Bezpieczeństwo ruchu przegubowych maszyn inżynieryjnych na podwoziu kołowym

Transkrypt

1 DUDZIŃSKI Piotr 1 SKURJAT Aleksander 2 Bezpieczeństwo ruchu przegubowych maszyn inżynieryjnych na podwoziu kołowym WSTĘP Rosnące wymagania stawiane przegubowym pojazdom roboczym, szczególnie te dotyczące podniesienia maksymalnej prędkości poruszania się sprawiają, że konieczne jest określenie wpływu czynników powodujących jej ograniczenie. Są to min. rodzaj zastosowanego przeniesienia napędu na koła pojazdu, sztywność ekwiwalentna hydraulicznego układu skrętu, sposób oddziaływania operatora na układ kierowniczy, parametry opon w tym jej sztywność promieniowa, boczna i inercja. Więcej informacji można odnaleźć w [1, 2, 4, 6, 7]. Okazuje się, że równie ważnym aspektem wpływającym na wężykowanie pojazdów przegubowych jest usytuowanie (odległość) przegubu skrętu od np. osi kół przednich pojazdu oraz wpływ sprężystości i tłumienia między tylnym mostem wahliwym a ramą tylną połączonymi w sposób obrotowy. Badania symulacyjne i doświadczalne jednoznacznie wykazały, że zwiększenie sztywności połączenia tylnego mostu wahliwego z ramą pozwala podnieść bezpieczeństwo ruchu poprzez zwiększenie zapasu stateczności wywrotnej. Pojazd jest wtedy mniej podatny na możliwość ewentualnego wywrócenia się. Badania symulacyjne przestawione w niniejszej pracy wykazały również, że sztywność i tłumienie połączenia tylnego mostu wahliwego ma również wpływ na otrzymywaną trajektorię ruchu pojazdu oraz, że wzajemne oscylacje kąta w układzie skrętu i wokół tylnego mostu wahliwego są ze sobą powiązane. Prowadzone badania wykazały również, że istotny na bezpieczeństwo ruchu jest wpływ wielkości wzmocnienia układu skrętu. Za wzmocnienie układu skrętu rozumie się odwrotność liczby obrotów koła kierownicy aby wykonać skręt pojazdu między dwoma skrajnymi położeniami ram. Został zaproponowany innowacyjny układ skrętu umożliwiający taką regulację: manualnie, w funkcji prędkości, i w zależności od wyboru elementu sterującego: joystick, kierownica. Wymienione powyżej badania nad zjawiskiem wężykowania przeprowadzone zostały w środowisku MSC Adams, na zweryfikowanym modelu ładowarki produkcji Fadroma Ł220. Weryfikacji poddane zostały reakcje pionowe każdego z kół pojazdu; przeprowadzono badania sztywności ekwiwalentnej układu skrętu i opon wielkogabarytowych; porównano reakcje między siłownikami układu skrętu a ramą pojazdu przy użyciu specjalistycznych sworzni pomiarowych oraz czujników ciśnienia każdej z komór cylindrów hydraulicznych. Błąd nie przekraczał 6%. Porównanie obiektu rzeczywistego i modelu przyjętego do symulacji przedstawiono na rys Prof. dr hab. inż. Piotr Dudziński, Katedra Inżynierii Maszyn Roboczych i Pojazdów Przemysłowych Politechniki Wrocławskiej, ul. I. Łukasiewicza 7/9, Wrocław, piotr.dudzinski@pwr.edu.pl 2 dr inż. Aleksander Skurjat, Katedra Inżynierii Maszyn Roboczych i Pojazdów Przemysłowych Politechniki Wrocławskiej, ul. I. Łukasiewicza 7/9, Wrocław, aleksande.skurjat@pwr.edu.pl 371

2 Rys. 1. Porównanie obiektu rzeczywistego i modelu przyjętego do symulacji ładowarki łyżkowej Fadroma Ł WPŁYW USYTUOWANIA PRZEGUBU UKŁADU SKRĘTU NA ZJAWISKO WĘŻYKOWANIA POJAZDU Położenie przegubu skrętu ma bezpośredni wpływ na osiągany promień skrętu pojazdu i tym samym na ilości miejsca niezbędnego do zawrócenia pojazdu. Porównanie manerowalności pojazdu przegubowego oraz pojazdów z przednimi tylnymi i wszystkimi kołami skrętnymi pokazane jest na rysunku 2. Rys. 2. Porównanie różnych układów skrętu i ich manewrowalności [2] Na rysunku 3 przedstawiono różne konfiguracje układów skrętu uzyskane w wyniku zmiany położenia przegubu skrętu, ilość niezbędnego miejsca do zawrócenia pojazdu oraz przyjęte oznaczenia. 372

3 Rys. 3. Wpływ położenia przegubu skrętu na rodzaj otrzymanego układu skrętu W przypadku, gdy przegub skrętu pojazdu przegubowego pokrywa się ze środkiem przedniego mostu napędowego, tak więc zachodzi L p /L=0 uzyskujemy układ skrętu ze skrętną przednią osią natomiast, gdy L p /L=1 tylną osią. Można zauważyć, że wielkość pierścienia B dla L p /L=1 oraz L p /L=0 jest znacznie większy w stosunku do L p /L=0,5. Zmieniają się również promienie zataczane przez środki przedniego i tylnego mostu napędowego r p i r t. Tak więc, aby otrzymać minimalny odcinek B niezbędny do zawrócenia przegub układu skrętu powinien znajdować się w połowie rozstawu kół. Takie rozwiązanie ma jeszcze jedną dodatkową korzyść. Ślady przednich i tylnych kół pokrywają się, dzięki czemu nie tworzy się dodatkowych kolein, co w przypadku pojazdów rolniczych jest istotne. Badania symulacyjne wpływu położenia przegubu L p /L na zjawisko wężykowania przeprowadzono w środowisku MSC Adams. Wymuszenie oddziałujące na pojazd następowało w chwili wirtualnego najazdu tylko jednego z kół na przeszkodę o wysokości 15cm [6, 7]. Przyjęty w ten sposób plan eksperymentu podyktowany był chęcią wyeliminowania drugiego wymuszenia koła tylnego, co skutkowało by nałożeniem się lub wytłumieniem oscylacji układu skrętu i zafałszowaniem wyników. Koleinie przeanalizowano trajektorię ruchu wybranego punktu (środka przedniego mostu) pojazdu. Poniżej przedstawiono wykresy przemieszczenia wzdłużnego względem poprzecznego wybranego punktu ładowarki kołowej. Wyniki badań wpływu położenia przegubu skrętu L p /L na trajektorie ruchu pojazdu pokazane są na rysunku 4. Rys. 4. Wpływ położenia przegubu skrętu na dopuszczalną trajektorie ruchu pojazdu przegubowego Dozwolone przemieszczenie boczne pojazdu ograniczone jest korytarzem o określonej szerokości i opisanej w normie [3]. Na wykresie normatywny obszar dopuszczalny przemieszczenia bocznego ograniczony został prostymi granica stabilności. 373

4 Badania wykazały, że konstrukcyjne przesunięcie przegubu skrętu ma istotny wpływ na drogę, jaką pojazd może przebyć podczas badania normowego. Okazuję się, że przesunięcie przegubu obrotu w stronę przednich kół (i kierunku jazdy) powoduje znaczne wydłużenie przebytego normatywnego odcinka. W tym przypadku otrzymujemy układ skrętu zbliżony do tego z przednią osią skrętną. Dla badanego pojazdu odcinek przebytej drogi wydłużył się około 1,7 krotnie względem położenia przegubu układu skrętu zastosowanego przez producenta w tym pojeździe czyli stosunku L p /L=0,58. Należy jednak zauważyć, że obszar B, zataczany przez pojazd i narzędzie robocze jest największy przy przesunięciu osi obrotu w skrajne położenia tylnie (L p /L=1) i przednie (L p /L=0). Między innymi z tego powodu pojazdy robocze ze skrętną osią lub skrętnymi kołami nie są chętnie stosowane w przemyśle a chęć ograniczenia tego obszaru do minimum powoduje przesunięcie przegubu skrętu często w położenie między osią symetrii a tylnym mostem napędowym pojazdu. Taki stan rzeczy negatywnie wpływa na otrzymaną trajektorię ruchu i zwiększa intensywność zjawiska wężykowania. Badania wykazały, że w celu wydłużenia drogi w normatywnym obszarze powinno dążyć się rp do tego, aby stosunek opisany, jako W [-] (rys. 3.) osiągał maksymalną wartości dla danej rt geometrii pojazdu. Niestety, zbudowanie układu skrętu cechującym się dużym chwilowym promieniem skrętu r p przedniej, a małym tylnej osi r t powoduje zwiększenie obszaru niezbędnego do nawrotu pojazdu B. Wynika z tego, że położenie przegubu skrętu jest kompromisem między chęcią uniknięcia zjawiska wężykowania, a minimalnym obszarem zajmującym przez pojazd podczas zawracania. Na świecie produkowana jest, dla zastosowań wojskowych, koparko ładowarka firmy ADI, której maksymalna prędkość wynosi do 100km/h. Zamiast przegubowego układu skrętu zastosowano skrętne przednie koła pojazdu. Potwierdza to, że zastosowanie przednich kół skrętnych lub skrętnej osi istotnie wpływa na zjawisko wężykowania redukując jego intensywność. Usytuowanie przegubu skrętu ma wiec istotny wpływ na uzyskaną trajektorię ruchu. 2. BADANIA WPŁYWU SPOSOBU MOCOWANIA TYLNEGO PRZEGUBU WAHLIWEGO NA ZJAWISKO WĘŻYKOWANIA I BEZPIECZEŃSTWO RUCHU Poniższe badania dają odpowiedź, czy zmiany sztywności i/lub tłumienia tylnego mostu wahliwego przyczyniają się do zmian oscylacji kąta w układzie skrętu. W celu lepszego dopasowania się kół pojazdów przegubowych, które niemal we wszystkich przypadkach pozbawione są układu zawieszania, do nierówności podłoża, wprowadza się tylny most wahliwy. Powoduje to, że tylko przednie koła pojazdu zabezpieczają pojazd przed utratą stateczności wywrotnej. Wpływ zmian sprężystości tylnego mostu wahliwego na oscylacje w przegubie skrętu pokazane są na rysunku 5. Badania prowadzone zostały dla wymuszenia i prędkości ruchu zdefiniowanego jak poprzednio. 374

5 Rys. 5. Wpływ sztywności tylnego mostu wahliwego na oscylacje w układzie skrętu pojazdu przegubowego Badania symulacyjne wykazały, że wprowadzenie dodatkowej sprężystości k w między tylnym mostem wahliwym, a ramą pojazdu spowodowało skrócenie czasu oscylacji w przegubie skrętu. Efekt powodujący skrócenie czasu oscylacji prawdopodobnie pochodzi od powstałego dodatkowego momentu skręcającego układ skrętu M us i pokazanego na rys. 5. Działa on w przeciw fazie do aktualnego momentu skręcającego wynikającego z własności sprężystych hydraulicznego układu skrętu. Stąd szybsze wygaszenie powstałych oscylacji w przegubie skrętu. Moment M us powstaje w wyniku pojawienia się momentu M u, którego źródłem są przemieszczenia boczne y centralnego środka masy pojazdu. Wartość wychylenia y zależy min. od ugięcia opon przednich. Im większa jest różnica ugięć opon przednich, tym większy moment kontrujący powstaje. Zjawisko obrazujące powiązanie tych dwóch momentów musi zostać zweryfikowane na rzeczywistym obiekcie. Badania numeryczne wykazały, że wprowadzenie dodatkowej sprężystości między obrotowo mocowanym tylnym mostem wahliwym, a ramą pojazdu pozytywnie wpływa również na ograniczenie zjawiska wężykowania pojazdów przemysłowych, eliminuje powstawanie zjawiska kołysania bocznego jak i stwarza możliwość pracy, tej klasy obiektów, na podłożu o większym pochyleniu. Rys. 5. Mechanizm powstawania momentu stabilizującego zjawisko wężykowania pojazdów przegubowych Na rysunku 6. przedstawiono wpływ wyboru trybu napędu przednich i tylnych kół pojazdu ze sprężystym mocowaniem tylnego mostu napędowego. 375

6 Rys. 6. Wpływ rodzaju napędu pojazdu przegubowego przy sprężystym zawieszeniu tylnego mostu napędowego Badania wykazały, że oscylacje w przegubie skrętu, dla obu porównywanych przypadków, posiadają podobne początkowe amplitudy oraz częstotliwości występowania drgań. Układ napędowy przednich kół wprowadza jednak większe tłumienie oscylacji, dzięki czemu szybciej ustalają. Zjawisko to zostało wyjaśnione w [6, 7] i związane jest z naciąganiem pojazdu we układzie skrętu w przypadku napędu przednich kół. Wprowadzenie sztywności k w przyspiesza szybkość wygaszania drgań (zwiększa ekwiwalentne tłumienie układu skrętu). Na rysunku 7. przedstawiono wpływ zmian sztywności opon przednich wynikającej ze zmiany ich ciśnienia wewnętrznego na oscylacje kata skrętu w przegubie skrętu. Okazuje się, że zmniejszenie ciśnienia w oponach wraz z tym ich sztywności (i większe ugięcia) powoduje większe kołysania boczne pojazdu względem wzdłużnej osi symetrii. Jednocześnie zwiększa się również amplituda oscylacji kąta skrętu. Powyższe wyniki potwierdzają wpływ sposobu mocowania tylnego mostu wahliwego na zjawisko wężykowania pojazdów przegubowych. Rys. 7. Wpływ ciśnienia i sztywności promieniowej przednich kół na oscylacje w przegubie skrętu Na rysunku 8. przedstawiono wyniki badań numerycznych na zmodyfikowanym modelu pojazdu przegubowego. Źródłem wymuszenia jest tutaj rozkołysany bocznie centralny środek ciężkości o określonej stałej amplitudzie wynoszącej ±3 o mierzonej kątem między ramą, a tylnym mostem wahliwym i zmiennej w czasie częstotliwości. 376

7 Rys. 8. Wpływ zmian częstotliwości oscylacji centralnego środka ciężkości na oscylację w przegubie skrętu pojazdu Z przeprowadzonej symulacji wynika, że dla pewnej częstotliwości wymuszenia dochodzi do zjawiska rezonansu w układzie skrętu. Dla wychylenia tylnego mostu wahliwego o ±3 o i niskiej częstotliwości oscylacji uzyskuje się zmiany kąta skrętu wynoszące ok. ±1. Następnie następuje wygaszenie oscylacji w układzie skrętu (w funkcji zmian częstotliwości wymuszenia) by następnie ich amplituda wzrosła do ok. ±2,8 o. W naturze taka forma wymuszenia występuje rzadko, niemniej przedstawione zostało wzajemne powiązanie przenoszenia się oscylacji bocznych (wokół tylnego mostu napędowego) na kąt skrętu w funkcji częstotliwości. Konieczne jest więc przebadanie tego zjawiska również na obiekcie rzeczywistym. 3. WPŁYW WZMOCNIENIA UKŁADU SKRĘTU NA WĘŻYKOWANIE POJAZDU Za współczynnik wzmocnienie układu skrętu rozumie się odwrotność liczby obrotów kierownicy, niezbędną, aby wykonać skręt miedzy położeniami skrajnymi pojazdu. Niestety w tym przypadku aktualnie dochodzi do kompromisu miedzy chęcią szybkiego skręcenia ram pojazdu np. podczas wykonywania prac budowlanych a maksymalną osiąganą prędkością ruchu, gdzie odpowiedź układu skrętu na korekty ruchu nie powinna być zbyt duża w celu wykonywania łagodnych zmian trajektorii ruchu. Pośrednia wartość współczynnika nie daje optymalnych rezultatów, ani podczas bezpiecznego i szybkiego ruchu pojazdu, ani podczas prac budowlanych ze względu na wydłużony czas skrętu członów. W Katedrze Inżynierii Maszyn Roboczych i Pojazdów Przemysłowych opracowano innowacyjny układ skrętu w którym istnieje możliwość zmian współczynnika wzmocnienia w zależności od aktualnych potrzeb. Jego wartość można, w dowolnej chwili, podejrzeć i zmieniać manualnie na specjalnym wyświetlaczu. Może on również zmieniać się w cyklu automatycznym w funkcji prędkości pojazdu. W tym przypadku dochodzi do odczulania układu skrętu wraz ze wzrostem prędkości. Powoduje to zmniejszenie intensywności zjawiska wężykowania powstałego w wyniku zbyt dużej korekty trajektorii ruchu wykonanej przez operatora z powodu przyjętego stałego, w innych niż proponowany układach skrętu. Obniża to bezpieczeństwo ruchu i prędkość maksymalną pojazdu. Układ skrętu został wyposażony w joystick. Przy jego udziale możliwe jest wykonanie 377

8 szybkiego skrętu podczas, gdy przy obrocie koła kierownicy uzyska się niższe prędkości skrętu. Ideowy schemat układu przedstawiony jest na rysunku 9. Rys. 9. Ideowy schemat innowacyjnego opatentowanego układu skrętu o zmiennym współczynniku wzmocnienia, gdzie: PO-panel operatorski, GPS-moduł nawigacji, FR-moduł odbioru fal radiowych, DLdetektor laserowy, EK-elektroniczny kontroler, EW-element wykonawczy, CS czujnik kąta skrętu; PPpomopa ze zbiornikiem ZC, RH-rozdzielacz hydrauliczny, SS-siłownik skrętu, CK-czujnik kąta skrętu, CPczujnik prędkości pojazdu Stosowanie układów skrętu nowej generacji niewatpliwie zwiększy wydajność pracy roboczej, prędkość ruchu i bezpiecześtwo w transporcie lądowym. WNIOSKI Na etapie projektowania pojazdów przegubowych, często przyjmuje się pewne parametry geometryczne ich konstrukcji uwzględniając jedynie pojedyncze ich cechy np. minimalny promień zawracania. Okazuje się, że optymalne, z tego wymagania kryterium położenia przegubu skrętu w części środkowej osi symetrii pojazdu może powodować trudności w utrzymaniu założonego kierunku ruchu, powstawanie zjawiska wężykowania i spowoduje obniżenie poziomu bezpieczeństwa i maksymalnej prędkości podczas przemieszczania się tej maszyny. W sytuacji, w której operator wymaga dodatkowo wysokich prędkości poruszania się i/lub możliwości pracy na terenach pochyłych, należy dokonać zmian w konstrukcji pojazdu. Konstruktor ma możliwość konstrukcyjnego przemieszczenia przegubu skrętu w kierunku przednich kół w celu zminimalizowania zjawiska wężykowania, jednak pociąga to za sobą konieczność uwzględnienia zwiększającej się ilości miejsca niezbędnej do zawracania zyskując wyższą prędkość maksymalną. Okazuje się, że wprowadzając odpowiednie rozwiązanie w postaci zwiększenia sztywności i tłumienia połączenia obrotowego tylnego mostu napędowego i ramy nośnej i/lub wprowadzając układ skrętu o regulowanym wzmocnieniu można częściowo lub niemal całkowicie zmniejszyć intensywność zjawiska wężykowania. Tym samym poprawi się bezpieczeństwo podczas przemieszczania się kolumny pojazdów wojskowych i cywilnych oraz zyska możliwość pracy na podłożach o większym pochyleniu. Zastosowanie układów automatyki w układzie skrętu i sterującego pracą tylnego mostu wahliwego pozwoli na osiągnięcie pojazdu przegubowego o nowych możliwościach. Konieczne jest więc prowadzenie dalszych badań w tym zakresie. 378

9 Streszczenie Jednym z aktualnych trendów w maszynach inżynieryjnych jest wzrost ich mobilności, czyli możliwości ich przemieszczania się z prędkościami a nawet 100 km/h. Tendencje te wynikają z jednej strony z potrzeby zwiększenia wydajności eksploatacyjnej tych maszyn z drugiej zaś strony z konieczności osiągniecia, wymaganej w NATO, bezpiecznej prędkości przemieszczania kolumny pojazdów na poziomie 60 km/h. Wymagania te ujawniły jednak szereg nieznanych dotychczas problemów dynamicznych w tej klasie maszyn, jak na przykład wężykowanie przegubowych maszyn inżynieryjnych wyposażonych w wielkogabarytowe, elastyczne opony. Występujące oscylacje członów maszyny przegubowej przy dużych prędkościach mają negatywny wpływ na stabilność jazdy, z reguły nie spełniają aktualnie obowiązujących norm i stanowią realne zagrożenie kolizji z innymi pojazdami. W artykule dokonano identyfikacji istotnych przyczyn zjawiska wężykowania, zaprezentowano wyniki badań eksperymentalnych i symulacyjnych tego szkodliwego zjawiska jak również wpływu interakcji kołysań bocznych maszyny (wokół tylnego mostu wahliwego) na powstawanie oscylacji członów maszyny w przegubie skrętu. Na bazie uzyskanych wyników zaprezentowano również innowacyjny układ skrętu maszyny przegubowej stabilizujący proces wężykowania do poziomu bezpiecznego z oraz zapewniający adaptacyjne dopasowanie jego parametrów do każdej fazy eksploatacyjnej maszyny inżynieryjnej. Safety of the articulated body-steer engineering vehicles movement on the wheel chassis Abstract The one of the actual trends in earth moving engineering vehicles is increase of their mobility and safety improvement. Costumer would like to increase maximum travelling speed from to over 100 km/h. Actual tends are made, from the one side because of increase of efficiency of work and form the other side the necessity of maintaining required by NATO traveling speed at the level of 60 km\h or more to keep military column moving fast and safety. This requirements are involving a series, before unknown, dynamics problems for example snaking of articulated vehicles equipped in huge size tires. Oscillations between front and rear vehicles frames with the high speed (over 50km/h) have a negative effect on vehicles stability of movement. Actually because of this fact there is a risk of collision with the other vehicles in a parade. In the article a set of factors causing snaking behavior are listed and experimental results are presented. In detail this article is showing problem of interaction occurs between revolute joints in the steering system and rear axle support revolute joint. A innovative, new generation steering system is presented. In this system steering system gain can by adjusted both manually and automatically to avoid snaking behavior and increase vehicles moving safety. BIBLIOGRAFIA 1. Skurjat A. Modelowanie procesu stabilizowania ruchu pojazdu przegubowego na podwoziu kołowym, rozprawa doktorska, promotor: Prof. Piotr Dudziński Politechnika Wrocławska, Zakład Inżynierii Maszyn Roboczych i Pojazdów Przemysłowych 2. Dudziński P.: Lenksysteme für Nutzfahrzeuge, Springer- Verlag Berlin Heidelberg, New York, PN-EN A1:2009 Maszyny do robót ziemnych. Maszyny na kołach z ogumieniem. Wymagania dotyczące układu skrętu. 4. Dudziński P., Skurjat A., Badania wirtualne i eksperymentalne procesu stabilizowania ruchu przegubowego pojazdu przemysłowego na podwoziu kołowym, Problemy Maszyn Roboczych. 2008, 5. Dudziński P., Skurjat A, Innovative methods of motion stability improvement in articulated rigid frames vehicles on wheeled chassis, Journal of KONES. 2009, vol. 16, nr 1 379

10 6. Dudziński P., Skurjat A., Badania eksperymentalne i symulacyjne wężykowania przegubowych pojazdów przemysłowych na podwoziu kołowym, Cz. 1, Badania eksperymentalne, Przegląd Mechaniczny., R. 71, nr 10, Dudziński P., Skurjat A., Badania eksperymentalne i symulacyjne wężykowania przegubowych pojazdów przemysłowych na podwoziu kołowym, Cz. 2, Badania symulacyjne, Przegląd Mechaniczny., R. 71, nr 11,