Проектирование захватных устройств (ЗУ) лесных машин

 

 

Захватное устройство должно обеспечивать надежное удержание дерева, исключающее проскальзывание по двум направлениям: в плоскости движения рычагов при подъеме и удержании дерева и в поперечном направлении при подтаскивании дерева. Кроме того, должен быть предусмотрен случай удержания дерева при стравливании давления в системе или при запертом гидроцилиндре (невыпадание дерева из захвата по требованию техники безопасности).

Примем следующую расчетную схему взаимодействия ЗУ с деревом. Полагаем, что передача сил от ЗУ к дереву и наоборот происходит в трех контактных точках 1, 2, 3 (рисунок Б.1). В случае обжатия дерева рычагом во всех этих трех точках создаются силы нормального давления на поверхность дерева. Если обжатие отсутствует (дерево висит свободно, опираясь на рычаги), то нормальная сила N₃ = 0.

 

Рисунок Б.1 – Схема нормальных сил обжатия дерева рычагами захватного устройства

 

При этом удержание дерева в захвате при запертом гидроцилиндре обеспечивается за счет угла обхвата β, который для однорычажной схемы должен быть порядка 45˚, а для двухрычажной – 20˚ ÷ 30˚.

В качестве основного расчетного направления перемещение дерева принимается подтаскивание за комель (рисунок Б.2).

Рисунок Б.2 – Схема сил, действующих на дерево при подтаскивании

 

При перемещении вдоль расчетного направления τ необходимо преодолеть силу сопротивления кроны:

,

 

силу инерции:

,

составляющую сил тяжести:

.

Равнодействующая этих сил

,

 

где f_c – коэффициент сопротивления перемещению кроны по поверхности земли;

n – доля силы тяжести дерева, передаваемая через захваты;

1-n – доля силы тяжести дерева, контактируемая с землей;

W – ускорение перемещения центра масс дерева;

α; – угол уклона.

 

Равнодействующая воспринимается ЗУ в виде силы трения рычагов о кору дерева в захвате. Обозначим равнодействующую сил трения в захвате, препятствующую проскальзыванию, через F_тр. Тогда условие надежного захвата дерева запишется в следующем виде:

или

.

Если расчет ведется на дерево максимальной массы М, при максимальном коэффициенте сопротивления f_c, максимально допустимом ускорении W и максимальном уклоне, то выше приведенное неравенство можно заменить равенством:

.

Для определения расчетных нагрузок, передаваемых от дерева к ЗУ, достаточно перейти суммарной силе F_тр, приложенной к дереву, к силам реакций на рычаги ЗУ.

Примем следующую рабочую гипотезу нагружения захватного устройства. Полагаем, что сила трения равномерно распределена между тремя контактными точками. В действительности, кроме системы сил F₁, F₂, F₃, , на ЗУ действует момент силы нормального давления опоры N (рисунок Б.3), влияющий на перераспределение сил трения.

Рисунок Б.3 – Схема взаимодействия ЗУ с деревом при его подтаскивании

 

Итак, имеем следующую расчетную формулу для определения нормальной нагрузки в контактной точке 1 (рисунок Б.4):

.

 

Рисунок Б.4 – Кинематическая схема ЗУ для расчета усилий на штоке гидроцилиндра

Кроме силы N₁ на захватный рычаг действует сила трения F₁ в плоскости рычага и сила P_гц, направленная вдоль штока гидроцилиндра. Сила трения определяется величиной нормального давления и равна некоторой части от ее предельного значения:

,

а усилие на штоке гидроцилиндра зависит от конкретной кинематической схемы ЗУ.

Пусть задана кинематическая схема, показанная на рисунке Б.4. Составим уравнения моментов сил относительно оси шарнира:

.

Отсюда получим расчетную формулу

,

где h_N, h_F, h_гц – плечи соответствующих сил. Берутся из кинематической привязки);

F₁ – сила трения в контактной точке рычага. Определяется из условия, что равнодействующая сил проходит через опорную точку 3 (рисунок Б.4):

.

Условие, что линия действия равнодействующей сил в точке 1 проходит через точку 3, является рабочей гипотезой, наиболее полно отвечающей физической сути нагружения захватных рычагов.

Силы, найденные по выше представленным формулам должны быть проверены на надежность захвата при подъеме дерева с земли. При этом в проекции на вертикаль должно выполняться следующее условие равновесия:

.

Отсюда

.

Дерево не должно отрываться от контактной точки 3, то есть реакция N₃ должна быть больше нуля:

.