CC BY
63
ЭНЕРГОЕМКОСТЬ ПОВОРОТА ШАРНИРНО-СОЧЛЕНЕННОГО
ТРЕЛЕВОЧНОГО ТРАКТОРА
Дроздовский Г.П., Шоль Н.Р. (УГТУ, г. Ухта, РФ)
Let's consider the problem power consumption of turn offorward section сочлен-ного трелёвочного a tractor with wheel or колесно-caterpillar a running part on a firm surface and in a track of a deformable surface by criterion of a level ofpressure of a hydroliquid in the servo-driver of system of turn of a tractor.
Рассмотрен поворот первой секции шарнирно-сочлененного трактора относительно второй грузовой секции, нагруженной весом перемещаемой древесины и содержащей развитую ходовую часть (колесно-гусеничную, двухосную колесную, гусеничную). Поворот секции осуществляется при помощи сервопривода (гидроцилиндров) связи секций относительно вертикального шарнира их сочленения. Несмотря на определенные недостатки, рассматриваемый способ поворота за счет "излома" положения секций в условиях лесосеки при наличии пороговых неровностей и скоростях движения до 12-16 км/ч является конструктивно более удачным по сравнению с другими способами поворота.
Рассматриваемая кинематическая схема положения секций в повороте соответствует кинематической схеме [1]. На рисунке 1 приведена расчетно-кинематическая схема изменения положения передней секции в повороте, ходовая система которой может быть колесной или колесно-гусеничной (тандем).
Для сравнения энергоемкости процесса поворота рассмотрены два вида условий поворота:
- поворот на твердой поверхности;
- поворот на деформируемой поверхности при образовании колеи.
Момент поворота Мп со стороны сервопривода относительно вертикальной
оси О сочленения секций на угол а передней секции с учетом различного направления хода штоков бортовых гидроцилиндров определяем по формуле:
Mn = 0,785 • Р • В • (dI - 0,5d2J • cosa (к№м), (1)
где Р - давление гидрожидкости в гидроцилиндрах (МПа);
В - расстояние между шарнирами крепления гидроцилиндров на передней секции (м);
dn - диаметр поршня гидроцилиндра (м); dm - диаметр штока гидроцилиндра (м); а - угол поворота передней секции (градус).
Давление гидрожидкости Р привода гидроцилиндров механизма поворота передней секции зависит от момента сопротивления повороту Мсп этой секции в зависимости от условий поворота и выбран в качестве критерия оценки энергоемкости процесса поворота.
Определение момента сопротивления повороту Мсп осуществлено для двух сравниваемых видов условий поворота.
Сопротивление сдвигу секции в бок по твердой поверхности определяется с учетом действия двух сил сопротивления повороту:
1) сила сопротивления упругой поперечной деформации шин передней секции, учитывающей боковую эластичность шин и приводящая к изменению их поперечного профиля [1]:
R = Куд,
где Ку - коэффициент сопротивления поперечной деформации профиля шин при сдвиге ее в бок (кН/рад);
д - угол поперечной деформации профилей шин (рад).
2) сила сопротивления трению ходовой системы о твердую поверхность при ее боковом смещении:
Яф = Офтр, где G - сила веса передней секции (кН);
фтр - коэффициент трения (бокового сцепления) ходовой системы о поверхность.
С учетом радиуса поворота С передней секции относительно точки О сочленения секций момент сопротивления ее повороту (сдвигу) равен:
Мсп = (Яб+Яф) С (кН м) Для поворота необходимо, чтобы Мп > Мсп, т.е. относительно критерия оценки энергоемкости поворота Р условие поворота определяется:
(G-ртр + Ку-S) ■ С
Р > 1,274-
(МПа)
(2)
В■ (dп -0,5dШ)■ cosa
При повороте в колее на деформируемой поверхности согласно кинематике сдвига передней секции (рисунок 1) возникает дополнительная сила сопротивления повороту Яг (сдвиг призм грунта стенок колеи ходовой системой, заглубленной на глубину колеи).
Определим площади сегментов шин колес ходовой системы, воздействующих на стенки колеи при сдвиге их в бок в процессе поворота (рисунок 2).
Рисунок 1 - Схема действующих сил в повороте при колееобразовании
Рисунок 2 - Определение площади сегмента колеса
Площадь сегмента:
FceKm Fтреуг?
где Бсект - площадь сектора с углом 2у; Ртреуг - площадь треугольника АБВ. Суммарная площадь сегментов двух колес передней секции равна:
= П- ' агссо5((г|. - И)!гк с 90° 2 '
или
= г2агссо5^(г' -И)/гк) -0,866] (м2).
Суммарная площадь сегментов четырех колес тандемных колесно-гусеничных движителях передней секции равна:
^ = [^агссо5<(к- -И)/> -1,732] (м2), где гк - динамический радиус ведущего колеса (м):
гк гг ^м ?х -Мен фкр?
где г° - радиус колеса в ведомом режиме при наличии вертикальной нагрузки 0,5С (м);
1х'Мен - крутящий момент, подводимый к ведущему колесу (Мен - номинальный крутящий момент двигателя; ¡х - передаточное число трансмиссии привода колеса по передачам х);
Хм - коэффициент изменения радиуса качения колеса (шины) от передачи крутящего момента (радиальная деформация шины, м/Нм);
фкр - коэффициент использования крутящего момента Мкр с учетом буксования;
И - глубина колеи (м).
При повороте секции сегментами колес, находящимися в колее, оказывают удельное боковое давление дб на стенки колеи от Мп, величину которого определяем как:
=7МЛГ (кН/м2),
С с
где С - плечо приведения Мп к осям колес (радиус поворота передней секции).
Силу отпора грунта Яг при смещении стенок колес сегментами колес в повороте определим по формуле Кулона:
Яг = Т •
где т - удельное сопротивление грунта тангенциальному (боковому) сдвигу от
л
колес (кН/м ):
о
т = qб • tgф + Со,
о
где С0 и ф - прочностные параметры деформируемой поверхности, зависящие от показателя консистенции Вк грунта.
Откуда, с учетом коэффициента ¡лб (коэффициента пропорциональности между поперечными реакциями грунта и боковой нагрузкой дб), получим:
Г НА ]
+ Со -^с-рб (кН)
=
Мп
С
Г мп
1 С
У
или
С Ъ.4
+ Со\.Мб, (3)
где ¡лб = 0,4 ^ 0,9 [1] - зависит от вида поверхности.
Суммарный момент сопротивления повороту ЕМСП в колее передней секции относительно точки О равен:
ЕМсп = Яуу + Rб + Яг) • С,
или
о
ЕМсп = &фтрС + Ку д С + МпЩ ^Ф + СоС^^с (кН-м). Условие выполнения поворота в колее:
о
Мп > ЕМСП или Мп(1 - /б^ф ) > ОфтрС + Куд-С + С0С/бЕБс.
Откуда
Мп > С
&-Ртр + Ку -5 + С0-/б
1 -/б ■ ш
Решая относительно критерия оценки энергоемкости поворота Р и подставляя выражения Мп и ЕБс, получим:
_ &+ Ку -5 + Со / - Г Г" аГСС05((Гк - ^ 'к ) - К]
Р > 1,274 -С--Ц-^-1 (МПа), (4)
В (1 -) -(йгЛ- 0,5<)со8а ' ' ''
о о
где для колесного трактора А = 90 , К = 0,866; для тандема А = 45 , К = 1,732.
Для расчета по формуле (4) необходима расшифровка параметров и коэффициентов. Прочностные параметры деформируемой поверхности с образованием
2 °
колеи глубиной И, С0 (кН/м ) и ф назначаются в зависимости от показателя консистенции состояния Вк. При Вк = 0,75 - 1,0 (текучепластичное состояние) соот-
о о о
ветственно (С0 - ф ; глина, суглинок, супесь): 10 - 8°; 10 - 13; 2 - 18. При Вк =
о о о _
0,5 - 0,75 (пластичное состояние): 20 - 14 ; 15 - 17 ; 5 - 20 . При Вк = 0,25 - 0,5
ООО
(тугопластичное состояние): 40 - 18; 25 - 21 ; 10 - 24.
Глубину образуемой колеи И колесного движителя определяем, например, по формуле [2]:
И = 2,2 - - (м), Е Ъ '
где Ок - вертикальная нагрузка на колесо (кН); Ь - ширина шины колеса (м);
Е - модуль деформации грунта (МПа), по [1] для деформируемого грунта Е= 0,5 - 5,0 МПа в зависимости от состава и влажности (для снега Е = 0,2 - 4,0 МПа);
/ - модуль продольного расширения грунта, при Вк = 0,25 - 0,5 / = 0,2 -0,25; при Вк = 0,5 - 0,75 / = 0,3 - 0,4; при Вк = 0,75 - 1,0 / = 0,45 - 0,5 [3].
Глубина колеи "Ь" от тандемного движителя определяется по выражению
[2]:
И = СгЬх0'385,
где х = 1/Ь,
где I - длина гусеничного обвода в опорной зоне (м); Ь - ширина гусеничного обвода тандема (м);
С1 - безразмерный коэффициент, С1 = д/[д5] = О„/(1Ъ^[д]) (От = 0,5 О -вертикальная нагрузка на тандем);
[д3] - несущая способность поверхности, зависит от ее состава, Вк, влажности W %.
Динамический радиус колеса (отдельно или в тандеме) гк определяем, используя справочные данные от типа колеса г°, Мен ДВС, ¡х - общего передаточного числа трансмиссии на выбранной передаче КПП; Хм = 3•Ю-6 - 1 •Ю-5 (м/Н-м); фкр = 0,3 - 0,6 в зависимости от уровня буксования на деформируемых поверхностях. Коэффициент трения резины шины о грунт (боковой коэффициент сцепления) фтр = 0,4 - 0,6 [1].
Коэффициент сопротивления поперечной (боковой) деформации профиля шины Ку = 33 - 280,5 (кН/рад) назначают в зависимости от размеров шины и давления воздуха Ръ в ней (кПа), а угол поперечной деформации профиля 8 = 3 - 12
о
(0,0523-0,21 рад) [1] и зависит от величин фтр, О, гк, С0 и ф грунта.
Для тандема q = 0/Егус = 25/(0,42-1,3) = 0,046 МПа; при д] = 0,5 МПа (туго-пластичное состояние) С] = 0,046/0,5 = 0,092 ~ 0,1; при [д] = 0,24 МПа (текуче-пластичное состояние) С] = 0,046/0,24 = 0,192 ~ 0,2. Пример расчета.
1) Твердая поверхность.
Передняя колесная секция силой веса - 50 кН; С/В = 1,0 (С = 2м; В = 2м); колеса 1300x530 - 523; Ку = 280,5 кН/рад; 8 = 7° (0,122 рад) - для двух колес; фтр = 0,4; с1п = 0,08 м; (Лш = 0,04 м; а = 30°. По формуле (2):
50-0,4 + 280,5-0,122 .„, 2ч , „ „ „ т , Р > 1,274--—-2--= 142421 кН / м2) = 14,2 (МПа)
(0,082 -0,5 - 0,042) - соб30°
Для тандемного движителя, колеса 370 - 508 (14,0 - 20), Ку = 132 кН/рад, 8 =
0,122 [1]. Для четырех колес тандема:
п.. , „„„ 50-0,4 +132 - 0,122 г Т/ 2 ^ г -к *л Р > 1,274--г-г-= 9580 кН/м2 = 9,6 МПа
0,0048
2) Деформируемая поверхность с образованием колеи:
а) глинистая тугопластичная поверхность с параметрами: Вк = 0,25 - 0,5; С0 =
Л о о
40 кН/м2 (0,04 МПа); ф = 18 ; С = 2 м; В = 2 м; С/В = 1,0; колеса 1300x530 - 523; г° = 0,625 м (при О = 25 кН); Хм = 3-10-6 м/Н-м; /3 = 63,6; Мен = 286 Н-м; фкр = 0,4; 8
о
= 7 (0,122 рад) - суммарный для двух колес; гк = 0,603м (гк = 0,625 - 3-106-63,6-286-0,4 = 0,603 м); глубина колеи И= 0,097 м при ц = 0,25; Е = 1000 кН/м2 (1 МПа); Ок = 25 кН; Ь = 0,53м; цб = 0,5; фтр = 0,4.
Необходимое давление гидрожидкости в сервоприводе находим по формуле
(4):
50 - 0,4 + 280,5 - 0,122 + 40 - 0,5 - 0,6032(3,14 - агссо*((0,603 - 0,097)/0,603) - 0,866
Р> 1274--^-^-L >17,7
(1 - 0,5 • £18 ° )(0,082 - 0,5 • 0,042) • cos 30 °
(МПа)
Тандемный движитель - колеса 14,0 - 20, r° = 0,6 м; гк = 0,578 м; глубина колеи при l = 1,3 м, b = 0,42 м; х = 3,1, С1 = 0,1 равна h = 0ДЮ,42^3Д0,385 = 0,065 м. По формуле (4) получим:
Р > 11,71 МПа
б) глинистая текучепластичная поверхность с параметрами: Вк = 0,75 - 1,0;
л о о
С0 = 10 кН/м2 (0,01 МПа); ф = 8 ; С/В = 1,0; колеса 1300x530 - 523, г° = 0,625 м; Хм = 3-10"6 м/Н^м; /3 = 63,6; Мен = 286 Н-м; фкр = 0,3; д = 3° (0,052 рад); гк= 0,609 м (гк = 0,625 - 340-6^63,6^286Ю,3 = 0,609 м); глубина колеи И = 0,156 м при ц= 0,25; Е = 500 кН/м2 (0,5 МПа); = 25 кН; Ь = 0,53м; /б = 0,4; фкр = 0,3; глубина колеи И = 2,2-((1-0,52)/500)-(25/0,53) = 0,156 м.
50 - 0,3 + 280,5 -0,052 +10 -0,4-0,6092(3,14 -ш^«0,609 -0Д56)/0,609) -0,^|
Р > 1274__к_90^_I >18,3 МПа
(1 - 0,4 - tg8°) - 0,0056 - 0,866
Тандемный движитель, гк = 0,584 м; глубина колеи И при С1 = 0,2 равна И = 0,2-0,42-3,10,385 = 0,13 м.
По формуле (4) получим:
Р > 13,5 МПа Результаты расчетов представлены на рисунке 3.
- колесный движитель, колеса 1300-530-523; - - тандем колесно-
гусеничный, колеса 14,0-20, х = 3,1
Рисунок 3 - Изменение давления гидрожидкости Р в сервоприводе механизма поворота и глубины колеи И (м) при С = В = 2 м для глинистой поверхности
Расчеты показывают, что на деформируемой поверхности с образованием колеи критерий оценки энергоемкости поворота колес Р увеличивается по сравнению с поворотом на твердой поверхности. При выбранных параметрах на туго-пластичной глинистой поверхности (Вк = 0,25 - 0,5) при глубине колеи И= 0,097 м Р увеличивается на 20%. На текучепластичной глинистой поверхности (Вк = 0,75 - 1,0) при глубине колеи И = 0,156 м Р увеличивается на 24,4%. Применение ко-лесно-гусеничного тандема (I = 1,3 м; Ь = 0,42 м) позволяет на твердой поверхности уменьшить энергоемкость поворота по сравнению с колесным на 32,4 %, на тугопластичной поверхности - на 34 %, на текучепластичной поверхности - на 26,2 %. Разработанная методика расчета уровня энергозатрат на поворот в колее позволяет оптимизировать процесс проектирования шарнирно-сочлененного колесного трактора и механизма сервопривода управления поворотом. Для снижения энергоемкости поворота в колее разработан новый способ поворота сочле-
ненного трактора со значительным снижением энергозатрат на поворот в колее и уменьшением экологического воздействия на поверхность движения.
Литература
1. Смирнов А.Г. Теория движения колесных машин. -М.: Машиностроение, 1990. - 351 с.
2. Анисимов Г.М. Лесные машины. -М.: Лесная промышленность, 1989. - 512 с.
3. Цытович Н.А. Механика грунтов. -М.: Высшая школа, 1973. - 279 с.
