2328

2.3.5. Перспективы развития теории ковша фронтальных погрузчиков

Форма основного ковша фронтального погрузчика в настоящее время определена и не изменится в течение последующих лет. В табл. 2.7 – 2.8 показаны возможности изменения параметров ковша в процессе проектирования для разных грузоподъемностей погрузчика.

С момента возникновения фронтальных погрузчиков постоянно происходит процесс увеличения размеров ковша: ширины Bo, радиуса ro , размера зева b и др. Угловые величины ковша характеризуют некоторое безразмерное изменение сразу двух величин, например, ширины и длины. Казалось бы, эти величины от линейных размеров не должны зависеть.

Конструкторы при проектировании ковша существующих погрузчиков используют разные углы γo . Изменения угла раскрытия

ковша γo имеет достаточно широкий диапазон γo 34 50o , который можно представить как отклонение угла от некоторого среднего значения γo (42 8)o. Сведения об угле γo опубликованы во многих рекомендациях по проектированию фронтальных погрузчиков. Причины отклонения угла γo от некоторого среднего значения 42о зависят от случайных факторов, к которым можно отнести: уровень квалификации конструктора, наличие информации о существовании подобных конструкций, наличие информации о влиянии этого фактора на конечный результат проектирования ковша. Об угле o , введенном в число параметров ковша, отсутствуют информация и рекомендации о численном значении, поэтому изменение угла o является случайным событием.

Из табл. 2.9 видно, что изменение угла o происходит на существующих ковшах с положительным или отрицательным знаками. Разработанная методика позволяет систематизировать процесс выбора параметров проектируемого ковша.

3. ДВИГАТЕЛИ И СИЛОВЫЕ АГРЕГАТЫ ТРАНСМИССИИ ФРОНТАЛЬНЫХ ПОГРУЗЧИКОВ

3.1. Характеристики двигателя как источника механической энергии фронтального погрузчика

3.1.1. Общие сведения о характеристиках двигателей внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания как источник механической энергии характеризуется эффективной мощностью и крутящим моментом при соответствующих числах оборотов коленчатого вала в

характеристики позволяют определять тяговые и экономические (по расходу топлива) показатели двигателя и выявлять характерные режимы его работы (рис. 3.1) [17, 55, 71].

Memax Nemax

MeН

n

Рис. 3.1

Скоростные характеристики двигателя разделяются на внешние и частичные. Первые получаются при максимальной подаче топлива, т.е. при предельном положении рейки топливного насоса; вторые – при частичной подаче топлива, т.е. при промежуточных положениях рейки топливного насоса. Мощность двигателя при некоторых оборотах n достигает своего максимального значения Nemax , после чего с увеличением оборотов коленчатого вала она падает. Это происходит вследствие ухудшения процесса наполнения дизеля воздухом и ухудшения процесса сгорания топлива. Работа дизеля при

оборотах n и выше нецелесообразна из-за ухудшения экономичности расхода топлива, а также вследствие возрастания сил инерции деталей кривошипно-шатунного механизма. С учетом этого для каждого дизеля устанавливаются определенные предельные обороты, при которых автоматически включается регулятор, уменьшающий подачу топлива при дальнейшем увеличении оборотов. Для дизеля, как правило, включение в работу регулятора происходит при оборотах

n , которые несколько меньше n . Поэтому номинальная

Н

максимальная мощность Ne max для дизелей соответствует оборотам

n , при которых вступает в работу регулятор. Касательная,

Н

проведенная из начала координат к кривой мощности Ne f (n),

определяет положение точки, соответствующей режиму работы

Минимальные обороты двигателя – nmin, на них он еще может

устойчиво работать при минимальной подаче топлива и отсутствии сопротивления на коленчатом валу.

При исследовании динамики и тяговых расчетах погрузочнотранспортных машин используют внешнюю характеристику двигателя. Важным параметром оценки тяговых качеств двигателя, характеризующим устойчивость его работы на различных скоростных режимах при изменении внешней нагрузки, является коэффициент приспособляемости, который определяется отношением максимального крутящего момента двигателя к крутящему моменту при максимальной мощности в случае работы двигателя по внешней характеристике:

K Memax ,

MeH

где M – максимальное значение крутящего момента двигателя;

e max

M – номинальное значение крутящего момента при максимальной

eH

эффективной мощности двигателя.

Чем больше коэффициент приспособляемости двигателя, тем меньше изменяются его обороты при возрастании внешнего сопротивления, а следовательно, и меньше снижается скорость движения погрузчика. Повышение коэффициента приспособляемости у дизелей осуществляется путем применения специальных корректоров, дополнительно увеличивающих подачу топлива в

цилиндры двигателя за цикл в тех случаях, когда при работе по внешней характеристике число его оборотов падает. Так, например, дизель В-2-34 без корректора на погрузчике ТО-21 имеет коэффициент приспособляемости К=1,1, в то время как у такого же двигателя В-11-ИС3 при наличии корректора коэффициент К=1,24.

Значения коэффициента приспособляемости дизельных двигателей в среднем колеблются в пределах: для дизелей без корректоров К=1,06 1,15; для дизелей с корректорами К=1,2 1,27. Оценивая тяговые качества дизельных двигателей внутреннего сгорания, предназначенных для преодоления сопротивлений, которые изменяются в большом диапазоне, для пневмоколесных фронтальных погрузчиков можно отметить, что их приспособляемость, т.е. автоматическое изменение крутящего момента в зависимости от изменения внешней нагрузки при постоянной подаче топлива, недостаточно. Это приводит к необходимости использовать на фронтальных погрузчиках механические трансмиссии или гидромеханические, гидрообъемные, электрические передачи, обеспечивающие изменение крутящего момента. Скоростные режимы, на которых могут работать дизельные двигатели под нагрузкой, изменяются в значительно большей степени.

3.1.2. Дифференциальные уравнения дизельного двигателя фронтального погрузчика, частотные характеристики

Современные дизельные двигатели снабжены автоматическими регуляторами угловой скорости. При отсутствии нагрузки автоматический регулятор уменьшает подачу топлива в двигатель и ограничивает верхний предел изменения угловой скорости коленчатого вала. В процессе нагружения двигателя внешним сопротивлением регулятор автоматически увеличивает подачу топлива в двигатель пропорционально величине сопротивления. Таким образом, автоматический регулятор освобождает человекаоператора от управления двигателем и позволяет сосредоточить все внимание на управлении рабочим процессом погрузчика. Исходное дифференциальное уравнение вращения вала дизеля записывается в виде теоремы об изменении кинетического момента [1, 41, 67]:

где Ie – момент инерции двигателя; Мe – крутящий момент на валу двигателя; Мc – момент сопротивления на валу двигателя; e – угловая скорость вала двигателя.

Установившийся режим работы двигателя характеризуется равенством крутящего момента двигателя и момента сопротивления:

Me Mc .

Уравнение движения (3.1) можно записать в форме приращений

[1, 41, 69]

Крутящий момент двигателя Ме является функцией перемещения рейки топливного насоса hp и угловой скорости e двигателя:

Me Me(hp, e).

Линеаризацию этой зависимости в пределах небольшого изменения параметров осуществляют разложением в ряд Маклорена

Me Me Me Me e Me hp .e hp

Членами разложения второй и более высоких степеней пренебрегают вследствие их малости при небольшом отклонении параметров от установившегося состояния.

Перемещение рейки топливного насоса hp является соответственно функцией угловой скорости двигателя ωe и

Исследования процессов копания грунта и черпания материала [58, 70] позволили установить, что сила сопротивления копанию мало зависит от скорости перемещения рабочего органа в диапазоне рабочих скоростей копания грунтов. Следовательно, в уравнении (3.2) изменение момента сопротивления Мс можно считать функцией времени t. В результате выполненной линеаризации и принятых допущений уравнение (3.2) имеет следующий вид:

крутящего момента двигателя при работе без регулятора. Такой режим работы возможен при неподвижно закрепленной рейке регулятора или на ветви перегрузки двигателя при выключенном корректоре. Особенностью скоростной характеристики дизельного двигателя, работающего без регулятора, является большая жесткость характеристики.

При выключенном корректоре изменение крутящего момента двигателя составляет не более 0 3% от номинального крутящего момента [41, 58], поэтому первым членом правой части уравнения (3.3) обычно пренебрегают [18, 58, 70]. Вторая составляющая правой части уравнения (3.3) представляет собой изменение крутящего момента двигателя вследствие перемещения рейки топливного насоса

иизменения подачи топлива в двигатель.

Врезультате принятых допущений уравнение движения дизельного двигателя, снабженного регулятором, будет

Входной координатой уравнения (3.4) является изменение момента сопротивления Мc , а выходных координат две: изменение угловой скорости двигателя ωe и перемещение муфты регулятораZp. Уравнение (3.4) решают совместно с уравнением движения регулятора, т.е. рассматривают систему дифференциальных уравнений. С учетом силы сухого трения fс.е уравнение регулятора приводится к виду [1, 41, 58]

где T22 – постоянная времени регулятора, с2; Т1 – постоянная времени, с; Кр – коэффициент передачи регулятора; Fр – фактор устойчивости регулятора; fс.е – сила сухого трения в регуляторе.

Входной координатой уравнения регулятора (3.5) является изменение угловой скорости двигателя e, выходной – перемещение муфты регулятора Zp.

Таким образом, двигатель как динамическое звено описывается системой двух дифференциальных уравнений:

Известны исследования, позволяющие установить закономерности протекания переходных процессов выходных координат при ступенчатом и линейном входном воздействиях [1, 58]. Перемещение муфты регулятора в функции времени при динамическом нагружении происходит с запаздыванием. Изменение угловой скорости двигателя обычно представляют в виде функции углового ускорения вала

Подставляя выражение (3.7) в уравнение регулятора (3.5), получим уравнение движения регулятора при линейном входном воздействии

На рис. 3.2 построены переходные процессы регулятора двигателя ЯМЗ-238 при линейном входном воздействии и различных вариациях параметров регулятора.

р (1)

а)

На рис. 3.2,а кривые соответствуют разным значениям силы сухого трения: 1 – fс.т = 6 Н; 2 – fс.т = 2 Н; 3 – fс.т = 0; на рис. 3.2, б показаны кривые при различных ускорениях вала двигателя:

1 – = 5 рад/с2; 2 – = 10 рад/с2; 3 – = 15,7 рад/с2.

В начале переходного процесса происходит постепенное увеличение скорости перемещения муфты регулятора. После истечения некоторого времени начинается перемещение муфты регулятора с постоянной скоростью. С точностью, вполне достаточной для расчетов переходных процессов погрузчиков, действительный переходный процесс регулятора можно условно представить состоящим из зоны запаздывания регулятора ОА и линейного участка переходного процесса АВ (см. рис. 3.2). Искомое время запаздывания регулятора р численно равно отрезку ОА, отсекаемому на оси времени асимптотой переходного процесса.

Величина времени запаздывания регулятора имеет вид

регулятора увеличивается с увеличением величины вязкого и сухого трения. Влияние сухого трения на время запаздывания регулятора уменьшается с увеличением интенсивности входного воздействия, т.е. ускорения ε. В соответствии с полученной формулой время запаздывания регулятора состоит из времени инерционного (переходного) запаздывания и времени передаточного запаздывания

(нечувствительности) регулятора. Время инерционного запаздывания Т1 зависит от величины вязкого трения и фактора устойчивости регулятора. Эта составляющая представляет собой время переходного процесса увеличения скорости перемещения муфты регулятора при нагружении двигателя. Передаточное запаздывание обусловливается нечувствительностью регулятора, благодаря существованию сухого трения и зазоров в передаточных механизмах регулятора.

Современные дизельные двигатели снабжены всережимными центробежными регуляторами. Исследованию динамических характеристик дизельных двигателей посвящены работы М.А.Айзермана [1], В.И. Крутова [41], В.Н.Тарасова [58] и многих других авторов.

В работах [1, 41, 58] динамика дизельного двигателя описывается дифференциальными уравнениями вала двигателя и центробежного регулятора:

где Ie – момент инерции, приведенный к валу двигателя; ωе – угловая скорость вала двигателя; Ме, Мс – крутящий момент и момент сопротивления на валу двигателя; Кр – коэффициент передачи регулятора.

Уравнения (3.10), (3.11) описывают динамику системы, имеющей две выходные координаты: угловую скорость ωе и крутящий момент Ме при одном входном воздействии Мс. В работе [58] получены частотные передаточные функции дизельного двигателя по угловой скорости и крутящему моменту. Частотная передаточная функция двигателя по крутящему моменту имеет вид

получается выражение частотной передаточной функции двигателя по крутящему моменту:

На рис. 3.3 приведены амплитудно-фазовые характеристики дизельного двигателя ЯМЗ-238: рис. 3.3,а – по крутящему моменту и рис. 3.3,б – по угловой скорости. Частотные передаточные функции двигателя позволяют установить полосу пропускания частот внешних возмущающих воздействий дизельного двигателя. Согласно графику на рис. 3.3,а,б, для двигателя ЯМЗ-238 полоса пропускания частот внешних возмущений составляет порядка ωп = 0 5 Гц.