Niniejsza praca dotyczy aktywnego zawieszenia kabiny (AZK) maszyny roboczej (MR). Przejazd MR po nierównym terenie powoduje, że kabina podlega wymuszeniom drgań o niskiej częstotliwości i znacznej amplitudzie. W celu redukcji tych drgań zaproponowano wykorzystanie AZK. AZK zawiera mechanizm wykonawczy, łączący kabinę z ramą maszyny, która poddawana wymuszeniom kinematycznym wykonuje ruch przestrzenny mierzony przez zespół czujników. Mechanizm wykonawczy jest napędzany przez siłowniki hydrauliczne, które są sterowane według przebiegów chwilowych prędkości obliczonych w podukładzie sterowania. Za cel działania AZK przyjęto pionowe ustawianie kabiny, zmniejszanie jej drgań przechyłowych oraz zmniejszanie drgań fotela operatora. Przedstawiono zbiór schematów kinematycznych mechanizmów platformowych, spośród których do szczegółowej analizy i syntezy wybrano mechanizm platformowy napędzany przez dwa siłowniki. Trzeci siłownik napędza oddzielny mechanizm poruszający fotel wraz z operatorem w pionowym kierunku. Szczegółowo opracowano mechaniczny model mechanizmu wykonawczego. Dla przyjętych założeń w jawnej formie rozwiązano zadanie proste i odwrotne położeń i prędkości mechanizmu. Wyprowadzono macierz jakobianową, której elementy poddano analizie wykazującej kinematyczne ograniczenia mechanizmu. Macierz jakobianową wykorzystano w równaniach NewtonaEulera, na podstawie których wyznaczono chwilowe obciążenia napędów. Rozwiązano zadanie syntezy wymiarowej mechanizmu AZK przystosowanego do ładowarki Caterpillar 924Gz. Rozwiązanie zawiera wyznaczenie długości ogniw, orientacji osi i usytuowania środków połączeń ruchowych mechanizmu realizującego pożądane przemieszczenia platformy z kabiną. Przeprowadzono analizę przemieszczeń względnych w parach kulowych i krzyżakowych. Wyprowadzono zależności wymiarowe, przy których sterowanie jednym siłownikiem powoduje zmniejszenie drgań kątowych kabiny wokół osi podłużnej, a jednocześnie zmniejsza jej drgania liniowe wzdłuż osi poprzecznej. Przeprowadzono badania poligonowe ładowarki (YTOZL50D-11), wyznaczono zakresy częstotliwości wymuszeń ramy maszyny, zakresy kątów przechyłów, wartości prędkości kątowych i liniowych oraz przyspieszeń liniowych wybranych punktów ramy maszyny występujących w rzeczywistych warunkach. Wykonano przykładowe obliczenia symulacyjne przyjmując: model napędu hydraulicznego uwzględniający tarcie zawierający liniowy siłownik sterowany zaworem dławiącym, model wymuszenia od drogi, model zawieszenia MR, model mechanizmu AZK i sposób regulacji. Na podstawie wyników symulacji pozytywnie oceniono efektywność pracy rozpatrywanego układu, wyznaczono graniczne częstotliwości wymuszeń i czasy zwłok działania AZK. Przeprowadzając odpowiednie symulacje, wyznaczono zakresy obciążeń napędów, ich wymagane prędkości i zapotrzebowanie na moc.
The present work relates to the active cab suspension (ACS) in a heavy machine (HM). During the ride HM over the rough terrain, the operator’s cab is subjected to excitations in the form of low-frequency and high-amplitude vibration. The vibration reduction strategy is suggested whereby the machine structure should incorporate an ASC comprising an actuating mechanism connecting the operator cab to the machine frame, which subjected to kinematic excitations, performs movements in space, measured with the set of sensors. The actuating mechanism is driven by cylinders capturing the instantaneous velocities derived in the control sub-system. The purpose of the ASC is to stabilise the cab in the vertical, to reduce its tilting and vibration of the operator’s seat. Several kinematic diagrams of platform mechanisms are presented, a detailed synthesis and analysis is conducted of a platform mechanism driven by two cylinders whilst the third cylinder supports the separate mechanism moving the seat with an operator in the vertical direction. The mechanical model of the actuating mechanism is a subject of most detailed investigated. For such formulated assumptions, the explicite solutions are found to the simple and inverse problem involving the mechanism’s velocity and position. The Jacobinian matrix is derived and its elements are duly analysed to demonstrate the kinematic constraints of the mechanism. The Jacobinian matrix is also utilised in Newton-Euler equations yielding the instantaneous drive loads. The synthesis of the ASC dimension is carried out, to adapt it to be used in a Caterpillar 924GZ loader. The solution consists in finding the length of links, axes orientation and positions of the middle points of the mobile joints implementing the desired displacement of the platform and the cab, supported by analysis of relative displacements in spherical and cross joints. The relationships between relevant dimensions are derived such that the control action of one cylinder should lead to reduction of the cab’s angular vibration around the longitudinal axis, at the same time reducing its linear vibration along the transverse axis. The field tests of the loader (YTOZL50D-11) are carried out to determine the frequency range of the excitations acting upon the machine frame, the range of the tilting angle, angular and linear velocity and linear acceleration of selected points on the frame which are present in real-life conditions. Underlying the applied simulation procedure are the following models: that of the hydraulic drive taking into account friction and incorporating a linear cylinder controlled via a throttling valve, the model of road-induced excitations, the model of an HM suspension, the model of the ASC and the control strategy. Simulation data prove the system’s performance to be effective. The boundary values of frequency of excitations and the delay times in the ASC operation are established. The simulation procedures are applied to determine the range of drive loads, the required drive velocities and power demands.
Настоящая работа касается активной подвески кабины (АПК) рабочей машины (РМ). Проезд РМ по неровной поверхности приводит к вынужденным колебаниям низкой частоты и значительной амплитуде колебаний кабины. С целью редукции этих колебаний предложено использование АПК. АПК состоит из исполнительного механизма, соединяющего кабину с рамой машины, которая при вынужденных колебаниях производит пространственные движения, измеряемые комплектoм датчиков. Исполнительный механизм приводится в движение при помощи приводов, управляемых в соответствии с величинами временных скоростей, расчитаных в подсистеме управления. Целью действия АПК принято вертикальное расположение кабины, уменьшение ее наклонных колебаний, а также уменьшение колебаний креслa операторa. Представлены кинематические схемы платформенных механизмов, из которых для детального анализа и синтеза выбран платформенный механизм, приводимый в движение двумя приводами. Третий привод приводит в движение отдельный механизм, двигающий кресло вместе с оператором в вертикальном направлении. Детально разработана механическая модель исполнительного механизма. Для принятых предпосылок в форме явной решено прямое и обратное задание положений и скорости механизма. Сформулировано матрицу Якоби, проведен анализ ее элементов, показывающий кинематические ограничения механизма. Матрицу Якоби использовано в уравнениях НьютонаЭйлера, на основании которых обозначено временные нагрузки приводов. Решено задание размерного синтеза механизма АПК, приспособленной для погрузчика Caterpillar 924Gz. Решение включает определенные длины звеньев, направление оси и установление центров подвижных соединений механизма, выполняющего требуемые перемещения платформы с кабиной. Проведен анализ относительных перемещений в шаровых и крестовых парах. Выведены размерные зависимости, при которых управление одним приводом приводит к уменьшению угловых колебаний кабины вокруг продольной оси и, одновременно, уменьшает ее линейные колебания вдоль поперечной оси. Проведены полигонные исследования погрузчика (YTOZL50D-11), определены пределы вынужденной частоты рамы машины, пределы углов наклона, размеры угловых и линейных скоростей, а так же линейных ускорений выбранных пунктов рамы машины, появляющиеся в реальных условиях. Произведены примерные расчеты симуляций принимая: модель гидравлического привода, учитывающий трение, имеющий линейный привод, управляемый дроссирующим клапаном, модель вынужденного движения по неровной поверхности, модель подвески РМ, модель механизма АПК и способ регулирования. По результатам симуляций положительно оценена эффективность работы рассматриваемой системы, обозначены предельные частоты вынуждень и время опоздывания действий АПК. Проводя соответствующие симуляции, определен предел нагрузок приводов, их требуемые скорости и мощности.
