Problemy stateczności maszyn przegubowych

JASKÓŁOWSKI Mirosław 1 KONOPKA Stanisław 2 ŁOPATKA Marian 3 RUBIEC Arkadiusz 4 Problemy stateczności maszyn przegubowych WSTĘP W obecnych czasach przy wykonywaniu zarówno prac ziemnych, jaki prac leśnych szeroko wykorzystywane są maszyny o przegubowym układzie skrętu. Do głównych przedstawicieli tego typu maszyn zaliczane są zgarniarki, wozidła przegubowe, kołowe ładowarki przegubowe, harwestery oraz forwardery. Przegubowe układy jezdne znajdujące się w tych maszynach, składające się z przegubu skrętu i łożyska wzdłużnego lub wahliwego mostu zapewniają wysoką zwrotność, niskie opory skrętu oraz wysoką zdolność do przemieszczania się w trudnym terenie. Natomiast istotnym problemem jest ich stateczność a w szczególności stateczność poprzeczna maszyny znajdującej się w skręcie. Definiuje ona bezpośrednio ich zdolność do pracy na pochyleniach poprzecznych. Problem stateczności jest ściśle związany z przemieszczeniem lokalnych środków ciężkości i krawędzi wywrotu maszyny podczas wykonywania manewru skrętu (rys. 1.). Rys. 1. Schemat ładowarki przegubowej z lokalnymi środkami ciężkości: a) maszyna w pozycji z ramą wyprostowaną, b) maszyna w pozycji z ramą maksymalnie skręconą w lewo, środekciężkości ładunku, środek ciężkości przedniego członu, środek ciężkości tylnego członu Na rysunku 1 linią o kolorze czerwonym oznaczono krawędzie wywrotu rozpatrywanej maszyny. Widoczna jest istotna zmiana zarówno położenia krawędzi wywrotu jak i wielkości ograniczonego nimi pola. Poprzez co uzasadniony staję się problem stateczności maszyny w skręcie. W dostępnej literaturze można spotkać wiele metod wykorzystywanych do określenia stateczności ładowarek przegubowych [1, 6, 8, 9]. Natomiast nie dostępnesą opisy metod określających stateczność innych maszyn o przegubowym układzie jazdy. Metody, według których określane są zdolności tych maszyn chronione są tajemnicą handlową. Poprzez co nie można bezpośrednio porównać stateczności maszyn o przegubowym układzie skrętu ani metod, jakim jest ona określona. Należy, więc opracować metodykębadań za pomocą, których możliwe jest szybkie i bezpieczne określenie, która maszyna charakteryzuje się najlepszą zdolnością do pracy na pochyleniach, czyli najkorzystniejszą statecznością. 1 Wojskowa Akademia Techniczna im. Jarosława Dąbrowskiego, Wydział Mechaniczny, 00-908 Warszawa; ul. gen. Sylwestra Kaliskiego 2. Tel +48 22 683 74 16, mjaskolowski@wat.edu.pl 2 Wojskowa Akademia Techniczna im. Jarosława Dąbrowskiego, Wydział Mechaniczny, 00-908 Warszawa; ul. gen. Sylwestra Kaliskiego 2. Tel +48 22 683 93 64, skonopka@wat.edu.pl 3 Wojskowa Akademia Techniczna im. Jarosława Dąbrowskiego, Wydział Mechaniczny, 00-908 Warszawa; ul. gen. Sylwestra Kaliskiego 2. Tel +48 22 683 74 16, mlopatka@wat.edu.pl 4 Wojskowa Akademia Techniczna im. Jarosława Dąbrowskiego, Wydział Mechaniczny, 00-908 Warszawa; ul. gen. Sylwestra Kaliskiego 2. Tel +48 22 683 71 07, arubiec@wat.edu.pl 439

1. MODEL NUMERYCZNY W celu wykonania porównania wybranych maszyn przegubowych ze względu na ich stateczność wykonano ich modele symulacyjne z wykorzystaniem środowiska do modelowania układów wieloczłonowych MSC.Adams. Do analizy przyjęto następujących przedstawicieli maszyn przegubowych: zgarniarkę Caterpillar 621H, harwester Caterpillar 550,wozidło przegubowe Volvo A25E oraz ładowarkę przegubową HSW Ł-34. W pierwszej kolejności korzystając z [10] określono budowę przegubowego układu jazdy wybranych maszyn. Cechą wspólną przegubowego układu jezdnego wybranych maszyn jest przegub skrętu, jednakże zmianie ulega jego położenie. W zgarniarce przegub skrętu znajduje się w niewielkiej odległości za osią przednią, w wozidle za osia przednią w odległości równej około 25% rozstawu osi, a w ładowarce i harwesterze w centralnej części maszyny. Kolejna róznicą w konstrukcji przegubowego układu jezdnego wybranych maszyn jest położenie i budowa poprzecznego przegubu wahań. W zgarniarce i wozidle przegub wahań realizowany jest poprzez łożysko wzdłużne a w ładowarce i harwesterze przez wahliwą oś. W zgarniarce łożysko wzdłużne zintegrowane jest z członem przednim a w wozidle z członem tylnym. Zarówno w ładowarce jak i w harwesterze wahliwa osią jest oś tylna jednakże w harwesterze w celu zwiększenia zdolności do kopiowania terenu zastosowano wózek jezdny umieszczone w przednim członie.następnie na podstawie danych podanych przez producentów maszyn [2, 3, 4, 5] określono ich rozkład masy wraz z wyznaczeniem położenia lokalnych środków ciężkości.schematy budowy przegubowego układu jezdnego z uwzględnieniem położenia lokalnych środków ciężkości przedstawiono na rysunku 2. c) d) Rys. 2. Schemat wybranych maszyn przegubowych z uwzględnieniem położenia środków ciężkości: a) zgarniarka, b) harwester, c) wozidło przegubowe d) ładowarka przegubowa środek ciężkości ładunku, środek ciężkości przedniego członu, środek ciężkości tylnego członu W następnej kolejności przyjęto, że koła każdego z modeli są odkształcalne a wartość ugięcia każdej opony jest równy wartości 5% jej wysokości przy obciążeniu masą własną. Następnie korzystając z [7] określono wartość współczynnika sztywności i tłumienia opon dla każdego modelu maszyny przegubowej. Tak sprecyzowane parametry wykorzystano podczas budowy modeli numerycznych w środowisku MSC.Adams. Dodatkowo zapewniona została możliwość skrętu ramy modelu od kąta równego 0 do jego wartości maksymalnej w zależności od możliwości danej maszyny. 440

2. METODYKA PRZEPROWADZANIA NUMERYCZNYCH BADAŃ STATECZNOŚCI STATYCZNEJ Z uwagi na istniejące metody badań stateczności statycznej, które nie pozwalają na bezpośrednie porównanie wybranych do analizy maszyn przegubowych, opracowano własną metodykę, według której przeprowadzono badania stateczności statycznej. Do badań przyjęto, że odbędą się one z wykorzystaniem wirtualnej płyty wychylnej, której kąt wychyłu α wynosi od 0 do 45. Dla zachowania warunków quasi-statycznych przyjęto, że prędkość podnoszenia płyty wychylnej jest równa 0,5 /s. Dla położenia początkowego (β = 0 ) model ustawiono prostopadle do osi wywrotu, tylnym członem skierowanym w dół nachylenia (rys.3.). Ponad to w czasie badań kąt ustawienia modelu na płycie wychylnej β ulega zmianie od 0 do 360 ze skokiem, co 15. Dodatkowo badania wykonano dla modeli w pozycji wyprostowanej i skręconej o kąt maksymalny γ. Badania przeprowadzono dla dwóch konfiguracji masowych, czyli dla maszyny z i bez ładunku. Z uwagi na to, że podczas standardowej eksploatacji harwester nie przemieszcza się z ładunkiem przyjęto, że podczas badań modelu tej maszyny nieuwzględniona zostanie masy ładunku i jego położenie. W celu zapobiegnięcia ześlizgnięcia się modelu z płyty wychylnej w czasie trwania badania przyjęto, że współczynnik przyczepności kół modeli do podłoża wynosi 1. Założono, że graniczna wartość nachylenia płyty wychylnej, przy której dany model traci stateczność następuje wówczas, gdy którekolwiek z kół modelu traci kontakt z płytą, czyli gdy wartość reakcji na podłoże tego koła wynosi 0 kn. Pomiary nachylenia płyty wychylnej wykonano z dokładnością do 1%. Ponadto dla wartości nachylenia terenu mniejszych od wartości granicznej następuje odciążenie wybranych kół maszyny związku, z czym możliwa jest utrata kierowalności. W związku z zapewnieniem zachowania kierowalności określono dopuszczalną wartość nachylenia terenu. Przyjęto, więc że wartość dopuszczana jest równa wartości granicznej pochylenia terenu pomniejszonej o wartość zapasu stateczności. Z uwagi na to, że maszyny o przegubowym układzie skrętu przemieszczają się z mniejszymi prędkościami niż pojazdy samochodowe, przyjęto, że wartość zapasu stateczności jest równa 0,2 g, co stanowi w przybliżeniu 20% nachylenia terenu. γ β β Rys. 3. Schemat położenia modelu numerycznego wozidła przegubowego dla kąta β = 0 : a) model wyprostowany, b) model maksymalnie skręcony w lewą stronęβ kąt ustawienia modelu na płycie wychylnej, γ maksymalny kąt skręcenia ramy 3. WYNIKI SYMULACYJNYCH BADAŃ STATECZNOŚCI STATYCZNEJ Z przeprowadzonych badań symulacyjnych otrzymano wyniki w postaci wartości granicznego i dopuszczalnego nachylenia terenu wyrażone w procentach ze względu na stateczność analizowanych maszyn. Wybrane wyniki zaprezentowano na wykresach radarowych (rys.4 7.). 441

Rys. 4. Wykresy radarowe stateczności statycznej modelu zgarniarki przegubowej w pozycji wyprostowanej, a) model bez ładunku, b) model z ładunkiem Z wykresów (rys. 4) wynika, że graniczna wartość nachylenia terenu wynosi 86% dla maszyny bez ładunku oraz 63% z ładunkiem. Natomiast wartość dopuszczalnego nachylenia terenu jest odpowiednio niższa i dla maszyny bez ładunku i przyjmuje wartość 66% oraz z ładunkiem 43%. Wynika, zatem że zwiększenie masy maszyny poprzez dodanie ładunku zmniejsza jej graniczną i dopuszczalną wartość nachylenia terenu o 23%. Jest to bezpośrednio spowodowane zwiększeniem przez ładunek wysokości położenia wypadkowego środka ciężkości nad podłożem. Najniższa wartość granicznego nachylenia terenu dla zgarniarki w pozycji wyprostowanej zarówno z ładunkiem jak i bez ładunku występuje, gdy maszyna ustawiona jest równolegle do osi wywrotu zarówno prawą, jaki lewą stroną (β=90 i β = 270 ) oraz gdy oś wzdłużna tylnego człony znajduje się pod kątem 15 do osi wywrotu a człon przedni skierowany w dół nachylenia (β = 105 i β = 255 ). Rys. 5. Wykresy radarowe stateczności statycznej modelu zgarniarki przegubowej w pozycji maksymalnie skręconej a) model bez ładunku, b) model z ładunkiem 442

Z wykonanych wykresów radarowych stateczności statycznej modelu zgarniarki w pozycji maksymalnie skręconej przedstawionych na rysunku 5wynika, że graniczna najniższa wartość nachylenia wynosi 9% dla maszyny bez ładunku oraz 29% z ładunkiem. Oznacza to, że dodanie ładunku powoduje wzrost najniższej wartości dopuszczalnego nachylenia terenu o 20%. Dla zgarniarki bez ładunku najmniejsza graniczna wartość nachylenia terenu występuje, gdy tylny człon maszyny znajduje się równolegle do osi wywrotu a człon przedni skręcony jest do osi wywrotu i skierowany przodem w dół nachylenia (β = 270 ). Natomiast dla zgarniarki z ładunkiem najgorszym położeniem jest, gdy tylny człon znajduje się pod kątem 15 względem osi wywrotu a przedni człon skręcony jest do osi wywrotu i skierowany w dół nachylenia (β = 255 ).Dodanie ładunku powoduje dociążenie tylnego członu maszyny a w konsekwencji przesuniecie wypadkowego środka ciężkości bliżej środka zgarniarki równocześnie oddalając go od krawędzi wywrotu względem, której traci stateczność. Natomiast dla położenia odwróconego, czyli gdy przedni człon skierowany jest w górę nachylenia (β = 105 ) zwiększenie masy poprzez dodanie ładunku powoduje zmniejszenie wartości granicznego nachylenia terenu z 65 % do 50%. Z tego wynika, że dodanie ładunku wywiera zmienny wpływ na stateczność poprzeczną zgarniarki a tym samym na jej zdolność do pracy na pochyleniach. Rys. 6. Wykresy radarowe stateczności statycznej modelu wozidłą przegubowego w pozycji maksymalnie skręconej: a) model bez ładunku, b) model z ładunkiem Z zaprezentowanych na rysunku 6 wykresów radarowych modelu wozidła przegubowego odczytano, że dla modelu maszyny bez ładunku graniczna wartość nachylenia terenu wynosi 52% a dla maszyny z ładunkiem 40%. Natomiast wartość dopuszczalnego nachylenia wynosi kolejno 32% dla modelu bez ładunki oraz 20% z ładunkiem. Z tegowynika, że zwiększenie masy maszyny poprzez dodanie ładunku powoduje zmniejszenie wartości granicznego i dopuszczalnego nachylenia terenu o 12%. Spowodowane to jest dociążeniem tylnego członu z równoczesnym odciążeniem członu przedniego. Ponad to następuje przemieszczenie wypadkowego środka ciężkości modelu w kierunku tylnego członu a tym samym przybliżenie do krawędzi wywrotu poprowadzonej przez styk tylnych kół z podłożem. Przez co utrata stateczności modelu wozidła następuje pod mniejszym kątem niż ma to miejsce w modelu bez ładunku. Najniższa wartość granicznego nachylenia dla modelu wozidła przegubowego bez ładunku występuje, gdy tylny człon modelu znajduje się pod kątem 30 do osi wywrotu z przednim członem skręconym do osi wywrotu i skierowanym w górę nachylenia. Natomiast dla modelu zładunkiem najniższa wartość nachylenia terenu występuje, gdy tylny człon znajduje się pod kątem 30 a człon przedni skręcony jest w kierunku osi wywrotu i skierowany w dół nachylenia. 443

Rys. 7. Wykresy radarowe stateczności statycznej modelu ładowarki przegubowej w pozycji maksymalnie skręconej: a) model bez ładunku, b) model z ładunkiem Z wykresów radarowych modelu ładowarki przegubowej w skręcie maksymalnym przedstawionych na rysunku 7 wynika, że dla modelu maszyny bez ładunku graniczna wartość nachylenia terenu wynosi 50% a dla maszyny z ładunkiem 52%. Natomiast wartość dopuszczalnego nachylenia wynosi kolejno 30% dla modelu bez ładunki oraz 32% z ładunkiem. Z czego bezpośrednio wynika, że zwiększenie masy maszyny poprzez dodanie ładunku powoduje zwiększenie wartości granicznego i dopuszczalnego nachylenia terenu o 2%. Spowodowane jest to dociążeniem przedniego członu. Ponad to następuje przemieszczenie wypadkowego środka ciężkości modelu w kierunku środka maszyny. Przez co utrata stateczności modelu ładowarki następuje pod nieco większym kątem niż ma to miejsce w modelu bez ładunku. Najniższa wartość granicznego nachylenia zarówno dla ładowarki przegubowej bez ładunku jak i z ładunkiem występuje, gdy jej tylny człon znajduje się pod kątem 15 do położenia równoległego do osi wywrotu a człon przedni skręcony jest w kierunku osi wywrotu i skierowany w dół nachylenia. Rys. 8. Wykresy radarowe stateczności statycznej modelu harwestera a) w pozycji wyprostowanej, b) w pozycji maksymalnie skręconej 444

Z otrzymanych wyników w postaci wykresów radarowych harwestera w pozycji wyprostowanej i maksymalnie skręconej przedstawionych na rysunku 8 wynika, że dla maszyny w pozycji wyprostowanej graniczna wartość nachylenia terenu wynosi 62% a dla położenia z rama skręconą58%. Natomiast wartość dopuszczalnego nachylenia wynosi kolejno 42% i38%. Różnica w otrzymanych wartościach wynika z przesunięcia lokalnych środków ciężkości podczas skręcenia ramy. Najniższa wartość granicznego nachylenia dla harwestera z ramą wyprostowaną występuje, gdy jej tylny człon znajduje się pod kątem 30 do położenia równoległego z osią wywrotu a człon przedni skierowany jest w dół nachylenia. Natomiast dla harwestera z ramą maksymalnie skręconą występuje, gdy jej tylny człon znajduje się pod kątem 30 do położenia równoległego z osią wywrotu a człon przedni skręcony jest w górę nachylenia oraz gdy tylny człon jest w pozycji równoległej do osi wywrotu a człon przedni skręcony w dół nachylenia. WNIOSKI Otrzymane w symulacyjnych badaniach stateczności najniższe wartości granicznego i dopuszczalnego nachylenia terenu dla każdego modelu maszyny zaprezentowano w tabeli 1. Z otrzymanych wartości wynika, że każdy z modeli charakteryzuję się w największą i najmniejszą wartością pochylenia w innym położeniu maszyny. Jest to spowodowanie innym w każdej maszynie rozkładem mas, czyli położeniem lokalnych środków ciężkości, budową przegubowego układu jezdnego oraz przeznaczeniem, do którego dana maszyna jest zaprojektowana. Jednakże, jako wartości decydujące można przyjąć wartość granicznego pochylenia terenu, gdy maszyny znajdują się w maksymalnym skręcie, gdyż wykonując prace wyłącznie w pozycji wyprostowanej stały by się one mało wydajne a przez to mało opłacalne do wykonania. Po przyjęciu takiego kryterium najlepszymi zdolnościami do pracy na pochyleniach a więc najkorzystniejszą statecznością charakteryzuje się harwester, nie mniej jednak maszyna ta nie przemieszcza się z ładunkiem, dlatego postanowiono przyjąć za najlepsze takie maszyny jak wozidło przegubowe i kołowa ładowarka przegubowa. Tab. 1. Zestawienie najniższych wartości granicznego i dopuszczalnego nachylenia terenu modeli maszyn przegubowych ze względu na stateczność. Położenie modelu Zgarniarka Wozidło przegubowe Ładowarka przegubowa Harwester z ramą wyprostowaną (bez ładunku) [gr/dop] z ramą wyprostowaną (z ładunkiem) [gr/dop] z ramą maksymalnie skręconą (bez ładunku) [ gr/dop ] z ramą maksymalnie skręconą (z ładunkiem) [ gr/dop ] [ 86%/66% ] [ 60%/40% ] [ 49%/29% ] [ 62%/42% ] [ 60%/40% ] [ 41%/21% ] [ 67%/47% ] [-/-] [ 9%/0% ] [ 52%/32% ] [ 52%/32% ] [ 58%/38% ] [ 29%/9% ] [ 40%/20% ] [ 42%/22% ] [-/-] Podsumowując przedstawiona w referacie metoda oceny stateczności maszyn i ich zdolności do pracy na pochyleniach jest prosta i pozwala na szybkie porównanie parametrów kilku maszyn. Jednakże przy posługiwaniu się programem MSC.Adams należy pamiętać o odpowiednim doborze parametrów związanych z wybranym modelem i nadaniu odpowiednich więzów uwarunkowanymi zarówno prawami fizyki, jaki kinematyką układu jezdnego. Z czego wynika, że podczas posługiwania się programami do modelowania układów wieloczłonowych typu MSC.Adams należy kierować się wiedzą i zdobytym doświadczeniem. Streszczenie W artykule porównano szeroko wykorzystywane przypracach ziemnych i leśnych maszyny robocze o przegubowym układzie skrętu ze względu na ich stateczność. Do analizy przyjęto takie maszyny jak zgarniarka, wozidło przegubowe, ładowarka przegubowa i harwester. Porównania dokonano w oparciu 445

o wyniki otrzymane z przeprowadzonych badań symulacyjnych stateczności statycznej. Badania symulacyjne wykonano wykorzystując oprogramowanie do modelowania układów wieloczłonowych MSC. Adams. W artykule opisano przyjęte założenia upraszczające oraz uwarunkowania dotyczące budowania modeli symulacyjnych maszyn przegubowych. Ponad to w artykule zawarto opracowaną metodykę przeprowadzania badań symulacyjnych stateczności statycznej w skład, której wchodzą zalecenia dotyczące położenia maszyny podczas badania oraz kryteria oceny stateczności. Otrzymane wyniki badań przedstawiono w postaci wykresów radarowych oraz tabeli zbiorczej. Określona została maszyna robocza o najkorzystniejszej stateczności. Problems ofstabilityarticulatedmachines Abstract The article compares machines with articulated steering system widely used in earthworks and forestry due to its stability. The analysis included such machines as scraper, articulated hauler, loader and harvester. The comparison was made based on the results obtained from simulation research of static stability. Simulation researches were performed using the MSC. Adams software for multibody modeling.the article describes the simplifying assumptions and considerations for building simulation models of articulated machines.moreover, the article provides a developed methodology of testing static stability which includes recommendations of the position of the machine during the research and the evaluation criteria of stability. The obtained results are presented in the form of radar graphs and summary table. The machine with the most advantageous stability of the articulated steering system was specified. BIBLIOGRAFIA 1. Bartnicki A., Jaskółowski M. B., Łopatka M. J, Muszyński T.: The researches of stability evaluation articulated loader while working on slopes. Proceedings of 8th International Conference ITELMS 2013. 2. Broszurainformacyjna VOLVO Articulated hauler A25E. Sweden 2008. 3. Broszurainformacyjna Caterpillar Wheel Tractor-Scraper 621H. 2012. 4. Dudziński. P., Pieczonka K., Sworobowicz G.: Aktywny układ do poprawy stateczności pojazdów przemysłowych na podwoziu kołowym, Problemy maszyn roboczych, Z. 14, 1999,pp. 9-19. 5. Konopka S. Borkowski W. Prochowski L.: Dynamika maszyn roboczych. Warszawa, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1996. 6. Konopka S., Krogul P., Łopatka M. J., Muszyński T.: Symulacyjna analiza stateczności maszyn przegubowych na przykładzie ładowarki kołowej Ł34. Przegląd Mechaniczny, nr 11/2013, str. 13, Warszawa 2013. 7. Kozicka A,. Łopatka M. Muszyński T.: Testy i kryteria oceny stateczności poprzecznej terenowych przegubowych maszyn transportowo-przeładunkowych. Logistyka. nr. 3, 2007. 8. Li XF., Wang GQ., Yao ZW., Yang YH.: Research on lateral stability and rollover of articulated wheel loader. Mathematical and computer modelling of dynamical systems. Vol. 20 pp. 248-263. 2014. 9. Ładowarka hydrauliczna Ł - 34. Instrukcja obsługi. Kombinat przemysłowy Huta Stalowa Wola, 37-450 Stalowa Wola. AGPOL - ZW - 01-266/87. 10. Ma WH., Peng H.: Worst-case maneuvers for the roll-over and jackknife of articulated vehicles. Proceedings of the 1998 americancoltrol conference. Pp. 2263-2267.1998. 11. Siwulski T.: Modelowanie stateczności dynamicznej pojazdów przemysłowych z podatnymi elementami jezdnymi. Wrocław 2006. 12. Tyro G.: Maszyny ciągnikowe do robót ziemnych. WNT, Warszawa 1986. 446