Спосіб визначення граничного кута поперечної статичної стійкості колісної машини з балансирною підвіскою одного з мостів ходової частини та напівпричіпної машини з застосуванням аналітичного моделювання

Реферат: Винахід належить до галузі сільгоспмашинобудування, а також може бути використаний в галузях виробництва дорожнього транспорту та дорожньо-будівельних машин. Спосіб визначення граничного кута поперечної статичної стійкості колісної машини з балансирною підвіскою одного з мостів ходової частини та напівпричіпної машини з застосуванням аналітичного моделювання полягає у визначенні кутів між горизонтальною площиною і площиною опори машини, при яких машина переходить у стан нестійкої рівноваги в результаті UA 105991 C2 (12) UA 105991 C2 її поперечного нахилу на лівий бік та нахилу на правий бік і виборі найменшого з кутів як оцінного значення. Згідно з винаходом, на першому етапі з горизонтально розташованою машиною зв'язують просторову прямокутну систему координат, в якій визначають координати точки, яка розташована у центрі шарніра балансирно підвішеного моста або у центрі шарнірного зчеплення напівпричіпної машини з тягачем, координати центру ваги машини та поперечні координати точок, що розташовані посередині місць контакту небалансирно підвішених коліс з площиною опори машини. На другому етапі поперечні координати коригують на величину нормального прогину шин небалансирно підвішених коліс. На третьому етапі розраховують кути поперечної статичної стійкості за узагальненою формулою. Спосіб забезпечує можливість визначення граничного кута поперечної статичної стійкості даного типу машин незалежно від їх габаритних розмірів, в межах допустимої похибки вимірювань, без застосування спеціальних стендів, з економією витрат енергії, матеріалів, робочого часу та зі зниженням рівня небезпеки процесу випробувань. UA 105991 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до галузі сільгоспмашинобудування, а також може бути використаний в галузях виробництва дорожнього транспорту та дорожньо-будівельних машин. Винахід призначений для визначення поперечної статичної стійкості колісної машини з балансирною підвіскою одного з мостів ходової частини та напівпричіпної машини в процесі їх проектування і випробувань. Поперечна статична стійкість машини характеризується граничними кутами її поперечного нахилу, при яких машина змінює стійке положення рівноваги на нестійке [1]. Відомий спосіб прямого вимірювання граничних кутів поперечної статичної стійкості мобільної сільгосптехніки за стандартизованою методикою [2], взятий як аналог, який передбачає застосування спеціального стенду типу стенда СУ-40. Стенд СУ-40, що вироблений експериментальним підприємством Кубанського науководослідного інституту з випробувань тракторів і сільськогосподарських машин [3], має вантажну платформу розміром 6000×4000 мм, яка монтується на фундаменті і може змінювати кут нахилу до горизонтальної площини, повертаючись навколо своєї горизонтальної осі під дією гідроциліндрів гідравлічної системи стенда. Машина, що випробується, встановлюється на робочій площині платформи таким чином, щоб її поздовжня вісь була паралельною осі повороту платформи. До коліс або гусениць машини приставляють упори проти її зсуву під час поперечного нахилу, а з протилежного боку машину страхують стропами з деяким провисанням. Кут нахилу платформи збільшують плавно до тих пір, поки будь-яке з коліс або гусениць машини не "відірветься" від платформи, тобто коли машина перейде в стан нестійкої рівноваги. У цей момент подальший рух платформи стенда припиняється і за допомогою маятникового кутоміра вимірюється кут нахилу робочої площини платформи до горизонтальної площини, який є граничним кутом поперечної статичної стійкості машини під час її нахилу на відповідний бік. Аналогічно визначається граничний кут поперечної статичної стійкості машини під час її нахилу на протилежний бік. Найменший з граничних кутів поперечної статичної стійкості машини в результаті її нахилу на лівий та правий боки приймається як оцінне значення. Спосіб визначення граничного кута поперечної статичної стійкості машин за допомогою стендів є способом прямого вимірювання показника і тому забезпечує достатню точність, але йому властиві наступні недоліки: - в практиці випробувань трапляється багато випадків, коли машина не може бути розміщена на стенді через свої великі габаритні розміри, які перевищують розміри робочої площини стенда; - не може бути використаний поза територіями випробувальних центрів (у тому числі в польових умовах), оскільки стенди - є непересувними засобами вимірювальної техніки; - супроводжується чималими витратами енергії, матеріалів, робочого часу, а значить і коштів, включно з витратами на придбання стенда, на спорудження його будівельної частини та монтаж, на установку та закріплення випробуваної машини на стенді та на безпосереднє проведення дослідів; - експлуатація стенда належить до категорії робіт з підвищеною небезпекою. Технічна задача полягає у розробці способу визначення граничного кута поперечної статичної стійкості колісної машини з балансирною підвіскою одного з мостів ходової частини та напівпричіпної машини з застосуванням аналітичного моделювання: - незалежно від її габаритних розмірів; - на території підприємств та організацій, які не оснащені спеціальним стендом; - в межах допустимої похибки вимірювань; - з економією витрат енергії, матеріалів, робочого часу, отже - з економією грошових витрат; - зі зниженням рівня небезпеки процесу випробувань. Теоретичною основою розробленого способу визначення граничного кута поперечної статичної стійкості колісної машини з балансирною підвіскою одного з мостів ходової частини та напівпричіпної машини з застосуванням аналітичного моделювання є наступні три положення: 1. Втрата машиною поперечної статичної стійкості, тобто перехід із стійкого в нестійке положення рівноваги, відбувається у той момент, коли лінія дії сили ваги машини, яка за визначенням проходить крізь центр ваги машини, перетинає її опорний контур; 2. Опорний контур машини з балансирною підвіскою одного з мостів ходової частини наближений до форми трикутника з вершинами у точках К1 і К2, що розташовані посередині зовнішніх сторін контуру плям контакту небалансирно підвішених коліс з площиною опори машини, а також з вершиною у точці В, яка розташована у центрі шарніра осі балансирно підвішеного моста (Фіг. 1). 1 UA 105991 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 Аналогічний за формою опорний контур напівпричіпної машини з вершинами K 1 і К2, що розташовані посередині зовнішніх сторін контуру плям контакту небалансирно підвішених коліс з площиною опори машини, а також у точці В, яка розташована у центрі шарнірного зчеплення напівпричіпної машини з тягачем (Фіг. 2); 3. Граничний кут поперечної статичної стійкості колісної машини (  ) в загальному випадку, тобто незалежно від різновиду її ходової системи, дорівнює куту ( 1 ) між лініями дії сили ваги машини відносно горизонтального положення машини (лінія 1) і відносно нахиленого положення машини до стану нестійкої рівноваги (лінія 2), як кути з взаємно перпендикулярними сторонами (   1 ) (Фіг. 3). Таким чином задача щодо визначення граничного кута поперечної статичної стійкості машини зводиться до: - розрахунку кутів між лінією дії сили ваги машини відносно горизонтального положення машини і лініями дії сили ваги машини відносно положень машини у стані нестійкої рівноваги в результаті її нахилу на лівий та правий боки; - вибору найменшого з розрахованих кутів як оцінного значення. Визначення граничного кута поперечної статичної стійкості колісної машини з балансирною підвіскою одного з мостів ходової частини та напівпричіпної машини з застосуванням аналітичного моделювання складається з трьох етапів. На першому етапі з горизонтально розташованою машиною зв'язується просторова прямокутна система координат OXYZ (Фіг. 1, 2). Вісь абсцис (ОХ) системи координат співпадає з проекцією на площину опори машини вертикальної поздовжньої площини, яка проходить посередині між колесами з небалансирною підвіскою, вісь ординат (OY) співпадає з проекцією на площину опори машини вертикальної поперечної площини, яка проходить крізь осі цих коліс, а вісь аплікат (OZ) перпендикулярна до зазначених координатних осей і перетинає початок координат (О). В цій системі координат вимірюються координати вершин опорного контуру горизонтально розташованої машини Yк1 , Yк 2 , ХВ , YВ , ZB (Фіг. 1, 2) та згідно з стандартизованою методикою [4, 5] визначаються координати центру ваги машини ХC , YC , ZC . На другому етапі, з метою урахування поперечного зсуву (поперечної деформації) пневматичних колісних шин в момент втрати машиною поперечної статичної стійкості на схилі, проводять коригування поперечних координат ( Yк1 або Yк 2 ) точок K 1 і або K 2 , тобто однієї з точок, яка в цей момент знаходиться в місці контакту небалансирно підвішеного колеса з площиною опори. Це пояснюється тим, що відносно зв'язаної з машиною системи координат, поперечні координати Y' к1 або Y' к 2 нахиленої на бік машини з пневматичними шинами коліс будуть меншими за абсолютною величиною відповідних координат горизонтально розташованої машини Yк1 , Yк 2 на величину поперечного зсуву (поперечної деформації) шин. При значеннях кута поперечного нахилу машини, близьких до мінімально допустимого значення граничного кута поперечної статичної стійкості (25-30)° [6, 7, 8, 9] поперечний зсув (поперечна деформація) шин в середньому буде дорівнювати нормальному прогину шин [10]. За визначенням нормальний прогин шин ( ho ) розраховується, як різниця вільного ( ro ) і статичного ( rc ) радіусів колеса: 45 50 ho  ro  rc Отже в загальному випадку, під час втрати машиною поперечної статичної стійкості, кориговані поперечні координати Y' к1 , Y' к 2 можна визначити з несуттєвою похибкою, як поперечні координати середніх точок зовнішніх сторін контуру плям контакту небалансирно підвішених коліс з опорною поверхнею при горизонтальному положенні машини, зменшені за абсолютною величиною на величину нормального прогину шин. На третьому етапі розраховуються граничні кути поперечної статичної стійкості машини в результаті її нахилу на лівий та правий боки та вибирається найменший кут як оцінне значення. Граничні кути поперечної статичної стійкості колісної машини з балансирною підвіскою одного з мостів ходової частини та напівпричіпної машини в результаті її нахилу на лівий та правий боки розраховуються за наступною формулою, яка виведена методами аналітичної геометрії у ході розробки винаходу: 2 UA 105991 C2 1( 2)  arccos XB ZC  XC ZB , 2 2    X X Z  XB  YC  C ( YB  Y'K1(K 2 )  Y'K1(K 2 )    ZC  C B   XB XB      де 1( 2) - кут поперечної статичної стійкості машини при її нахилі на лівий бік ( 1 ) та правий бік (  2 ), град; 5 10 15 20 25 30 35 ХВ , YВ , ZB - відповідно поздовжня, поперечна і вертикальна координати центра шарніра балансирно підвішеного моста ходової частини або центра шарніра зчіпного пристрою, мм; ХC , YC , ZC - відповідно поздовжня, поперечна і вертикальна координати центра ваги машини, мм. Y'K 1(K 2 ) - коригована по деформації шини поперечна координата точки K1 (K 2 ) небалансирно підвішеного колеса з опорною поверхнею у розрахунку кута поперечної статичної стійкості машини при її нахилі на лівий бік (при нахилі на правий бік), мм. З визначених таким способом граничних кутів поперечної статичної стійкості машини при її нахилі на обидві бічні сторони вибирається найменший як оцінне значення. Технічним результатом використання винаходу є можливість визначення граничного кута поперечної статичної стійкості колісних машин: - незалежно від їх габаритних розмірів; - на території підприємств та організацій, які не оснащені спеціальним стендом; - в межах допустимої похибки вимірювань; - забезпечуючи економію витрат енергії, матеріалів, робочого часу, а значить - економію грошових витрат; - забезпечуючи підвищення рівня безпеки процесу випробувань. Підтвердження можливості здійснення способу визначення граничного кута поперечної статичної стійкості колісної машини з балансирною підвіскою одного з мостів ходової частини та напівпричіпної машини з застосуванням аналітичного моделювання та оцінка його придатності проводились шляхом апробації на двох різнотипних машинах. Цими машинами були: - трактор МТЗ-80 (виробник: "Минський тракторний завод" м. Мінськ), який має схему ходової частини машини з балансирною підвіскою керованих коліс; - сівалка універсальна пневматична УПС-8 (виробник: ПАТ "Червона зірка" м. Кіровоград), яка у транспортному положенні має схему ходової частини напівпричіпної машини. Процес апробації проводився шляхом: - визначення граничного кута поперечної статичної стійкості кожної із випробовуваних машин згідно з заявленим на винахід способом та стандартизованим способом прямого вимірювання цього показника з застосуванням стенда СУ-40; - порівняння оціночних значень граничного кута поперечної статичної стійкості, отриманих стандартизованим та заявленим на винахід способами; - співставлення похибок визначення граничного кута поперечної статичної стійкості кожної із випробуваних машин згідно з заявленим на винахід способом та стандартизованим способом прямого вимірювання цього показника [2] з застосуванням стенда СУ-40. Результати визначення граничного кута поперечної статичної стійкості цих машин приведено в таблиці 1. 40 Таблиця 1 Граничний кут, поперечної статичної стійкості машини, град Найменування і марка машини Трактор МТЗ-80 Сівалка універсальна пневматична УПС-8 Розбіжність між значеннями граничного кута Допустима поперечної визначений визначений похибка способом з стандартизованим статичної стійкості вимірювань, машини, що застосуванням способом з град [2] визначені аналітичного застосуванням порівнюваними моделювання стенда СУ-40 способами, град 33,74 33,0 0,74 ±1,0 39,71 40,0 3 0,29 ±1,0 UA 105991 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 З аналізу отриманих даних можна зробити висновок, що значення граничного кута поперечної статичної стійкості кожної з досліджених машин, які визначені способом з застосуванням аналітичного моделювання, відрізняються від значень цього показника за результатами прямого вимірювання на стенді СУ-40 в межах допустимої похибки вимірювань, тобто не більше 1 град. Таким чином спосіб визначення граничного кута поперечної статичної стійкості колісної машини з балансирною підвіскою одного з мостів ходової частини та напівпричіпної машини з застосуванням аналітичного моделювання придатний для випробувань і досліджень даного типу машин. Апробація також підтвердила, що використання способу визначення граничного кута поперечної статичної стійкості колісної машини з балансирною підвіскою одного з мостів ходової частини та напівпричіпної машини з застосуванням аналітичного моделювання забезпечує одержання технічного результату, а саме можливості визначення граничного кута поперечної статичної стійкості машини: - незалежно від її габаритних розмірів; - на території підприємств та організацій, які не оснащені спеціальним стендом; - в межах допустимої похибки вимірювань; - з економією витрат енергії, матеріалів, робочого часу, отже - з економією грошових витрат; - зі зниженням рівня небезпеки процесу випробувань. На Фіг. 1 представлена схема розташування опорного контуру колісної машини з балансирною підвіскою одного з мостів ходової частини та зв'язаною з машиною просторовою прямокутною системою координат. На Фіг. 2 представлена схема розташування опорного контуру напівпричіпної машини та зв'язаною з машиною просторовою прямокутною системою координат. На Фіг. 3 представлена схема орієнтації лінії дії сили ваги машини відносно горизонтального положення машини і відносно нахиленого положення машини до стану нестійкої рівноваги. Джерела інформації: 1. Никитин Е.М. Теоретическая механика. -М.: Наука, 1988. - 336 с. 2. ГОСТ 12.2.002-91 ССБТ. Техника сельскохозяйственная. Методы оценки безопасности. Введ. 1992-07-01. -М: Изд-во стандартов, 1991. - 60 с. 3. Рябцев Б.И., Сасовский А.Н., Циблис Э.Д. Безопасность и эргономичность сельскохозяйственной техники. -К.: Техника, 1988. - 120 с. 4. ДСТУ ISO 789-6:2005. Сільськогосподарські трактори. Методики випробування. Частина 6. Центр ваги (ISO 789/6-1982, IDT). - Чин. 2006-07-01. - К.: Держспоживстандарт України, 2006. 10 с. 5. ГОСТ 27248-87 (ИСО 5005-77). Машины землеройные. Метод определения положения центра тяжести. - Введ. 1988-01-01. - М: Изд-во стандартов, 1987. - 9 с. 6. ДСТУ 2189-93. ССБП. Машини сільськогосподарські навісні та причіпні. Загальні вимоги безпеки. - Чин. 1994-01-01. -К.: Держстандарт України, 1993. - 28 с. 7. ДСТУ 3158-95. Засоби малої механізації для сільськогосподарського виробництва. Загальні вимоги безпеки. - Чин. 1996-07-01. - К.: Держстандарт України, 1995. - 31 с. 8. ГОСТ 12.2.019-86. ССБТ. Тракторы и машины самоходные сельскохозяйственные. Общие требования безопасности. - Введ. 1987-07-01. -М.: Изд-во стандартов, 1989. - 25 с. 9. ГОСТ 10000-75. Прицепы и полуприцепы тракторные. Общие технические требования. Введ. 1977-01-01 -М: Изд-во стандартов, 1988. - 7 с. 10. Работа автомобильной шины/ В.И. Кнороз [и др.]; под общ. ред. В.И. Кнороза. - М.: Транспорт, 1976. - 238 с. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 50 55 60 Спосіб визначення граничного кута поперечної статичної стійкості колісної машини з балансирною підвіскою одного з мостів ходової частини та напівпричіпної машини з застосуванням аналітичного моделювання, який полягає у визначенні кутів між горизонтальною площиною і площиною опори машини, при яких машина переходить у стан нестійкої рівноваги в результаті її поперечного нахилу на лівий бік та нахилу на правий бік і виборі найменшого з кутів як оцінного значення, який відрізняється тим, що на першому етапі з горизонтально розташованою машиною зв'язують просторову прямокутну систему координат, в якій визначають координати ( ХВ , YВ , ZB ) точки В, яка розташована у центрі шарніра балансирно підвішеного моста або у центрі шарнірного зчеплення напівпричіпної машини з тягачем, координати ( ХC , YC , ZC ) центру ваги машини та поперечні координати ( YK1 та YK 2 ) точок K 1 4 UA 105991 C2 та K 2 , що розташовані посередині місць контакту небалансирно підвішених коліс з площиною опори машини, на другому етапі поперечні координати ( YK1 та YK 2 ) коригують на величину 5 нормального прогину шин небалансирно підвішених коліс, на третьому етапі розраховують кути поперечної статичної стійкості машинив результаті її нахилу на лівий бік та нахилу на правий бік за узагальненою формулою: XB ZC  XC ZB , 1( 2)  arccos 2 2    XC X C ZB   XB YC  ( YB  Y'K1(K 2 )  Y'K1(K 2 )    ZC   XB XB      де, 1( 2) - граничний кут поперечної статичної стійкості машини при її нахилі на лівий бік ( 1 ) та нахилі на правий бік (  2 ), град; 10 15 ХВ , YВ , ZB - відповідно поздовжня, поперечна і вертикальна координати центра шарніра балансирно підвішеного моста ходової частини або центра шарніра зчіпного пристрою, мм; ХC , YC , ZC - відповідно поздовжня, поперечна і вертикальна координати центра ваги машини, мм; Y'K 1(K 2 ) - коригована по деформації шини поперечна координата точки K1 (K 2 ) небалансирно підвішеного колеса з опорною поверхнею у розрахунку кута поперечної статичної стійкості машини при її нахилі на лівий бік ( Y'K1 ) та при нахилі на правий бік ( Y'K 2 ) , мм. 5 UA 105991 C2 Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6