ДОРОЖНЫЕ МАШИНЫ (Часть 1)

14

В качестве примера показана агрегатная компоновка самоходных колесных машин на базе одноосных колесных тягачей, позволяющая создать различные виды седельного оборудования для землеройных, дорожных, строительных и транспортных работ с максимальной унификацией основных узлов и механизмов (рис. 4).

Для каждой группы машин для земляных работ установлены главные и основные параметры, которые заложены в основу типажей. Например, для колесных тягачей главным параметром является мощность двигателя, для бульдозеров — номинальная сила тяги, для скреперов — емкость ковша и т. д. Если для катков на пневматических шинах согласно типажу главным параметром является его вес с балластом, то к числу основных параметров относятся: число колес, конструктивный вес и класс трактора, установленный по номинальной силе тяги. При конструировании машин необходимо принимать во внимание требования, предъявляемые условиями эксплуатации.

Поскольку колесные тягачи являются базовыми машинами, то очевидно, что их параметры должны удовлетворять требованиям, которые предъявляются создаваемыми на их базе строительными и дорожными машинами. Так, основные требования, предъявляемые к одноосным колесным тягачам, сводятся к следующему:

1)одноосный тягач должен реализовать силу тяги, определяемую условиями сцепления пневматических шин колесного движителя с грунтом при максимальной вертикальной нагрузке на ось и при отборе мощности двигателя на привод вспомогательных механизмов;

2)передаточное число трансмиссии тягача на первой рабочей передаче должно быть подобрано из условий обеспечения эффективной работы самоходного скрепера с толкачом при копании грунта;

3)одноосный тягач должен длительное время устойчиво работать на рабочих передачах на тяговом режиме, близком к максимальной тяговой мощности, и иметь при этом высокий

15

тяговый к. п. д. и хорошую топливную экономичность; 4) самоходные машины на одноосных тягачах должны обладать высокими скоростными

качествами, а также высокой маневренностью, проходимостью при движении на транспортном режиме по бездорожью и пересеченной местности и устойчивостью.

Если одноосные тягачи будут удовлетворять комплексу перечисленных требований, то, естественно, они будут обладать и универсальностью, диктуемой их назначением.

Унификация узлов и агрегатов дает возможность увеличить серийность их, специализировать машиностроительное производство и за счет этого снизить стоимость и упростить эксплуатацию машин.

§ 6. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАСЧЕТА ЗЕМЛЕРОЙНЫХ МАШИН НА ДИНАМИЧЕСКИЕ НАГРУЗКИ

Узлы и элементы всех землеройных машин подвергаются воздействию двух видов нагрузок — постоянных (весовые нагрузки) и переменных (сопротивление грунта на рабочем органе, сопротивление перекатыванию и др.).

Постоянные нагрузки, относящиеся к статическим, не изменяются по времени и, как правило, не вызывают колебаний системы. Переменные нагрузки являются динамическими и обязательно вызывают упругие колебания конструкции.

Расчет землеройных машин и их элементов в настоящее время в основном производится на условия статического нагружения, а динамические нагрузки и их влияние на прочность и устойчивость машины или системы учитываются только в особых случаях. В этом случае при расчетах на прочность землеройных машин большинство переменных нагрузок для упрощения схемы нагружения условно принимают постоянными. Пользуясь приемами статики сооружений и сопротивления материалов и вводя для уточнения расчета так называемые коэффициенты динамичности kд, производят расчет элементов конструкций и отдельных узлов машины на прочность.

Ниже рассматриваются особенности специфических нагруже-ний землеройных машин различных видов при статических нагрузках. Применяемые при этом коэффициенты динамичности, полученные, как правило, по экспериментальным данным, не могут характеризовать степени влияния тех или иных факторов на динамические нагрузки, не раскрывают сущности динамичности воздействия и являются довольно ориентировочными коэффициентами запаса. Однако в некоторых случаях при расчете эти коэффициенты отражают специфичность динамических нагружений.

Учитывая современные требования к надежности элементов конструкции, к металлоемкости машин, к динамической устойчивости отдельных систем, возникает необходимость расчета и проверки машин в отдельных случаях на действительные динамические нагружения.

Динамические нагрузки в элементах и узлах землеройных машин возникают в процессе выполнения ими рабочих движений (циклических и непрерывных).

Каждому виду движения свойственны определенные динамические процессы. При непрерывном движении доля неустановившихся режимов незначительна. Поэтому при расчетах многоковшовых экскаваторов, грейдер-элеваторов и других землеройных машин с непрерывным режимом работы вопросы динамических расчетов не имеют большого значения и обычно не производятся.

Характерным примером циклического движения, а следовательно, и циклического нагружения являются рабочие процессы одноковшового экскаватора или некоторых видов землеройно-транспортных машин (скреперы, бульдозеры). В каждой операции, связанной с движением землеройной машины, есть разгон, установившееся движение, торможение, остановка.

При исследовании динамических процессов следует рассмотреть соответствующую расчетную схему, включающую: привод, муфты включения, предохранительные устройства, упругую цепь с соответствующими жесткостями и массы (сосредоточенные или

16

распределенные), находящиеся в движении. При этом должны быть установлены граничные условия расчетной схемы.

При изучении динамики машины ставятся следующие задачи:

а) исследование движения машины или ее отдельных узлов под действием приложенных сил с учетом их изменения во времени;

б) определение условий, при которых обеспечивается заданный закон движения; в) определение действительных нагрузок, возникающих на рабочих органах и в элементах

конструкции с учетом характера колебательных процессов, возникающих в передачах и

В соответствии с принципами динамики землеройную машину следует рассматривать как систему твердых тел, соединенных упругими и фрикционными связями, которая (или ее часть) находится в движении под действием сил движущих и сил сопротивления.

Для примера на рис. 5 представлены эквивалентные динамические схемы бульдозера и скрепера. Для анализа динамики подобной системы их движение описывается системой уравнений, количество которых должно быть равно количеству сосредоточенных масс.

Последовательным обоснованным приближением (приведением масс, жесткостей, моментов инерции и т. п.) сложную систему можно свести к одномассной (для бульдозеров) или двухмассной (для скрепера, экскаватора) системе с жесткими или упругими элементами.

Расчетная схема для исследования динамических процессов, соответствующих каждой операции или движению, должна обязательно включать в себя динамику привода и динамику самой механической системы. На рис. 6 даны принципиальные расчетные схемы для исследования динамики некоторых механизмов одноковшового экскаватора.

Каждый динамический процесс можно характеризовать колебательными изменениями параметров расчетной схемы. Расчет подобной системы сводится к составлению дифференциальных уравнений при определенных граничных условиях и решению их при

системы и порядком системы дифференциальных уравнений, описывающих работу привода машины.

В подавляющем большинстве приводов современных землеройных машин имеются фрикционные муфты включения, которые многократно включаются и выключаются (особенно у машин цикличного действия), что приводит к работе системы в переходных режимах, в неустановившемся движении. Периоды включения и выключения муфт характеризуются значительными изменениями скоростей скольжения. Выключение может быть причиной возникновения автоколебаний системы, которые приводят к значительному повышению напряжений в элементах конструкции.

17

Как показывают исследования и расчеты, напряжения в элементах металлоконструкций рабочего оборудования одноковшового экскаватора с ковшом емкостью 0,5 м3 с учетом динамических нагружений превышают напряжения от статических нагрузок в зависимости от положения рабочего оборудования (вылет, наклон стрелы и т. п.) при разгоне в 1,65—5,1, а при торможении — в 2,5—5,9 раза. Значительные повышения напряжений в элементах конструкции машины и рабочего органа определены также при динамических нагружениях в землеройнотранспортных машинах по сравнению со статическими нагрузками (для бульдозера в 8,1 — 8,7 раза, для скрепера в 2,2—5,2).

На величину напряжений при динамических нагрузках влияют параметры колебательных движений (амплитуда, частота, дискримент затухания и др.), характеристика упругих элементов в системе, а также зазоры между частями конструкции. Динамическое состояние системы при необходимости может быть установлено при рассмотрении конкретной характеристики привода к механической части системы машины.

18

§ 7. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕОРИИ ПОДОБИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЯ

Создание новых и совершенствование выпускаемых тяжелых землеройных машин возможно при использовании новых методов исследования, испытания и выбора оптимальных параметров, а также оценки их технического уровня.

Использование теории подобия и моделирования при исследовании и испытании землеройных машин, при необходимости обобщения соответствующей накопленной информации по землеройным машинам в значительной степени может облегчить, а в некоторых случаях более обоснованно решить вопрос планирования научно-технического прогресса и прогнозирования развития землеройной техники с учетом качественного уровня показателей машин.

Теоретические основы подобия и моделирования, начало ко-торым положил акад. В. Л. Кипричев, разработаны достаточно глубоко, и работы в этой области получают в настоящее время широкое распространение.

Большие работы в области приложения теории подобия и размерностей для решения ряда практических задач в различных областях техники в настоящее время выполнены акад. Л. И. Седовым, проф. д-ром техн. наук П. М. Алабужевым и другими учеными.

Возможность применения методов подобия при изучении резания грунтов сельскохозяйственными плугами была указана акад. В. П. Горячкиным и проф. Н. Д. Лучинским. Моделирование землеройного оборудования при изучении процессов резания было использовано в работах проф. д-ра техн. наук Н. Г. Домбров-ского, проф. д-ра техн. наук А. Н. Зеленина. Моделированию процессов резания грунтов посвящены работы проф. д-ра техн. наук Ю. А. Ветрова, проф. д-ра техн. наук В. И. Баловнева и др.

Теория подобия и моделирование являются эффективным средством интенсификации научно-технического прогресса. Знание основных положений теории подобия и моделирования необходимо инженеру-конструктору и исследователю землеройных машин для возможности прогнозирования их развития, для обоснованной оценки различных вариантов. Теория подобия и моделирование являются как бы связующим звеном между теорией и экспериментом. При использовании теории подобия можно без больших затрат средств и времени определить, как ставить опыт, как обрабатывать опытные данные и как обобщать и распространять полученные результаты на другие объекты.

Располагая опытным образцом машины и принимая ее за модель, можно на основании теории подобия сравнительно легко только вычислением найти параметры для серии подобных машин. Точно так же, располагая данными о наличии динамического подобия процесса и используя теорию подобия, можно распространить результаты единичного эксперимента на другие процессы аналогичных машин.

Теория подобия основывается на свойствах подобных явлений и установлении их подобия. Она может быть широко применена при научном прогнозировании, при создании новых землеройных машин, при патентовании и т. п.

В количественном и качественном отношениях подобие явлений определяется равенством безразмерных величин, называемых критериями подобия. Критерии подобия П1, П2, ..., Пп в общем случае рассматривают как среднюю величину отношений физических или экономических показателей, существенных для анализируемых систем.

Объекты могут быть подобны в стохастическом смысле (при тождественно равных плотностях вероятностей соответствующих критериев), в детерминированном смысле (при равенстве детерминированных критериев или условном равенстве средних значений соответствующих критериев). В некоторых случаях допускается приближенное подобие. Тогда степень нарушения подобия оценивается критериями согласия [12].

Критерии подобия можно составить из определенных уравнений или используя размерности величин, входящих в уравнение движения.

Моделирование представляет собой осуществление явления, подобного «натуре». К моделированию следует прибегать:

а) когда необходимо исследовать труднодоступный или недоступный для непосредственного исследования объект;

19

б) когда необходимо исследовать вновь запроектированный, но еще не осуществленный объект.

Теория моделирования базируется на подобии процессов и рассматривает методы построения моделей. Моделирование без изменения физической природы изучаемого явления называется физическим. Моделирование, основанное на применении электронных вычислительных машин, называют математическим. В последнее время появилось физикоматематическое моделирование, которое представляет собой сочетание принципов физического F математического моделирования. В этом случае в схему стенда, осуществляющего физическое моделирование, включается электронно-вычислительная машина. Для изучения землеройных машин могут применяться геометрическое, физическое и физико-математическое моделирование.

Два явления (процесса) или объекта (машины) подобны, если соблюдается:

а) геометрическое подобие, т. е. пропорциональность линейных размеров натуры и модели (l, х, y, z и т. д.) и равенство соответствующих углов (α, β, γ и т. д.)

[индекс н – натура (оригинал), индекс м - модель]; б) физическое подобие, т.е. подобие физических (кинематических, динамических)

параметров процесса или среды:

где

lc; vc; tc — соответственно коэффициенты подобия по линейным размерам, скорости, времени;

m — массы;

a — ускорения;

ρ — отношение плотностей; mс — отношение масс.

Таким образом, при увеличении скорости (числа оборотов) вдвое, силы и работы в новом режиме должны быть повышены в 4 раза, а мощности в 8 раз;

в) инвариантность системы дифференциальных уравнений, т. е. тождественность явлений сравниваемых систем.

По признакам полноты и точности воспроизведения изучаемых процессов моделирование может быть полное, неполное (частичное) и приближенное. При неполном моделировании