CC BY
51
ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ ОПОРНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ДВИЖИТЕЛЕЙ НА ТЯГОВЫЙ КПД ГУСЕНИЧНЫХ МАШИН
Е.И. БЕРДОВ, кандидат технических наук Челябинский ГАУ Г. М. ИЗГАРЕВ, инженер ОАО «НИИАТТ»
Р. Г. НАЖИПОВ, инженер
Известно, что тягово-динамические выходные показатели транспортно-тяговых гусеничных средств (ТТГС), определяющие величину их тягового КПД, в значительной степени зависят от конструктивных особенностей и технического уровня используемого движителя. Основную часть потерь энергии (до 70 %) составляют потери внутри гусеничного обвода, которые пропорциональны силам трения в элементах движителя.
Из теории гусеничных машин известно, что сопротивление передвижению /^складывается, в основном из трех составляющих
Р=Р +Р +Р ,(1)
/ кол гус шар ' ' '
где Ркш — сопротивление колееобразования; Ргус — сопротивление качению катков по внутренним обводам гусениц; Ршар - сопротивление в шарнирах гусеничных звеньев.
Составляющая Ркш относится к разряду внешних потерь, зависит от характеристик грунта и ее анализ выходит за рамки представленной статьи. Рассмотрим далее взаимосвязь внутренних потерь Ргус и Ршар с конструктивными особенностями ходового аппарата ТТГС с полужесткой подвеской, которая широко применяется на гусеничных тракторах средних и высоких тяговых классов (> 40 кН) как промышленного, так и сельскохозяйственного назначения. Экспериментальные исследования, а также опыт эксплуатации таких машин свидетельствуют, что крайние опорные катки нагружены сильнее, чем средние [1,2]. Одна из основных причин — особый характер взаимодействия жесткой ходовой системы с деформируемой опорной поверхностью (грунтом), обусловленный формированием колеи лобовым звеном гусеницы при наезде на него переднего (первого) опорного катка и выходом гусеничного звена из-под заднего катка под воздействием касательной силы Рк ведущего колеса.
В основах теории гусеничных машин, как правило, рассматривается равномерное движение по горизонтальной поверхности. Однако в условиях реальной эксплуатации — это лишь частный случай. Следует также иметь в виду, что тяговая нагрузка при работе ТТГС в агрегате с различными орудиями, как отмечают многие авторы [3,4 и др.], изменяется по случайному закону. Из-за чего наблюдается «галопирование» (динамический дифферент ади) машины относительно заднего опорного катка. Причем
в наибольшей степени это влияет на сопротивление передвижению ТТГС именно с полужесткой подвеской [5].
К моменту подхода к первому опорному катку лобовое звено гусеницы трактора перед укладыванием на грунт находится под некоторым углом у1 = 1 ...5° к опорной поверхности (рис. 1) и испытывает воздействие силы натяжения гусеницы Т1 = (0,8...1,0)С(где С — сила тяжести от массы машины). Из-за трения в шарнирах, сопротивления грунта и относительно небольшой скорости движения ТТГС с полужесткой подвеской (в большинстве случаев V < 3 м/с) гусеничное звено не может мгновенно занять горизонтальное положение. Поэтому на пути перемещения первого опорного катка АБ1 = (0,3...0,5)/^, (где tзt — шаг звена гусеницы) происходят одновременно несколько процессов: поворот грунтозацепа вокруг шарнира гусеничного звена и его погружение в грунт вместе с подошвой звена, а также подъем опорного катка при движении по наклонно расположенному звену на высоту ЛИ]. В таком положении жесткая тележка гусениц не параллельна опорной поверхности и составляет с ней Аа (см. рис. 1). Представленная ситуация сохраняется до момента укладки подошвы лобового звена на опорную поверхность, при этом остов машины опирается на гусеничную цепь в основном крайними опорными катками.
звеном гусеницы (пояснения в тексте).
Рассмотрим эту ситуацию подробнее. При дово-роте лобового звена гусеницы до полной его укладки на грунт точка касания А первого катка со звеном перемещается в направлении заднего шарнира следующего звена. При этом в точке А' действует нормальная реакция Q (от вертикальной нагрузки Yp приходящейся на первый опорный каток) и сила F= Qjj. (пропорциональная трению качения m между катком и звеном гусеницы).
Q = Y]-TI sin у,; R, = F+ Т/1 - cosy).
Равнодействующая этих сил QR догружает ось первого опорного катка весомой горизонтальной составляющей.
Аналогичные процессы имеют место при сходе заднего опорного катка со звена ведущего участка гусеницы, который из-за наклона (у2 — 1...3°) и ка-
сательного усилия Рк на ведущем колесе вызывает подъем катка и всех жестко связанных с ним элементов машины. Точка касания заднего опор-ного катка со сбегающим звеном гусеницы перемещается в направлении переднего шарнира звена, при этом каток дополнительно испытывает значительные горизонтальные нагрузки. Кроме того, в указанный отрезок времени происходит выглубление грун-тозацепа из уплотненного (от прохождения машины) грунта. В совокупности это увеличивает потери мощности в ходовой части.
Динамическое воздействие внешних сил (в частности, колебаний тя-
Рис. 2. Эпюры нормальных реакций грунта на опорные элементы гусеничного движителя в зависимости от тяговой загрузки трактора Т-170.
гового сопротивления, вызывающее галопирование ТТГС) создает дополнительное сопротивление движению. Кроме того, следует учитывать изменение касательной силы тяги АРк, обусловленное звенчатос-тью гусеницы и вертикальной нагрузкой на переднем опорном катке при укладке очередного звена на грунт, что приводит к появлению добавочного опрокидывающего момента относительно заднего опорного катка.
Экспериментально установлено, что динамический дифферент остова трактора двойного назначения Т-170М1.03-55 (ОАО «ЧТЗ-УралТРАК») класса 8/10 (сельскохозяйственный/промышленный) с полужесткой подвеской и серийной ходовой системой при работе в агрегате с чизельным плугом типа ПЧ-10.01 (рыхление залежи) колеблется в диапазоне ажт от —2 до +3°. При этом изменение дифферента гусеничного обвода а, замеренного на раме гусеничной тележки на пути перемещения, равном шагу звена гусеничной цепи, составило 0...2°.
Анализ полученных данных показал, что дифферент ТТГС, обусловленный воздействием колебаний тяговой нагрузки АРкр и дополнительного опрокидывающего момента Мдвп изменяется неодинаково и по разному влияет на величину суммарного коэффициента сопротивления передвижению у гусеничной машины:
у = Р/м/в =/+ /а + 1Ь, (2)
где Р - суммарная сила сопротивления передвижению, учитывающая внутренние потери Ршар и Ргус, а также потери, обусловленные колебаниями тягового сопротивления и галопированием машины;/—
«статический» коэффициент сопротивления передвижению гусеничной машины (/ = Р / Сг); /я, Л — динамический дифферент гусеничной машины соответственно от колебаний тяговой нагрузки АР и динамического опрокидывающего момента Мш.
Для обеспечения высоких тягово-сцепных показателей и равномерного распределения вертикальных нагрузок по длине Ь опорной поверхности центр давления (ЦД) гусеничной машины с полужесткой подвеской должен при отсутствии тягового усилия (Рт = 0) находиться в районе середины (рис. 2, точка А) опорной поверхности гусениц, а по мере его увеличения, смещаться назад на величину Хд.
Прирост тягового усилия +АР обусловливает соответствующее увеличение суммарного дифферента /' машины (/' ~ а) и одновременно ведет к повышению неравномерности распределения нормальных
Рис. 3. Диаграмма износа опорных катков трактора Т-170:1 ■ наработка 0 ч ИЯ -нарботка 1250 ч.1 I -нарботка 2500 ч
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
20
40 60 80 100
Тяговое усилие, кН
120
Тяговое усилие, кН
реакций грунта на опорные катки ТТГМ: передние - разгружаются, а задние несут дополнительную нагрузку. Эпюра нормальных реакций грунта на опорные катки в этом случае приобретает вид, упрощенно изображенный на рис. 2а, или (в пределе) вид треугольной фигуры (рис. 26). При пиковых значениях АР ведущие колеса гусеничной машины также ста-
новятся опорными и воспринимают вертикальные реакции грунта, а нормальная реакция на первый опорный каток отсутствует (рис. 2в).
Повышенная вертикальная нагрузка на крайние опорные катки вызывает их интенсивный износ (рис. 3). В результате этого, по истечении определенного времени эксплуатации ТТГС, поверхность опорных катков по внутреннему обводу гусеницы приобретает форму, приближающуюся к дуге большого радиуса. При дальнейшей эксплуатации она в течение длительного времени сохраняется практически неизменной, что может свидетельствовать о выравнивании (оптимизации) вертикальных нагрузок на опорных катках машины. Благодаря этому, по данным эксперимента, несколько уменьшается математическое ожидание динамического дифферента, снижаются потери на передвижение машины и, как следствие, растет тяговый КПД трактора (рис. 4).
Таким образом, на основании результатов наших исследований можно сделать следующие выводы. Потери на передвижение ТТГС с полужесткой подвеской имеют минимальные значения при тяговой нагрузке, вызывающей смещение Хд центра давления назад относительно середины опорной поверхности гусениц на величину порядка (0,35...0,45) Хд / L.
Оптимальной тяговой нагрузкой для трактора двойного назначения класса 8/10 следует считать Р = 70...75 кН.
Рациональная геометрия опорной поверхности гусеничного движителя для машин с полужесткой подвеской может быть обеспечена на стадии изготовления путем соответствующих конструктивных изменений ходового аппарата, а в условиях эксплуатации — селективным восстановлением диаметра изношенных опорных катков.
Литература
1. Теоретические и экспериментальные исследования по обоснованию оптимальных параметров с.-х. модификаций трактора Т-170 и агрегатов на его базе: Отчет ГосНИИ ПТ № 113. Отв. исп. Е.И. Бердов — Челябинск, 1997.
2. Карлов А.Г. Повышение эффективности использования МТА снижением сопротивления перекатыванию гусеничного трактора с полужесткой подвеской класса 6.— Автореф. дис. ... канд. техн. наук,— Челябинск: ЧИМЭСХ, 1989.
3. Исследование динамики бульдозерно-рыхлительных агрегатов с целью получения законов нагружения. Отчет ЧФ НА ТИ№ 1802. Отв. исп. Е.И. Бердов,- Челябинск, 1980.
4. Гинзбург Ю.В., Парфенов А.П., ШведА.И. Промышленные тракторы,— М.: Машиностроение, 1986.
5. Бердов Е.И. Повышение эффективности использования гусеничного с.-х. трактора путем выбора рационального положения центра давления при агрегатировании бульдозерным оборудованием - Дис. ... канд. техн. наук,- Челябинск: ЧГАУ, 2000.
Л ВНИМАНИЮ СОИСКАТЕЛЕЙ УЧЕНЫХ СТЕПЕНЕЙ
И ДРУГИХ ЗАИНТЕРЕСОВАННЫХ ЛИЦ!
Редакция журнала «Достижения науки и техники АПК» издает монографии и другую книжную продукцию с редактированием и всеми выходными данными.
Цены договорные.
Заявки отправлять по адресу: 101000, г. Москва, Моспочтамт, а/я 166.
Тел.: (495) 557-13-01
E-mail: [email protected] ,
Тяговое усилие, кН
Рис. 4. Экспериментальные зависимости параме тров гусеничного трактора класса В/10 от тяговой нагрузки: » - опорная по-
верхность серийного трактора, —- оптимизированная опорная поверхность.
4J
38
