

в статьях

1. Мельников В.И., Соколов Г.М. Аналитическое определение взаимного положения основных элементов лесовозных автопоездов при движении их на криволинейных участках //Изв.вузов. Лесн.журн.- 1972.- N 4,- С.39-47.

2. Мельников В.И., Соколов Г.М. К исследованию динамики лесовозных автомобильных поездов на кривых //Проектирование, строительство и эксплуатация лесовозных дорог.:Материалы Всесо-юз. науч. конф. Минск, 1972,- С.196-202.

3. Мельников В.И., Соколов Г.М. Пример аналитического определения взаимного положения основных элементов лесовозного- автопоезда с прямой дышловой сцепкой при движении его на криволинейном участке: Сб. по обмену произв. и науч. опытом. Йошкар-Ола, 1974.- С.112-118.

4. Соколов Г.М. Аналитическое исследование геометрических и кинематических параметров криволинейного движения лесовозного автопоезда: Материалы конф. по итогам науч.-исслед. работ за 1973 год./МарПИ. Йошкар-Ола, 1974.- С.39-44.

5. Соколов Г.М. Аналитическое исследование динамики криволинейного движения лесовозного автопоезда. - Там же.- С.45-49.

6. Соколов Г.М. Физическое моделирование криволинейного движения лесовозного автопоезда. - Там же.- С.50-55.

7. Соколов Г.М. Методика экспериментальных исследований криволинейного движения лесовозного автопоезда методом физического моделирования. - Там же.- С.55-57.

8. Соколов Г.М. О режимном коэффициенте поворота лесовозного автопоезда по кривым: Материалы конф. по итогам науч.-исс-лед. работ за 1974 год./МарПИ. Йошкар-Ола, 1975.- С.42-52.

9. Соколов Г.М. Аналитическое исследование влияния отклонений размеров крестообразной сцепки на ее работу.- Там же.-С.52-57.

10. Соколов Г.М. Анализ кинематических параметров криволинейного движения лесовозного автопоезда.- Там же.- С.57-65.

И. Соколов Г.М. Результаты модельных исследований криволинейного движения лесовозного автопоезда.- Там же.- С.178-180.

12. Соколов Г.М. Методика экспериментальных исследований криволинейного движения лесовозного автопоезда.- Там же.-С.181-183.

13. Соколов Г.М. Некоторые результаты экспериментальных исследований криволинейного движения лесовозного автопоезда МАЗ-509 + 2-Р-15 + пакет хлыстов.- Там же.- С.184-186.

14. Соколов Г.М. Исследование геометрических параметров плоского движения твердого тела. ВИНИТИ, 1985. N 3310-85. 22 с.

15. Соколов Г.М. Исследование точек подвижной плоскости по геометрическим признакам. ВИНИТИ, 1985. N 3309-85. 34 с.

16. Соколов Г.М. Аналитическое определение габаритной полосы плоского движения твердого тела. ВИНИТИ, 1985. N 3308-85. 21 с.

17. Соколов Г.М. Основы расчета параметров многозвенного лесовозного автопоезда в условиях нестационарных режимов движения на кривых: Дисс... канд. техн. наук. М., 1987.- 243 с.

18. Соколов А.Г., Соколов Г.М. Расчетная оценка эксплуатационных усилий в сцепке автопоезда повышенной грузоподъемности. ВИНИТИ. N 823-В95. 13 С.

19. Соколов А.Г., Соколов Г.М. Функциональная структура тро-со-блочной сцепки. ВИНИТИ. N 2387-В95. 12 с.

20. Соколов А.Г., Соколов Г.М. К вопросу определения габаритной полосы плоского движения твердого тела. ВИНИТИ, 1995.

N1502-1395. 15 С.

21. Соколов Г.М. Математическое моделирование и расчет параметров многозвенного лесовозного автопоезда при нестационарном движении на кривых. Научная конференция профессорско-преподавательского состава, докторантов, аспирантов, сотрудников МарГТУ. Йошкар-Ола, май 1996г. С.70-72.

22. Соколов А.Г., Соколов Г.М. Математическая модель процесса выхода вездехода "Каспий" из воды на лед. //Тр./МарГТУ. -Вып. 3. Йошкар-Ола, 1996. С.60-61.

23. Соколов А.Г., Соколов Г.М. Определение неподвижной центроиды при качении тел заданной формы в условиях задачи

B.П.Маковецкого ВИНИТИ, 1996. N 3852-В96. 27 с.

24. Соколов А.Г., Соколов Г.М. Исследование наиболее удаленных от мгновенных центров вращения точек эллипса при его качении в условиях задачи П.В.Маковецкого. ВИНИТИ, 1996. N3853-696. 16 с.

25. Соколов А.Г., Соколов Г.М. Кратность обкатывания тела заданного контура в условиях задачи П.В.Маковецкого. ВИНИТИ, N 636-В97. 36 с.

26. Соколов Г.М. Задачи математического моделирования нестационарного движения многозвенного лесовозного автопоезда на кривых. Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции "Теория проектирования и методы расчета лесных и деревообрабатывающих машин". Москва, янв. 1997г. С.9-10.

27. Соколов Г.М. Расчет габаритной полосы лесовозного автопоезда на кривых. Вторые "Вавиловские чтения". Всероссийская междисциплинарная научная конференция. Йошкар-Ола, дек. 1997г.

C.94-95.

28. Соколов А.Г., Соколов Г.М. Способы задания плоского движения по геометрическим признакам. Тезисы докладов. Вторые "Вавиловские чтения". Всероссийская междисциплинарная научная конференция. Йошкар-Ола, дек.1997г. С.93.

29. Соколов Г.М. К расчету уширений дорожного полотна лесовозных автомобильных дорого на переходных кривых. Всероссийская научная конференция "Нетрадиционные методы проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог". Суздаль, апр. 1998г. С.108-110.

30. Соколов Г.М. Комплексные исследования и расчет парамет-

ров многозвенного лесовозного автопоезда в условиях движения на кривых //Материалы международной конф. "Европейские исследования: перспективы развития". - Йошкар-Ола, 9-11 апреля 1998г.

31. Курьянов В.К., Соколов Г.М. Методика натурных испытаний лесовозных автопоездов в производственных условиях. // Материалы международной научно-практической конф. "Научно-технические проблемы в развитии ресурсосберегающих технологий и оборудования лесного комплекса" - Воронеж, 24-26 сентября 1998. -С. 210-212.

32. Соколов Г.М., Курьянов В.К. Особенности расчетов показателей движения лесовозного автопоезда с управляемым роспуском на кривых. ВИНИТИ, 1998. N 2153-В98. 45 с.

33. Sokolov G.M. Mathematical model-operation of unstatic hotion of timber articulated lorry through curvilinear ways. Hungary. Finno-ugricdays of mechanics. 1995.

Просим Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, направлять по адресу: 394613 г.Воронеж, ул. Тимирязева, 8, ВГЛТА, ученому секретарю совета.

Соколов Геннадий Максимович

ПОВЫШЕНИЕ ТРАНСПОРТНО-ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ КАЧЕСТВ ЛЕСОВОЗНОГО АВТОПОЕЗДА ПРИ ДВИЖЕНИИ НА КРИВЫХ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

ЛР N 020302 от 18.02.97. . Подписано в печать 04.11.98., Печать офсетная. Тираж Отдел оперативной 424006 Республика Марий Эл, г

ШЩ N 2018 ot05.1O.94. Формат 60x84/16. Усл.печ.л.2,0. 100 экз. Заказ N 1758. полиграфии МарГТУ. '.Йошкар-Ола, ул. Панфилова,17



Президиум ВАК России;

{решение от " н 19 ¿£ г., № присудил ученую степень ДОКТОРА

_наук

ВАК России

МАРИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Соколов Геннадий Максимович

ПОВЫШЕНИЕ ТРАНСПОРТНО-ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ КАЧЕСТВ ЛЕСОВОЗНОГО АВТОПОЕЗДА ПРИ ДВИЖЕНИИ НА КРИВЫХ

Специальность 05.21.01 "Технология и машины лесного хозяйства и лесозаготовок"

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

На правах рукописи

Научный консультант доктор технических наук, профессор Курьянов В. К.

ЙОШКАР-ОЛА-1998

СОДЕРЖАНИЕ

Принятые основные обозначения............................ 5

ВВЕДЕНИЕ................................................. 9

1. ОБОБЩЕНИЕ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ТРАНСПОРТНО-ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ КАЧЕСТВ ЛЕСОВОЗНОГО АВТОПОЕЗДА

1.1. Особенности движения лесовозного автопоезда на кривых.... 19

1.2. Состояние вопроса........................................ 20

1.3. Цель и задачи исследования............................... 36

2. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ДВИЖЕНИЯ ЛЕСОВОЗНОГО АВТОПОЕЗДА НА КРИВЫХ

2.1. Общие сведения............................................40

2.2. Геометрические характеристики и способы задания плоского движения твердого тела................................ 46

2.3. Геометрические признаки точек подвижной плоскости........ 6 4

2.4. Габаритная полоса движения тела заданного контура........ 90

2.5. Плоское движение взаимосвязанной системы тел............. 99

2.6. Выводы...................................................103

3. ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИЖЕНИЯ ЛЕСОВОЗНОГО АВТОПОЕЗДА С УПРАВЛЯЕМЫМ РОСПУСКОМ НА КРИВЫХ

3.1. Режимные коэффициенты поворота...........................105

3.2. Особенности крестообразной сцепки как управляющего органа................................................... 129

3.3. Соотношения между геометрическими параметрами движения основных элементов лесовозного автопоезда на кривых......141

3. 4. Расчет параметров тросо-блочной сцепки конструкции ГКБ...165

3.5. Замечание по учету влияния бокового увода и бокового скольжения на геометрические параметры движения. Примеры расчета.............................................17 4

3.6. Выводы...................................................177

4. ОЦЕНКА КИНЕМАТИКИ И ДИНАМИКИ ДВИЖЕНИЯ ЛЕСОВОЗНОГО АВТОПОЕЗДА НА КРИВЫХ

4.1. Кинематика

4.1.1. Линейные и угловые скорости..............................181

4.1.2. Линейные и угловые ускорения.............................186

4.1.3. Выводы...................................................190

4.2. Динамика

4.2.1. Краткая характеристика внешних сил, действующих на ле-

совозный автопоезд на кривых.............................192

4. 2. 2. Баланс кинетической энергии лесовозного автопоезда на

кривой...................................................195

'4.2.3. Уравнения динамического равновесия основных элементов

лесовозного автопоезда...................................197

4. 2.4. Выводы...................................................211

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДВИЖЕНИЯ ЛЕСОВОЗНОГО АВТОПОЕЗДА НА КРИВЫХ

5.1. Цель и задачи экспериментальных исследований.............213

5.2. Модельный эксперимент

5.2.1. Обоснование применения метода физического моделирования. Сведения из теории подобия и размерностей...........21 4

5.2.2. Определение критериев подобия явлений и процессов криволинейного движения лесовозного автопоезда..............218

5.2.3. Определение моментов инерции основных элементов..........222

5.2. 4. Конструкция механической модели лесовозного автопоезда

и методика экспериментальных исследований................225

5.3. Натурный эксперимент. Задачи и методика натурных испытаний в производственных условиях........................2 44

5. 4. Результаты экспериментальных исследований

5. 4.1. Методика обработки экспериментальных данных..............250

5. 4. 2. Результаты модельных экспериментов.......................253

5. 4.3. Результаты натурных экспериментов........................257

5.4. 4. Сравнительная оценка результатов модельных и натурных

испытаний................................................262

5.5. Выводы...................................................263

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ..............................266

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.........................270

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1. Пример определения влияния отклонений размеров элементов крестообразной сцепки на ее функциональную структуру.......................................282

Приложение 2. Программа для ЭВМ "Комплексное исследование нестационарного движения многозвенного лесовозного автопоезда на кривой /геометрия, кинематика, динамика/"..28 4 Приложение 3. Акт о внедрении научно-исследовательской работы "Исследование криволинейного движения лесовозно-

го автопоезда методом физического моделирования" во

Всесоюзном промышленном объединении "Пермлеспром"........329

Приложение 4. Акт о внедрении материалов диссертационной работы в Головном конструкторском бюро по прицепам

Министерства автомобильной промышленности СССР...........332

Приложение 5. Акт о внедрении результатов научных исследований в учебный процесс МАРПИ.......................33%

Приложение 6. Акт о внедрении материалов диссертации в СКБ-1 Марийского политехнического института им.Горького.. 335 Приложение 7. Акт о внедрении материалов диссертации

в учебный процесс МарГТУ.................................336

Приложение 8. Акт о внедрении материалов монографии в

СКБ-1 МарГТУ.............................................337

Приложение 9. Акт о внедрении материалов монографии в "Марийскавтодор".........................................338

Принятые основные обозначения

La - база автомобиля-тягача, м; Ьд - длина дышла, м; LK - расстояние между кониками, м; Ln - длина пакета, м;

B-l , В2 - размеры тяговых балок тягача и роспуска, м; п - вынос сцепного крюка, м; LT - длина тяговых тросов, м; в1к-в2к " ширина колеи передних и задних колес автомобиля, м;

гд - динамический радиус колеса, м; ^са»hCp,hCn, 11д - высота расположения центров тяжести автомобиля, роспуска, пакета хлыстов и дышла над опорной плоскостью, м; hT - высота тяговых тросов над опорной плоскостью, м;

hap-hpn - высота расположения горизонтальных плоскостей контакта пакета хлыстов с кониками автомобиля и роспуска, м; х, у - координаты точек в неподвижной системе отсчета, м;

/а, и - координаты точек в подвижных системах отсчета, жестко связанных с отдельными элементами автопоезда, м; Rj - радиус кривизны траектории j-той точки, м; s2 - путь средней точки задней оси автомобиля

вдоль основной траектории, м; а3 - угол между направлением перемещения j-той точки и продольной осью соответствующего основного элемента автопоезда, рад, град; ф - угол между продольными осями автомобиля и

дышла, рад, град; ар - угол между направлением перемещения средней точки роспуска и продольной осью дышла, рад, град;

X - угол между продольными осями автомобиля и пакета хлыстов, рад, град; б,|3,б - конструктивные углы крестообразной сцепки;

- угол между продольной осью ]_-того основного элемента лесовозного автопоезда и положительным направлением оси X, рад, град;

Ч - центральный угол, характеризующий положение средней точки передней оси автомобиля, рад, град;

Ск - смещение траектории средней точки роспуска относительно траектории средней точки задней оси автомобиля, м;

кп;1- режимный коэффициент поворота в о~той точке, рад/м;

кх - режимный коэффициент поворота 1-того элемента, рад/м;

- скорость З-той точки, м/с;

¥т3,¥п-)- - касательное и нормальное ускорения ¿'-той точки, м/с2;

а)! - угловая скорость 1-того элемента, рад/с;

£]_ - угловое ускорение 1-того элемента, рад/с2;

Узпр - скорость относительного скольжения пакета хлыстов по заднему конику, м/с;

~ производная п-го порядка угла поворота 1-того элемента по перемещению вдоль его продольной оси, рад/м, рад/м2 и т.д.;

Ъ - время, с;

1% - масса 1-того элемента, кГ;

^ - момент инерции 1-того элемента относительно вертикальной центральной оси, кГм2;

й! - вес 1-того элемента, н;

Рк - движущая сила автомобиля (сила тяги), н;

РГ1- сила сопротивления качению колес 1-той оси,н;

11,Ч1Л1 - продольная, поперечная и вертикальная реакции, действующие на 1-тую ось, н;

Му1- момент, действующий на 1-тую ось и возникающий от неравенства продольных реакций внешнего и внутреннего колес при движении на кри-

вой, нм;

fiM <h"> Fiu <й" ~ продольная и поперечная силы инерции i-того

элемента, н; - инерционный момент i-того элемента, нм;

фсц - коэффициент сцепления колес с опорной поверхностью;

Мкр'Мка ~ коэффициент сцепления пакета хлыстов с кониками роспуска и автомобиля;

Тл, ТПр - усилия в левом и правом тросах сцепки, н;

Quu - продольное и поперечное усилия, действующие со стороны j-того элемента на i-тый, н;

М13 - момент, действующий со стороны j-того элемента на i-тый, нм;

Сд, Стр - коэффициенты жесткости дышла и тяговых тросов, н/м;

ск - константа подобия для к-того параметра; р - плотность, кГ/м3;

U^t'Vi - система координат, жестко связанная с i-тым плоско движущимся телом;

CEF - расхождение между траекториями точек Е и F;

Г^.Гг - габаритные линии плоского движения тела известного профиля;

Gi,G2 - габаритные точки линий и Г2 ;

Фпк _ Угол между осями координат, связанных с п-тым и k-тым телами.

Индексы:

а - автомобиль,

р - роспуск,

п - пакет хлыстов,

д - дышло,

м - модель,

н - натура,

д - продольная ось элемента автопоезда,

и - поперечная ось элемента автопоезда,

1,2 - средняя точка передней и задней осей автомобиля,

3 - средняя точка роспуска,

1 - 1 - тое тело в системе (номер основного элемента),

а - 3 - тая точка.

ВВЕДЕНИЕ

В условиях работы лесозаготовительных предприятий важнейшую роль играет транспорт леса, основное и решающее звено лесозаготовительного процесса, от ритмичности работы которого во многом зависит работа предприятия в целом.

В доперестроечный период на предприятиях лесозаготовительного производства страны работало порядка 1400 лесовозных автомобильных дорог протяженностью 100 ООО км и около 189 железных дорог колеи 750 мм протяженностью 13900 км. Ежегодно строилось более 12 тысяч км постоянных путей лесовозных дорог и свыше 40 тыс. км временных (сроком действия до 1 года). В частности, в 1984 году в лесозаготовительных предприятиях Министерства лесной промышленности СССР было построено »10000 км лесовозных автомобильных дорог.

Транспортировка древесины сопряжена со значительными затратами материальных средств. Затраты на строительство лесовозных дорог, приобретение тяговых средств и прицепного подвижного состава составляют 25-40%% от объема капиталовложений, предназначенных на строительство новых лесозаготовительных предприятий. Удельный вес транспортных средств составляет 45-50%% от всей себестоимости лесопродукции [103].

Следует отметить, что несмотря на достигнутые успехи в деле развития и совершенствования лесозаготовительного производства, эффективность работы предприятий продолжает оставаться до настоящего времени еще недостаточно высокой. Перед всеми отраслями народного хозяйства и, в частности, самым непосредственным образом, перед лесной промышленностью стоит задача повышения эффективности и рентабельности предприятий.

В условиях работы лесозаготовительных предприятий решение поставленной задачи тесно связано с повышением эффективности и рентабельности лесовозного транспорта.

В перспективе дальнейшего развития транспорта, особенно автомобильного, должно быть предусмотрено увеличение грузооборота за счет выпуска автомобилей большой грузоподъемности, автомобильных поездов, а также за счет увеличения объема строительства новых и реконструкции имеющихся автомобильных дорог.

Объем лесовывозки в Советском Союзе составлял около 450 млн. м3 в год. На долю лесовозного автомобильного транспорта приходилось более 85% общего объема механизированной вывозки древесины [1]. Поэтому меры по дальнейшему развитию автомобильного транспорта общего назначения в полной мере относятся к лесовозному автомобильному транспорту.

Перед исследователями, конструкторами и эксплуатационными работниками, занятыми в сфере лесовозного автомобильного транспорта, первоочередной задачей стоит разработка и осуществление мероприятий, способствующих повышению экономической эффективности его работы.

Существо этой задачи можно определить следующими тремя направлениями.

1. Разработка более прогрессивных конструкций тягового и подвижного состава.

2. Улучшение качества строительства и содержания лесовозных автомобильных дорог.

3. Совершенствование организации их работы.

При ее решении с разработкой новых, прогрессивных конструкций тягового и подвижного состава тесно переплетается задача выявления и использования резервных возможностей имеющегося автомобильного парка.

С этой точки зрения, одним из самых эффективных путей повышения производительности лесовозного автомобильного транспорта является широкое использование автомобильных поездов.

Рост мощностей автомобилей-тягачей, выпускаемых отечественной промышленностью, позволяет практически решать вопросы, связанные с созданием большегрузных автопоездов.

Действительно, из истории отечественного лесопромышленного производства известно, что в свое время с помощью трактора мощностью порядка 30-40 л.с. санным путем осуществлялась транспортировка до 700 м3 древесины одновременно. В настоящее время тягачи, обладающие мощностью, значительно превышающей это значение, в составе автопоездов перевозят 25-30 м3. Отсюда вытекает вполне очевидная необходимость более полного использования резерва мощности тягачей, применяемых для перевозок древесины в хлыстах.

Особое место в этом направлении занимает разработка мно-

гозвенных автопоездов, предназначенных для транспортировки двух и более пакетов древесины в хлыстах.

Однако до настоящего времени существенным недостатком лесовозных автомобильных поездов продолжает оставаться недостаточно высокий уровень их конструктивного совершенства. Это объясняется главным образом тем, что теоретические и экспериментальные исследования, а также основанные на них методы расчета в большинстве своем относятся к автомобильным поездам общего назначения. Специфический характер условий эксплуатации лесовозного автомобильного транспорта не нашел должного отражения в существующих расчетных методах, и поэтому отдельные параметры прицепного состава нередко назначаются недостаточно обоснованно, а комплектование лесотранспортных единиц исходит из наличия транспортных средств и технических возможностей отдельных предприятий.

Повышение производительности лесовозного автомобильного транспорта по своей сути сводится к повышению грузоподъемности автопоездов и увеличению скорости их движения. Создание скоростных лесовозных автопоездов, комплектация их схем, разработка и совершенствование отдельных узлов, а также рекомендации по режимам движения должны быть основаны на базе обстоятельных теоретических и экспериментальных исследований процессов и явлений, происходящих при движении подобных транспортных систем.

Несмотря на отдельные успехи, достигнутые в области этих исследований, их общий уровень до сих пор не отвечает требованиям конструкторов и эксплуатационных работников лесовозного автомобильного транспорта.

Среди всех направлений теоретических и экспериментальных работ особое место занимает исследование криволинейного движения лесовозного автопоезда. Необходимость глубокого и всестороннего изучения его особенностей, с одной стороны, определяется наличием часто встречающихся криволинейных участков лесовозных дорог (особенно в горных местностях, где кривые составляют 70% от их общей протяженности), то есть диктуется эксплуатационными условиями производства. С другой стороны, криволинейное движение лесовозного автопоезда, сопровождающееся "складыванием" последнего, является весьма сложным процессом, при котором проявляются его важные характерные особенности. Поэтому поведе-

ние автопоезда при этом движении является одним из основных критериев в оценке его, как транспортной системы, а данные об этом процессе должны быть положены в основу расчетных методов при проектировании.

Несмотря на очевидную необходимость исследования особенностей криволинейного движения лесовозных автомобильных поездов, список работ в этом направлении крайне ограничен. Общим недостатком проведенных до сих пор исследований является то, что в них, главным образом, изучались процессы и явления, происходящие при установившемся криволинейном движении лесовозного автопоезда. Такой вид движения в эксплуатационных условиях является далеко не типичным, а скорее исключительным, что в значительной мере снижает ценность результатов этих работ. В условиях лесозаготовительного производства в подавляющем большинстве случаев криволинейное движение лесовозных автопоездов состоит из переходных стадий, которые по физическому смыслу качественно отличаются от установившегося движения и которым сопутствуют явления, значительно более сложные.

Настоящая работа посвящена теоретическим и расчетно-экспе-риментальным исследованиям движения лесовозного автопоезда по криволинейным участкам пути. В ней учтены и использованы результаты имеющихся уже в этом направлении работ. Большинство же вопросов решалось на основе самостоятельных разработок автора [35-38, 68, 87-89, 108-139, 166].

Актуальность темы. Развитие транспорта, в