Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
24
Національний університет “Львівська політехніка”
Мартинців Михайло Павлович
ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ РОЗРОБКИ
НЕСУЧИХ І ТЯГОВИХ КАНАТНИХ СИСТЕМ
05.02.02 - машинознавство
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук
Львів –
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Українському державному лісотехнічному університеті Міністерства освіти і науки України.
Науковий консультант: доктор технічних наук, професор
Лютий Євген Михайлович,
Український державний лісотехнічний університет,
завідувач кафедри “Прикладна механіка”
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Малащенко Володимир Олександрович,
Національний університет “Львівська політехніка”,
професор кафедри “Деталі машин”;
доктор технічних наук, професор
Гончаренко Неоніла Констянтинівна,
Севастопольський державний технічний університет,
професор кафедри “Технічна механіка і
машинознавство”;
доктор технічних наук, професор
Берник Павло Степанович,
Вінницький державний аграрний університет,
завідувач кафедри “Автоматизація та комплексна
механізація технологічних процесів”.
Провідна установа - Одеський державний політехнічний університет,
кафедра “Динаміка, міцність машин і опір матеріалів”
Міністерства освіти і науки України, м. Одеса
Захист відбудеться 3 жовтня 2001 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.06 у Національному університеті “Львівська політехніка” за адресою: 79013, м. Львів-13, вул. С. Бандери, 12, ауд. 226.
З дисертацією можна ознайомитись у науково-технічній бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” (м. Львів, вул. Професорська, 1).
Автореферат розісланий 31 серпня 2001 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Форнальчик Є.Ю.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Канатні системи порівняно з іншими машинами та механізмами, відрізняються низькою метало- та енергомісткістю, що значно підвищує економічність та ефективність під час їх експлуатації. Несучі і тягові канатні системи широко використовуються в різних галузях промисловості. Від способу запасування канатної оснастки та її довговічності в значній мірі залежить ефективність роботи багатьох машин та механізмів. Практика показала, що в процесі експлуатації особливо швидко зношується канатна оснастка, тому для підвищення її довговічності та ефективності роботи машин і механізмів в цілому необхідно виконати комплексні дослідження з метою обгрунтованого вибору їх основних конструктивних та експлуатаційних параметрів. Особливо актуальною і до цього часу невирішеною залишається проблема розробки канатних систем для механізації робіт у гірських лісах.
Гірські ліси є джерелом цінної сировини для багатьох галузей промисловості і основним чинником збереження екосистеми, яка встановилася протягом століть. Слід зазначити, що гірські ліси, порівняно з рівнинними, відрізняються високою екологічною чутливістю, тому їх збереженню і відновленню необхідно приділяти особливу увагу.
Існуючі протиріччя між необхідністю збереження екосистеми і потребою промисловості в деревині при освоєнні гірських лісів вирішують, використовуючи підвісні канатні установки. Для Карпат, які розміщені в центрі Європи, в густонаселених промислових районах, інтенсивне впровадження канатних установок має особливе, не тільки економічне, а і соціальне значення.
Економічні та екологічні умови, що склалися в житті нашої країни ще більше підвищують актуальність проблеми створення системи нових прогресивних канатних установок для механізації робіт у гірських лісах.
З цією метою необхідно обгрунтувати для установок відповідні розрахункові схеми, скласти математичні моделі, визначити їх основні параметри. Таким чином, розробка системи нових канатних установок є актуальною науково-технічною проблемою.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисер-таційна робота виконана в Українському державному лісотехнічному університеті відповідно до пріоритетного напрямку науки і техніки 01 - “Охорона навколишнього природного середовища”, затвердженого рішенням Верховної Ради України від 16.10.92 р., №2705-ХI; направлена на виконання "Державної програми виробництва технологічних комплексів машин і обладнання агропромислового комплексу" на 1998...2005 рр., затвердженої постановою Кабінету Міністрів України від 1 грудня 1997 р. № 1341 і безпосередньо зв’язана з держбюджетними та науково-дослідними роботами УкрДЛТУ з проблеми дослідження канатної оснастки і розробки канатних систем.
Мета і задачі дослідження. Мета дослідження - розробка теоретичних основ проектування несучих і тягових канатних систем, обгрунтування їх параметрів та створення нових установок, які забезпечують механізацію робіт в гірських лісах.
Основні задачі дослідження.
1. Провести аналіз: а). конструктивних особливостей несучих і тягових канатних систем, які експлуатуються в різних галузях промисловості; б) ефективності використання існуючих канатних систем; в) результатів існуючих досліджень роботи канатних систем; г) методів розрахунку їх основних елементів.
. Розробити основи теорії несучих і тягових канатних систем та методів експериментальних досліджень.
. Обгрунтувати основні параметри канатних систем залежно від умов їх експлуатації.
. Розробити систему підвісних канатних установок і дати практичні рекомендації для їх проектування та експлуатації; впровадити результати досліджень у виробництво.
Об’єкт дослідження –промислові системи з низькою енерго- та металомісткістю, які забезпечують впровадження передових технологій.
Предмет дослідження –несучі і тягові канатні системи.
Методи досліджень. Теоретичні дослідження базувалися на теоріях міцності, механічних коливань з використанням методів системного аналізу, положень аналітичної геометрії, теоретичної механіки, диференціального та інтегрального числення, математичної статистики, теорії надійності, параметричної і структурної оптимізації. Розрахунки виконано з використанням персональних ЕОМ та пакетів прикладних програм; результати теоретичних досліджень отримані з точністю, допустимою для інженерних розрахунків і підтверджуються експериментально отриманими даними. Експериментальні дослідження проводилися на спеціально розроблених стендах, новизна одного з яких підтверджена авторським свідоцтвом (№1167242) та у виробничих умовах на діючих установках. Обробка результатів експериментів здійснювалась із застосуванням методів математичної статистики. При проведенні експериментальних досліджень використовувались повірена апаратура, апаратні методи вимірювань та реєстрації, статистичні методи опрацювання отриманих результатів.
Для виведення емпіричних залежностей довговічності канатної оснастки та порівняння отриманих результатів дослідження коливань канатної системи з відомими даними використано метод найменших квадратів. Проведено планування експерименту з метою впорядкування досліджень.
Наукова новизна одержаних результатів. Вперше запропоновано математичну модель канатних установок як складних пружних систем.
Отримано теоретичні залежності для визначення натягу несучих і тягово-несучих канатів, в основу яких покладено положення, що кривими провисання канатів є ланцюгові лінії, які перетинаються в точці прикладання вантажу.
На основі аналізу напруженого стану канатної оснастки встановлено межі її довговічності.
Вперше отримано залежності для розрахунку основних елементів спареної системи з двома несучими канатами, які з'єднані між собою перевантажувальним пристроєм.
Розроблено конструкції вантажних кареток за критерієм оптимізації кількості коліс і коефіцієнта нерівномірності розподілу навантажень між ними.
Розроблено номограму для вибору основних параметрів приводів, яка передбачає змінну жорсткість зв'язків двигуна, передач та барабанів і враховує вплив деформацій каната на зміну опору рухові каретки.
Практичне значення одержаних результатів. Розроблено систему канатних установок для механізації робіт в гірських лісах: мобільні (а.с. № 1299873; №1291471: № 1162650: № 1296459: № 1355527; № 1359184); багатопрольотні (а.с. № 1641682).
Вперше у світовій практиці створено спарену канатну систему для збору деревини з площі лісосіки з автоматичним перевантаженням трельованої пачки (а.с. № 1344654).
Дослідні зразки підвісних канатних установок впроваджені у виробництво: мобільні канатні установки (Міжгірський лісокомбінат, Сколівський лісгоспзаг, Надвірнянський лісокомбінат); багатопрольотна установка з приводом, що переміщується вздовж траси (Міжгірський лісокомбінат, Рахівський держлісгосп); спарена канатна система для збору деревини з площі лісосіки (Вел. Бичківський лісокомбінат).
Запропоновано пакети прикладних програм для розрахунку основних елементів канатних систем. На основі створеної методики та результатів досліджень сформульовано практичні рекомендації для вибору раціональних конструкцій та режимів експлуатації канатних установок.
Методики розрахунків канатної оснастки, вантажних кареток, приводів і пакети прикладних програм використовуються Львівським проектно-конструкторським технологічним інститутом при проектуванні нових канатних лісотранспортних систем.
Основні положення теоретичних і експериментальних досліджень дисертації стали основою для розробки навчального курсу "Підвісні канатні лісотранспортні та рекреаційні системи", який включено в програму підготовки спеціалістів (спец. 7.092.001 "Технологія лісозаготівлі" та 7.090219 "Обладнання лісового комплексу").
Особистий внесок здобувача. В опублікованих роботах [4, 5, 6] автором розроблено загальні схеми, виведено основні залежності і сформульовано висновки та практичні рекомендації; в статтях [8, 19, 21, 27, 28, 29, 30, 31] розроблено схеми канатних установок і вантажних кареток та описано принцип дії запропонованої конструкції; в [2] автором виконано дослідження впливу нерівномірності розподілу навантажень між колесами на довговічність несучого каната; при виконанні досліджень, наведених в [7, 9, 14, 15, 16, 18, 23, 24, 27], автором розроблено розрахункові схеми, отримано основні залежності для вибору параметрів установок; розробки [32, 33] належать автору в плані виведення основних теоретичних залежностей та проведення аналізу впливу окремих чинників на роботу канатних систем.
Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації доповідалися на науково-технічних конференціях УкрДЛТУ (1981-2001 рр.); на конференціях країн СНД і республіканських семінарах (Одеса - 1981, 1991; Івано-Франківськ - 1982, 1985, 1987, 1992; Свалява - 1986; Краснодар - 1986; Москва - 1989; Львів - 1997); на міжнародних конференціях "Лісотехнічна освіта і наука на рубежі XXI століття. Сучасний стан, проблеми і перспективи", Львів –1995; "Проблеми автоматизації лісопромислового комплексу", Львів - 1996; "Лісотранспорт в Карпатах: традиції, реалії, перспективи розвитку", Львів - 1998; на міжнародній конференції "Лісопромисловий комплекс напередодні ХХІ століття: освіта, наука, виробництво", Львів - 1999; "Лісотехнічна освіта і наука в контексті проблем довкілля і розвитку: стратегія на XXI століття", Львів - 1999; на розширених засіданнях кафедри прикладної механіки УкрДЛТУ, Львів - 1998, 2000.
Публікації. За темою дисертації опубліковано 74 праці, в тому числі 1 монографія, 1 навчальний посібник, 58 наукових статей, 14 тез доповідей і 11 авторських свідоцтв.
Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, семи розділів, висновків і додатків. Робота викладена на 332 сторінках, містить 81 рисунок, 26 таблиць, 29 додатків –на 80 стор. Список літератури включає 170 позицій.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступній частині обгрунтовано актуальність дисертаційної роботи, сформульовано мету та задачі досліджень.
У першому розділі розглянуто аналіз роботи несучих і тягових канатних систем. Вони знайшли широке застосування в різних галузях промисловості. Основними елементами таких систем є канатна оснастка, вантажні каретки та приводи.
Дослідженнями роботи канатних установок і їх окремих елементів займалося багато вчених різних країн. В процесі виконання роботи автор опирався на наукові розробки Дукельського А.І., Качуріна В.К., Барата І.Е., Вернле Р., Вісса Т., Глушко М.Ф., Комарова М.С., Козака С.А., Гохберга М.М., Голубцева А.Н. та інших. Дослідження канатної оснастки лісотранспортних установок виконувались в Українському державному лісотехнічному університеті проф.Белою Н.М. та її учнями.
Весь науковий доробок направлений на вирішення конкретних теоретичних та інженерних задач і тому створення єдиної теоретичної основи для розробки нових канатних систем вимагає проведення комплексних нових досліджень. Оскільки, розробка принципово нових підвісних канатних систем вимагає нових теоретичних підходів у виборі канатної оснастки, а дослідження роботи тягово-несучих канатів, канатів спарених систем, вантажних кареток раніше практично не проводилися, необхідно провести комплексні дослідження роботи канатних установок, як складних пружних систем.
Вивчення роботи існуючих канатних установок у виробничих умовах показало, що вони мають ряд недоліків, які обмежують їх широке застосування. Тому існує необхідність розроблення шляхів їх усунення і створення нових установок з науковим обгрунтуванням їх конструктивних параметрів.
На основі аналізу способів запасовки канатної оснастки проведено класифікацію основних схем існуючих та синтезованих несучих і тягових систем.
Основними недоліками існуючих установок є конструктивна недосконалість окремих елементів, їх значна металомісткість, яка пояснюється відсутністю обгрунтованої методики проектування канатних систем. Тому важливою науково-технічною проблемою є розробка теоретичних основ проектування несучих і тягових канатних систем та створення нових установок, що мають високу продуктивність і низьку метало- та енергомісткість.
Кожна схема канатної установки вимагає розробки для неї окремої математичної моделі, яка реалізується за допомогою відповідного математичного апарату. Незначна зміна запасовки канатної оснастки вимагає розробки нової математичної моделі, а це значно ускладнює розрахунок елементів нових канатних систем. Тому, для спрощення методики розрахунку канатних систем і створення можливості вибору оптимальних параметрів їх елементів, на першому етапі досліджень, використано принцип модульного моделювання. Згідно з ним математичну модель системи, якою є канатна установка, представлено у вигляді сукупності моделей: канатна оснастка, вантажні каретки і приводи. На другому етапі розроблено математичну модель установки, як складної пружної системи, виконано відповідний аналіз та синтез і обгрунтовано параметри установки для забезпечення ефективної роботи.
В другому розділі розроблено методику проектування вантажних кареток і приводів канатних систем.
Основними і найскладнішими елементами несучих і тягових канатних систем, які визначають їх тип та діапазон виконуваних ними операцій є вантажні каретки та приводи. Тому є необхідним проведення аналізу конструктивних особливостей вантажних кареток, приводів та умов роботи контактуючої пари колесо-канат.
При проектуванні вантажних кареток заданої вантажності повинна бути вирішена задача вибору оптимальної кількості ходових коліс і забезпечення рівномірного розподілу навантаження між колесами. Для вантажних кареток, які працюють "на спуск", що характерно для умов Карпат, приймають висоту підвіски вантажу а і відстань від осі балансиру до точки прикладання тягового каната – b рівними між собою (рис. 1). Тоді, для забезпечення рівномірного розподілу навантаження між колесами, їхні значення розраховуються за наступною формулою
, (1)
де Q, Q –відповідно вага вантажу і каретки; С - відстань від осі балансиру до центру ваги каретки; g - кут підіймання каретки; fо - коефіцієнт опору рухові каретки; Qт - складова натягу тягового канату, нормальна до осі несучого каната.
З метою визначення навантаження на колеса в умовах, близьких до реальних, досліджено вплив прогинів каната і опору рухові каретки на їх величину.
На основі виконаних досліджень обгрунтовано основні геометричні параметри і розроблено конструкції вантажних кареток для несучих і тягових канатних систем (а.с. № 1355527; 1359184; 1162650; 1296459).
Для практичного використання отриманих результатів в дисертації наведено відповідні графічні залежності.
Приводи канатних систем визначають діапазон операцій, які може виконувати канатна установка. Потужність привода і його механічні характеристики визначаються зусиллями в канатній оснастці і опором руху вантажної каретки. В роботі виконані додаткові дослідження для визначення опору рухові каретки від деформації несучого каната.
Для вибору параметрів привода його необхідно розглядати як багатомасову систему. Привод однобарабанної лебідки можна представити, як пружну систему з передачею, якщо звести всі обертові маси до відповідних валів. Окремо маси з'єднані між собою елементами певної жорсткості (рис. 2).
Для пружної системи з урахуванням наявності передачі диференціальні рівняння руху мас, що здійснюють крутильні коливання, можна записати в такому вигляді:
(2)
де I - загальний момент інерції обертових мас двигуна; , , - кути закручування, відповідно першої маси, передачі та другої маси; С, С - зведені жорсткості відповідних ліній з'єднань; I-момент інерції передачі; М - обертовий момент двигуна; I-зведений момент інерції рухомих мас привода; М - статичний момент опору.
В роботі наведено алгоритм розв'язання системи рівнянь (2) та її аналіз.
Систему рівнянь (2) можна розв’язати відносно моменту сил пружності . Використавши нульові початкові умови при , , , загальний розв’язок набуде вигляду:
, (3)
. (4)
Зведений момент інерції рухомих мас провода змінюється під час навивання каната і може бути визначений з залежності
, (5)
де - зведений момент інерції рухомих мас привода без каната; - швидкість навивання каната; - тривалість навивання; - вага одного погонного метра каната; - діаметр барабана; - кількість шарів навивки каната на барабан; - діаметр каната.
Для практичного використання результатів розрахунків, виконаних за даною методикою, запропонована спеціальна номограма на рис. 3.
Наведена номограма дозволяє за зовнішньою характеристикою двигуна і навантаженням на барабан лебідки вибрати оптимальну жорсткість лінії з’єднання двигун-передача, або, маючи задану конструкцію привода, тобто жорсткість його елементів, вибрати оптимальну характеристику двигуна.
В дисертації також розглянуто коливання елементів привода та вплив опору рухові на зміну їх характеру.
В третьому розділі наведено теоретичні дослідження зусиль в канатній оснастці несучих і тягових систем при усталеному режимі. Доведено, що існуючі методики дозволяють розраховувати установки з одним несучим канатом без урахування динамічних навантажень. Обгрунтовано необхідність розробки методики розрахунку системи, що складається з декількох взаємно зв'язаних несучих канатів. Запропоновано універсальну методику розрахунку канатів, яка може бути використана для різних систем. При її розробці прийнято, що кривою провисання несучого каната є ланцюгова лінія, а канат є пружна нитка, деформація якої відповідає закону Гука.
Для реалізації такої методики необхідно розв’язати систему трансцендентних рівнянь. При ускладненні схеми запасування канатної оснастки кількість рівнянь системи значно збільшується, особливо для установок з тягово-несучим канатом і для спарених систем. В деяких випадках отримані системи рівнянь практично не можна розв'язати. Тому, для спрощення системи рівнянь та її розв'язання, в роботі встановлено зв'язок між параметричними коефіцієнтами ланцюгової лінії.
Розрахункову схему несучого каната можна подати у вигляді ланцюгової лінії з прогином довільної величини (рис. 4).
Провисання віток каната у вигляді ланцюгових ліній можна записати рівнянням
, (6)
де і=1, 2, ...- номери віток каната; Xk, Yk - координати граничних точок (k=А; В; D); Ci, Ci, Ci - параметричні коефіцієнти ланцюгових ліній.
Використовуючи взаємозв'язок між параметричними коефіцієнтами ланцюгової лінії Ci, Ci, Ci , запишемо:
Підставивши відповідні значення параметричних коефіцієнтів ланцюгової лінії в залежність (6) отримаємо систему трансциндентних рівнянь, після розв'язку якої загальне рівняння набуде наступного вигляду
(7)
,
де q - погонна вага каната, що вибирається попередньо залежно від Qy; Qx, Qy- відповідно горизонтальна і вертикальна складові зовнішнього навантаження Q.
Натяг каната в точці В можна знайти з рівняння
. (8)
Для вибору натягу несучого каната розроблено спеціальну номограму (рис. 5).
У розділі також розглянуто розрахунок і обгрунтовано основні параметри мобільних канатних установок, а також запропоновано залежності для вибору граничного значення гальмівного шляху вантажної каретки і жорсткості стопорних пристроїв, що кріпляться на несучому канаті.
Наведена номограма дає можливість вибрати основні параметри для монтажу несучого каната. Для заданого співвідношення f/L визначаємо максимальний натяг каната Tmax, його довжину L, а потім монтажний натяг T.
Спарена канатна установка являє собою систему з двох несучих канатів, що з’єднані між собою перевантажувальним пристроєм. Розрахункова схема такої установки наведена на рис. 6. Статичний розрахунок несучих канатів здійснюється аналогічно розрахунку несучих канатів багатопрольотних установок. При цьому необхідно розглянути найбільш невигідне розміщення вантажу, врахувавши вплив несучих канатів один на одного. Особливістю такої системи є значні динамічні зусилля, що виникають в канатній оснастці під час перевантаження вантажу на транспортну установку.
Динамічні зусилля виникають внаслідок коливань системи, особливо при перевантаженні вантажу з поперечної установки на транспортну. Враховуючи, що перевантажувальний пристрій сприймає навантаження як від маси поперечного, так і від маси поздовжнього канатів, зведену вагу каната можна визначити із залежності
,
(9)
де H, H - горизонтальні складові натягів відповідно поздовжнього і поперечного несучих канатів; l, l - довжини розрахункових прольотів відповідно поздовжнього і поперечного несучих канатів.
Тому, при визначенні натягу несучого каната повне навантаження G необхідно прийняти рівним
G = Рзв + Р + Q + Gd, (10)
де Р - вага перевантажувального пристрою; Q - вага каретки і вантажу; Gd - динамічна складова, що виникає внаслідок коливання вантажу.
Враховуючи взаємний вплив несучих канатів один на одного, максимальний натяг несучого каната транспортної установки при перевантаженні каретки можна визначити з залежності
, (11)
де l, f - відповідно довжина максимального прольоту і максимальний прогин несучого каната транспортної установки; - кут нахилу хорди максимального прольота до горизонту; - статичний натяг віток несучого каната поперечної установки; Z - довжина несучого каната установки; - кут між ; - статичне відхилення системи від положення рівноваги.
Замкнуті канатні системи з тягово-несучим канатом мають свої специфічні особливості, що їх відрізняють від систем з несучим канатом. В дисертації наведено методику розрахунку таких систем.
В четвертому розділі досліджено напружений стан та довговічність канатів несучих і тягових систем. Проаналізовано вплив окремих факторів на довговічність канатної оснастки підвісних систем, а також встановлено причини зношування канатів і запропоновані рекомендації, направлені на підвищення терміну їх служби.
Руйнування несучого каната проходить внаслідок втоми металу через дію знакозмінних напружень згину і зминання, які виникають при проході коліс вантажної каретки, внаслідок стирання зовнішніх дротин при ковзанні канатів на опорних башмаках і на ободі колеса каретки.
Згинальні напруження під час руху вантажної каретки можна знайти з виразу
, (12)
де зг - згинальні напруження в канаті при статичній дії навантаження; kv - коефіцієнт зміни напружень під час руху каретки.
Коефіцієнт kv визначається за формулою
, (13)
де - швидкість деформації каната; dk - діаметр каната; Ek - модуль пружності каната; - напруження розтягу; - швидкість руху каретки; - натяг каната; - навантаження на колесо каретки.
За напруженим станом каната, отримано залежність для визначення величини знакозмінних напружень згину
, (14)
де ; ; D - діаметр блока (колеса каретки); .
Характер руйнування дротин несучого каната вказує, що критерієм їх довговічності є знакозмінні згинальні і контактні напруження. На основі аналізу результатів відомих досліджень, прийнявши за основу формулу Г. Герца і, врахувавши зміну жорсткості каната під колесом каретки, запропоновано залежність для визначення контактних напружень у вигляді
, (15)
де kk - коефіцієнт, який враховує кількість дротин, що контактують з ободом колеса, залежить від конструкції ободу та каната; Е - модуль пружності матеріалу ободу колеса каретки; E - модуль пружності матеріалу дротин каната; r - радіус кривизни згину каната (в роботі наведено методику визначення r).
Для забезпечення однакових умов роботи каната на блоці і під колесом вантажної каретки критичний кут огинання канатом колеса повинен бути рівним
, (16)
При цьому навантаження на колесо повинно складати
, (17)
де tTH - натяг вітки тягово-несучого каната.
На основі проведених досліджень в роботі запропоновано методику встановлення границі довговічності канатів несучих і тягових систем, прийнявши сумарні еквівалентні напруження рівними
. (18)
Комплекс наведених в розділі результатів досліджень дає можливість виконати аналіз напруженого стану канатів під колесом каретки і на блоках.
У п’ятому розділі розглянуто зміни зусиль і деформацій в канатній оснастці при перехідних режимах роботи з урахуванням динамічних навантажень.
Вантажні каретки підвісних канатних систем рухаються з швидкістю до 7 м/с, що викликає значні коливання як несучих, так і тягових та вантажопідіймальних канатів, особливо при перехідних режимах роботи. Крім цього, значні коливання канатів спостерігаються під час підтрелювання деревини до траси несучого канату. Проаналізовано існуючы результати досліджень в області динаміки канатів. Але відомі дослідження не висвітлюють всіх режимів роботи канатних систем, а саме: зміну зусиль в канатах в процесі коливання і руху вантажу.
Поздовжні коливання несучих канатів можна описати функцією u(,t), що описує переміщення перерізу каната, який мав у положенні рівноваги абсцису . Зусилля в поперечних перерізах ділянки каната визначалися за законом Гука
, (19)
де Еk –модуль пружності каната; А –площа металевого перерізу; U –переміщення перерізів каната.
В дисертації визначено функцію для різних режимів роботи установки, що дає можливість знайти натяг каната з урахуванням динамічних навантажень.
При роботі канатних систем, особливо спарених, важливо також дослідити поперечні коливання канатів.
У загальному вигляді вільні поперечні коливання несучого каната можуть бути описані залежністю
, (20)
де ; ,
- поперечна деформація каната; - циклічна частота коливань; f(x), f(x) –функції, якими задані початкові значення відповідно прогину і швидкості переміщення каната; х –абсциса перерізу, в якому визначається переміщення каната.
Для дослідження вимушених коливань каната використано рівняння Лагранжа другого роду, яке має такий вигляд
, (21)
де Wx, Пx - відповідно кінетична і потенціальна енергія каната, що коливається; q –вага погонного метра каната; P - зусилля, що діє на канат з урахуванням динамічної складової.
Зусилля Р визначається за формулою
; (22)
де - швидкість руху каретки; Q - вага каретки і вантажу.
Загальний інтеграл рівняння (21) можна записати в наступному вигляді
(23)
Визначивши кінетичну і потенціальну енергію каната і підставивши їх значення в (21), отримаємо рівняння коливань каната під дією рухомого вантажу у вигляді
, (24)
де ;
А - площа металевого перерізу каната; Езв - зведений модуль пружності системи канат-опори; f - початковий прогин несучого каната; fст - статичний прогин несучого каната під дією навантаження; l - довжина прольоту установки; - узагальнена сила.
Загальний інтеграл рівняння (24) можна представити у вигляді
, (25)
де - параметр несучого каната.
Приймемо, що початковий прогин каната та початкове значення швидкості задані певними функціями
; .
Підставивши і виконавши певні математичні перетворення знайдено функції та і визначено коефіцієнти і та .
У загальному вигляді розв’язок рівняння (20) можна записати
, (26)
де С, С, - постійні інтегрування, що визначаються з початкових умов і залежать від умов закріплення кінців несучого каната; k - циклічна частота коливань.
Для прикладу графіки зміни траєкторії руху вантажу і коливань каната побудовано для випадку: l=600м; несучий канат ГОСТ 2688, d=28,0 мм; f/l=1/20; a=30. Їх порівнювали з експериментальними даними, отриманими проф. Г. Жордано (рис. 7).
Отримані графіки дають можливість визначити траекторію руху каретки та коливання несучого каната при її зупинці і показують, що розходження між аналітичними та експериментальними результатами знаходяться в допустимих межах.
У шостому розділі розроблено математичні моделі канатних установок, як складних пружних систем, обгрунтовано їх основні параметри і наведено схеми створених канатних установок.
Розглядається установка, як система, що складається з несучого, тягового і вантажопідіймального канатів, вантажної каретки, лебідки, обвідних блоків, гакової підвіски та опор під час транспортування вантажу. Всі елементи установки мають певну жорсткість і взаємозв’язані між собою. Таку систему можна подати у вигляді розрахункової схеми (рис. 8).
Рух канатної системи можна представити у вигляді рівняння Лагранжа другого роду
(27)
де W, П, Ф –кінетична, потенціальна енергії системи та дисипативна функція Релея; qj –узагальнена координата; Qj –узагальнена зовнішня сила.
За узагальнені координати прийнято:
q=ai; 1іn; (n - кількість обвідних блоків тягового каната);
q=ak; 1kn; (n - кількість обвідних блоків вантажопідіймального каната); q= ; q= ; q= y, q= x;
ai іak - відповідно кути повороту обвідних блоків тягового і вантажопідіймального канатів;
і - кути повороту барабанів тягового і вантажопідіймального канатів.
Для розв’язання системи наведених рівнянь і практичного використання математичної моделі прийнято такі обмеження:
. Несучий канат має форму двох ланцюгових ліній, що перетинаються в місці знаходження вантажної каретки.
. Вплив проміжних і кінцевих опор на зміну жорсткості системи враховується за допомогою зведеного модуля пружності системи канат-опори.
. Поперечні коливання канатів установок розглянуто в одній вертикальній площині.
. Обертові маси привода зведені до вала двигуна.
. Дисипативна функція має лінійний характер і залежить від коефіцієнтів опору рухові окремих елементів установки.
Кінетичну енергію системи визначаємо із залежності
(28)
де Iі і Iі - моменти інерції обвідних блоків відповідно тягового і вантажопідіймального канатів; I і I - моменти інерції барабанів лебідки; ; - відповідно маси вантажу і каретки; , - кутові швидкості барабанів лебідки; Wmk , Wвк і Wнк- кінетичні енергії відповідно тягового, вантажопідіймального і несучого канатів.
Енергію Wmk визначали за формулою
, (29)
де qмк - маса погонного метра каната; lі - довжина ділянки каната між блоками; n - кількість обвідних блоків.
Кінетичну енергію несучого каната можна представити виразом
, (30)
де ; Н - горизонтальна складова статичного натягу несучого каната; g - прискорення вільного падіння; l - довжина розрахункового прольоту установки; х - віддаль від нижнього прольоту установки до місця положення вантажної каретки; f - статичний прогин несучого каната.
Потенціальну енергію системи визначали за формулою
, (31)
де Сk і Сk2 - жорсткість тягового і вантажопідіймального канатів; Секв - зведена жорсткість системи канат-опори.
Дисипативна функція має такий вигляд
(32)
де Вk1 і Вk2 - згинальна жорсткість відповідно тягового і вантажопідіймального канатів; Vі - навантаження на ходові колеса вантажної каретки; k - кількість коліс; tT і tв - натяг тягового і вантажопідіймального канатів; nТ1 і nТ2 - кількість обвідних блоків тягового і вантажопідіймального канатів; hі - коефіцієнт опору рухові коліс вантажної каретки; eТ і eв - коефіцієнти опору рухові при переході каната через обвідні блоки; n і n - лінійні коефіцієнти опору рухові при набіганні каната на барабан.
Для визначення узагальненої сили системі надано можливі переміщення і обчислено відповідні елементарні роботи. В результаті отримано вираз
(33)
де .
В дисертації виконано аналіз наведених залежностей і оцінено характер коливання каната, а також отримано часові залежності переміщень його перерізів.
У першому наближенні можна прийняти Ссист=Секв. Визначення жорсткості системи Ссист, якою є канатна установка, наведено в дисертації.
Диференціюючи наведені вирази за відповідними координатами, отримуємо рівняння руху механічної системи. Розв’язати отримані рівняння можна, задавшись граничними умовами для певного режиму роботи і конкретних умов експлуатації, методом числового інтегрування. У роботі наведено приклади таких рівнянь та їх розв’язки для окремих установок.
Для прикладу, на рис. 9-11 наведено часові залежності переміщень несучого і тягово-вантажопідіймального канатів, частоти коливань канатів та окремих елементів канатної системи.
На основі отриманих графіків встановлено, що частота коливань несучого каната в основному залежить, в основному, від співвідношення стрілки провисання каната і величини прольоту. Небезпека виникнення резонансу є для спарених канатних систем при значних провисаннях несучого каната (). Для таких установок необхідно додатково визначати співвідношення між частотою вимушувальної сили та власних коливань і забезпечити його величину згідно умовою або .
На основі виконаних досліджень запропоновано методику розробки несучих і тягових канатних систем для механізації гірських лісозаготівель.
Аналіз умов регіону, вибір типу транспортних засобів і розрахунок їх основних параметрів трудомісткий і вимагає значних затрат. Тому було розроблено пакет прикладних програм для розрахунку основних параметрів підвісних канатних установок, який дає можливість значно знизити трудозатрати на їх проектування та вибирати оптимальні параметри елементів канатних систем, а також запропоновано методику відповідних інженерних розрахунків.
З метою вирішення проблеми механізації лісозаготівель в регіоні Карпат, на основі отриманих результатів досліджень була розроблена система канатних установок: мобільні короткодистанційні установки; багатопрольотні установки з приводом, що переміщується вздовж траси; спарені канатні системи для збору деревини з площі лісосіки; спарені установки для транспортування деревини на подовжених трасах. Схеми таких установок наведені на рис. 12-14.
Мобільні короткодистанційні установки дають змогу підтрельовувати деревину до траси несучого каната без додаткових механізмів і спускати її з гірських схилів в підвішеному та напівпідвішеному стані. Установки використовуються для освоєння лісів на схилах протяжністю до 400 м і крутизною до 40. Замкнутий тяговий канат дає можливість використати установки і для освоєння лісосік в заболочених районах.
Особливістю конструкції канатної установки, вантажністю до 32кН, створеної на базі трактора Т-150 К, є оригінальне компонування вузлів і приводних барабанів, що дозволяє розташовувати самохідний привод в стороні від траси несучого каната після встановлення щогли в робоче положення, підвищуючи при цьому ефективність її роботи. Для мобільних канатних установок розроблені оригінальні напівавтоматичні трелювальні каретки.
Для забезпечення підтрелювання деревини до траси установки створена багатопрольотна канатна установка, яка дає змогу підтрельовувати деревину до траси несучого каната у будь-якому місці без додаткових механіз-мів та транспортування на віддаль до 1200 м. При цьому зменшуються ерозійні процеси на лісосіці, підвищується ефективність трелювання і техніка безпеки.
Розроблена конструкція принципово нової спареної канатної системи, яка дає змогу, не порушуючи екологічне середовище, транспортувати деревину в підвішеному стані від "пня" до розвантажувального майданчика з автоматичним перевантаженням трельованої пачки деревини в повітрі з однієї канатної установки на другу.
Для трелювання деревини на трасах великої довжини з поворотом в плані вперше розроблений варіант спарених транспортних установок з автоматичним перечіплюванням пачки деревини в повітрі з одної установки на другу.
У сьомому розділі наведено результати експериментальних досліджень силових режимів роботи канатної оснастки і вантажних кареток несучих і тягових систем.
Для перевірки адекватності аналітичних залежностей та оцінки точності отриманих результатів проведені експериментальні дослідження у виробничих умовах на діючих канатних установках і на дослідній установці в лабораторних умовах.
На першому етапі проведено вимірювання натягу несучих канатів у виробничих умовах на багатопрольотних установках, на мобільних установках і спарених канатних системах для збору деревини з площі лісосіки. Зусилля вимірювалися протягом всього циклу транспортування вантажу. Для цього були вибрані чотири діючі установки, з характерними для умов Карпат прольотами (Велико-Бичківський лісокомбінат об'єднання Закарпатліс).
Вимірювання зусиль в несучих канатах для різних їх монтажних натягів дали змогу встановити також, що із збільшенням монтажного натягу зменшується ступінь впливу маси вантажу на зміну зусиль в канаті, а також підтвердити актуальність основних теоретичних залежностей. Перевірка цих залежностей для визначення зусиль в поперечному і поздовжньому канатах спареної канатної установки була виконана на дослідному зразку, розробленому Львівським ПКТІ і УкрДЛТУ за участі автора.
Вимірювання зусиль здійснювалися за допомогою динамометра ДПУ-20-2, який включався безпосередньо у вітку несучого канату. Схема його підєднання, схеми дослідних установок та основні результати досліджень наведено в дисертації.
З метою перевірки вірогідності отриманих теоретичних залежностей, які описують характер коливань та зміну зусиль в несучих канатах спарених канатних систем, проведено відповідний аналіз, а отримані результати порівнювались з експериментальними дослідженнями, виконаними проф. Н.М.Бєлою, доцентами А.Г.Прохоренко, Е.М.Матвєєвим (порівняльні графіки подано на рис. 15).
Характер зміни зусиль в канатах установки під час руху вантажної каретки і зміну навантажень на ходові колеса досліджено на лабораторному стенді, змонтованому в лабораторії канатного транспорту УкрДЛТУ. Виконано статистичне опрацювання отриманих результатів і побудовано графічні залежності коефіцієнту нерівномірності розподілу навантажень між ходовими колесами від геометричних параметрів каретки та основних параметрів установки. В результаті підтверджено вірогідність аналітичних залежностей для визначення навантажень на ходові колеса кареток.
Дослідження показали, що розходження між теоретичними і експериментальними даними не перевищує 3...5 %, а це дозволяє вважати отримані результати вірогідними.
В И С Н О В К И
1. На основі проведених комплексних досліджень розв’язана важлива науково-технічна проблема, яка полягає у розробці теоретичних основ для несучих і тягових канатних систем, дослідженні, аналізі та створенні системи нових канатних установок для транспортування деревини в гірських умовах.
2. Розроблено математичну модель канатної установки, як складної пружної системи, і отримано теоретичні залежності для визначення зусиль в несучих канатах мобільних, багатопрольотних і спарених установок з врахуванням коливань канатів і динамічних навантажень.
3. Виконано аналіз напруженого стану несучих, тягово-вантажопідіймальних і тягово-несучих канатів та встановлено межі їх довговічності.
. Розроблено, за критерієм оптимізації коефіцієнту нерівномірності розподілу навантажень між колесами, методику для вибору основних параметрів вантажних кареток: кількості коліс, відстані між ними, висоти підвіски вантажу і відстані від осей балансирів до точки прикладання тягового зусилля.
. Запропоновано методику розрахунку приводів, яка дозволяє враховувати вплив деформації каната на зміну опору рухові каретки, зміну моменту інерції барабанів в процесі намотування каната, що дає змогу рекомендувати змінні жорсткості ліній з'єднань двигун-передача-барабан залежно від механічних характеристик двигуна.
6. Створено пакети прикладних програм для розрахунку основних елементів несучих і тягових канатних систем, які дозволяють на основі результатів теоретичних і експериментальних досліджень, враховувати тип та особливості технологічних схем їх роботи під час визначення основних параметрів і силових розрахунках окремих вузлів.
. Розроблено систему канатних установок для механізації робіт в гірських лісах, зокрема: мобільні установки для робіт на схилах крутизною до 40 при довжині лісосіки до 400 м, вантажністю 16 кН; 32 кН; (а.с. №1299873, №1291471); багатопрольотні установки з приводом, що переміщується вздовж траси для підтрелювання деревини в будь якому місці і її транспортування на схилах крутизною до 40 при довжині схилу до 1200 м, вантажністю 16 кН, 32 кН; (а.с. №1641682); спарені канатні системи для збору деревини з площі лісосіки на відстані до 200 м від траси і її транспортування без додаткового перевантаження на довжину до 1200 м, вантажністю 16 кН, 32 кН. (а.с. №1344654).
. Розраховано основні параметри дослідних зразків канатних установок (вони впроваджені у виробництво): натяги несучих канатів мобільних, багатопрольотних і спарених установок; кількість коліс і геометричні розміри кареток; потужність приводів; гальмівні зусилля барабанів лебідок: жорсткості ліній з'єднань приводу (двигун-передача-барабани). Рекомендовано типи приводів і канатів для їх оснастки.
9. Методики розрахунків канатної оснастки, вантажних кареток, приводів і пакети прикладних програм використано Львівським ПКТІ при проектуванні нових канатних лісотранспортних систем з економічним ефектом 60 тис.грн. (в цінах 1996 р.).
Дослідні зразки підвісних канатних установок впроваджені у виробництво в лісокомбінатах та держлісгоспах Львівської, Івано-Франківської та Закарпатської областей з загальним економічним ефектом понад 50 тис.у.о. в рік. Основні результати досліджень використано при підготовці навчальної дисципліни “Підвісні канатні лісотранспортні та рекреаційні системи”, яка викладається в Українському державному лісотехнічному університеті для спеціальностей 7.090219 та 7.092001.