EXPERIMENTELLE FORSCHUNG DER DYNAMIK VON TRAKTOR FRONTLADER SYSTEMEN CERCETĂRI EXPERIMENTALE ASUPRA DINAMICII SISTEMELOR TRACTOR-ÎNCĂRCĂTOR FRONTAL

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1 EXPERIMENTELLE FORSCHUNG DER DYNAMIK VON TRAKTOR FRONTLADER SYSTEMEN CERCETĂRI EXPERIMENTALE ASUPRA DINAMICII SISTEMELOR TRACTOR-ÎNCĂRCĂTOR FRONTAL Prof. univ. dr. ing. Simion POPESCU Lecturer dr. ing. Vlad POPESCU Transilvania Universitaty of Braşov, Romania Key words: Traktor, Frontlader, Traktordynamik, Messeinrichtung, Datenverarbeitung Zusammenfassung: In dem Beitrag wird eine komplexe Messeinrichtung vorgestellt, entwickelt für die experimentelle Forschung betreffend Dynamik von Traktor-Frontlader- Systemen, zwecks Analysieren des dynamischen Verhaltens des Systems in verschiedenen Fahrsituationen, auf ebenem Grund oder auf Hängen (Transport, Bremsen, Beschleunigen). Die Messeinrichtung erlaubt das gleichzeitige Messen und Aufnehmen der Werte von 13 Parametern, gefolgt von computergestützter Verarbeitung der erhaltenen Daten. 1. Einführung Die konstruktive und funktionelle Verbesserung der mobile energetische landwirtschaftliche Mittel darstellenden Traktoren erlaubte das Anbauen oder Ankuppeln an Traktoren von Ausrüstungen die deren Anwendung sowohl in der Landwirtschaft als auch in anderen Wirtschaftszweigen (Forstwirtschaft, Kommunalwirtschaft, Bauarbeiten usw.) ermöglichten. Folglich werden Traktoren dank ihrer Ausstattung mit Frontladern, versehen mit den entsprechenden Arbeitswerkzeugen auch für Auf- und Abladearbeiten und Handhabung von Produkten und Materialien eingesetzt. Obwohl die ersten Frontlader bereits vor mehr als 60 Jahren gebaut wurden, sind bis gegenwärtig wenige Studien über das dynamische Verhalten des Traktor-Frontladersystems zu verzeichnen, da das Hauptinteresse der Forschung vor allem der konstruktiven und funktionellen Optimierung dieser Systeme und dem Entwickeln von Arbeitsorganen für die Handhabung einer möglichst großen Vielzahl von Materialien galt [1]. Die Entwicklung der Berechnung des Traktorgestells und dessen Frontachsen unter der Einwirkung verschiedener am Traktor angebrachter oder daran angeschlossener Typen von landwirtschaftlichen Maschinen und Ausrüstungen ermöglicht die Durchführung einer Reihe von theoretischen [2;4] und experimentellen Untersuchungen [4], aufgrund der Messung, Aufnahme und Verarbeitung der Größe der dynamischen Belastungen der Traktorvorderachsen unter dem Einfluss der Frontlader. 2. Gemessene Größen und angewendete Messmethodik Zur Durchführung der experimentellen Untersuchung betreffend die Dynamik von Traktor Frontlader Systemen wird in der vorliegenden Arbeit eine moderne Messeinrichtung zur Messungsaufnahme und Verarbeitung der von Sensoren übernommenen Daten vorgestellt, wodurch gleichzeitig 13 Größen gemessen wurden (Bild 1): 5 Kräfte (Achsenlasten, Antriebs/Bremskraft an den Rädern, vertikale und horizontale Kräfte in dem Gelenk des Arbeitsorgans), 4 hydraulische Drucke (2 in den Zylindern des

2 Arms und 2 in den Zylindern der Schaufel), 2 Bewegungen (Hübe der Kolbenstangen der Zylinder des Arms und der Schaufel) und 2 Beschleunigungen (horizontale Beschleunigung des Traktors und vertikale Beschleunigung des Ladearms). Bild 1. Anbringschema der Aufnehmern auf dem Traktor-Frontladersystem Einige Parameter wurden indirekt bestimmt: die Hebehöhe der Schaufel wurde anhand des Hubes des Hydraulikzylinders des Arms bestimmt, und die Last der Schaufel anhand des Druckes im Zylinder des Arms. Hierzu wurden die Abhängigkeitsbeziehungen zwischen diesen Parametern abgeleitet, Beziehungen die dann in die Datenverarbeitungsprogramme der Meßeinrichtung eingegeben wurden. Da in der theoretischen Forschungen die Veränderung der dynamischen und kinematischen Parameter des Systems in Abhängigkeit von der Hebehöhe der Schaufel untersucht wurde, und die experimentelle Untersuchung durch Messen der Veränderung der Parameter in der Zeit durchgeführt wurde, wurde ein Datenverarbeitungsalgorhythmus entwickelt zur Bestimmung der Veränderung der Parameter in Abhängigkeit von der Hebehöhe [4]. Zwecks Erreichen der angeführten Ziele der experimentellen Untersuchung wurden, direkt oder indirekt, folgende Größen bestimmt [2] (Bild 1): die normale (vertikale) Last auf der Vorderachse (mit DMS-Sensor 1); die normale (vertikale) Last auf der Hinterachse (mit DMS- Sensor 2); die Antrieb- oder Bremskraft des Traktorhinterrädern (mit DMS- Sensor 3); die Hebekraft der Schaufel (mit DMS- Sensor 4); die Eindringskraft der Schaufel (mit DMS- Sensor 5); der Hub der Hebezylinderstange des Ladearms (mit induktivem Wegaufnehmer 6); der Hub der Kippzylinderstange der Schaufel (mit induktivem Wegaufnehmer 7); die Kräfte in der Hebearmzylinderstange des Ladearmes (mit Druckaufnehmern 8 und 9); die Kräfte in Kippzylinderstange der Schaufel (mit Druckaufnehmern 10 und 11); die Waagerechte Beschleunigung des Traktors (mit Beschleunigungsaufnehmer 12); die Senkrechte Beschleunigung des Ladearmes (mit induktivem Beschleunigungsaufnehmer 13); Die auf die Vorderachse wirkende Last wurde mit Hilfe von DMS- Sensoren bestimmt [3]. Die Schwingachse 1 der Vorderachse (Bild 3) wird auf Biegung beansprucht, durch die vom Körper 2 des Traktors zu Stange 3 der Vorderachse übertragene Kraft. Die vier DMS- Sensoren R 1, R 2, R 3 und R 4 wurden in vollständiger Brücke montiert und an Meßgeräte geschaltet.

3 Bild 2. Aufbauschema der Anbringung der DMS-Sensoren am Schwingbolzen der Vorderachse zwecks Messung der senkrechten Last auf der Vorderachse des Traktors Bild 3. Aufbauschema der Anbringung der DMS-Sensoren auf dem Hinterachsgehäuse des Traktors zwecks Messen der senkrechten Last und der Trieb/ Bremskraft Die auf die Hinterachse wirkende Last wurde mit Hilfe von DMS- Sensoren bestimmt [3]. Zu diesem Zweck wurden die DMS- Sensoren R 1, R 2, R 3 und R 4 auf den Gehäusen der Hinterachse angebracht (Bild 3). Das Hinterachsengehäuse wird auf Biegung beansprucht, durch die Normalkräfte Z 2 /2, die seitens der Räder auf die Achse wirken. DMS- Sensoren R 1, R 2, R 3 und R 4 sind in vollständiger Brückenschaltung montiert und an Meßgeräte geschaltet. Die tangentiale Kräfte (Treibkraft oder Bremskraft) der Antriebsachse (Hinterachse) des Traktors wurde mit Hilfe der horizontal angebrachten DMS- Sensoren R 5, R 6, R 7 und R 8 bestimmt (Bild 3). Unter Einwirken der seitens der Rädertangentialkräfte auf die Hinterachse wirkenden Kräfte, wird das Achsengehäuse in horizontaler Ebene auf Biegung beansprucht. Die DMS-Sensoren R 1, R 2, R 3 und R 4 sind in vollständiger Brücke montiert und an Meßgeräte geschaltet. Die in den Gelenken von Schaufel und Arm wirkenden Kräfte wurden mit Hilfe von DMS bestimmt, angebracht am Gelenkbolzen. Die DMS- Sensoren 5 messen die senkrechte Kraft und die DMS- Sensoren 4 messen die horizontale Kraft. Der Druck in den Hydraulikzylindern wurde durch Anmontieren auf beiden Zuleitungen der Zylinder von Druckaufnehmern vom Typ P11/ (Fa. HBM Darmstadt) bestimmt. Dieser Druckaufnehmertyp verfügt über ein elastische Membran deren

4 Verformung (proportional zum Druck) mit einem induktiven Wegaufnehmer gemessen wird. Der Hub der Hydraulikzylinderstangen wurde mit induktiven Wegaufnehmern vom Typ W 100 der Fa. HBM (Hottinger Baldwin Messtechnik Darmstadt) bestimmt. Die Beschleunigungen wurden mit induktiven Aufnehmern mit seismischen Massen vom Typ B-12 (Fa. HBM) bestimmt. 3. Aufnahme, Speicherung und Verarbeitung der Daten Die von den Meßstreifen und Aufnehmern übertragenen dynamischen und kinematischen experimentellen Daten wurden gemäß der Meßkette aus dem Bild 4 konstruiert. Dafür wurde ein am Nationalen Institut für Landmaschinen Bukarest (INMA) verfügbaren DAP 2400 System (Microstar Laboratories USA) verwendet. Dieses System hat 16 Analogeingänge, 16 Digitalausgänge und eine Probeaufnahmefrequenz von 120 khz. Bild 4. Meßkette zur Aufnahme, Speicherung und Verarbeitung der experimentellen Daten Zur Verstärkung der Größen wurden Verstärker vom Typ 3B-18 ANALOG DEVICES (USA) verwendet. Als Speisequelle diente eine Batterie mit Bleiplatten und 12 V Spannung. Die auf der Datenaufnahmeplatine befindliche Software erlaubt das Filtern der von den DMS- Sensoren und Aufnehmern erhaltenen Signale, sowie das bestimmen der Kleinst-, Höchst- und Durchschnittswerte der Signale. Bild 5. Apparatur zur Aufnahme und Speicherung der experimentellen Meßdaten angebracht auf dem Traktorkotflügel Das DAP 2400 System ist auf einem 486 DX4 LAPTOP installiert, worin sich die Aufnahmesoftware befindet, ausgerichtet auf die spezifische DALP Sprache. Die Datenaufnahme und -verarbeitungsausrüstung wurde gruppiert auf einer Platte auf dem linken Traktorkotflügel angebracht (Bild 5).

5 4. Auslegung der experimentellen Ergebnisse Durch die Verarbeitung der aufgenommenen Daten wurden die zeitbezogenen Variationen der (insgesamt 13) gemessenen dynamischen und kinematischen Größen aufgestellt, für verschiedene Betriebssituationen der Lader, entsprechend dem Versuchsprogramm [2]. Die Software des Rechners erlaubte das Feststellen der Variation gewisser Größen in Abhängigkeit von anderen Größen, zwecks Analyse des dynamischen Verhaltens des Laders in verschiedenen Betriebssituationen. Bild 6. Zeitliche Veränderung der Treibkraft F m auf den Rädern (a) und der Last ΔZ 2 auf der Hinterachse (b) beim Starten aus Stillstand des Traktors im 3. Gang, mit der Maximallast in der Schaufel (7000 N). So wie bei der Eichung der Sensoren für die Messung der Achsenkräfte angegeben, wurde der Messungsursprung für die statische Belastung des Traktors U 650: Z 10 =12100 N für die Vorderachse und Z 20 =2390 N für die Hinterachse. Untersuchungen unter dynamischen Bedingungen (Transport) wurden unter zwei unterschiedlichen Bedingungen durchgeführt: Starten aus Stillstand und Beschleunigung des Systems (U 650 Traktor mit IF 65 Frontlader), mit beaufschlagter Schaufel unter verschiedenen Belastungen Q m und bei verschiedenen Höhen h m ;

6 Bremsen des Systems mit maximaler Bremsbeschleunigung von verschiedenen Anfangsgeschwindigkeiten, mit beaufschlagter Schaufel unter verschiedene Belastungen und bei verschiedenen Höhen. Bild 8. Veränderung der Last ΔZ 2 auf der Hinterachse (a) und ΔZ 1 auf der Vorderachse (b) beim Bremsen des Traktors im 3. Gang, mit der maximalen Schaufellast (7000 N), in der Höhe vom 400 mm. Zur Veranschaulichung, sind in Bild 6 die Kurven der charakteristischen Parameter für Starten aus Stillstand mit maximal beaufschlagter Schaufel und bei maximaler Drehzahl des Schleppermotors (n=1950 U/min) dargestellt. Es kann bemerkt werden daß beim Start des Systems die Räderantriebskraft F m (Bild 6,a) hochfrequent schwingt und Spitzenwerte von F m = 8000 N werden dabei erreicht. Danach treten stationäre Werte auf, die zur Überwindung der Rollwiederstände des Traktors nötig sind. Entsprechend dem nichtstationären Startvorgang (durch die Kupplung am Traktor) treten Belastungen mit hohen Schwankungen auf die auf stationäre Werte nach etwa 13 sec. übergehen. Hochfrequente Schwingungen werden verursacht sowohl von den Schwankungen der Antriebskraft als auch von den Längsschwingungen des Traktorkörpers (die von der Elastizität der Reifen eingeleitet wird).

7 In Bild 7 sind beispielhaft die Zeitabhängigkeit der die Veränderung der Last und auf die Vorderachse ΔZ 1 und auf der Hinterachse ΔZ 2 angegeben, entsprechend maximaler Bremsen aus dem 3. Gang (etwa 8 km/h) mit der Maximallast in der Schaufel (7000 N) in der Höhe vom 400 mm. LITERATURVERZEICHNIS [1].Coenenberg, H-H. Dynamische Beanspruchungen bei Ackerschlepern I. Landtechnische Forschung, 1962, Nr. 1, S [2].Czyborra M., Theoretsche und experimentelle Forschungen der Dynamik der traktor- Frontladersystem. Doktorarbeit, Universität Transilvania Brasov, [3].HoffmanN, K. Eine Einführung in die Technik des Messens mit Dehnungsmessstreifen. HBM-Messtechnik, Darmstadt, [4].Popescu, S. Beiträge zur theoretischen und experimentellen Untersuchung der Dynamik des Traktor-Frontlader Systems. In: Naukovii Visnik Naţionalogo Universitetu, Kiev/Ukraina, Vol. 92, pag