Учебное пособие 2165

трассы и автогрейдеру с механической коробкой передач, а большие – вырезанию кювета и автогрейдеру с гидромеханической коробкой передач.

автогрейдеров при разработке грунта полностью соответствуют нормальному

реакций грунта на отвал является функциональной, прямо-пропорциональной

во всех реализациях была направлена вверх, и коэффициент 0,5...0,55.

Сила сопротивления Pf (t) передвижению (качению) ЗТМ при разработке грунта определяется в общем виде выражением:

коэффициент сопротивления движению; G(t) – сила тяжести (вес) машины с учетом набора грунта в ковшовый рабочий орган; P2 (t) – нормальная реакция

грунтового массива на рабочий орган в процессе копания.

Коэффициент сопротивления движению (t) непрерывно меняется, поскольку изменяется коэффициент сопротивления качению f (t) , вследствие не-

стабильности свойств грунта и микропрофиля пути (высоты микронеровностей), и макропрофиль пути (подъемы, спуски) – уклон i(t) , которые в функции

времени движения машины представляют собой случайные процессы [84, 128]:

где (t) – угол подъема или спуска. Формула (2.176) справедлива при t 10 . Коэффициент сопротивления f (t) косвенно отражает физическую сущ-

ность процесса взаимодействия движителя с грунтом с точки зрения его сопро-

151

тивляемости (реакции) вертикальному деформированию и несущей способности. Затраты мощности на образование колеи – один из основных компонентов сопротивления качению. В реальных эксплуатационных условиях при движении ЗТМ по поверхностям разного рельефа помимо горизонтальных участков с микронеровностями h(t) встречаются подъемы и спуски с уклоном

i(t) . Сопротивление движению в этом случае будет определяться сопротивлением от взаимодействия движителя и грунта с учетом уклона и оцениваться либо силой сопротивления Pf (t) , либо безразмерным коэффициентом (t) ,

которые являются случайными процессами. Поэтому для более полной оценки тяжести дорожных условий необходимо знать статистические или вероятностные характеристики изменения коэффициента (t) . Обработка эксперимен-

тальной информации показывает, что случайный процесс (t) является нор-

мальным, стационарным, эргодическим. Его можно представить в виде статистической модели:

центрированный случайный процесс с постоянной дисперсией и частотой, характеризующий случайные колебания, обусловленные случайным процессом(t) . Функция плотности распределения вероятностей коэффициента для

нормального закона определяется выражением:

где – случайное (вероятное) текущее значение коэффициента сопротивления движению; – среднее квадратическое отклонение (стандарт), равное

D , D – дисперсия коэффициента .

Как следует из выражения (2.178), совокупность значений коэффициентаполностью определяется двумя параметрами – m и , значения которых

для колесных и гусеничных транспортно-тяговых машин приведены в работе [128] (табл.22). Обработка статистических данных по фактическим замерам показывает, что кривые плотности распределения вероятностей случайной величины уклонов p(i) и высоты микронеровностей p(h) , как и кривые

распределения коэффициента сопротивления качению p( f ) , соответствуют нормальному закону (2.178).

152

Анализ результатов экспериментальных исследований работы автогрей-

Частотный состав Pf (t) представляет сумму низкочастотного процесса с экспо-

ненциальной функцией и высокочастотного ограниченного «белого шума», поэтому аппроксимирующая нормированная корреляционная функция (рис. 2.37) имеет вид:

где aв – постоянная, характеризующая долю мощности случайного процесса, приходящуюся на «белый шум» (мощностью случайного процесса Pf (t) назы-

коэффициент аппроксимирующего выражения (коэффициент затухания экспоненты), c 1 ; – сдвиг по времени, с. Для примера на рис. 2.37 и 2.38:

f 0,67c 1, aв 0,75 , Bв 1,1 Гц.

Односторонняя нормированная спектральная плотность случайного процесса Pf (t) (рис. 2.38), в соответствии с выражением rPf (2.179), имеет вид [4]:

CУД 10...15ударов плотномера ДорНИИ и массовой влажностью W 16...18%

автогрейдером ДЗ-146 с гидромеханической коробкой передач У35.605-31 на 1-й передаче косопоставленным отвалом (планировка трассы): сила тяги на рабочем

онные функции rX ( ) и нормированные спектральные плотности sX ( f ) этих процессов представлены на рис. 2.37 и 2.38.

емым с оперативным воздействием на него глубиной резания hp (t) , то есть

известным для ЗТМ зависимостям. Для получения статистических характе-

подтверждает несущественное, по сравнению с процессом TP (t) , влияние процесса Pf (t) на процесс MКП (t) . Поэтому для анализа внутренней структуры

читься процессом MКП (t) , который легче, чем процесс TP (t) , поддается регистрации.

4.Случайные процессы P (t) и P (t) являются существенно независимыми.

1f

5.Нормированные корреляционные функции rP ( ) , а следовательно, и

нормированные спектральные плотности sP ( f ) для реакций грунта на рабочий

154

«белый шум».

6. Технические устройства создаются на основании детерминированных закономерностей. Если учесть, что на интервале времени рабочего процесса внутренние параметры ЗТМ ZЗТМ.ВП неподвержены флуктуациям, в то время

как вектор – функция параметром состояния рабочей среды (грунта) S(t)

является случайной функцией, то можно утверждать следующее – замкнутая стохастическая система «ЗТМ – грунт», то есть рабочий процесс ЗТМ, представляет собой детерминированную динамическую подсистему «ЗТМ» с постоянными внутренними параметрами ZЗТМ.ВП const под стохастическим

воздействием вектора – функции X (t) . Входные воздействия X (t) представ-

ные показатели (фазовые переменные) подсистемы «ЗТМ» и системы «ЗТМ – грунт» представляют собой случайный процесс Y (t) yi ,i 1, n , являющийся

функцией Y (t) F X (t), ZЗТМ.ВП . Для подсистемы «ЗТМ» выходным комплексным показателем является тяговая мощность на рабочем органе Y (t) NТ.Р (t) , а

для системы «ЗТМ – грунт» - техническая производительность Y (t) ПT (t) . Анализ статистических характеристик внешних входных воздействий X (t) и комплексной фазовой переменной NТ.Р (t) позволяет заключить, что

динамическая подсистема «ЗТМ» в процессе функционирования существенно сглаживает скрытую низкочастотную составляющую внешнего входного

доведя ее основную частоту колебаний практически до нуля.

2.4.4. Оценка нагруженности тягового привода ЗТМ

Нагруженность тягового привода определяется величиной и характером внешних воздействий со стороны рабочего органа и движителя, а также динамической структурой самого привода.

Известно [28, 29, 42, 118, 156, 157], что усилие на рабочем органе ЗТМ при разработке грунта представляет собой практически стационарный случайный процесс, характеристики которого являются вероятностными. Нагружение элементов тягового привода ЗТМ также носит стохастический характер, а оценочные параметры его работы – силовые в виде крутящих

155

моментов, кинематические в виде угловых скоростей, и их производные представляют стационарные случайные функции – особенно для ЗТМ непрерывного действия (автогрейдер, грейдер-элеватор, струг) и рыхлителей.

Пусть параметр X является случайной функцией X (t) , где t – текущее

время процесса. Тогда её оценочными вероятностными характеристиками будут [83]: mX (t) – математическое ожидание; DX (t) – дисперсия; X (t) –

среднее квадратичное отклонение – стандарт ( X (t) DX (t) ); X (t) – коэф-

фициент вариации ( X (t) X (t) / mX (t) ).

Для стационарного случайного процесса нагружения тягового привода ЗТМ проведём его динамическую оценку через среднестатистические показатели.

Максимальное и минимальное среднестатистические значения параметра X

динамичности KД X i, j . Говоря о его увеличении или уменьшении на участке i –

j, можно дать динамическую оценку этому участку, введя коэффициент усиления i, j участка i – j тягового привода или его элемента (коробки

передач, главной передачи и др.) [20]

В качестве примера рассмотрим нагруженность тягового привода опытного образца автогрейдера класса 160 ДЗ-146 с гидромеханической коробкой передачи (ГМКП) У 35 605-32 [20, 28, 29, 163] при разработке суглинистого грунта III категории (СУД = 10…15 ударов плотномера Дорнии) нормальной влажности (W = 16…18 %) на наиболее энергоёмких технологических операциях – планировка трассы и вырезание кювета. Автогрейдер работал на первой передаче с максимальной подачей топлива в двигатель. Степень загрузки рабочего органа характеризовалась величиной усилия ТР, определявшейся максимальной вырезаемой прямоугольной или треугольной стружкой грунта при отсутствии пересыпания его через отвал.

Блок-схема тягового привода автогрейдера приведена на рисунке 2.39, а значения коэффициентов вариации основных параметров работы привода представлены в таб. 2.4, где ТР – сила тяги на рабочем органе (отвале); Д –

скорость движения автогрейдера; δ – коэффициент буксования движителя (ведущих колёс); NТ.Р – тяговая мощность, реализуемая на отвале ( NТ.Р TP Д );

MК , К – суммарный крутящий момент и угловая скорость вращения ведущих колёс; MПП , MП Л – крутящие моменты на правой и левой центральных полуосях балансиров; MК П ВХ , MК П ВЫ Х – крутящие моменты на входе и выходе коробки передач; Mе , е – крутящий момент и угловая скорость вращения вала двигателя.

Рис. 2.39. Блок-схема тягового привода автогрейдера:

Д – двигатель; КП – коробка передач; ГП – главная передача; Б – балансиры; ВК – ведущие колёса (движитель)

157

Диапазон измерения и математическое ожидание основных параметров,

=24,25кг/ч.

Используя из табл. 2.4 значения коэффициентов вариации υ, по формулам (2.182) и (2.183) для соответствующих параметров определим величины коэффициентов KН и KД , которые представлены в той же таблице.

Коэффициент усиления по крутящему моменту трансмиссии от двигателя до балансиров при планировке трассы (вырезании кювета) равен

ТР=KД МП /KД МКПВХ 1,16 (1,15),

где KД МП – среднее значение коэффициента динамичности крутящего момента

на центральной полуоси балансира. Коэффициент усиления коробки передач

158

КП=KД МК П ВЫХ /KД МКПВХ 1,06 (1,08) .

Коэффициент усиления главной передачи

Г П=KД МП /KД МКПВ Ы Х 1,073 (1,063) .

При этом ТР= КП ГП , как и следует из формулы 2.185.

По данным таблицы и результатам выполненных расчётов проведём динамическую оценку тягового привода автогрейдера ДЗ-146 [20]. Самый большой коэффициент вариации имеет коэффициент буксования движителя, что объясняется динамическим характером его работы – преобразованием вращательного движения ведущих колёс с угловой скоростью К в поступа-

тельное перемещение осей этих колёс и самой машины с линейной скоростьюД КrД 1 , а крутящего момента Μ К , подводимого от двигателя к веду-

где Рf 1, Рf 2 – силы сопротивления качению ведомых и ведущих колёс; rC rД –

силовой и динамический радиусы ведущих колёс.

Из силовых параметров наибольший коэффициент вариации имеет крутящий момент M K , что подтверждается экспериментальными данными и

объясняется выражением (2.186).

На участке привода от двигателя к движителю коэффициенты вариации крутящего момента и угловой скорости увеличиваются, что приводит к возрастанию среднестатистических коэффициентов динамичности и неравномерности изменения этих параметров. Таким образом, трансмиссия в целом и её отдельные элементы в виде коробки передач, главной передачи и балансиров увеличивают динамическую нагруженность привода автогрейдера. Так, ГМКП имеет коэффициент усиления по крутящему моменту КП 1,08. Главная передача

при планировке имеет Г П=1,073, а при вырезании кювета Г П=1,063. Для трансмиссии от двигателя до балансиров коэффициент усиления ТР= 1,16 (планировка трассы) и ТР= 1,15 (вырезание кювета).

Увеличение коэффициента неравномерности скорости Д в два раза по сравнению с окружной (теоретической) скоростью ведущих колёс Т КrД , а

коэффициента динамичности в 1,1 раза связано главным образом с буксованием движителя, так как Д Т 1 , и коэффициент вариации коэффициента бук-

159

сования достаточно велик ( = 0,67…0,95). Вот одно из направлений совер-

шенствования движителя с целью уменьшения динамики тягового привода. Малые значения коэффициентов вариации и неравномерности изменения

угловой скорости вращения вала двигателя ( е = 0,01; КН е = 0,02) при более высоких коэффициентах K = 0,08…0,12 и КН K = 0,16…0,24 объясняются

демпфирующим действием гидротрансформатора в ГМКП.

Меньшая динамическая нагруженность тягового привода автогрейдера (меньшие значения коэффициентов , КН , КД рассмотренных параметров) при

вырезании кюветов по сравнению с профилированием трассы говорит о том, что в первом случае процесс копания грунта протекает более устойчиво.

Полученные значения коэффициентов КД М , КН М могут быть использованы при расчётах привода на прочность и долговечность. Значения коэффициентов КН и позволяют провести динамическую оценку тягового привода и наметить пути его совершенствования.

2.5.Процесс функционирования рабочего органа ЗТМ с грунтом

Землеройно-транспортная машина разрабатывает грунт в процессе движения со скоростью Д t за счёт силы тяги, развиваемой движителем, TК t и передаваемой через тяговую или толкающую раму к рабочему органу в виде силы тяги TР t . Т.е. за счёт механической энергии с тяговой мощностью на рабочем органе NТ.Р t =TР t Д t , которая затрачивается одновременно на вырезание грунта из массива и заполнение им рабочего органа.

2.5.1.Особенности процесса функционирования рабочего органа ЗТМ

сгрунтом

По своей физической сущности процесс копания грунта ЗТМ – это

где GТ t – величина подачи энергоносителя (для двигателя внутреннего сгорания – углеводородного топлива, кг/ч) в двигатель (энергетическую машину); NДВ t – эффективная мощность механической энергии, развиваемая двигателем на выходном валу, кВт; NТР t – мощность механической энергии, передаваемой от двигателя в трансмиссию передаточного механизма с учетом

160