Пути повышения эффективности устройств защиты оператора при опрокидывании лесопромышленного трактора

Пути повышения эффективности устройств защиты оператора при опрокидывании лесопромышленного трактора

Статья посвящена совершенствованию конструкции устройства защиты оператора при опрокидывании лесной машины путем применения энергопоглощающих опор двухстороннего действия, позволяющих снизить риск нанесения травм оператору в случае возникновения аварийной ситуации. Эффект аварийного энергопоглощения достигается в ходе пластического деформирования элементов опор. Представлена конструкция, описан принцип действия опор по созданию дополнительного защитного эффекта в случае возникновения аварийной ситуации.

Для лесной техники, работающей в условиях пересеченной местности, характерны такие аварийные ситуации, как опрокидывание и удар кабины о грунт, падение на кабину деревьев, веток и сучьев. При этом велика опасность нанесения повреждений оператору лесопромышленного трактора. Одним из путей повышения безопасности труда является оснащение кабин лесных тракторов устройствами защиты при опрокидывании (ROPS — Roll-Over Protective Structure), которые бы позволяли, согласно требованиям действующих стандартов [1, 2], выдерживать определенные внешние нагрузки и поглощать определенное количество потенциальной энергии при деформировании. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, проводившихся в данной области [3] показали, что, зачастую, не все кабины отечественных лесозаготовительных машин в полной мере отвечают требованиям безопасности.

Возможные пути повышения эффективности устройств защиты оператора представляются автору работы следующими:

• 1) оптимизация геометрических параметров ROPS (с применением методов механики разрушения [4, 5] или теории катастроф [6 — 8]);
• 2) использование при проектировании и производстве конструкций материалов с высокими прочностными свойствами;
• 3) использование в системе ROPS дополнительных элементов (например, опорных устройств), дающих возможность создания дополнительного эффекта аварийного энергопоглощения в случае опрокидывания машины.

Остановимся на последнем из вышеперечисленных путей. Предлагаемое в данной работе опорное устройство может применяться в лесопромышленном комплексе на лесосечных машинах, машинах первичного транспорта леса, а также на лесохозяйственных тракторах при проведении лесовосстановительных работ.

Устройство (рис.1) для установки кабины 1 на раме лесопромышленного трактора включает в себя болт крепления кабины 3, опорную гайку 4, направляющую 5, амортизатор 6, фильеру 7, стержень 8, трубу 9, стакан 10 и боковые крышки-ограничители 11.

Кабина 1 вместе с каркасом безопасности (системой ROPS) 2 крепится болтом 3 к опорной гайке 4, установленной внутри направляющей 5 на амортизаторе 6.

Направляющая 5 оснащена боковыми крышками-ограничителями 11, исключающими перемещение конструкции в плоскости, перпендикулярной направлению движения машины.

К нижней части направляющей 5 посредством резьбового соединения крепится первый энергопоглощающий элемент — стержень 8, имеющий гладкий и нарезной цилиндрические участки, а также конический участок, совпадающий с сужающимся каналом фильеры 7.

Фильера 7 имеет внутренний канал с конической рабочей зоной, а также наружную коническую рабочую зону (рис.1).

Фильера размещена в верхней развальцованной части трубы 9 — второго энергопоглощающего элемента — таким образом, чтобы ее наружная рабочая зона совпадала с границей развальцованного участка трубы 9, при этом оси фильеры 7, стержня 8 и трубы 9 должны совпадать. Труба 9 и фильера 7 со стержнем 8 установлены в стакане 10, жестко закрепленном на раме машины.

Работа предлагаемой энергопоглощающей опоры осуществляется следующим образом. В случае возникновения аварийной ситуации, например, опрокидывания машины, кабина подвергнется воздействию боковой ударной нагрузки F (рис.2) со стороны грунта. Сила F вызовет реакции в опорах: одна из них будет работать на растяжение (реакция R1), другая — на сжатие (реакция R2 на рис.2).

Под действием реакции R1 защитный пояс 2 кабины 1, связанный болтом 3 и гайкой 4 с направляющей 5, начнет оказывать растягивающее воздействие на стержень 8, также связанный с направляющей 5. В результате воздействия стержень 8 начнет пластически деформироваться — удлиняться, перемещаясь в осевом направлении сквозь сужающийся канал неподвижной фильеры 7, создавая предохранительный эффект аварийного энергопоглощения.

Под действием реакции R2 защитный пояс 2 кабины 1 вместе с болтом 3 и опорной гайкой 4 начнут оказывать сжимающее воздействие на амортизатор 6, находящийся внутри направляющей 5. Амортизатор 6 будет деформироваться до тех пор, пока защитный пояс 2 не коснется направляющей 5, после чего направляющая 5 начнет силовое воздействие на фильеру 7, перемещая ее вниз в осевом направлении по трубе 9. Труба 9 начнет пластически деформироваться — развальцовываться — в результате воздействия фильеры 7, поглощая энергию удара.

Таким образом, в случае опрокидывания лесозаготовительной машины, ударная нагрузка, действующая на кабину, будет направлена на формоизменение стержня 8 и трубы 9, тем самым, создавая эффект поглощения основной части энергии удара в результате пластического деформирования стержня 8 и трубы 9 волочением.

Рис. 2 Схема возникновения аварийной ситуации

В случае падения на кабину 1 массивного предмета обе опоры будут работать на сжатие, при этом защитный эффект будет произведен путем пластического деформирования труб 9 в обеих опорах.

Выводы. Проблема технического перевооружения российского лесного комплекса в условиях доминирования иностранной лесозаготовительной техники [9, 10] требует скорейшего решения вопросов проектирования, производства и эффективной эксплуатации современных отечественных машин для леса. Проектирование конкурентоспособных лесных машин должно производиться в обязательном соответствии с требованиями международной системы стандартов по безопасности. В статье обосновывается необходимость включения в систему ROPS лесопромышленного трактора дополнительного устройства защиты оператора — энергопоглощающей опоры. Представлена конструкция опоры, описан принцип ее действия по созданию дополнительного защитного эффекта в случае возникновения аварийной ситуации.

Работа выполнена при поддержке Программы стратегического развития (ПСР) Петрозаводского государственного университета в рамках реализации комплекса мероприятий по развитию научно-исследовательской деятельности на 2012 — 2016 г. г.

• 1. ISO 8082−1:2009 Self-propelled machinery for forestry — Laboratory tests and performance requirements for roll-over protective structures — Part 1: General machines.
• 2. ISO 8083:2006 Machinery for forestry — Falling object protective structures (FOPS) — Laboratory tests and performance requirements.
• 3. Питухин А. В., Шиловский В. Н., Скобцов И. Г., Кяльвияйнен В. А. Повышение эксплуатационной технологичности лесозаготовительных машин. Петрозаводск: Петропресс, 2012. 240 с.
• 4. Pitukhin A. V. Fracture Mechanics and Optimal Design // Int. Journal for Numerical Methods in Engineering. 1992. Volume 34, № 3. pp. 933−940.
• 5. Pitukhin A.V. Optimal Design Problems Using Fracture Mechanics Methods // Computers and Structures. 1997. Volume 65, № 4. pp. 621−624.
• 6. Pitukhin A., Skobtsov I. The Estimation of Reliability Function in Terms of the Catastrophe Theory // Applied Mechanics and Materials. 2014. Volume 607. pp. 817−820. doi: 10.4028/www.scientific.net/AMM.607.817.
• 7. Pitukhin A., Skobtsov I. The Statement of Optimal Design Problem with the Cusp Catastrophe Theory Application // Applied Mechanics and Materials. 2015. Volume 709. pp. 530−533. doi: 10.4028/www.scientific.net/AMM.709.530.
• 8. Pitukhin A., Skobtsov I. The Statistical Catastrophe Theory and Optimal Probability Based Design // Applied Mechanics and Materials. 2015. Volume 741. pp. 283−286. doi: 10.4028/www.scientific.net/AMM.741.283.
• 9. Шегельман И. Р. Исследование направлений модернизации техники и технологии лесозаготовок // Инженерный вестник Дона. 2012. № 2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2012/866.
• 10. Рудаков М. Н., Шегельман И. Р. Формирование технологической платформы лесного сектора России как фактор повышения доходов лесопромышленных регионов России // Инженерный вестник Дона. 2012. № 3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2012/892.