Study of traction dynamics of a caterpillar tractor wagon

Full Text

Введение На рынке России широко представлены гусеничные самосвалы иностранного производства (Morooka, Hitachi, Komatsu и др.). Они находят применение в горнорудных карьерах, при строительстве трубопроводов и ЛЭП, при проведении работ в стесненных городских условиях, при перевозке лесных грузов и т.п. [1, 2]. В то же время при сравнительно небольших объемах работ, проводимых сезонно, например при строительстве дорог в лесозаготовительных районах, эффективность специальной гусеничной транспортной техники резко снижается. Определенным выходом из проблемной ситуации представляется использование для нужд дорожного строительства имеющейся в распоряжении лесозаготовителей трелевочной техники [3]. Поэтому в ООО «Завод гусеничных машин» разработано схемное решение гусеничного трактора-самосвала (рис. 1), получаемого за счет оснащения серийного гусеничного трелевочного трактора ТГЛ-4.04 самосвальным кузовом большой вместимости и применения бульдозерного оборудования с поворотным отвалом [4]. Цель исследований Цель исследования - помочь потребителю, применяющему гусеничный самосвал на базе трелевочного трактора ТГЛ-4.04, в определении нагрузочных параметров, соответствующих режимам наиболее эффективного использования машины в конкретных эксплуатационных условиях. Методика и результаты исследований Оценку эксплуатационных качеств гусеничного трактора-самосвала можно провести на основе тягово-динамических расчетов. В теории транспортных машин (автомобилей, тягачей и др.) широко используется метод динамической характеристики, заключающийся в построении зависимости динамического фактора от скорости движения. Динамический фактор автомобиля рассчитывается по формуле [5, 6]: , (1) где РК - касательная сила тяги, кН; Pw - сопротивление воздуха, кН; G - вес машины, кН. Для гусеничного трактора-самосвала, имеющего максимальную скорость до 10 км/ч, с погрешностью вычислений не более 2 % можно принять Pw ≈ 0. Тогда: D = РК /G. Вес рассматриваемой машины: G = GЭ + Q, где GЭ - эксплуатационный вес гусеничного трактора-самосвала, кН; Q - рейсовая нагрузка, кН. Касательная сила тяги может быть рассчитана двумя способами: по условиям движения и по двигателю. Для расчета касательной силы тяги по условиям движения рассмотрим представленные на рис. 2. силы, действующие на гусеничный трактор-самосвал при равномерном движении на подъеме. Уравнение тягового баланса имеет вид: где Рf - сила сопротивления качению, кН; f - коэффициент сопротивления качению гусеничного трактора-самосвала; α - угол уклона местности. Выражение для динамического фактора принимает вид: . (1) Выражая РК через параметры двигателя, трансмиссии и ходовой части, получим для гусеничного трактора-самосвала: , (2) где Me - крутящий момент, кН∙м; iтр - передаточное число трансмиссии; ηтр - КПД трансмиссии; rк - радиус качения ведущего колеса гусеничного трактора-самосвала, м. Расчет скорости движения гусеничного трактора-самосвала проводится по формуле: , (3) где nе - частота вращения коленвала двигателя, мин-1. Для расчетов по формулам (2) и (3) необходимо знание внешней скоростной характеристики двигателя. При отсутствии экспериментальных данных проводится теоретический расчет внешней скоростной характеристики двигателя по формулам, рекомендуемым в теории двигателя. Результаты расчетов представляются графически в виде так называемой динамической характеристики по двигателю. Результаты расчетов по формуле (1) представляются графически в виде так называемой динамической характеристики по условиям движения. Объединяя обе динамические характеристики, можно получить динамический паспорт. Динамический паспорт гусеничного трактора-самосвала конструкции ООО «Завод гусеничных машин» (рис. 3), построенный при номинальной рейсовой нагрузке, содержит два квадранта: - в правом квадранте представлена динамическая характеристика по двигателю; - в левом квадранте представлены зависимости динамического фактора от угла подъема местности и коэффициентов сопротивления движению при средних и тяжелых условиях (динамическая характеристика по условиям движения). При равенстве значений динамического фактора, взятых в правом и левом квадрантах, гусеничный трактор-самосвал движется равномерно с данной скоростью в заданных условиях. Так, наглядно видно, что движение гусеничного трактора-самосвала с номинальной рейсовой нагрузкой в средних условиях возможно при уклоне местности 25° (включена третья передача рабочего диапазона трансмиссии). Очевидно, что в реальных условиях гусеничные тракторы-самосвалы могут эксплуатироваться с рейсовыми нагрузками, уровень которых отличается от номинального. При этом для анализа эксплуатационных режимов целесообразно использовать усовершенствованный вариант динамического паспорта гусеничного трактора-самосвала (см. рис. 4), в котором наряду с динамическими характеристиками по двигателю и по условиям движения содержится номограмма нагрузки (левый квадрант). Номограмма нагрузок построена следующим образом. Параллельно оси абсцисс динамической характеристики влево от шкалы D отложен отрезок произвольной длины. На этом отрезке нанесена шкала нагрузки в процентах. Через нулевую точку шкалы нагрузок проведена прямая, параллельная оси D, и на ней нанесена шкала динамического фактора D0 для гусеничного трактора-самосвала без нагрузки. Масштаб для этой шкалы определен по формуле: a0 = аМо/МЭ, где a0 - масштаб шкалы динамического фактора для гусеничного трактора-самосвала без нагрузки; a - то же для гусеничного трактора-самосвала с полной нагрузкой; Mo - собственная масса гусеничного трактора-самосвала в снаряженном состоянии, кг; MЭ - полная масса гусеничного трактора-самосвала с учетом номинальной рейсовой нагрузки, кг. Равнозначные деления шкал D и D0 (например, 0,2, 0,4 и т.д.) соединены прямыми линиями. Используя динамический паспорт с номограммой рейсовой нагрузки, можно определить, например, что равномерное движение гусеничного трактора-самосвала в средних условиях при угле уклона местности 20° возможно при нагрузке, равной 70 % от номинальной, на второй передаче пониженного диапазона трансмиссии. Выводы 1. На основе положений теории автомобиля с учетом конструктивных данных гусеничного самосвала на базе трелевочного трактора ТГЛ-4.04 выполнены необходимые расчеты и построены графики динамических характеристик по двигателю и по условиям движения. Проведено объединение названных динамических характеристик в динамический паспорт гусеничного трактора-самосвала. 2. Предложен усовершенствованный вариант динамического паспорта с номограммой рейсовой нагрузки, позволяющий формулировать практические рекомендации по величинам рейсовых нагрузок и скоростям движения гусеничного трактора-самосвала при транспортировке грузов в конкретных эксплуатационных условиях.

About the authors

S. A Voynash

LLC «Plant of Caterpillar Machines»

Email: sergey_voi@mail.ru

A. S Voynash

Rubtsovsk Industrial Institute (branch) of the Polzunov Altai State Technical University

Email: aleksstok@yandex.ru

References

Supplementary files