badania wężykowania cz. 2.

BADANIA EKSPERYMENTALNE I SYMULACYJNE WĘŻYKOWANIA PRZEGUBOWYCH
POJAZDÓW PRZEMYSŁOWYCH NA PODWOZIU
KOŁOWYM
Część 2. Badania symulacyjne
Piotr Dudziński, Aleksander Skurjat1
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.
z1
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.
zn
yn
x1
{n}
{1}
y1
xn
z
{I}
x
y
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
Op 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 kS 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 kS 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 kS
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
ks=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 kS , 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
0
amplitudy wynoszące maksymalnie ok.± 6 , 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
Optymalizacja wielokryterialna geometrii mechanizmu
skrętu z dwoma siłownikami została zaprezentowana w
pracy
[2].
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.
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.