CC BY
52Определение затрат мощности при повороте гусеничных тракторов ОАО «ОТЗ»
И. Г. Скобцов 1 А. В. Питухин М. И. Куликов Петрозаводский государственный университет
АННОТАЦИЯ
Рассматривается методический подход к определению затрат мощности при повороте серийного (механическая трансмиссия) и перспективного (гидрообъемная трансмиссия) трелевочных тракторов, изготовленных на Онежском тракторном заводе.
Ключевые слова: трелевочный трактор, механическая трансмиссия, гидрообъемная трансмиссия, режим поворота.
SUMMARU
This paper contains the methodical way of determining the power charges in turning regime of serial (mechanical transmission) and perspective (hydraulic transmission) skidders, that were made at Onego Tractor Plant.
Keywords: skidder, mechanical transmission, hydraulic transmission, turning regime.
ВВЕДЕНИЕ
В условиях Северо-Западного федерального региона всесезонная заготовка древесины сопряжена со значительными трудностями, поскольку большую часть лесопокрытой площади занимают почвы с низкой несущей способностью (III и IV категорий), пять-шесть месяцев в году территория Европейского Севера покрыта снежным покровом и круглогодичное использование лесозаготовительной техники на этих территориях затруднено по условию проходимости. Этим объясняется преобладающее использование гусеничной техники на лесозаготовках. Как показывают исследования маневренности гусеничных трелевочных тракторов в производственных условиях, самым нагруженным и энергоемким режимом движения является поворот [1, 2, 3]. Материал, изложенный ниже, представляет собой результат исследований, проведенных на кафедре ТМиР ПетрГУ.
В настоящее время одним из путей решения проблемы повышения экономичности лесозаготовительной техники является внедрение новых высокоэффективных трансмиссий. Комплекс НИОКР, который проводился ГСКБ ОТЗ в сотрудничестве с J1TA, СКБ «Гидромаш» и рядом других организаций начиная с 1987 года, дал в целом положительные результаты испытаний опыт-
1 Авторы - соответственно преподаватель и профессор кафедры технологии металлов и ремонта, профессор кафедры тяговых ,маишн © Скобцов И. Г., Питухин А. В., Куликов М. И., 2005
ных образцов машин с гидрообъемной трансмиссией и поставил ряд задач, одной из которых являлось исследование совокупности процессов и явлений, связанных с режимом поворота трактора с гидрообъемной трансмиссией, выполненной по бортовой схеме.
В этой связи исследование кинематики, динамики и затрат мощности при повороте гусеничной лесозаготовительной машины, оборудованной механизмом поворота, в качестве которого выступает гидрообъемная трансмиссия, выполненная по бортовой схеме, является весьма актуальной задачей.
ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
Кинематика. Выражения, описывающие закон изменения линейных скоростей на забегающем и отстающем бортах в зависимости от конструктивных параметров трактора и параметров гидропередачи, имеют вид:
(1) (2)
где ¡жх - передаточное число механической части трансмиссии; ыдв - частота вращения коленчатого вала ДВС; г)ш„ ?/„.„ - объемные КПД гидроагрегатов; Л -параметр регулирования гидронасоса, Х = ц1! дтах ( qi - текущий, дтах - максимальный объем рабочей камеры гидронасоса); г„ - радиус ведущей звездочки; 5- буксование.
Таким образом, при кинематическом регулировании линейные скорости определяются параметрами регулирования, объемными КПД гидроагрегатов и свойствами грунта.
Далее определялись продольные и поперечные перемещения опорных ветвей гусениц (рис.!). Элементарные продольные перемещения забегающей гусеницы
dS2p{x) = 82dx. (3)
перемещений опорной ветви гусеницы
Суммарные продольные перемещения элемента забегающей гусеницы определим с помощью интегрирования выражения:
у2 = ,-зв . ^ . ЛонГ1ом • (1 - ¿2 ) ;
Кмех
v\ = — гзв ■ Л1 ■ 1о,Лол< • (1 ± ¿1) , 1 мех
И. Г. Скобцов, А. В. Питухин, М. И. Куликов. Определение затрат мощности
103
\йг<к = д2х + С. С учетом начальных условий 82р = 0 при л; = -
откуда С - -82 — , получим закон изменения продольных перемещений элемента гусеницы относительно почвы за счет ее деформации в продольном направлении:
Ь
Элементарное поперечное перемещение элементов забегающей гусеницы
(х) =7-^-хах ■
(4)
Здесь От - вес трактора; ~ вес части пакета, размещенной на тракторе; Ркр - крюковая нагрузка; Р^ -сила инерции; Р - угол между линией действия крюковой силы и поверхностью движения; у - угол между продольной осью машины и пакетом деревьев; 1гкр - вертикальная координата приложения крюковой силы; 1гс - вертикальная координата центра масс.
Момент сопротивления повороту Мс определялся как сумма трех составляющих:
1) момент сопротивления при скольжении опорной поверхности гусеницы по грунту Мт;
2) момент сопротивления при деформации грунта кромками гусениц Мнг\
3) момент сопротивления от перемещения вала грунта
Мс = Мт+ М„г + Мси.
(8)
Здесь Я - радиус поворота; В - колея трактора.
С учетом начальных условий = 0,л- = 0 суммарное поперечное перемещение задней ветви забегающей гусеницы относительно поверхности грунта
2 Л + -
Диналшка. При повороте гусеничной трелевочной машины в ходе перемещения пакета деревьев (хлыстов) происходит перераспределение нагрузок между гусеницами за счет изменения направления действия крюковой силы от части пакета, волочащейся по грунту (появление поперечной составляющей крюковой силы). Опорные реакции /-й гусеницы:
^ п г ¡ям ( 0 ^^ поп
реакция при прямолинейном движении: величина перераспределения:
поп = Ркр -у - соб/? вт у - Pj
(5)
(б)
(7)
= ЦСТ + й + Ркр зтр) + Ркр ^Е-соз^япу-Р] ^ ;
В в
2
22 = - (Ст + б, + Ркр зт /?) - Ркр со8 р яп / + Р ■ -£-
В В
Необходимые касательные силы тяги определятся из уравнений моментов внешних сил относительно полюсов вращения 0| и 02 (рис. 2)
В
РПВ - Ркр соеРсо$у---Р[2В - Мс
кр ■ '2 -Мс - Ркр1 соэ эпт у = 0 ;
■ РИВ + Ркр созрсау + РЛВ - Мс
Ркр1 СОБ /? у = 0 ,
(9)
(Ю)
где Р/с2,Рк1 - силы тяги; Р(2>Р(\ ~ силы сопротивления поступательному движению.
Рис. 2. Силы, действующие на трактор при повороте
Мощность, необходимая для поворота, расходуется на преодоление внешних и внутренних сопротивлений:
N„n„ =Nn + N-
т >
(И)
где N0 - мощность, расходуемая на преодоление
внешних сопротивлений; Ыт - тормозная мощность
(мощность, затрачиваемая на трение в буксующем фрикционном элементе).
При полном выключении одной из муфт поворота, применяемых на серийных трелевочных тракторах ОАО «ОТЗ», потерь на трение во фрикционном элементе не будет (режим поворота с расчетным радиусом), и затраты мощности можно представить в виде:
Это выражение будет справедливо для описания затрат мощности при повороте гусеничной машины с бесступенчатым механизмом поворота (механизмом поворота, обеспечивающим любой радиус поворота как расчетный радиус).
Мощность внешних сопротивлений представим в зависимости от мощности, потребной для прямолинейного движения машины до входа в поворот
Nr.
., Р + Ягр
Nnp--- или
Р + Як
Не
N,
Р + Ч-,
гр
пр
Р + Як
(12)
где qep - основной параметр поворота, дгр p = R!l
М
с
Ркп В
относительный радиус поворота; Ркп -геометрическая сумма касательных сил тяги отстающей и забегающей гусениц; - основной параметр
механизма поворота, % = 0.5 для механизмов поворота второго типа (бортовые фрикционы, одноступенчатые планетарные механизмы поворота); ^ >0.5 для механизмов поворота третьего типа.
Графики зависимости мощности внешних сопротивлений Мд = /(Ю и мощности, необходимой для поворота Ипов = /{К) от радиуса для различных типов механизмов поворота, представлены на рисунках 3, 4.
Nца{/№п,}
*>R, м
Рис. 3. Графики зависимости мощности внешних сопротивлений от радиуса поворота
N„„M
4
5 Ш 15 20
35 40 45 50
R, м
Рис. 4. Сравнительные графики затрат мощности при повороте тракторов с механической и гидрообъемной трансмиссией, построенные на основании теоретических расчетов
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Методика предусматривала проведение испытаний гусеничной лесозаготовительной машины в летних и зимних условиях (с грузом и на холостом ходу), и ставила целью исследование кинематики, динамики и энергозатрат при повороте в диапазоне от Rceo0 до Rmi„.
Объектом исследования являлся опытный образец гусеничного трелевочного трактора на базе ТБ-1М-15, оборудованный гидрообъемной трансмиссией, выполненной по бортовой схеме. Трактор был оснащен электроизмерительной аппаратурой, позволяющей измерять и регистрировать с помощью контроллера на базе микропроцессора Motorola MC68HC908AZ60A следующие показатели: частоту вращения коленчатого вала двигателя, частоту вращения валов гидромоторов, крутящие моменты на валах гидромоторов, давления в напорных магистралях, расход топлива за время опыта, время опыта.
Аппаратура. Частоты вращения вала двигателя и валов гидромоторов измерялись с помощью тахогенера-торов; крутящие моменты на валах гидромоторов - с помощью фольговых тензорезисторов, наклеивающихся на валы; давление в гидросистеме - с помощью тензометрических датчиков давления ТДД, установленных в клапанных коробках гидромоторов. Установка датчиков-преобразователей, их тарировка и подготовка электроизмерительной аппаратуры к работе обеспечивали высокую точность измерения физических величин. Более подробное изложение методики, объекта и аппаратуры экспериментальных исследований приводится в работе [4].
ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ И ПРОВЕРКА АДЕКВАТНОСТИ РАЗРАБОТАННОЙ МОДЕЛИ
Разработанная аппаратура позволяла снимать информацию с семи датчиков (один раз за 17 мс снимается информация с 7 датчиков), оцифровывать и в 16-ричном виде записывать ее во FLASH память контроллера, а также передавать полученную информацию в персональный компьютер. Ниже приведем пример кода полученных экспериментальных данных:
И. Г. Скобцов, А. В. Питухин, М. И. Куликов. Определение затрат мощности
105
S123 80000000600D0600000000860D06000000 SI238O2OO6OOOOOOOO86ODO6OOOOOOOO8OODOO S123804000810D06000000017FOD0600000001 S1238060000003007A1D066A001B007 8220 6 64 S123808078230600007С017423060000950171 S12380AOF3E0017123066900EB02722 407 00F3 S123 80C0230700AF3A02792 3 060000F5027723 S123 80EOF8027A23 07 00F4D60277 240600F1A3 S1238100070O0OF4O27123O6OOF2ABO2792303 S123 812 00278240600F2E5027623070000F502
Полученные данные каждого из записанных параметров за цикл установившегося поворота в каждой серии опытов после перехода к десятеричной системе исчисления переводились, согласно результатам тарировок, в физические величины в программной среде Excel. Для удобства дальнейшей обработки и сравнения полученных экспериментальных данных с теоретическими значения частот вращения и моментов на валах гидромоторов были переведены соответственно в скорости и,, V; и силы тяги Pkj, Рк: отстающей и забегающей гусениц. Далее вычислялись оценки математических ожиданий и исправленные оценки дисперсий каждого из параметров, проверялась однородность ряда дисперсий опытов по G-критерию Кочрена, определялись регрессионные зависимости, строились оценки корреляционных функций и спектральных плотностей случайных процессов.
Сравнительные данные теоретических и экспериментальных значений сил тяги при повороте, а также расхождения между ними для опытного образца трелевочного трактора с гидрообъемной трансмиссией (летняя серия опытов) представлены в таблице 1.
Таблица 1 Теоретические и экспериментальные значения сил тяги
Движение в условиях летнего волока, холостой ход
R, Рк2, кН Рн, кН
м теор. экспе- А, теор. экспе- д,
рим. % рим. %
15 20.14 20.75 3.02 -7.42 -7.86 5.93
10 22.02 22.50 2.18 -9.30 -9.14 1.72
5 26.19 26.32 0.49 -13.48 -13.66 1.33
3 30.23 30.62 1.29 -17.52 -17.77 1.43
1 42.18 42.27 0.21 -29.47 -29.32 0.51
Движение в условиях летнего волока грузовой ход
R, Рк2, кН Рк1, кН
м теор. экспе- д, теор. экспе- А,
рим. % рим. %
15 40.40 41.54 2.8 -13.38 -12.88 3.7
10 42.75 43.72 2.3 -15.73 -15.17 3.6
5 47.83 47.67 0.3 -20.81 -20.07 3.6
3 52.71 53.14 0.8 -25.69 -25.23 1.8
ли табличных (F < FKp), был сделан вывод об адекватности математической модели.
ВЫВОДЫ
1. Разработанная математическая модель движения гусеничного трелевочного трактора, описывающая кинематику и динамику установившегося поворота, позволяет определять затраты мощности при повороте машин с различными типами трансмиссий (механизмов поворота).
2. Адекватность предложенной модели подтверждается данными экспериментальных исследований, проведенных на серийном гусеничном тракторе, оснащенном механической трансмиссией, и перспективном гусеничном тракторе, оснащенном гидрообъемной трансмиссией, выполненной по бортовой схеме. Адекватность проверялась с использованием F-критерия. Разница между данными расчета и эксперимента не превышает 10 %.
3. Результаты моделирования и экспериментальных исследований показывают, что затраты мощности при повороте гусеничного трелевочного трактора возрастают с уменьшением радиуса поворота, причем мощность, необходимая для поворота трактора с гидрообъемной трансмиссией, на 15...20 % ниже мощности, необходимой для поворота трактора с механической трансмиссией (при малых радиусах).
4. Разработанный для проведения экспериментальных исследований микроконтроллер с необходимыми согласующими усилителями может применяться для снятия динамических характеристик не только опытного образца трелевочного трактора, но и других тракторов и лесозаготовительных машин отечественных и зарубежных производителей. Устройства на данном микропроцессоре Motorola MC68HC908AZ60A могут применяться не только для измерений, но и для наблюдений (контроля), и, что более важно, для управления движением объектов (через исполнительные устройства) в режиме реального времени.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Зайчик М. И. Характеристика поворотливости гусеничных лесосечных машин и баланс мощности / М. И. Зайчик // Труды МЛТИ, 1970. Вып.25.
2. Куликов М. И. Исследование поворота гусеничных трелевочных тракторов. Дис. ... канд. техн. наук/М. И. Куликов. М.,1971.
3. Махов Г. А. Исследование поворота машин на трелевке леса. Автореф. дис. ... канд. техн. наук / Г. А. Махов. М.,1969.
4. Скобцов И. Г. Экспериментальные исследования поворотливости гусеничных тракторов ОАО «ОТЗ» / И. Г. Скобцов // Труды лесоинженерного факультета ПетрГУ. Вып.4. Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2003. С. 119-121.
Производилась проверка адекватности предложенной математической модели с использованием Р-критерия. Поскольку расчетные значения критерия не превыси-
