BADANIA EKSPERYMENTALNE I SYMULACYJNE WĘŻYKOWANIA PRZEGUBOWYCH POJAZDÓW PRZEMYSŁOWYCH NA PODWOZIU KOŁOWYM Część 1. Badania ekserymentalne Piotr Dudziński, Aleksander Skurjat 1 1 Prof. dr hab. inż. Piotr Dudziński, rof. 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
WPROWADZENIE W literaturze istnieje wiele umownych klasyfikacji ojazdów, jak na rzykład: ojazdy samochodowe, transortowe, terenowe, budowlane, komunalne, rolnicze, leśne, wojskowe, secjalne it. W ostatnich latach, zwłaszcza w iśmiennictwie zagranicznym, n. The Magazine for Industrial Vehicle Technology, Design & Engineering, w celu usystematyzowania terminologii, stosowane jest owszechnie, dla gruy ojazdów nie samochodowych, określenie ojazdy rzemysłowe. Do gruy ojazdów rzemysłowych zaliczane są rzede wszystkim mobile maszyny robocze (n. ładowarki), definiowane w zastosowaniach wojskowych jako maszyny inżynieryjne, oraz ojazdy transortowe (n. tzw. wozidła). W sumie jest to zbiór ojazdów od wózków widłowych, służących do mobilnego wewnątrzzakładowego transortu bliskiego dowolnej firmy, do ojazdów mających zastosowanie w określonych gałęziach rzemysłu, n. w budownictwie, górnictwie, rolnictwie, leśnictwie it. Mając na uwadze owyższe rzesłanki, można sądzić, że w olskiej literaturze fachowej termin ojazdy rzemysłowe znajdzie również swoje trwałe miejsce. rzemysłowych, gdzie układ skrętu oddziałuje na dwa, o dużych masach, ołączone rzegubem skrętu, człony takiego ojazdu. Jednym z aktualnych trendów w tej klasie ojazdów jest wzrost ich mobilności czyli możliwości rzemieszczania się z rędkościami 50-60 a nawet 100 km/h, n. wojskowe maszyny inżynieryjne [1-2]. Wymagania te ujawniły szereg nieznanych dotychczas roblemów dynamicznych w tych ojazdach. W fachowej literaturze istnieje szereg oracowań monograficznych i ublikacji dotyczących stabilności ruchu klasycznych ojazdów samochodowych, n. [3-5]. Niestety nie można bezośrednio rzenosić wyników tych rac do rozważań w obszarze ojazdów rzemysłowych, które istotnie różnią się od ojazdów samochodowych. Przykładowo, ojazdy rzemysłowe w zależności od zastosowania, osiadają różnorodne układy odwoziowe, rys.1. Układy odwoziowe ze skrętnymi kołami lub osiami, układy rzegubowe oraz ich kombinacje definiowane są jako tzw. geometryczne układy kierowania odwozia [6]. Dla ełnego usystematyzowania zagadnienia należy dodać, że istnieją też oślizgowe (analogia do klasycznych gąsienicowych układów odwoziowych) układy kierowania kołowych układów odwoziowych. W stosunku do różnorodnych rozwiązań układów odwoziowych ojazdów rzemysłowych, klasyczne ojazdy samochodowe osiadają z reguły konwencjonalny, tzw. Ackermann a układ kierowania rzednich kół. Ponadto istotne różnice omiędzy ojazdami samochodowymi a ojazdami rzemysłowymi zdominowane są rzede wszystkim rzez właściwości dynamiczne wielkogabarytowych tzw. inercyjnych oon ojazdów rzemysłowych oraz mechanizmu skrętu, który orócz zaewnienia danej maszynie wymaganej kierowalności musi również gwarantować jej niezbędną stabilność ruchu i związane z tym bezieczeństwo jazdy z dużymi rędkościami o drogach ublicznych [6]. Ta odwójna rola układu kierowania jest w szczególności bardzo istotna w rzegubowych ojazdach Rys. 1. Tyowe dwuosiowe układy odwoziowe ojazdów rzemysłowych [6], PS-rzegub skrętu PROBLEMY STABILNOŚCI RUCHU PRZEGUBOWEGO POJAZDU PRZEMYSŁOWEGO Ruch ojazdu rzemysłowego odbywa się w złożonych warunkach eksloatacyjnych związanych z oddziaływaniem na niego wielu czynników zakłócających orawność, wybranej rzez oeratora, strategii rzemieszczania się maszyny, rys. 2. Niektóre z czynników zmieniają się, zgodnie z wolą kierowcy, n. kierunek i rędkość jazdy ojazdu V 0, naęd na dwa lub wszystkie koła czy też siła naędowa lub hamująca. Liczna grua czynników związanych z rzyjętymi arametrami konstrukcyjnymi samego ojazdu i wływających między innymi: na oscylacje członów maszyny w rzegubie skrętu ±, otrzymaną trajektorię ruchu oraz liczbę korekt oeratora niezbędnych do utrzymania ojazdu w zadanym torze, określona jest już we wczesnym stadium jego rojektowania. Do najważniejszych arametrów należą:
rozkład mas m, m t, m u, rozstaw osi L, rozstaw kół B, usytuowanie rzegubu skrętu PS i rzegubu wahań PW, własności srężysto - tłumiące mechanizmu skrętu k s, c s czy też właściwości trakcyjne i srężysto-tłumiące k z,i, k y,i, c z,i, c y,i, c α,i, wielkogabarytowych oon. Pozostałe czynniki n. nierówności i ochylenie odłoża, oory rzemieszczania ojazdu, oddziaływanie wiatru it. stanowią gruę zakłóceń i mają z reguły charakter losowy. Rys. 2. Główne czynniki mające wływ na wężykowanie ojazdu rzegubowego na odwoziu kołowym W tym miejscu należy nadmienić, że w ojazdach rzegubowych, w odróżnieniu od ojazdów nie rzegubowych (z tzw. sztywną ramą ), szereg wymienionych owyżej czynników generuje, rzede wszystkim z owodu elastyczności układu skrętu i elastycznych wielkogabarytowych oon, oscylacje głównych członów ojazdu w rzegubie skrętu PS o kąt oraz oscylacje, n. tylnego mostu w rzegubie wahań PW, co rowadzi do owstania zjawiska wężykowania. Przyjmując do analizy, jako unkt rerezentatywny, geometryczny środek mostu rzedniego O (rys. 2), odstawowe wskaźniki wężykowania ojazdu rzegubowego stanowią: amlituda A w oziomego odchylenia środka mostu O i częstotliwość 1 jego wystęowania. T W Ponadto zarezentowane owyżej istotne czynniki oddziaływujące na ojazd rzegubowy, rzy uwzględnieniu jego arametrów konstrukcyjnych oraz kwalifikacji i redysozycji sychofizycznych kierowcy, owodują owstanie rozbieżności omiędzy założoną a rzeczywistą trajektorią ruchu - zdefiniowaną jako zmiana kąta kursu Ψ ojazdu (rys. 2). Wężykowanie oraz samoistna zmiana kąta kursu ψ ojazdu utrudniają lub wręcz uniemożliwiają sełnienie wymogów normatywnych [12-13] w zakresie douszczenia ojazdu do ruchu o drogach ublicznych. Zgodnie z tymi wymaganiami [12-13] układ skrętu owinien zaewniać możliwość rostoliniowej jazdy ojazdu do rzodu, z maksymalną rędkością V (max) o, na odcinku drogi o oziomej, równej, twardej i suchej nawierzchni, długości co najmniej S min=100m i szerokości równej 1,25 wartości obrysowego rozstawu kół jezdnych odwozia, rys. 3. Na tym odcinku douszcza się wykonywanie rzez oeratora tyowych korekt mechanizmem skrętu. Aby te korekty kąta kursu mechanizmem skrętu nie owodowały szkodliwych dodatkowych oscylacji dynamicznych głównych członów ojazdu rzegubowego, układ skrętu musi sełniać odowiednie wymagania. Taki innowacyjny adatacyjny układ skrętu dla ojazdu rzemysłowego, oracowany i rzetestowany w Zakładzie Inżynierii Maszyn Roboczych i Pojazdów Przemysłowych Politechniki Wrocławskiej, zostanie zarezentowany w nastęujących ublikacjach [14]. Natomiast, według [12-13] uszczenie luzem koła kierownicy lub dźwigni sterowniczej nie owinno owodować odchyleń rostoliniowej jazdy ojazdu, ołączonej z rzekroczeniem granic normowego toru, na odcinku krótszym niż 20 m. Zarezentowane w normach [12-13] wymagania, jakie owinien sełniać mechanizm skrętu ojazdu rzemysłowego, rzyjęto w dalszych badaniach jako kryterium stabilności technicznej rostoliniowej jazdy tej klasy ojazdów. Niestety, w literaturze brakuje komleksowych, wyczerujących badań w owyższej roblematyce, zarówno numerycznych jak i ekserymentalnych, w tym na obiektach rzeczywistych. Znane ublikacje, jak na rzykład [1-2] i [7-10] nie dają odowiedzi na wiele interesujących dla raktyki ytań. Najnowszą ozycją w tej dziedzinie jest [11]. Niniejsza ublikacja jest róbą istotnego oszerzenia wiedzy o rocesie wężykowania rzemysłowych ojazdów rzegubowych na odwoziu kołowym.
Sumaryczną (ekwiwalentną) sztywność mechanizmu skrętu k s ładowarki Ł220 wyznaczano na ostoju maszyny, generując znany moment M S w rzegubie skrętu, oraz mierząc kąt wychylenia (skrętu) członów tego ojazdu. Pomiary realizowano z uwzględnieniem i bez uwzględnienia elastycznych rzewodów hydraulicznych jak również z uwzględnieniem i bez uwzględnienia kontaktu z odłożem wielkogabarytowych oon maszyny, rys.5. Rys. 3. Wymagania, zgodnie z normami [12-13], dotyczące mechanizmu skrętu ojazdu rzemysłowego na odwoziu kołowym Zarezentowane wyniki badań ekserymentalnych wykazały bardzo istotny wływ odatności rzewodów hydraulicznych oraz odatności wielkogabarytowych oon na sumaryczną (ekwiwalentną) sztywność k S mechanizmu skrętu a w związku z tym również na roces wężykowania tej klasy ojazdów. BADANIA EKSPERYMENTALNE WŁAŚCIWOŚCI SPRĘŻYSTYCH MECHANIZMU SKRĘTU ORAZ OPON PRZEGUBOWEJ ŁADOWARKI ŁYŻKOWEJ Ekserymentalne badania ilotujące, rzerowadzone w Zakładzie Inżynierii Maszyn Roboczych i Pojazdów Przemysłowych Politechniki Wrocławskiej na rzegubowej ładowarce Ł220, będącej na wyosażeniu Zakładu, otwierdziły istotny wływ na roces stabilności jazdy takiego ojazdu odatności mechanizmu skrętu jak również odatności wielkogabarytowych oon. Badania rzerowadzano, odczas jazdy maszyny z różnymi rędkościami, na odłożu betonowym. Jako wymuszenie kinematyczne zastosowano rzeszkodę o wymiarach jak na rys. 4. Rys. 4. Schemat zastosowanego toru do badań rocesu wężykowania rzegubowej ładowarki Ł220 W celu identyfikacji wływu tylko mechanizmu skrętu na roces wężykowania, stosowano odczas badań również mechaniczną blokadę tego mechanizmu, uzyskując, na czas takiego wariantu omiaru, ojazd z tzw. ramą sztywną. Podczas ekserymentalnych badań rocesu wężykowania ładowarki rzegubowej mierzono oscylacje kątowe ± członów maszyny w rzegubie skrętu, siły (za omocą secjalnych sworzni omiarowych [15]) w siłownikach skrętu, rzemieszczenia tłoczysk tych siłowników, moment generowany w mechanizmie skrętu jak również zmianę kąta kursu maszyny. Rys. 5. Wyniki badań ekserymentalnych sumarycznej (ekwiwalentnej) sztywności mechanizmu skrętu k S ładowarki Ł220 z udziałem i bez udziału elastycznych rzewodów hydraulicznych oraz z udziałem i bez udziału kontaktu wielkogabarytowych oon z odłożem Niestety w dostęnej literaturze i katalogach firm z elastycznymi rzewodami hydraulicznymi brak jest informacji dotyczących zmian ich objętości ( uchnięcia ) w funkcji ich geometrii i ciśnienia wewnątrz rzewodu. W tym celu na secjalnym stanowisku badawczym wykonano badania różnych rodzajów rzewodów i o różnej ich geometrii: z jedną warstwą osnowy (1SN), z dwoma warstwami osnowy (2SN), o średnicach nominalnych DN10, DN16, DN20 oraz o długości L=0,45 m, L=0,60 m, L=0,64 m L=0,84 m [11]. Podczas omiarów badano rzewody roste oraz zakrzywione normatywnym romieniem, rzy czym wyniki tych omiarów były zbliżone. W celu ilościowej oceny odatności owyższych rzewodów wrowadzono wskaźnik rozszerzalności objętościowej rzewodu, zdefiniowany jako: V 1) V 0 rzy czym: V 0 oczątkowa wewnętrzna objętość rzewodu [m 3 ], V zmiana wewnętrznej objętości rzewodu w wyniku działania ciśnienia w czynnika roboczego [m 3 ]. Wobec owyższego moduł srężystości objętościowej B rzewodu, ze względu na nieliniowość zjawiska, można zdefiniować jako [6]:
- styczny moduł srężystości objętościowej lub B w (2) - sieczny moduł srężystości objętościowej gdzie: B w (3) w ciśnienie wewnętrzne w rzewodzie [N/m 2 ] Oczywiście w badaniach uwzględniono również zjawisko ściśliwości cieczy roboczej, którą można zdefiniować nastęująco: V 0 w Vc (4) Bc rzy czym: V c - ilość czynnika roboczego niezbędna do komensacji ściśliwości cieczy roboczej [m 3 ], B c - moduł srężystości objętościowej cieczy roboczej [N/m 2 ]. Natomiast, ze względu na to, że moduł srężystości E st rzewodów stalowych jest ok. 200 razy większy od modułu srężystości B rzewodów elastycznych, dla tyowych ciśnień w układzie hydraulicznym skrętu ojazdu, można go w badaniach ominąć. Wybrane wyniki badań ekserymentalnych rzedstawiono na rys. 6 i rys. 7. Rys. 7. Wyniki badań orównawczych zmian wewnętrznej objętości rzewodu V i zmian objętości cieczy roboczej V c w funkcji wewnętrznego ciśnienia w w tym rzewodzie Z rysunku 7 wynika, że dla tyowej zawartości nierozuszczonego owietrza w cieczy roboczej, zmiany wewnętrznej objętości ( uchnięcia ) rzewodu V w funkcji ciśnienia w są bardzo istotne. W związku z tym należy odkreślić, że elastyczność rzewodów hydraulicznych musi być uwzględniana nie tylko w analizie rocesu wężykowania rzegubowych ojazdów rzemysłowych ale generalnie w dynamice układów mechanicznych wyosażonych w hydrauliczne układy naędowe. W celu określenia odatności oon wielkogabarytowych ładowarki Ł220 rzerowadzono odowiednie badania ekserymentalne ich sztywności romieniowej i bocznej a rzykładowe wyniki zarezentowano na rys. 8 i rys. 9. Przerowadzone badania wykazały, że kontakt oon ojazdu rzegubowego z odłożem istotnie zwiększa całkowitą sztywność k S w rzegubie skrętu (rys. 5). Ponadto omiary otwierdziły, że wzrost ciśnienia w oonie zwiększając składowe sztywności oon owoduje wzrost całkowitej sztywności k S mechanizmu skrętu. Badania symulacyjne rocesu wężykowania ojazdu rzegubowego na odwoziu kołowym zostaną zarezentowane w drugiej części niniejszej ublikacji. Rys. 6. Wyniki badań wskaźnika rozszerzalności objętościowej rzewodów elastycznych w funkcji ciśnienia w cieczy roboczej dla różnych ich rozwiązań, o jednej warstwie osnowy (1SN) i o dwóch warstwach osnowy (2SN), oraz różnej ich średnicy i długości Rys. 8. Przykład badania sztywności romieniowej oony wielkogabarytowej 17.5-25PR ładowarki Ł220
LITERATURA Rys. 9. Wyniki badań sztywności romieniowej k z oony wielkogabarytowej 17.5-25PR ładowarki Ł220 dla różnych wartości ciśnień wewnętrznych w oonie o PODSUMOWANIE I WNIOSKI W racy omówiono istotne rzyczyny wywołujące wężykowanie ojazdów rzegubowych, w których zjawisko to stanowi istotny roblem, szczególnie odczas jazdy z dużymi rędkościami o drogach ublicznych. Wykorzystując normę PN-EN 12643:2000 zdefiniowano techniczne kryterium stabilności jazdy tej klasy maszyn. Badania ekserymentalne wykazały, że bardzo istotnymi czynnikami wływającymi na wężykowanie ojazdu rzegubowego są własności srężyste wielkogabarytowych oon oraz własności srężyste mechanizmu skrętu. W tym zakresie zarezentowano oryginalne, nie znane w ublikowanej literaturze, wyniki badań, które wykazały, że na ekwiwalentną sztywność skrętną mechanizmu skrętu ma istotny wływ nie tylko geometria siłowników wraz z ich usytuowaniem ale rzede wszystkim moduł srężystości objętościowej giętkich rzewodów hydraulicznych B i oczywiście moduł srężystości objętościowej samej cieczy roboczej B c. Dla rzewodów hydraulicznych, w zależności od ich konstrukcji i geometrii, uzyskano dla ciśnień roboczych do 8 MPa sieczny moduł B w zakresie od 307 MPa do 1333 MPa natomiast dla oleju hydraulicznego uzyskano sieczny moduł B c = 1770 MPa. Ponadto wyniki badań wykazały w sosób jasny, że ominięcie własności srężystych elastycznych rzewodów hydraulicznych w obliczeniach układów hydraulicznych może owodować znaczne błędy. [1] Łoatka, M., Muszyński, T. Identyfikacja zjawiska wężykowania rzegubowych maszyn kołowych. Biuletyn WAT Nr 03, 2003. [2] Muszyński, T. Wężykowanie rzegubowych ojazdów kołowych z hydrostatycznym układem skrętu. Rozrawa doktorska, Wojskowa Akademia Techniczna, 2004. [3] Ellis, J.R. Vehicle Dynamics: London Business Books. Limited, 1969. [4] Andrzejewski, R.: Stabilność ruchu ojazdów kołowych. WNT, 1997. [5] Mitschke, M. Wallentowitz, H.: Dynamik der Kraftfahrzeuge. Sringer- Verlag Berlin Heidelberg New York, 2004. [6] Dudziński, P.: Lenksysteme für Nutzfahrzeuge. Sringer- Verlag Berlin Heidelberg, New York, 2005. [7] Crolla, D.A. and Horton, D.N.L. The steering behavior of articulated body steer vehicles, in Paer C123/83. I. Mech. E. Conference on Road Vehicle Handling, MIRA, Nuneaton, 1983. [8] Horton, D.N.L. and Crolla, D.A. Theoretical analysis of the steering behavior of articulated frame steer vehicles, Vehicle System Dynamics, Vol. 15, 1986. [9] Azad, N.L., McPhee, J. and Khajeour, A. Off-road lateral stability analysis of an articulated steer with a rear-mounted load, Int. J. Vehicle Systems Modeling and Testing, Vol. 1, Nos. 1/2/3, 2005. [10] He, Y. Khajeour, A. McPhee, J. and Wang, X., Dynamic modeling and stability analysis of an articulated frame steer vehicles, Int. J. of Heavy Vehicle Systems, Vol. 12, No. 1, 2005. [11] Skurjat, A. Modelowanie rocesu stabilizowania ruchu ojazdu rzegubowego na odwoziu kołowym. Rozrawa doktorska. Promotor: Prof. Piotr Dudziński Politechnika Wrocławska, Zakład Inżynierii Maszyn Roboczych i Pojazdów Przemysłowych. [12] PN-EN 12643:2000 Maszyny do robót ziemnych. Maszyny na kołach z ogumieniem. Wymagania dotyczące układu skrętu. [13] PN-85/M-47042 Układy kierownicze jazdy maszyn na odwoziach kołowych. Wymagania i metody badań. [14] Dudziński, P., Hael, G., Skurjat, A. Sosób i urządzenie do automatycznego adatacyjnego sterowania ojazdem. Zgłoszenie atentowe P.388851 z dnia 21.08.2009. [15] Dudziński, P., Sworzeń do omiaru siły obciążającej w ołączeniu rzegubowym. Wzór użytkowy nr PL 55526, 1997. [16] Dudziński, P. Niekonwencjonalny rzetwornik do omiaru sił i momentów w arach obrotowych maszyn. II Konferencja Naukowa nt. Metody Doświadczalne w Budowie i Eksloatacji Maszyn. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej. Wrocław 1995.
Dudziński P., Skurjat A.: BADANIA EKSPERYMENTALNE I SYMULACYJNE WĘŻYKOWANIA PRZEGUBOWYCH POJAZDÓW PRZEMYSŁOWYCH NA PODWOZIU KOŁOWYM Część 1. Badania ekserymentalne Słowa kluczowe: ojazdy rzegubowe, wężykowanie, badania ekserymentalne, odatność układu skrętu, odatność oon, W artykule scharakteryzowano roblem wężykowania ojazdów rzegubowych odczas jazdy z dużymi rędkościami w asekcie, zdefiniowanego odowiednimi normami, bezieczeństwa jazdy o drogach ublicznych. Przerowadzone badania ekserymentalne wykazały, że do głównych czynników, mających dominujący wływ na stabilność jazdy tej klasy ojazdów należą: odatność mechanizmu skrętu - w tym elastycznych rzewodów hydraulicznych i cieczy roboczej oraz odatność wielkogabarytowych oon. W artykule zamieszczono szereg oryginalnych, nieznanych dotąd w literaturze, wyników badań ekserymentalnych z tego zakresu. Dudziński P., Skurjat A. : EXPERIMENTAL AND SIMULATION STUDIES ON SNAKING MOVEMENT OF WHEELED ARTICULATED BODY STEER VEHICLES Part. 1. Exerimental studies Key words: articulated body steer vehicles, snaking, exerimental studies, elasticity of steering gear, Elasticity of multi-dimensional tyres The aer characterizes snaking movement of articulated body steer vehicles during high seed travel in terms of travel safety norms on ublic roads. The exerimental studies established that the main factors which have significant effect on travel stability for this tye of vehicles are: steering gear elasticity including elastic hydraulic ies and hydraulic fluid and the elasticity of multi-dimensional tyres. The aer resents a number of resective original results of exerimental studies, unknown in the subject literature so far.