УДК 621.86

ИССЛЕДОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ БАЗОВОГО ШАССИ КРАНА-МАНИПУЛЯТОРА

С ПОМОЩЬЮ МНОГОМАССОВЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

Разработаны многомассовые динамические модели крана-манипулятора при движении с грузом. С их помощью проанализированы динамические воздействия на основные элементы конструкции и оператора машины, оснащенной краном-манипулятором.

Ключевые слова: кран-манипулятор, движение с грузом, динамика, многомассовая модель.

Для детального исследования динамической нагруженности при движении с грузом требуется представление элементов крана-манипулятора как стержней с распределенными параметрами. Для решения такой задачи в работах [1; 2] использован метод конечных элементов. В то же время для решения различных прикладных задач, например при исследовании вибронагруженности оператора, это не требуется, потому что основное воздействие на человека оказывает геометрическая неровность опорной поверхности [1].

Рис. 1. Многомассовая модель движения машины

с краном-манипулятором

В связи с этим можно перейти от конечноэлементной к многомассовой модели (рис. 1), содержащей инерционные элементы, соединенные упруго-диссипативными связями. Это позволит снизить трудоемкость расчетов, что особенно важно при предварительных расчетах различных компоновочных вариантов базового шасси крана-манипулятора.

Базовое шасси крана-манипулятора совершает вертикальные и вращательные колебания в продольной и поперечной плоскостях.

Для сокращения числа уравнений движения опорные катки с каждой стороны машины приведены к двум массам
(m1 и m2). Первая отображает переднюю рычажную систему, вторая – заднюю рычажную систему с параметрами.

Геометрические неровности опорной поверхности , , и моделируются случайным образом по алгоритму [1].

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

В модели кран-манипулятор представляется сосредоточенной массой и упруго-диссипативной связью с параметрами , . Модель предполагает, что стрела крана-манипулятора находится в положении для проезда стесненных участков [1], так как она не учитывает возможность бокового перекоса шасси.

Другая группа элементов отвечает за колебания кабины и оператора машины. Она включает в себя следующие элементы: m50 – масса кабины, m51 – масса тела человека вместе с приведенной массой кресла, m52 – масса головы человека. Жесткость с60 и вязкость соответствуют демпфирующим опорам кабины, с51 и – креплению кресла,
с52 и – телу человека.

Запишем общий вид уравнений движения динамической системы:

Внутренние динамические усилия в конструкции записываются следующим образом:

где – вертикальные линейные перемещения элементов системы; – угловые перемещения (повороты) базы машины (); , , – массы, жесткости и коэффициенты диссипации элементов системы; – моменты инерции базы машины; – ширина колеи (базы) машины; – расстояния между элементами конструкции.

Масса крана-манипулятора вычисляется следующим образом:

,

где – масса поднимаемого груза; – приведенная к точке подвески груза масса металлоконструкции крана-манипулятора (вычисляется по известным зависимостям [2]).

Для машины АСТ-4-А следует использовать следующие значения параметров динамической модели: кг, кг, кг, кг, кг, кг, кг, Н/м, кН/м, кН/м, кН/м, кН/м, кН/м, кНс/м, кНс/м, кНс/м, кНс/м, кНс/м, кНс/м, кНс/м, м,
м, м, м.

Жесткость крана-манипулятора определяется исходя из экспериментальных
данных, аналитического расчета или по результатам численного моделирования.
Для определения жесткости крана-манипулятора использована полная конечноэлементная модель [3], включающая в себя все элементы несущей металлоконструкции крана-манипулятора: поворотную колонну, стрелу, рукоять, два гидроцилиндра и шарниры.
Результаты расчета показаны на рис. 2.

а) б)

Рис. 2. Результаты конечноэлементного расчета:

а – напряжения, МПа; б – перемещения, м

При подъеме груза весом P=7357,5 Н перемещение точки подвеса груза вдоль вертикальной оси 0,0904 м. Следовательно, жесткость крана-манипулятора

кН/м.

Для решения системы дифференциальных уравнений движения разработана компьютерная программа. Интегрирование уравнений при нулевых начальных условиях выполнено методом Рунге-Кутта четвертого порядка.

Полученные реализации динамической нагруженности для различных элементов модели при движении машины по асфальтобетонной дороге с подвешенным на кране-манипуляторе грузом показаны на рис. 3.

, м

Время, с

, м

Время, с

, м

Время, с

, м

Время, с

Рис. 3. Динамическая нагруженность при движении с грузом

по асфальтобетонной дороге

На основании выполненных расчетов можно сделать следующие выводы о воздействии геометрической неровности опорной поверхности на динамическую нагруженность базового шасси крана-манипулятора и вибронагруженность оператора машины:

1. Наибольшие амплитуды, скорости и ускорения колебаний наблюдаются в элементах подвески базового шасси крана-манипулятора, что связано с наличием в динамической системе неподрессоренных масс (опорных катков). База машины () колеблется с меньшими амплитудами, так как основное назначение элементов подвески – снижение воздействия геометрической неровности пути на основные несущие элементы машины и транспортируемые объекты. Амплитуда колебаний кресла оператора выше, чем амплитуда колебаний базы. Эти качественные выводы хорошо согласуются с данными экспериментальных исследований [4].

2. При движении машины АСТ-4-А с транспортной скоростью (2 км/ч) амплитуда колебаний базы машины в 50-100 раз, а амплитуда колебаний тела и головы оператора машины в 20-50 раз ниже амплитуды колебаний опорных катков. Таким образом, подвеска машины АСТ-4-А защищает оператора, кран-манипулятор и транспортируемый груз. Это главным образом связано с низкой скоростью движения и большой массой базы.

3. С увеличением неровности дорожного полотна растут амплитуды колебаний всех элементов системы, в том числе тела и головы оператора.

4. Колебания груза на подвесе оказывают незначительное влияние на нагруженность оператора машины, которая определяется воздействием микрорельефа опорной поверхности.

Дальнейшие исследования будут посвящены оценке влияния волнистости опорной поверхности с длиной волны, сопоставимой с длиной машины, оснащенной краном-манипулятором.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.  Лагерев, нагруженность крана-манипулятора машины для сварки трубопроводов при движении с грузом / // Подъемно-транспортное дело. – 2011. – №3. – С. 7-9.

2.  Лагерев, динамической нагруженности и оптимизация трехзвенных гидравлических кранов-манипуляторов транспортно-технологических машин для сварки трубопроводов: автореф. дис. … канд. техн. наук / . – Брянск, 2011. – 18 с.

3.  Лагерев, напряженно-деформированного состояния крана-манипулятора машины для сварки трубопроводов / // Изв. высш. учеб. заведений. Машиностроение. – 2011. – №4. – С. 29-36.

4.  Корчагин, динамических воздействий на оператора автогрейдера в транспортном режиме / , , . – Омск: СибАДИ, 2009. – 195 с.

Материал поступил в редколлегию 9.01.13.