книги из ГПНТБ / Жуков А.В. Колебания лесотранспортных машин
.pdfРис. 13. Расчетные схемы колебаний машин, применяемых в лесной промышленности.
концов пакета zt |
и z3 . В поперечной плоскости данная |
система |
||
имеет также три степени свободы, характеризующиеся |
обобщен |
|||
ными |
координатами |
, у, и у3. |
|
|
К |
варианту |
IV колебательной системы легко могут быть |
применены расчетные схемы, соответствующие колебаниям при повале дерева на машину на две опоры. Сюда же можно отнес ти машины, сопровождающие деревья при повале с пакетпров-
кой (ЛП-2), осуществляющие погрузку |
іна подвижной |
состав |
|||||||
хлыстов с захватом их близко к середине, и другие. |
|
||||||||
Кроме систем с п р о д о л ь н ы м |
р а з м е щ е н и е м |
на них |
|||||||
пакета |
хлыстов, |
широко используются |
машины |
с |
п о п е р е ч |
||||
н ы м |
р а з м е щ е н и е м |
пакета. |
К |
ним |
относятся, напрамер, |
||||
челюстные погрузчики (см. рис. |
13, V ) . Расчетная |
схема, соот |
|||||||
ветствующая поперечно-угловым колебаниям системы V вариан |
|||||||||
та, аналогична |
расчетной |
схеме |
IV варианта |
для |
колебаний в |
продольной вертикальной плоскости. Колебания этой динами
ческой системы в продольной |
плоскости |
имеют свои |
особен |
ности. |
|
|
|
Если при оценке динамики |
машин с |
продольным |
располо |
жением пакета хлыстов (вариант I) принимается во внимание характер его изгиба или кручения, то для варианта V должны
учитываться |
колебания с в и с а ю щ и х |
концов |
пакета, |
интен |
сивность которых зависит от конструктивных параметров |
машин |
|||
и других 'факторов. |
|
|
|
|
Исследования, проведенные нами с помощью ЭЦВМ, |
под |
|||
тверждают необходимость учета своеобразности колебания |
паке |
|||
та хлыстов |
при значительном свиеании |
их концов |
независимо от |
типа машин и расположения продольной оси стволов относи тельно оси машины.
Имеется множество разнообразных грузоподъемных машин, осуществляющих операции с отдельными деревьями или паке тами деревьев. Это прежде всего машины на колесном или гусе ничном ходу, имеющие грузоподъемные устройства (манипуля торы) и совмещающие другие операции технологического про цесса. К машинам такого типа можно отнести, например, трак торы для бесчокерной трелевки леса, валочно-трелевочные ма шины с повалом дерева на землю с последующей погрузкой на себя и другие. Такие машины из-за необходимости перемещения по неровному пути имеют упругую подвеску. Как правило, для них предусматривается значительный вылет грузоподъемного элемента (стрела, гидроманипулятор).
і Расчетная схема наиболее распространенных машин такого типа Соответствует V I варианту (ом. рис. 13). Подвеска машины условно принимается полужесткой. Подвешенный в точке Ог хлыст опирается вторым концом на землю (точка Ог) и в таком состоянии совершает колебания.
При колебаниях в поперечной плоскости система имеет три степени свободы: поперечное угловое перемещение корпуса ма шины (угол <р), вертикальные перемещения масс (mi и т2) по луподвешенного груза (один или несколько хлыстов). При коле баниях в продольной вертикальной плоскости основных степеней свободы также три. Они описываются обобщенными координа тами а, хи Х2-
Таким образом, при изучении динамики большинства типов лесозаготовительных и лесотр экспортных машин расчетная схе ма их колебаний в продольной или поперечной плоскостях мо жет быть сведена к одному из шести вариантов, представленных на рис. 13. Проведенные нами исследования указывают на при емлемость выбранных схем.
2. Зак. 2164
Глава II
НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ПРИКЛАДНОЙ ТЕОРИИ КОЛЕБАНИИ УПРУГИХ СИСТЕМ
1
Основные понятия колебаний механических систем
Основной задачей динамического исследования является оп
ределение движения системы, |
т. е. |
нахождение |
независимых, |
|||
изменяющихся по времени координат |
( с т е п е н е й |
с в о б о д ы ) , |
||||
определяющих положение всех масс данной системы. |
|
|||||
В |
общем случае ч и с л о |
степеней |
свободы любой |
механи |
||
ческой |
системы бесконечно велико, так |
как свойства |
деформа- |
тивности и инерции всегда сопровождают друг друга. Упроще ния же дают возможность характеризовать данный объект ко нечным числом степеней свободы. Для практических целей
Рис. 14. Разновидности упругих транспортных систем.
достаточная точность динамического исследования может быть получена при учете некоторых наиболее важных степеней сво
боды. |
|
|
|
с одной (а, |
б), |
|
На |
рис. 14 показаны механические системы |
|||||
двумя |
(в, г) и тремя (д) степенями |
свободы. |
|
|
|
|
При колебаниях механических систем возникают силы, ко |
||||||
торые можно разделить «а в о з м у щ а ю щ и е , |
д и с с и п а т и «- |
|||||
н ы е, |
в о с с т а н а в л и в а ю щ и е |
и |
с м е ш а н н ы е . |
Диссипа- |
||
тивные |
н восстанавливающие силы |
определяются |
свойствами |
|||
самой |
системы. Они не толыко |
влияют на ее |
движение, но |
и |
управляют им. Восстанавливающие силы стремятся вернуть си
стему в |
положение равновесия. |
Они |
характеризуют |
упругие |
|||
свойства |
связей, которые для |
линейных систем определяются |
|||||
коэффициентом жесткости с, т. е. отношением |
силы Q, |
нагру |
|||||
жающей |
систему, к ее перемещению z: |
c=Q/z. |
|
|
|
||
Н е л и н е й н ы е |
системы характеризуются |
у п р у г о й |
х а |
||||
р а к т е р и с т и к о й |
— графиком зависимости |
статической |
си |
лы, нагружающей систему, от ее перемещения. В случае угловых
перемещений ф |
упругая |
характеристика |
указывает |
на |
связь |
||
между |
этими |
перемещениями упругой |
системы |
и |
моментом |
||
М : М=М |
(Ф). |
|
возникают в результате |
трения |
в эле |
||
Дисоип'ативные силы |
ментах системы или вследствие сопротивления среды. При дей ствии их происходит рассеивание энергии и, как следствие этого, затухание колебаний системы. Диссипативные свойства динами ческой системы оцениваются х а р а к т е р и с т и к а м и т р е н и я , которые могут быть как линейными, так и нелинейными. Харак
теристики |
|
трения |
могут |
|
быть |
также |
кусочно-линейными. |
|||||||||
|
Такова |
характеристика |
сухо |
|
|
|
|
|
||||||||
го трения |
|
подвески |
автомобиля, |
|
|
|
|
|
||||||||
представленная |
|
зависимостью |
|
|
|
|
|
|||||||||
ПрИЛОЖеННОЙ |
СИЛЫ |
P^p |
ОТ СКОрО- |
|
|
|
|
|
||||||||
сти перемещения г (рис. 15). |
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
Силы |
смешанного |
характера |
|
|
|
|
|
||||||||
не |
раскладываются |
|
на |
|
сумму |
|
|
|
|
|
||||||
отдельных |
сил типа |
Q(z), |
|
Q ( i ) , |
|
|
|
|
|
|||||||
Q(t). |
|
В |
некоторых |
из |
них |
из |
|
|
|
|
|
|||||
общего |
восстанавливающего |
уси |
|
|
|
|
|
|||||||||
лия |
невозможно |
выделить |
|
возму |
|
|
|
|
|
|||||||
щающую |
и |
восстанавливающую |
|
|
|
|
|
|||||||||
составляющие. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
От типа |
колебательной |
систе |
э и с . 15. |
Кусочно-линейная харак |
|||||||||||
мы |
зависит |
выбор способа |
|
ее |
ис |
|||||||||||
следования. |
|
Обычно |
применяют |
|
теристика |
трения. |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
п р я м о й , |
|
|
о б р а т н ы й |
|
|
или |
и / И |
|
Ку| |
М |
|
|||||
э н е р г е т и ч е с к и й |
способы. |
|
|
|||||||||||||
Энергетический |
способ основан |
|
|
|
|
|
||||||||||
на |
законе |
|
сохранения |
энергии. |
|
|
|
|
|
|||||||
Прямой способ удобен для |
иссле |
Рис. |
16. |
Многомассовая |
цепная |
|||||||||||
дования |
многомассовых |
|
цепных |
|||||||||||||
|
|
|
система. |
|
||||||||||||
систем |
(рис. |
16), |
когда |
отдель |
|
|
|
|
|
ные массы мысленно выделяются и действие их упругих связей заменяется реакциями. При обратном же способе рассматрива ется деформация упругого элемента при разделении масс систе мы. Этот способ целесообразно применять при динамических исследованиях многомассовых систем типа упругой балки, соеди^-
/
няющей, например, два эвена транспортной системы, значитель но удаленных друг от друга.
После составления уравнений движения системы, если необ ходимо получить конкретные числовые результаты, производится числовой расчет интересующих параметров колебаний или при меняются модели-аналоги (механические или электрические).
Изучать колебания системы можно и экспериментально. Для определения и уточнения расчетных коэффициентов иссле дуемой динамической системы обычно проводят вспомогатель
ные лабораторные эксперименты. Числовой расчет |
позволяет |
|||
вскрыть не только количественную, но и |
качественную картину |
|||
колебаний. |
|
|
|
|
При моделировании наиболее широко применяют электри |
||||
ческие модели, основанные на |
аналогии |
между |
механическими |
|
и электрическими колебаниями |
[32,46]. |
Хотя при |
применении |
|
этого способа исследований обычно получаются |
значительные |
погрешности, однако он удобен для быстрого проведения пред варительных расчетов по выбору оптимальных параметров си
стемы |
и качественных исследований ее |
колебаний. |
|||
В настоящее время для решения дифференциальных урав |
|||||
нений |
колебаний механических |
систем |
широко |
используются |
|
электронные счетные |
машины, |
обеспечивающие |
большую ско |
||
рость |
вычиеленийдс |
желаемой |
степенью |
точности. |
С помощью |
ЭЦВМ исследуются разнообразные сложные динамические си стемы и явления.
2
Дифференциальные уравнения движения
Первым этапом динамических исследований упругих меха нических систем является выбор р а с ч е т н о й с х е м ы . Рас четная схема должна по возможности точно отражать главные стороны изучаемого явления и в то же время учитывать макси мальную простоту решения уравнений, описывающих движение системы.
Упрощения, вводимые три составлении расчетной схемы, выбираются на основе уже выполненных аналогичных или об щих исследований путем пробных расчетов или качественного анализа и зависят от точности результатов исследований. Так, при расчета-х, связанных с колебаниями транспортных систем, во многих случаяк распределенные массы могут заменяться со средоточенными, характеристики упругих элементов принимать ся линейными и т. д.
Если расчетная схема |
выбрана, составляются у р аівін е н и я |
д в и ж е н и я . Наиболее |
общей формой получения уравнений |
колебаний |
системы является |
использование |
уравнения |
Лагран- |
|||||
жа |
[47] |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
А |
(дТ |
\ |
д Т |
= |
д П |
d R (j - і 2 |
п) |
|
где |
nc |
— число степеней свободы |
системы; |
|
|
||||
|
i c |
— |
порядковый |
номер обобщенной |
координаты; |
||||
|
qlc |
— |
обобщенная |
координата; |
|
|
Т— кинетическая энергия системы;
П— потенциальная энергия системы;
R — диссипативная функция, характеризующая рассеива ние энергии под действием сил сопротивлений;
t — время.
Пользуясь этим уравнением, получают систему, состоящую из обыкновенных дифференциальных уравнений второго порядка
с н е з а в и с и м ы м и |
искомыми |
о б о б щ е н я ы чл и координа |
||||||||||||
тами, являющимися |
|
функциями времени. |
|
|
|
|||||||||
При составлении уравнений Лагранжа |
второго рода |
прежде |
||||||||||||
всего находится выражение |
кине |
|
, *' |
|
|
|
||||||||
тической |
энергии, |
которая |
явля- |
|
_ |
|
...fr. |
|||||||
ется |
о д н о р о д н о й |
к в а д р а |
|
|
|
|
|
|||||||
т и ч н о й |
|
функцией |
обобщенных |
/У, |
-ЛЛЛЛ- |
ъ |
||||||||
скоростей. Например, |
выражение |
|||||||||||||
к и н е т и ч е с к о й |
|
|
э н е р г и и |
|
|
|
|
|
||||||
двухмассовой |
упругой |
системы |
|
|
|
|
|
|||||||
(рис. |
17) |
имеет ВИД |
|
|
|
|
Рис. |
17. |
Схема |
двухмассовой |
||||
' |
т |
|
а |
с / |
ил ' 9 |
і |
\я |
о \ |
|
|
упругой |
системы. |
|
|
где М\, |
М2 |
— масса |
первого и второго |
грузов |
соответственно; |
|||||||||
Хи |
*2 — перемещения |
соответствующих масс. |
|
|||||||||||
П о т е н ц и а л ь н а я |
э н е р г и я |
является однородной |
квадратичной функцией обобщенных координат упругой механи ческой системы.
Для пружины, растянутой на величину z, потенциальная энергия, определяемая как работа упругих сил при возвращении ее в начальное положение, П = 0 , 5 с 2 2 , где с — жесткость пру жины. Выражение потенциальной энергии системы скрученного
стержня |
имеет вид П = 0 , 5 С ф ср2 (сф —жесткость стержня |
при |
кручении, |
<? — угол закручивания стержня). Для упругой |
си |
стемы, /показанной на рис. 17, выражение потенциальной энергии
выгладит так: П = 0 , 5 с ( л : і — * 2 ) 2 . |
рассеива |
|
Д и с с и п а т и в н а я |
ф у н к ц и я характеризует |
|
ние энергии. Направление |
диссипативных сил всегда |
противопо |
ложно скорости движения, а их величина зависит от скорости перемещения.
Для различных транспортно-ходовых систем виды диссипативных сил различны. Это силы трения в шарнирах и сочлене
ниях элементов подвески, сухое трение |
в рессорах, силы |
внут |
||||
реннего трения в |
шинах, |
сопротивление |
амортизаторов |
и |
т. п. |
|
Для простейшего |
вязкого |
амортизатора, |
сопротивление |
которо |
||
го пропорционально скорости движения |
штока, |
диссипативная |
||||
функция характеризуется |
зависимостью, |
вида |
R — kz, |
где |
k— |
коэффициент сопротивления амортизатора.
В подвесках современных транспортных машин почти ис ключительно применяют гидравлические амортизаторы, харак теристики которых в общем случае представляются графиком
Рис. 18. Схема продольных (а) и поперечно-угловых (б) колебаний седель ного автопоезда.
зависимости |
R = kzl, где і — показатель степени, зависящий от |
||
конструкции |
клапанов |
амортизатора и вязкости жидкости. |
|
С целью пояснения |
практического |
использования уравнения |
|
Лагранжа рассмотрим |
транспортную |
систему (автопоезд), схе |
ма колебаний которой показана на рис. 18. Кузов машины пред ставляет собой динамическую систему, способную совершать колебательные движения: линейные вертикальные, .продольноугловые и поперечно-угловые (под кузовом подразумевается подрессоренная масса транспортной машины).
На схеме Мі я М2 — соответственно подрессоренные массы тягача и полуприцепа, т\ и т2 — неподрессоренные массы тя гача. Масса Mi и массы mi и т2 связаны упругими элементами
(рессорами) с жесткости ми cpi |
и ср2 |
и амортизаторами |
с коэф |
фициентами сопротивления kp\ |
и kp2 |
. Жесткости и коэффици |
|
енты сопротивления шин обозначены соответственно с ш |
и кш . В |
точіке О тягач и полуприцеп связаны шарнирно. Число возмож ных перемещений кузова автомобиля и полуприцепа весьма ве лико, однако основное влияние на колебательный процесс ока зывают продольно-угловые, вертикальные и поперечно-угловые перемещения кузова [3,5, 19, .25].
При рассмотрении колебаний одного автомобиля ограничи ваются тремя степенями свободы. В случае автопоезда (тягача с полуприцепом) колебательная система несколько усложняется.
Выведем сначала дифференциальные уравнения движения • для общего случая, когда рассматриваемая система имеет де
вять степеней |
свободы, |
пять из которых обусловлены колеба |
|
ниями кузова |
и четыре |
— |
колебаниями колес. |
Выбираем |
обобщенные |
координаты, характеризующие поло |
жение системы при колебаниях. Наиболее удобны для дальней
ших исследований |
две системы обобщенных: координат: |
|
|||||||||||||
|
|
|
1) |
Z,, |
Z 2 , |
Z 3 , Рь Р2 , |
£ ь %2, |
ТЬ |
42" |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2) |
Zoi, |
<*i, 2о2, <*2, Рь |
Рг, &ь $2, |
Ть "і2, |
|
|
|
|
||||
где |
zi, z2 , z3 |
— вертикальные |
перемещения |
соответствующих |
|||||||||||
|
2оь 2 0 2 |
|
осей; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
— вертикальные |
перемещения |
центров |
тяжести |
||||||||||
|
ai, |
а 2 |
подрессоренных |
масс Mi и |
М2; |
|
|
|
|
||||||
|
— угловые |
перемещения |
масс |
ЛІі |
и М 2 |
в |
продоль |
||||||||
|
|
|
ной |
плоскости; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Рь |
р2 — угловые |
перемещения |
масс |
M i и Л42 |
в |
попереч |
||||||||
|
%и \ 2 |
ной |
плоскости; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
— вертикальные перемещения |
масс |
mi и |
т 2 ; |
|
||||||||||
|
"їь |
Ї2 — угловые |
перемещения |
масс |
тх |
и |
от2 |
в |
пзпереч- |
||||||
|
|
|
ной |
плоскости. |
|
|
|
|
Zi, z2 , |
|
|
|
|||
|
Таким образом, |
обобщенные |
координаты |
z3 , z0 i, |
z0 2 , |
||||||||||
«і, |
a2 характеризуют |
|
продольно-угловые |
и вертикальные, |
pi и |
||||||||||
р 2 — поперечнонугаовые |
колебания |
масс Мх |
и М2, |
a |
Si, ?2, чь |
||||||||||
f 2 |
— вертикальные |
и |
поперечно-угловые |
колебания |
масс |
т\ |
ит2.
Системы 1) и 2) различаются только тем, что первая описы вает колебания масс M i и М2 в продольной плоскости координа
тами Zj, z2 , |
z3 , а вторая — координатами |
z0 i, |
а и |
2 0 2 , <*2. |
Между |
координатами Zi, z2 , z3 и z0 i, |
а ь |
2 0 2 , |
<*2 существует |
связь: |
|
|
|
|
Zoi = . ( 2 i 6 + z 2 a ) / L i ; ai=(z 1 — ,z 2 )/Li;
z 0 2 = . ( z 3 a i - f z 2 & i ) / L 2 ; a 2 = .(z3 —z2 )/L2 .
Будем считать, что угловые колебания кузова |
не сопровож |
||||
даются |
появлением |
продольных сил, т. е. центры |
колебаний |
ле |
|
жат в |
горизонтальной |
плоскости, проходящей через центры |
тя |
||
жести |
тягача и полуприцепа. Примем, что автопоезд движется |
||||
п р я м о л и н е й н о |
я |
р а в н о м е р н о, коэффициенты жест |
кости и демпфирующие сопротивления системы являются посто янными величинами. Такое допущение, по мнению ряда иссле дователей [3,5, 12,25, 19], вполне оправдано. Кроме того, пусть поверхность дороги, а также все элементы исследуемой системы, кроме рессор и шин, будут жесткими. Для вывода дифференци альных уравнений движения колебательной системы, представ ленной на рис. 18, воспользуемся уравнением Лагранжа.
Кинетическая энергия (как однородная квадратичная функ ция обобщенных скоростей), выраженная через первую систему
обобщенных координат, после некоторых преобразований |
примет |
||||||
вид |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 Г = і 2 ! М 1 п р + 2 2 |
2 М 2 п р 4 - і 1 г 2 М , п р |
+ і 2 3 М 4 п р |
+ 2 2 2 2 2 3 М 5 п р |
4- |
||
.+MiP2 *i P 2 i + A f 2 P V p 2 a + f l i i ( S M - p V i M + m a |
(S2 2 + Р г |
* і |
П 2 2 ) , |
||||
где |
pxl, |
px2 — (радиусы |
инерции |
|
подрессоренных |
||
|
|
(масс (соответственно |
М\ и М2) |
отно |
|||
|
|
сительно |
продольных |
осей, |
проходя |
||
|
|
щих через их центры |
тяжести; |
|
|||
|
Pxi, |
Рхи — радиусы |
инерции |
неподрессоренных |
|||
|
|
масс гп\ и т2 относительно продоль |
|||||
|
|
ных осей, проходящих через их цент |
|||||
|
|
ры тяжести; |
|
|
|
|
Мі пр, M 2 n p . • • •, МЪпг> |
— приведенные массы. |
формулам: |
|||||||
П р и в е д е н н ы е |
м а с с ы |
определяются по |
|||||||
A«.„p=-M1 (6a +.P2 ,i ) \ L \ \ M 2 n p |
= M , ( a 2 |
+ p V |
|
)\L\-Mi{b\- |
|||||
|
|
|
- р 2 * 2 ) Д Л ; |
|
|
|
|
||
M3np=2Ml(ba~9\{)/L2i; |
|
|
M 4 n p = |
M 2 ( a 2 ! + P |
2 „ 2 |
) / L 2 2 ; |
|||
|
|
M5np |
= 2M2(biai~?2y2 |
) / L 2 2 . |
|
|
|
||
В этих выражениях py l |
и; py2 — радиусы инерции масс M t |
||||||||
и М2 относительно поперечных 'осей, проходящих через |
их цент |
||||||||
ры тяжести; величины a, b, alt |
bu |
L h L 2 |
те же, что и на рис. 18. |
||||||
Для потенциальной энергии выражение будет следующим: |
|||||||||
2П = |
Срі ( Z 2 ! п р |
-\-Z2\Лев) |
|
( ^ 1 пр + |
£~1 лев ) + с р 2 |
( 2 2 2 |
пр |
||
+ 2 |
2 2 л е в ) + с |
ш 2 |
( ^ 2 п р + |
^ 2 |
л е в ) + С Ш |
3 ( г 2 3 пр + 2 2 3 л |
е в ) , |
(1) |
где |
сш1 = с ш 2 = с ш 3 |
= с ш — жесткость одной пары шин. |
|
В выражение |
(I ) входят величины 2 и £ для левой и пра |
вой |
сторон автопоезда. |