BADANIA EKSPERYMENTALNE I SYMULACYJNE WĘŻYKOWANIA PRZEGUBOWYCH POJAZDÓW PRZEMYSŁOWYCH NA PODWOZIU KOŁOWYM Część 2. Badania symulacyjne Piotr Dudziński, Aleksander Skurjat 1 1 Prof. dr hab. inż. Piotr Dudziński, prof. zw. P. Wr. jest kierownikiem Zakładu Inżynierii Maszyn Roboczych i Pojazdów Przemysłowych Politechniki Wrocławskiej dr inż. Aleksander Skurjat jest adiunktem w Zakładzie Inżynierii Maszyn Roboczych i Pojazdów Przemysłowych Politechniki Wrocławskiej
W Zakładzie Inżynierii Maszyn Roboczych i Pojazdów Przemysłowych Politechniki Wrocławskiej kontynuowana jest wieloletnia tradycja w zakresie wirtualnego prototypowania złożonych obiektów mechanicznych i mechatronicznych, w tym przede wszystkim modelowania numerycznego pojazdów przemysłowych w środowisku DADS oraz MSC ADAMS [1], [2], [3], np. rys. 1. Zamodelowano również układ napędowy złożony z mechanizmów różnicowych oraz zwolnic w kołach, wyposażonych w elastyczne wielkogabarytowe opony. Kompleksowy model dynamiczny ładowarki Ł220 został doświadczalnie zweryfikowany pozytywnie na torze pomiarowym przedstawionym w cz. 1 niniejszej pracy. Ponadto w modelu dynamicznym wielkogabarytowych opon, oprócz niezbędnych własności sprężystych, uwzględniono również ich tzw. inercyjność, która wynika ze stanów przejściowych obciążeń generowanych w czasie interakcji opony z podłożem, rys. 3 i rys.4. x1 {1} z1 1 y n z n x {n} y n z {I} y x Rys. 1. Ogólny model fizyczny pojazdu przemysłowego W ostatnim okresie opracowano między innymi kompleksowy model w środowisku ADAMS przegubowej ładowarki kołowej Ł220 produkcji Fabryki Maszyn Budowlanych Fadroma we Wrocławiu, rys. 2. Rys. 3. Ogólny schemat interakcji opony z podłożem sztywnym [2] Rys. 2. Ładowarka Ł220 i jej strukturalny model symulacyjny Maszyna ta, jako obiekt badawczy, znajduje się na wyposażeniu Zakładu. Do identyfikacji geometrii, mas, środków ciężkości i bezwładności poszczególnych elementów maszyny, wykorzystano specjalistyczne oprogramowanie oraz dokumentację uzyskaną od producenta pojazdu. Hydrauliczny układ skrętu zamodelowano z uwzględnieniem sprężystości cieczy roboczej oraz sprężystości elastycznych przewodów hydraulicznych. Parametry te, wyznaczono na specjalnie wybudowanym do tego celu stanowisku pomiarowym [3]. Uwzględniono również geometrię usytuowania siłowników w mechanizmie skrętu jak również geometrię samych siłowników hydraulicznych. Model hydraulicznego układu skrętu zweryfikowano doświadczalnie z obiektem rzeczywistym. Rys. 4. Porównanie właściwości dynamicznych opon samochodowych i opon wielkogabarytowych dla pojazdów przemysłowych [2] Do badań trajektorii ruchu pojazdu zastosowano kryterium stabilności technicznej wykorzystujące normy [4], [5]. Z norm tych wynika, że pojazd jest stabilny do chwili osiągnięcia przez środek geometryczny mostu przedniego (wybrany punkt reprezentatywny), wartości O p maksymalnego (dopuszczalnego) przemieszczenia bocznego, rys. 6. Na podstawie [4], [5] określono, że
wartości przemieszczeń bocznych dla ładowarki Ł220 produkcji Fadromy nie powinny przekroczyć 280 mm. W badaniach numerycznych i eksperymentalnych badaniach weryfikacyjnych na torze testowym, pojazd poruszał się po torze przeszkód złożonym z pojedynczej przeszkody oddziałującej tylko na jego prawe przednie koło. Wynika to z chęci zapobieżenia nałożeniu się oscylacji głównych członów maszyny w przegubie skrętu, jakie może mieć miejsce podczas przejazdu, natychmiast po sobie, przednimi i tylnymi kołami prawej strony pojazdu. Przykładowe wyniki badań symulacyjnych zaprezentowano na rys. 5-8. Na rys. 5 przedstawiony został wpływ zawartości powietrza nierozpuszczonego w cieczy roboczej na oscylacje członów maszyny w przegubie skrętu a na rys. 6 trajektorię ruchu pojazdu przegubowego. Wiadomo, że wzrost gazów w oleju powoduje znaczne obniżenie modułu sprężystości cieczy, co prowadzi do obniżenia sztywności całego układu skrętu. Rys. 5. Wyniki badań symulacyjnych wpływu ekwiwalentnej sztywności k S mechanizmu skrętu na oscylacje ± γ członów ładowarki Ł220 Z przeprowadzonych badań wynika, że spadek ekwiwalentnej sztywności układu skrętu niekorzystnie wpływa na otrzymany czas trwania i amplitudę oscylacji członów maszyny w przegubie skrętu. Drgania te przekładają się bezpośrednio na trajektorię ruchu pojazdu przegubowego i są przyczyną skrócenia długości odcinka drogi zdefiniowanego normami [4], [5]. Przykładowo wzrost zawartości nierozpuszczonego powietrza z 2,13% do 4,13% obniżył sztywność układu skrętu o ponad 25% i spowodował skrócenie przebytego odcinka drogi z 17 do 13m, co oczywiście w obu przypadkach nie spełnia, wymaganych normami [4], [5], minimalnego odcinka drogi o długości 20m. Rys. 6. Wyniki badań symulacyjnych wpływu sztywności ekwiwalentnej k S mechanizmu skrętu na trajektorię ruchu ładowarki Ł220 Na rys. 7 przedstawiono wpływ zmiany sztywności ekwiwalentnej, od wartości minimalnej, poniżej której zachodzi zjawisko tzw. scyzorykowania pojazdu do wartości maksymalnej, czyli zablokowania możliwości obrotu członów przedniego i tylnego pojazdu w przegubie skrętu, na trajektorię ruchu pojazdu przegubowego. Z przeprowadzonych symulacji wynika, że wzrost ekwiwalentnej sztywności k S mechanizmu skrętu, dla danego badanego pojazdu, ma istotny wpływ tylko do pewnej granicznej wartości, ponieważ dalszy wzrost jej wartości nie wpływa istotnie na wydłużenie ruchu w normatywnym obszarze dopuszczalnym. Ponadto należy zauważyć, że poniżej wartości k s=57knm/rad następuje tzw. scyzorykowanie pojazdu, przy którym zachodzi taka zmiana kąta skrętu, że pojazd ma tendencję do poruszania się w przybliżeniu po okręgu. Należy również zauważyć, że wzrost sztywności mechanizmu skrętu przyczynia się do wzrostu szkodliwych obciążeń dynamicznych w elementach mechanizmu skrętu, co wydatnie obniża ich trwałość. Rys. 7. Wyniki badań symulacyjnych wpływu sztywności ekwiwalentnej k S, od wartości minimalnej do maksymalnej, mechanizmu skrętu na trajektorię ruchu ładowarki Ł220
W związku z powyższym istnieje pilna potrzeba sformułowania metody określania optymalnej sztywności ekwiwalentnej mechanizmu skrętu dla danego pojazdu przegubowego. Propozycję takiej metody przedstawiono w pracy [3]. hydraulicznych i cieczy roboczej, na całkowitą sztywność mechanizmu skrętu i związane z tym zjawisko wężykowania pojazdu przegubowego. W badaniach uwzględniono różne warianty zabudowy siłowników skrętu przedstawione na rys. 9. Badania symulacyjne wykazały również, że bardzo istotnym, z punktu widzenia wężykowania, jest również rodzaj wariantu napędu jazdy pojazdu przegubowego. Wyniki badań w tym zakresie zaprezentowano na rys. 8. Rys. 9. Warianty usytuowania siłowników hydraulicznych w mechanizmie skrętu Symulacje przeprowadzono na przedstawionym wcześniej torze testowym podczas jazdy maszyny z prędkością V = 38 km/h i z napędem na tylne kola. Wyniki symulacji zaprezentowano na rys. 10. Najkorzystniejsze wyniki (najmniejsze oscylacje członów maszyny) uzyskano dla wariantów 2 i 4, które posiadają największe ramię działania sił generowanych w siłownikach skrętu. Natomiast oscylacje członów maszyny dla wariantu 3 zabudowy siłowników skrętu, ze względu na duże amplitudy wynoszące maksymalnie ok.± 6 0, nie zostały pokazane na rys. 10, Rys. 8. Wyniki badań symulacyjnych wpływu wariantu napędu jazdy kół pojazdu na oscylacje członów maszyny w przegubie skrętu pojazdu Jak było do przewidzenia, wyniki wykazały, że napęd przedniego mostu jest z punktu widzenia wężykowania najkorzystniejszy. Napęd przednich kół napina pojazd, co ułatwia hydraulicznemu układowi skrętu uzyskanie pozycji pojazdu do jazdy na wprost. Podobną sytuację można zaobserwować na przykład podczas przemieszczania się zespołu samochódprzyczepa. Najmniej korzystny jest w tym wypadku napęd na tylne koła. W przypadku napędu na wszystkie cztery koła, bez niezgodności kinematycznej w układzie napędowym jazdy, czas trwania oscylacji przyjmuje wartości pośrednie pomiędzy przypadkami omówionymi poprzednio. Natomiast w przypadku napędu na cztery koła, z niezgodnością kinematyczną i mocą krążącą, wyniki - w zależności znaku tej niezgodności będą bliższe wariantowi napędu na przednie lub tylne koła. Optymalizacja wielokryterialna geometrii mechanizmu skrętu z dwoma siłownikami została zaprezentowana w pracy [2]. Rys. 10. Oscylacje członów ± maszyny przegubowej dla różnych wariantów (rys. 9) usytuowania siłowników hydraulicznych w mechanizmie skrętu W badaniach symulacyjnych uwzględniono również analizę wpływu zabudowy siłowników skrętu, przy ustalonej sztywności wynikającej z przewodów
PODSUMOWANIE I WNIOSKI Przeprowadzone badania symulacyjne pojazdów przegubowych wykazały istotny wpływ ekwiwalentnej sztywności skrętnej mechanizmu skrętu na wężykowanie pojazdu przegubowego. Przykładowe symulacje przeprowadzono dla różnej zawartości nierozpuszczonego gazu w cieczy roboczej. Wyniki badań wykazały, że wzrost zawartości nierozpuszczonego gazu w tej cieczy powoduje zmniejszenie sztywności ekwiwalentnej mechanizmu skrętu i w efekcie pogarsza szkodliwy proces wężykowania a nawet może prowadzić do nie spełnienia kryterium stabilności jazdy pojazdu. Wykazano również wpływ wariantu napędu jazdy pojazdu przegubowego na jego wężykowanie. Wyniki wykazały, że napęd przedniego mostu jest w tym przypadku najkorzystniejszy, gdyż napina pojazd co ułatwia hydraulicznemu mechanizmowi skrętu uzyskanie pozycji do jazdy na wprost. W badaniach wykazano ponadto wpływ zabudowy siłowników skrętu na ekwiwalentną sztywność mechanizmu skrętu i związaną z tym stabilność jazdy pojazdu przegubowego. Optymalną geometrię zabudowy siłowników skrętu stanowi trapez o zdecydowanej różnicy podstaw. Aby uzyskać konkretne wymiary zabudowy siłowników skrętu należy przeprowadzić optymalizację wielokryterialną dla danego pojazdu [2]. Przedstawione wyniki badań eksperymentalnych i symulacyjnych są fragmentem szerokiego programu badawczego, realizowanego w Zakładzie Inżynierii Maszyn Roboczych i Pojazdów Przemysłowych Politechniki Wrocławskiej, w zakresie dynamiki pojazdów przemysłowych. Przykładowo w pracach [2] i [3] zaprezentowano, uwzględniający wszystkie istotne czynniki, oryginalny model matematyczny mechanizmu skrętu z dwoma siłownikami hydraulicznymi, umożliwiający określenie całkowitej ekwiwalentnej sztywności skrętnej tego mechanizmu już w fazie projektowania pojazdu. Na bazie wyników badań eksperymentalnych i symulacyjnych opracowano nowatorskie, zgłoszone jako wynalazki, rozwiązania techniczne istotnie poprawiające stabilność jazdy pojazdów przegubowych. Rozwiązania te zostaną zaprezentowane w następnych publikacjach. LITERATURA [1] Dudziński, P.: Badania wirtualne oraz eksperymentalne w projektowaniu pojazdów przemysłowych. Transport Przemysłowy, Nr 1, 2003. [2] Dudziński, P.: Lenksysteme für Nutzfahrzeuge. Springer- Verlag Berlin Heidelberg, New York, 2005. [3] 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. [4] PN-EN 12643:2000 Maszyny do robót ziemnych. Maszyny na kołach z ogumieniem. Wymagania dotyczące układu skrętu. [5] PN-85/M-47042 Układy kierownicze jazdy maszyn na podwoziach kołowych. Wymagania i metody badań.
Dudziński P., Skurjat A. : BADANIA EKSPERYMENTALNE I SYMULACYJNE WĘŻYKOWANIA PRZEGUBOWYCH POJAZDÓW PRZEMYSŁOWYCH NA PODWOZIU KOŁOWYM Część 2. Badania symulacyjne Słowa kluczowe: pojazdy przegubowe, wężykowanie, badania symulacyjne, własności dynamiczne opon wielkogabaryrtowych W artykule zaprezentowano wyniki badań symulacyjnych, zrealizowanych w środowisku MSC ADAMS, wężykowania pojazdu przegubowego na przykładzie ładowarki Ł220. W modelu, oprócz precyzyjnego uwzględnienia: geometrii i mas członów maszyny oraz ich momentów bezwładności, uwzględniono model hydrostatycznego mechanizmu skrętu wraz z jego geometrią oraz model układu napędowego wraz własnościami dynamicznymi opon wielkogabarytowych. W badaniach symulacyjnych wykorzystano wyniki badań eksperymentalnych, dzięki czemu wyniki symulacji stanowią bardzo ciekawe i oryginalne wskazówki dla producentów pojazdów przegubowych. Dudziński P., Skurjat A. : EXPERIMENTAL AND SIMULATION STUDIES ON SNAKING MOVEMENT OF WHEELED ARTICULATED BODY STEER VEHICLES Part. 2. Simulation studies Key words: articulated body steer vehicles, snaking, simulation studies, dynamic properties of multi-dimensional tyres The paper presents the results of MS ADAMS view simulation studies for snaking movement of an articulated body steer vehicle such as L 220 bucket loader. The model precisely accounts for machine units mass and geometry along with their inertia moments. Additionally, the model includes hydrostatic steering gear sub model and its geometry and the sub model of a drive train with dynamic properties of multi-dimensional tyres as well. Simulation studies used the results of experimental studies thus the simulation outcome provides interesting and original guidelines for articulated body steer vehicles manufacturers.