книги из ГПНТБ / Малиновский, Е. Ю. Динамика самоходных машин с шарнирной рамой (колебания и устойчивость движения)

летворить этому требованию для тяжелых машин весьма труд­ но, так как в этом случае необходимый статический прогиб должен быть около 200—250 мм. Зарубежные фирмы, в част­ ности американские, и не пытаются выполнять это требование. Они устанавливают облегающие кресла с мощными пневмати­ ческими демпферами, гарантирующими закритическую харак­ теристику колебательных движений на кресле. Такие кресла защищают только от высокочастотной части спектра возмуще­ ний вибраций, низкочастотная же часть передается на води­ теля. Для предохранения последнего от ускорений, больших g, используют специальные привязные ремни.

Понятно, что при выбор типа сидения в каждом конкрет­ ном случае должен быть произведен специальный проверочный расчет. Установка «случайного» кресла может ухудшить усло­ вия работы водителя.

Другим способом снижения колебаний рабочего места води­ теля является подрессоривание кабины в целом. При некоторых конструктивных исполнениях машины собственная частота колебаний бывает достаточно высока (1,5—2,5 Гц), соотноше­ ние же масс всей машины и кабины может составлять 10—20 в зависимости от грузоподъемности машины. Это приводит к тому, что при подрессоривании кабины колебания корпуса тягача практически не зависят от движения кабины, и масса машины, покоящаяся на слабодемпфируемых шинах по отноше­ нию к корпусу кабины, выступает аналогом узкополосного фильтра собственных частот.

Отсюда можно сделать следующие выводы. Выбирать собст­ венную парциальную частоту колебаний подрессоренной кабины необходимо так, чтобы частота собственных колебаний машины оказалась по отношению к колебаниям кабины в зарезонансной области. Так как возмущающее воздействие на кабину имеет узкополосный характер, представляется возможным для умень­ шения колебаний кабины применять динамический гаситель ко­ лебаний, действие которого в этом режиме будет достаточно эффективно. Примером конструкций, реализующих только пер­ вое из этих решений, является машина шведской фирмы «Кируна» (рис. 31). Кабина представляет собой независимый узел, который крепится к раме машины при помощи двух вертикаль­ ных цилиндрических пружин 1, установленных на кронштейнах рамы 2. Для уменьшения колебаний внутрь пружин встроены телескопические регулируемые демпферы. Два шарнирных па­ раллелограмма 3 и 4 определяют движение кабины относитель­ но машины. Сравнительно большая длина рычагов допускает значительные амплитуды колебаний. Рулевое колесо, педали, рычаги и другие органы управления, размещенные в кабине, сочленены с машиной шарнирно.

Известна конструкция подвески кабины с использованием динамического гашения (рис. 32). Кресло водителя установ-

80

лево внутри кабины. Кабина имеет жесткое основание 2, кото­ рое с помощью, например, параллелограмма 7 связано с корпу­ сом машины 8. Подвеска кабины включает пружину 3 и гид-

равлический амортизатор 4. Динамический успокоитель — гаси­ тель колебаний 6 подвешен на пружинах 5 к подрамнику кабины. Схема управления 1 выполняется дистанционной и свя­ зана с машиной системой гибких шлангов и кабелей. На рис. 33

81

показаны расчетные спектры колебаний кабины с гасителем (кривая 3) и без него (кривая 2), а также спектр колебаний машины (кривая /), не имеющей системы подрессоривания.

Расчеты показывают, что применение подобной системы по­ зволяет снизить уровень колебаний не менее чем в 2 раза.

На рис. 34, а, б, в изображены осциллограммы колебаний передней секции машины и корпуса подрессоренной кабины (гаситель колебаний снят), полученные моделированием на аналоговой вычислительной машине. Исследовалась модель движения самоходного скрепера с ковшом емкостью 25 м3 по дороге со среднеквадратичной высотой неровности aq = 5 см, движущейся с различной скоростью. Из обработки результатов измерения величин хц 2 Для корпуса кабины и секции тягача (соответственно а - и а -) следует, что суммарный уровень

ускорений, действующих в точке крепления кресла водителя, уменьшается почти вдвое.

Однако подрессоривание блока кабины имеет и ряд недо­ статков: уровень колебаний для машины в целом остается вы­ соким (может быть даже более высоким, чем при машине с

Блок с помощью параллелограммной рычажной подвески 2 со­ единяется с мостом передней секции машины 3. Привод моста осуществляется через промежуточный понижающий редуктор 4 с помощью карданной передачи.

Параллелограмм рычажной подвески включает в себя аморшзирующую пружину 5 и гидравлический демпфер 6 автомо­ бильного типа. Таким образом, передняя секция машины мо­ жет быть сведена к двухмассовой расчетной схеме, что при

83

надлежащем выборе параметров позволяет значительно снизить действующие на водителя ускорения.

Специальные системы подвески. Некоторые из таких систем запатентованы фирмой Катерпиллер [36]. Особенность их состоит в том, что переход на двухмассовую расчетную схему колебаний передней секции машины осуществляется благодаря

Рис. 36. Амортизирующее шарнирно-сцепное устройство с гидропнев­ матическими направляющими:

а — установка на машине; б — общий вид

массам задней секции скрепера и ковша. Эти системы, как пра­ вило, являются активными, т. е. включают в себя специальный источник энергии.

Рассмотрим эти конструкции. Одна из них изображена на рис. 36, а. Сцепное устройство, соединяющее горизонтальный 10 и вертикальный 4 шарниры машины, выполнено в виде рамы 5, которая по вертикальным направляющим 6, 7 может переме­ щаться относительно тягача машины (рис. 36, б). Одна из на­ правляющих представляет собой одновременно силовой гидрав­ лический цилиндр 6, верхняя полость которого находится под давлением и соединена с одной стороны с двумя параллельно включенными пневмогидравлическими аккумуляторами 2, 3, а

84

с другой — через распределитель 8 с подкачивающим насосом 1. Из двух пневмоаккумуляторов один (2) выполнен на высокое давление и обеспечивает работу системы в груженом состоянии, а другой (3) — на низкое давление и работает при порожней машине. Демпфирование осуществляется в результате гидрав­ лических потерь в дросселирующем отверстии а.

Расчетная схема колебаний передней части машины вклю­ чает две массы, из которых верхняя соответствует массе прицеп­ ной части машины, приходящейся на переднюю ось, а нижняя — массе тягача. Вертикальная жесткость сцепки определяется давлением в аккумуляторах. Постоянство положения статиче­ ского равновесия рамы относительно тягача машины достигается вследствие работы подкачивающего насоса 1. Например, при порожней машине аккумулятор высокого давления полностью освобождается от жидкости, которая, поступая в полость ци­ линдра, поднимает прицепную часть скрепера. При этом рычаг распределителя 9 также перемещается вверх и, скользя вдоль упора 11, перемещает плунжер распределителя и сбрасывает излишки жидкости в бак. Жидкость будет поступать в бак пока опускающаяся рама, а вместе с ней и рычаг распределителя не вернутся в исходное положение.

При загрузке машины давление в полости цилиндра возра­ стает до уровня, соответствующего некоторому среднему поло­ жению поршня в аккумуляторе высокого давления, и поршень аккумулятора низкого давления поднимется. Жидкость из надпоршневого пространства цилиндра переходит в аккумуляторы и рама опускается, что, как и в предыдущем случае, вызывает необходимую реакцию подкачивающей системы и восстановле­ ние расчетной высоты. При высокочастотных колебаниях, свя­ занных с работой системы при движении машины, насос обычно не включается в работу. Это достигается тем, что привод рас­ пределителя от рычага осуществляется через специальное про­ межуточное демпфирующее устройство.

На рис. 37, а изображен другой вариант скреперной под­ вески фирмы Катерпиллер, сконструированной по тому же принципу. Отличие состоит в том, что тягово-сцепное устройство, соединяющее вертикальный 3 и горизонтальный 1 шарниры, выполнено в виде четырехзвенника (рис. 37, б), включающего раму 6, тяги 2, 5 и отдельный силовой гидроцилиндр 4. Рас­ пределитель 7 и пневмогидроаккумуляторы 8, 9 работают так же, как и в предыдущей схеме. Распределитель 10 предназначен для принудительного ручного блокирования подвески по жела­ нию оператора. По мнению фирмы система отличается еще и следующими преимуществами. Вертикальные колебания тягача всегда сопровождаются соответствующими угловыми перемеще­ ниями машины в вертикальной плоскости. Предполагается, что при правильном соотношении длин тяг и трапеции подвески можно добиться того, что угловые колебания машины будут

85

а)

Рис. 37. Амортизирующее шарнирно-сцепное устройство с параллелограммным направляющим механизмом:

а — установка на машине; б — общий вид

86

компенсироваться соответствующими встречными угловыми по­ воротами тягача в результате работы трепеции. Описанная си­ стема реализована на скрепере «Катерпиллер-631».

На рис. 38, а показана еще одна система защиты скрепера от колебаний. Предполагается, что в этой схеме максимальным образом используются элементы конструкции скрепера. Реак­ тивной массой для тягача 1 служат колебания ковша скрепера

3 на подъемных цилиндрах 2, которые на транспортных режи­ мах включают по специальной схеме. Рассматриваемая схема (рис. 38, б), как и предыдущие, имеет два пневмогидравлических аккумулятора 4, дроссель 5 и распределительное устрой­ ство 6. Последнее позволяет переводить цилиндры подъема в режим подъем — опускание, осуществляя необходимые соеди­ нения с насосом 7, либо переключать цилиндры на пневмогид­ равлические амортизаторы при транспортных режимах. По­ скольку в данной конструкции доля приведенной массы ковша, приходящаяся на переднюю ось машины, меньше, чем в конст­ рукциях с амортизированным сцепным устройством, вертикаль­ ный ход ковша при колебаниях будет достаточно большим, что вызывает определенные трудности при компоновке машины.

87

Описанная схема может с успехом применяться и на погруз­ чиках.

Рассмотренные схемы не исчерпывают всего многообразия решений. Каждая из перечисленных схем при грамотной реали­ зации может привести к желаемым результатам. Выбор схемы определяет конструктор машины с учетом конструктивных осо­ бенностей машины, технологии ее производства, возможностей использования и заимствования отработанных узлов и эле­ ментов.

Численные параметры элементов системы в каждом случае определяются расчетом.

6. ВЕРТИКАЛЬНЫЕ КОЛЕБАНИЯ

Расчетные формулы при линейной постановке задачи

Расчет вертикальных колебаний машины сводится к реше­ нию уравнения (104), а при выполнении условия (ЮЗ) —ж ре­ шению уравнений, описывающих вертикальные колебания масс,

г,.

Рис. 39. Схемы для расчета вертикальных колеба­ ний машины:

а — без специальных устройств подвески; б — с аморти­ зирующей сцепкой типа «Катерпиллер»; в — с подвеской блока кабина—двигатель; г — с автомобилиьной подвес­ кой; д — с подрессоренной кабиной (с устройством дина­ мического гашения или без него); е — короткобазовой

машины

е)

приведенных к той или иной оси. Условие это удовлетворяется для большинства типов машин, имеющих достаточно длинную базу, и, как показывают расчеты, хорошо отвечает расчетным схемам землеройно-транспортных машин. Исключения состав­ ляют машины с короткой базой и сильно выступающими за габариты базы рабочим оборудованием и двигателем.

Рассмотрим расчетные схемы (рис. 39, а—е). Схемы на рис. 39, б, в, г представляют собой одинаковые двухмассовые

88

колебательные системы, отличающиеся соотношением абсолют­ ных значений определяющих параметров и фиксируемой точкой выходного сигнала. Если учесть, что подрессоривание кабины обычно выполняют на достаточно тяжелых машинах, для ко­ торых можно пренебречь влиянием колебаний кабины на коле­ бания корпуса машины, то схему на рис. 39, д можно предста­ вить в виде последовательно соединенных одномассовой (напри­ мер, схемы, показанной на рис. 39, а).и двухмассовой схем. Заметим, что выходной параметр D - во всех случаях фикси­

руется на корпусе машины (или кабины), т. е. демпфирующие способности сиденья не учитываются. Однако, если предпола­ гать, что колебания водителя на сиденьи практически не влияют на колебания корпуса машины (или даже всей кабины), то сглаживающий эффект сиденья можно учесть, добавив в рас­

в, г) можно записать:

89