Промышленные тракторы


ЮВ. Гинзбург, А.И. Швед, А.П. Парфенов Промышленные ТРАКТОРЫ МОСКВА «МАШИНОСТРОЕНИЕ» ББК 39.311.06.5 Г49 УДК 629.114.2 Рецензент д-р техн. наук проф. И. Б. Барский Гинзбург Ю. В. и др. Г49 Промышленные тракторы/Ю. В. Гинзбург, А. И. Швед, А. П. Парфенов. —М.: Машиностроение, 1986. —296 с., ил. В пер.: 1 р. 40 к. Впервые изложены вопросы теории промышленного трактора при агрегатировании со строитель но-дорожными машинами: бульдозерами, рыхлителями, скреперами, погрузчиками и др. Рассмотрены особенности конструкции, компоновки ходовой системы, трансмиссии и других узлов колесных и гусеничных тракторов. Проанализированы условия эксплуатации промышленных тракторов при работе с различным оборудованием. Для инженерно-технических работников, занимающихся конструированием, испытанием и эксплуатацией промышленных тракторов. „3603030000-099--    ББК 39.311.06.5 Г 038 (01)-86 99-86    6Т2.1 © Издательство «Машиностроение», 1986 г. у В связи с увеличением масштабов строительства, добычи полезных ископаемых, ускорением темпов и объемов мелиорации-земель требуется более интенсивное развитие конструкций дорожных, строительных, погрузочных машин и их энергетической базы — промышленных тракторов. Это развитие имеет несколько направлений: создание и освоение серийного производства тракторов общего назначения и специальных; повышение мощности и производительности тракторов в результате увеличения их энергонасыщенности; оптимизация конструктивных параметров; совершенствование агрегатирования и максимальное приспособление тракторов к работе с промышленным оборудованием^    .    * В 1983 г. отметил полувековой юбилей первенец отечественного промышленного тракторостроения — Челябинский тракторный завод. В 50-х гг. серийное производство промышленных теакторов освоено на Брянском автомобильном заводе. В последние десятилетия производство промышленных тракторов получило развитие на Чебоксарском заводе промышленных тракторов, Алтайском, Павлодарском, Харьковском тракторных заводах, Ленинградском Кировском заводе. /Отечественными и зарубежными учеными за прошедшие годы накоплен значительный опыт исследований, конструирования и расчета промышленных тракторов, а также агрегатов на их базе. Однако сведения об этом носят разрозненный характер, не объединены общей теоретической основой и методикой исследований и рассредоточены по отдельным статьям. Некоторые общие положения теории и конструкции промышленных и сельскохозяйственных тракторов, а также самоходных машин (автомобилей, тягачей) достаточно подробно освещены в учебниках и специальной литературе/В связи с этим авторы видят свою основную задачу в рассмотрении специальных вопросов теории и конструкции, отражающих на единой методической основе особенности промышленных тракторов. В книге уделено преимущественное внимание вопросам оценки, оптимизации и конструкторской реализации тягово-скоростных показателей промышленных тракторов и их влиянию на эффективность трактора как базы дорожно-строительного агрегата. Содержание книги базируется на результатах анализа конструкторской практики отечественных заводов и зарубежных фирм, а также многолетних исследований, проведенных в Челябинском филиале Государственного союзного тракторного научно-исследовательского института (ЧФНАТИ). В исследованиях принимали участие Е. И. Бердов, А. Е. Вязовский, В. И. Дурановский, В. А. Каминский, Е. П. Куликова, М. И. Левитанус, Т. П. Мешкова, А. А: Подкосов, С. Г. Фельдман, В. В. Филимонов, Н. Ш. Чубыкина. Предисловие, гл. 1, 2 и 9 написаны Ю. В. Гинзбургом, А. И. Шведом и А. П. Парфеновым, гл. 3 и 10 — Ю. В. Гинзбургом и А. И. Шведом, гл. 4—7 — Ю. В. Гинзбургом, гл. 8 — А. И. Шведом. ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ В — ширина трактора, ширина погрузочного ковша Вх — колея трактора П — производительность «    #0, Яч — технические потенциалы трактора-погрузчика, обобщенный и частный Ъ — ширина гусеницы, колеса Gtp — часовой расход топлива Gr, GK(GT) — вес трактора эксплуатационный и конструктивный 6б» ^бр (ОА) — эксплуатационный вес трактора в агрегатах с бульдозером, с бульдозером и рыхлителем Ga (GA) — эксплуатационный вес агрегата С?п (GO) — вес призмы грунта Jм (IT) — суммарный момент инерции вращающихся масс, приведенный к выходному валу моторно-трансформаторного блока Jд1 — момент инерции от поступательно движущихся масс агрегата, приведенный к выходному валу МТБ Jдг — момент инерции от призмы грунта, приведенный к выходному валу МТБ L — база трактора LB — глубина начального внедрения передней кромки ковша в штабель насыпного материала Мм — крутящий момент двигателя при номинальной частоте вращения коленчатого вала, максимальный Мс(МС)— момент сопротивления движению агрегата Мгп — крутящий момент, отбираемый от двигателя на гидропривод рабочего оборудования Мт, Мтм (МТ) - крутящий момент выходного вала МТБ (на маховике двигателя трактора с механической трансмиссией, выходном валу гидротрансформатора) текущий, максимальный Мк — крутящий момент на ведущих колесах Л^кр (NKR) — мощность на крюке Ne — номинальная мощность двигателя Муд — энергонасыщенность Ne/mKt кВт/т 1чгп — мощность на ведущих колесах, гидропривода рабочего оборудования #6> ^61» Nf* —мощности на буксование, передвижение соответственно при статическом и динамическом нагружении ЛГД, NT (NR, NТ) — текущее значение мощности двигателя, выходного вала МТБ Р„, РКр — тяговое усилие на ведущих колесах, на крюке Pf — сила сопротивления передвижению Рктах» ^кртах — максимальные (при стопроцентном буксовании) тяговые усилия касательное и на крюке P, P, P0 (P) — энергетические потенциалы производительности частный, полный и обобщенный Рм, Рс — радиусы поворота трактора, измеренные по середине колеи (минимальный и средний) Рк — радиус поворота передней кромки ковша трак-тора-погрузчика S (S) — дистанция перемещения 5ХХ — дистанция хода рабочего, холостого Sn, 5ЯТ, 5ПШ — путь трактора, измеренный вдоль продольной оси при повороте, подъезде к транспортному средству, штабелю Гц -г- продолжительность цикла Трх» ?хх — продолжительность ходов рабочего и холостого Тост (TOST) — продолжительность переключения передач и маневрирования в начале и конце рабочего хода Vp — скорость рабочего хода 7,хх (VXX) — скорость холостого хода иij>, Уд (VT, VG) — скорости теоретическая и действительная i>y, v — скорости трактора при установившемся движении по прямой, повороте 1>н ср — средняя скорость трактора в процессе набора Кв — коэффициент, равный объему набранного материала при Ркр = 1 /Сп — коэффициент производительности или относительная производительность mK, тт — массы трактора конструктивная, эксплуатационная я*бр — массы трактора в агрегате с бульдозером, с бульдозером и рыхлителем та — масса агрегата mn, mv — масса призмы грунта, материала в ковше Лн> пш — частота вращения коленчатого вала двигателя номинальная, при максимальном крутящем моменте гк — радиус ведущих колес *н> *р — продолжительность набора, разгрузки ty — продолжительность поворота управляемых колес или полурам трактора из среднего положения в крайнее *п» ^нт — продолжительность поворота трактора, осуществляемого с разгоном и торможением, полного, неустановившегося — продолжительность маневрирования трак гора-погрузчика ^мо — продолжительность перемещения погрузочного оборудования относительно трактора *©ш> *от> *пш> *пт — продолжительность отъезда от штабеля, транспорта, подъезда к штабелю, транспорту *пс — потери времени при подъезде транспортного средства под погрузку *нп — продолжительность неустановившегося подъезда *пг — продолжительность подъема ковша с грузом ^пк — продолжительность полного поворота ковша а — угол между плоскостью днища ковша и линией, соединяющей центр поворота ковша с рабочей кромкой ап> — усредненные углы поворота двух управляемых колес или частей шарнирно сочлененной рамы относительно оси трактора текущий, максимальный Po — начальный угол наклона днища ковша р — насыпная плотность материала Он — подача насосов гидросистемы привода рабочего оборудования трактора-погрузчика при номинальной частоте вращения коленчатого вала двигателя Wn — число пластичности грунта Wr — объем призмы грунта (материала) в рыхлом теле, перемещаемый за один цикл Wк — геометрическая вместимость ковша трактора-погрузчика Гцс, 1ГЦК — объем рабочих полостей цилиндров подъема стрелы, поворота ковша 0Т, 0НТ — угол поворота трактора полный, за период неустановившегося поворота ®н> 6М — угол поворота ковша при наборе, максимальный а — среднее ускорение разгона (и замедление торможения) С — плотность грунта, выраженная числом ударов плотномера ДорНИИ ^ср> ^тах — средний, максимальный размер среднего куска насыпного материала f — вероятность (частота) появления события /с (F) — коэффициент сопротивления передвижению g — ускорение силы тяжести £п> Ёп> 8on (TOPL) — удельный расход топлива частный, полный, обобщенный /&м> — высота подъема ковша максимальная, в процессе набора и (IN) — передаточное число механической части трансмиссии *м (TF) — тяговый фактор (отношение и к радиусу ведущего колеса гк) *гт -*■ передаточное отношение гидротрансформатора Кн — максимальный коэффициент наполнения ковша К с — коэффициент сопротивления внедрению ковша /Сс. н — коэффициент снижения частоты вращения коленчатого вала двигателя при наборе К л — коэффициент приспособляемости К0 — максимальный коэффициент трансформации Ямту — тип моторно-трансмиссионной установки /Сгп — коэффициент отбора мощности двигателя на гидропривод оборудования бср (DELT) — коэффициент буксования, среднее за набор буксование 6Т — угол трения материала по стали Лтр (KNG) — КПД трансмиссии, механической части трансмис* сии для гусеничных тракторов, включая потери в зацеплении ведущих колес и ведущих участках гусеницы т)г — объемный КПД гидросистемы X, Ят — скоростные коэффициенты (отношение средней за набор окружной скорости рабочей кромки ковша к поступательной скорости трактора), фактический и теоретический кс — коэффициент сцепного веса (отношение сцепного веса к эксплуатационному) о — нормальное давление, среднее квадратичное отклонение т0 — сопротивление сдвигу, создаваемое силами сцепления, действующими между частицами грунта б
<p — угол внутреннего трення грунта или материала ф0 — угол естественного откоса штабеля материала Фк> Фкр FIKP) — удельное тяговое усилие касательное, на крюке, коэффициент сцепления по касательному тяговому усилию, на крюке Фкр шах (FIMB, FIKRM) — максимальный коэффициент сцепления по касательному тяговому усилию, по тяговому усилию на крюке max>
'фо — начальный угол наклона радиуса поворота ковша к опорной плоскости от — угловая скорость вращения выходного вала МТБ (коленчатого вала двигателя — для трактора с механической трансмиссией, вала турбины гидротрансформатора или гидроредуктора — для трактора с однопоточной и двухпоточной ГМТ, вала тягового электродвигателя, вала тя-гового: гидромотора) сок — угловая скорость ведущих колес со, о)у — угловая скорость поворота трактора текущая, при установившемся повороте Юкс» о)с — средняя угловая скорость поворота ковша, управляемых колес или части шарнирно сочлененной рамы v<p — динамичность нагрузки МТУ — моторно-трансмиссионная установка МТБ — моторно-трансформаторный блок ГП — гидропривод МТ — механическая трансмиссия ГМТ — гидромеханическая трансмиссия ГОТ — гидрообъемная трансмиссия ЭЛ — электрическая трансмиссия ГТ — гидротрансформатор КП — коробка передач МП — механизм поворота ПМП — планетарный механизм поворота ДПМ — двигатель постоянной мощности ЧЭПП, ПЭПП, ОЭПП — энергетические потенциалы производительности, частный, полный и обобщенный УКМ — увеличитель крутящего момента, римечание. В скобках приведены обозначения для программ ЭВМ* П
ГЛАВА 1 НАЗНАЧЕНИЕ, УСТРОЙСТВО И ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ТРАКТОРОВ В связи с развитием конструкций тракторов, автомобилей, стро-ительно-дорожных машин происходит постепенное стирание резких границ между ними/ Промышленным трактором следует считать самоходную машину для приведения в действие нескольких (минимум двух) видов оборудования. Именно этим трактор отличается от специальной самоходной дорожной машины, предназначенной для приведения в действие только одного вида оборудования. Тракторы используют в промышленности и сельском хозяйстве. К промышленным тракторам относят промышленные тракторы общего назначения, специальные, промышленные модификации сельскохозяйственных тракторов и лесопромышленные (рис. 1.1). К первой и второй группе принадлежат тракторы, предназначенные для выполнения работ в промышленности и строительстве (что не исключает выполнения землеройных работ в сельском хозяйстве, например отрывку силосных траншей, планировку рисовых чеков и т. п.). Типичными промышленными тракторами являются Т-180, ДЭТ-250, Т-330. К третьей группе относят тракторы, выполняющие работы как в промышленности, так и в сельском хозяйстве. К ней следует отнести тракторы Т-40А, Т-74, ДТ-75, T-100M, Т-130, К-701. К четвертой группе принадлежат тракторы, предназначенные для выполнения работ в лесной промышленности, например, ТДТ-55А, ТБ-1, ТТ-4, ТП-90. Хотя в настоящее время лесопромышленные тракторы и принято причислять к промышленным, они отличаются от промышленных не менее существенно, чем промышленные тракторы от сельскохозяйственных, вследствие чего в книге их не рассматривают. ) 1.1. ОБЩАЯ КОМПОНОВКА И КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ ТРАКТОРОВ РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ Промышленные тракторы общего назначения. Компоновка гусеничных тракторов общего назначения наиболее распространенного варианта обусловливается передним расположением двигателя и задним расположением рабочего места водителя. При такой компоновке, как правило, трансмиссионная установка имеет два блока: первый — муфта сцепления или гидротрансформатор, или оба вместе, закрепленные на двигателе; второй — задний мост, в корпусе которого расположены центральная передача, механизмы поворота Промышленные Общего назначения болотоходный общего назначения Специальные Погрузочный Трубо укладочный Подземный Земноводный Подводный Малогабаритный Промышленный для работы сселит хозяйственным оборудованием Me со-промышленные
Промышленные модификации сельскохозяй ственны* тракторов
Лесозаготовитель ные машины на Вазе трактора Плавающий
Болотоходный

Рис. 1.1. Классификация промышленных тракторов и тормоза. К передней части заднего моста крепят коробку передач, а по боковым сторонам — конечные передачи. Указанные блоки устанавливают на раме трактора. К передней части рамы крепят ось шарнира балансирной балки или рессоры, края которых опираются на рамы гусеничных тележек. Данные элементы качаются вокруг оси ведущих колес или вокруг специальной оси, расположенной впереди ведущих колес. Разделение осей качания гусеничных тележек и ведущих колес позволяет освободить конечную пере- Л_аШ
Рис. 1.2. Компоновочные схемы трактора фирмы «Фиат-Аллис» в зависимости от тягового класса: а — трактор 21-С, Ng = 221; б — трактор 31, Ne — 317; в — трактор 41 - В, Ng = 385 кВт дачу от дополнительных нагрузок и обеспечить более легкую разборку. К передней части рамы трактора крепят силовой капот, на котором расположены гидроцилиндры бульдозерного оборудования. Рыхлительное оборудование крепят к стенке заднего моста. Тракторы с указанной компоновкой выпускают без кабины, с защитными каркасами ROPS и FOPS (ROPS — Roll Over Protective Structure и FOPS — Falling Object Protective Structure — устройства, защищающие водителя соответственно при переворачивании трактора и от падающих предметов), а также с кабинами ROPS и FOPS.) Компоновку, подобную описанной, имеют отечественный трактор Т-130, тракторы D3, D4, D5, D6C и D7G фирмы «Caterpillar» («Катерпиллар», США), тракторы фирмы «Comatsu» («Комацу», Япония, за исключением тракторов D455 и D555) и другие. Однако могут быть отклонения от этой компоновочной схемы, вызванные масштабным фактором. Размеры человека и размеры Рис. 1.3. Компоновочная схема гусеничных тракторов общего назначения D8L, D9L и D10: 1 — отвал бульдозера; 2 — гидроцилиндры; 3 — радиаторы и вентилятор; 4 — механизмы поворота и конечные передачи; 5 — центральная передача; 6 — коробка передач; 7 — соединительный вал; 8 — гидротрансформатор; 9 — двигатель Рис. 1.4. Конструктивная схема тракторов D8L, D9L и D10: 1 — конечная передача; 2,5 — механизмы поворота; 3 — центральная передача; 4 — коробка передач кабины остаются постоянными, поэтому их соотношение с размерами трактора зависит от тягового класса трактора, что, в свою очередь, позволяет несколько изменять его компоновку. Так, с увеличением тягового класса трактора появляется возможность устанавливать кабину ближе к середине трактора (рис. 1.2). Например, на тракторе 41-В это позволило расположить за рабочим местом (за кабиной) масляные радиаторы двигателя, трансмиссии и гидросистемы, охлаждаемые вентилятором с объемным гидроприводом. В результате применения трансмиссии новых типов открываются дополнительные возможности компоновки. Например, использовав электромеханическую трансмиссию на тракторе ДЭТ-250М, смогли установить кабину ближе к центру. Принципиально новая компоновочная схема возникает при переносе кабины вперед, а двигателя назад, как, например, на отечественном тракторе Т-330. Однако при подобной компоновке усложняется конструкция несущей системы и увеличивается число соединений. Возможность значительно изменить компоновку открывается, если вывести ведущие колеса из контакта с грунтом и установить их над гусеничной тележкой, что предопределяет треугольный обвод гусеницы (рис. 1.3). При такой конструкции была обеспечена модульная компоновка трактора, т. е. все основные узлы (двигатель, коробка передач, механизмы поворота, конечные передачи) были выполнены в виде отдельных легко демонтирующихся модулей (рис. 1.4). Тракторы общего назначения с колесным движителем фактически являются базой под бульдозерное оборудование и, как пра- Рис. 1.5. Компоновочная схема гусеничных тракторов-погрузчиков с гидрообъемной трансмиссией: 1 — радиаторы; 2 — двигатель; 3 — блок гидронасосов; 4 — гидромоторы движителя вило, создаются на основе колесных тракторов-погрузчиков, в связи с чем их компоновки аналогичны. Специальные тракторы. Конструктивная схема гусеничного трактора-погрузчика практически аналогична схеме промышленного трактора общего назначения. Она отличается в основном тем, что база трактора-погрузчика увеличена по сравнению с базой трактора общего назначения. Это достигнуто в результате введения дополнительного опорного катка, что практически ликвидирует выступание двигателя трактора за обвод гусеницы; установки жесткой или балансирной балки вместо рессоры; выполнения рамы трактора заодно с порталом погрузочного оборудования. Остальные отличия касаются узлов и агрегатов трактора. Основным недостатком такой компоновки трактора-погрузчика является значительное смещение центра давления при наборе грунта в ковш и движении с наполненным ковшом. Этот недостаток может быть ликвидирован при использовании гидрообъемной трансмиссии. В таком случае можно принципиально изменить компоновку трак-тора-погрузчика, приблизив ее к компоновке колесных тракторов-погрузчиков: двигатель смещен далеко назад и служит противовесом, передняя часть трактора полностью освобождена для установки портала и погрузочного оборудования (рис. 1.5). Колесные тракторы-погрузчики выполняют с поворачивающимися колесами и с шарнирно сочлененной рамой (рис. 1.6). Первые изготовляют малых тяговых классов. Они имеют как разновеликие, так и равновеликие колеса. В качестве поворотных используют передние или задние колеса, или те и другие. Тракторы-погрузчики с шарнирно сочлененной рамой состоят из двух полурам, соединенных вертикальным шкворнем, поворот осуществляется с помощью 4 5    $ Рис. 1.6. Компоновочная схема мощного колесного трактора-погрузчика: 1 — радиаторы и вентилятор; 2 — двигатель; 3 — коробка передач; 4, 6 — главные передачи и колесные редукторы; 5 — карданный вал гидроцилиндров, перемещающих полурамы одну относительно другой в горизонтальной плоскости. При такой компоновке трактора двигатель 2, коробку передач 3, раздаточную коробку устанавливают на задней полураме, портал погрузчика — на передней полураме. Гидротрансформатор крепят к двигателю или выполняют в едином блоке с коробкой передач. Кабину помещают как на передней, так и на задней полураме. В первом случае упрощается управление ковшом (взаимное расположение водителя и ковша не меняется), а во втором — конструкция управления двигателем и трансмиссией. В любом случае место водителя находится примерно над шарниром рамы. Болотоходные тракторы, которые занимают несколько обособленное место среди промышленных тракторов, могут быть модификацией промышленного трактора общего назначения и специального трактора, например трактора-погрузчика, а также промышленной модификации сельскохозяйственного и лесопромышленного трактора. Поэтому при описании болотоходной модификации указывается тип базового трактора. Основной конструктивной особенностью болотоходных тракторов являются специальная конструкция звеньев гусениц, увеличенные размеры движителя вследствие уширения гусеницы и увеличения базы. При таком движителе обеспечивается пониженное давление на грунт. По общей компоновке и конструктивной схеме болотоходные тракторы в основном дублируют базовые модели. Подземные тракторы предназначены для работы в стесненных условиях горных разработок — в шахтах и на строительстве тоннелей, поэтому они должны иметь ограниченные размеры и не загрязнять окружающую среду отработавшими газами. Конструкция этих тракторов подчинена главному требованию — уменьшению вертикальных размеров, вследствие чего они, как правило, не имеют кабины. Схема подземного колесного трактора с вынесенным за пре- Ч 3 г    7 Рис. 1.7. Компоновочная схема колесного подземного трактора: 1 — двигатель; 2,6 — карданные валы; 3 — гидротрансформатор; 4 — коробка передач; 5, 7 — главные передачи и колесные редукторы делы колесной базы двигателем и шарнирно сочлененной рамой показана на рис. 1.7. Земноводные тракторы служат для землеройных работ на глубине до 6—7 м, а подводные — для осуществления необходимых работ, связанных с добычей полезных ископаемых на континентальном шельфе морей и океанов на глубине до нескольких десятков метров. Эти тракторы не имеют кабины и ими управляют по радио (аквалангист или с берега). Тракторы снабжены системой для забора воздуха, необходимого для работы двигателя. Малогабаритные промышленные тракторы предназначены для небольших по объему вспомогательных работ (рытье траншей вблизи зданий, чистка каналов и др.). Эти тракторы, как правило, не имеют кабины и их часто снабжают гидрообъемными трансмиссиями, облегчающими управление трактором, а также позволяющими обеспечить различные компоновочные схемы. Промышленные модификации сельскохозяйственных тракторов. Условия работы промышленных тракторов с дорожно-строительным оборудованием характеризуются цикличностью, значительными амплитудами колебаний тяговой нагрузки, буксованием до полной остановки трактора, отсутствием технологических ограничений по максимальному типоразмеру трактора. Такие тракторы весь срок службы работают с одним—двумя видами смонтированного на них оборудования. Схема нагружения промышленного трактора общего назначения, агрегатируемого с бульдозером, или трактора-погрузчика отличается от схемы нагружения сельскохозяйственного трактора. При создании промышленных модификаций сельскохозяйственных тракторов приходится преодолевать ряд противоречивых требований. Примером промышленных модификаций гусеничных сельскохозяйственных тракторов могут служить теакторы ДТ-75МР, ДТ-75МП и Т-4АП2. Сохраняя в общих чертах компоновку базовых тракторов, эти тракторы отличаются от них наличием силового капота (ДТ-75МП) или специальных кронштейнов для установки гидроцилиндров бульдозера, гидропривода повышенной производительности, коробки передач, обеспечивающей повышенное тяговое усилие, усиленной конструкцией механизмов поворота и конечных передач. Сельскохозяйственные гусеничные тракторы за рубежом создают как специальные сельскохозяйственные модификации промышленных тракторов. Так, фирма «Катерпиллар» выпускает тракторы четырех моделей D4DSA, D5SA, D6SA и D7SA (SA — Special aplication, специальное использование), фирма «Комацу» — пяти моделей серии «Farm», фирма «Fiat-Allis» («Фиат-Аллис») — три модели 8-ВТА, 10-СТА, 14-СТА. Компоновки этих тракторов аналогичны компоновкам базовых моделей. У них отсутствует силовой капот, установлены воздухоочиститель и удлиненная выпускная труба для забора воздуха из менее запыленной зоны. Они имеют только механическую трансмиссию и специальное универсальное приспособление для навески сельскохозяйственных орудий. Тракторы с колесным движителем выполняются только как промышленные модификации базовых сельскохозяйственных тракторов и отличаются от них большей массой, большей мощностью двигателя (в ряде случаев), увеличенной грузоподъемностью колес и уменьшенным диапазоном регулирования колеи. У этих тракторов увеличена прочность ряда несущих деталей, в первую очередь рамы и переднего моста, введены присоединительные места для навесного оборудования. Навесное оборудование монтируют на дополнительной раме или на специальном портале, выполненном заодно с рамой. 1.2. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТРАКТОРОВ ПО ВИДАМ АГРЕГАТИРОВАНИЯ И НАЗНАЧЕНИЮ Тракторы различного назначения занимают неодинаковое место в производственной программе и парке машин как в нашей стране, так и за рубежом. В СССР изготовляют в основном гусеничные тракторы общего назначения, в США и Японии — гусеничные тракторы общего назначения, промышленные (в основном погрузочные) модификации сельскохозяйственных тракторов и колесные тракторы-погрузчики. Промышленные тракторы общего назначения агрегатируют с оборудованием различных видов: бульдозером, рыхлителем, прицепным скрепером, корчевателем, кусторезом, буром, буром-столбоставом, уплотнительным катком (рис. 1.8). Кроме того, на базе указанных тракторов создают специальные модификации, предназначенные для работы с одним видом навесного оборудования. При определении основных видов агрегатирования необходимо учитывать два фактора: количество машин в эксплуатации; сложность и специфичность требований, предъявляемых к конструкции трактора в связи с навешиваемым оборудованием. Несмотря на большое число видов оборудования, агрегатиру-емого с промышленными тракторами, абсолютное большинство тракторов поставляют и эксплуатируют всего с тремя-пятью видами Рис. 1.8. Схемы гусеничных тракторов общего назначения, агрегатируемых с оборудованием: 1 — бульдозер с прямым отвалом; 2 — бульдозер с универсальным отвалом; 3 — бульдозер с полусферическим отвалом и гидроперекосом; 4 — бульдозер с прямым отвалом и гидроперекосом; 5 — толкач; 6 — корчеватель; 7 — многостоечный рыхлитель; 8 — одностоечный рыхлитель оборудования. В СССР около 76 % гусеничных тракторов выпускают с пятью видами оборудования: бульдозером, погрузчиком, корчевателем, прицепным скрепером и грейдером. В США 89 % выпускаемых промышленных тракторов агрегатируют с тремя видами оборудования: бульдозером, погрузчиком и скрепером. Агрегатирование промышленных тракторов зависит также от типа ходовой части и тягового класса трактора. Наиболее универсальны тракторы небольшой и средней мощности. По мере увеличения мощности растет специализация тракторов. Гусеничные тракторы массой до 5 т агрегатируют с бульдозером, погрузчиком, плугом отвальным, лущильником. Тракторы массой 6—10 т самые универсальные, кроме оборудования перечисленных видов они агрега-тируются с рыхлителем, трубоукладчиком, чизельным плугом, глубокорыхл ителем, скрепером. На тракторы массой более 10 т не монтируют сельскохозяйственное оборудование. На тракторы массой более 30 т не устанавливают погрузчик, тракторы массой более 40 т агрегатируются только с бульдозером и рыхлителем. Промышленные модификации колесных сельскохозяйственных тракторов в США, имеющие массу до 7 т, используют с фронтальным ковшовым погрузчиком, экскаватором, бульдозером, скрепером, траншеекопателем, буром и оборудованием других видов, причем 60 % тракторов используют с погрузочным оборудованием. Таким образом, из многочисленных видов промышленных тракторов выделяются основные, конструкцию и теорию которых следует рассматривать в первую очередь: гусеничные промышленные тракторы общего назначения и колесные тракторы-погрузчики. При этом основным оборудованием для агрегатирования с гусеничными тракторами общего назначения являются бульдозер, рыхлитель и прицепной скрепер. 1.3. УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТРАКТОРОВ ПРИ ТИПИЧНОМ АГРЕГАТИРОВАНИИ И ТРЕБОВАНИЯ К ИХ КОНСТРУКЦИИ Тракторы общего назначения. При агрегатировании промышленного трактора с различными видами оборудования существенно меняется его эксплуатационная масса. Так, эксплуатационная масса гусеничного трактора при агрегатировании со скрепером и другим прицепным оборудованием (грейдером, уплотнительным катком) в среднем составляет 1,05 конструктивной массы трактора. При агрегатировании с бульдозером она увеличивается до 1,3, а с бульдозером и рыхлителем — до 1,5. Грунты, на которых работает трактор, разнообразны: от сыпучих песков до плотных, пластичных глин и скальных пород. Грунты при различной трудности их разработки оборудованием обусловливают также различные сцепные свойства одного и того же движителя, причем максимальный коэффициент сцепления изменяется более чем в 2 раза. Грунтовые условия заранее неизвестны и агрегат в течение срока службы может перемещаться с одного места на другое, поэтому грунтовый фон носит вероятностный характер и ввиду особой важности этих условий они будут рассмотрены более детально ниже. Особенности агрегатирования и технология работы различных агрегатов обусловливают специфические требования к конструкции базового трактора. При этом определяющими видами агрегатиру-емого оборудования являются бульдозер, рыхлитель и скрепер. Типичный рабочий цикл бульдозера состоит из рабочего хода или движения вперед, в процессе которого осуществляется копание и перемещение призмы грунта, остановки перед движением назад с подъемом отвала, отката на заднем ходу трактора и остановки перед началом нового цикла. Скорость рабочего хода зависит от энергетических показателей трактора и технологических ограничений при работе с оборудованием бульдозера, а холостой ход — от максимально возможной скорости, ограниченной конструкцией подвески, профилем поверхности, видимостью и т. п. В связи с этим необходимо иметь не только рабочую передачу заднего хода, обеспечивающую высокую транспортную скорость,' но и достаточную обзорность (и удобство обзора) при движении назад, удовлетворительную плавность хода трактора на высоких скоростях, легкое и быстрое переключение передачи с низкой рабочей скорости переднего хода на повышенную скорость заднего хода. Время одного цикла работы бульдозера в основном составляет 1—1,5 мин, т. е. в течение часа трактор делает сорок — шестьдесят циклов. При этом тракторист за час работы 80—120 раз переключает передачи на реверс, 50—150 раз включает рычаги поворота, 500— 800 раз включает гидрораспределитель. Удобство расположения рычагов, усилие на рычагах, механизм включения реверса при работе бульдозера непосредственно влияют на производительность агрегата. Для достижения высокой производительности при соблюдении описанной технологии трактор должен развивать наибольшие тяговые усилия, в связи с чем важнейшим требованием, предъявляемым к трактору, является наличие высоких сцепных свойств. Этому требованию удовлетворяют наиболее полно гусеничные тракторы. Иногда трактор работает с бульдозером по технологии, отличной от приведенной. Так, при обслуживании нескольких экскаваторов на чистке забоев после взрыва бульдозер должен быстро выходить из зоны взрыва и возвращаться в забой после взрыва, быстро перемещаться из одного забоя в другой по карьеру в потоке машин. В этих условиях обеспечение большой транспортной скорости важнее, чем высоких тягово-сцепных свойств. И в таких условиях целесообразно применять или колесные тракторы-бульдозеры, или гусеничные (ДЭТ-250), обладающие высокими показателями при работе в транспортном режиме. Для работы с бульдозером экономически целесообразна дистанция разработки и транспортирования грунта до 100 м. Л. А. Фей-гиным, А. А. Карховым и другими установлено, что целесообразно перемещать грунт бульдозера на расстояние 30—50 м, а в некоторых случаях до 100 м. По данным Р. К. Кудайбергенова, вероятность дистанций транспортирования до 30 м составляет 55 %, от 30 до 50 м — 38 %, от 50 до 75 м — 2 %, свыше 75 м — 5 %. Итальянские ученые рекомендуют перемещать грунт гусеничными бульдозерами на расстояние 30—35 м. Фирма «Катерпиллар» принимает для стандартных расчетов длину перемещения около 50 м, для легких и средних тракторов — от 20 до 100 м, для тяжелых тракторов — от 20 до 180 м [38]. Фирма «Комацу» выполняет свои расчеты и испытания применительно к дистанциям 20—100 м [39]. Авторами было выпол-рис. 1.9. Распределение вероятностей дистанции рабочего хода бульдозера F (5) и транспортирования скрепера F (5ТГ) нено исследование по определению дистанций транспортирования грунта по представительным объектам в основных отраслях народного хозяйства СССР, использующих бульдозеры: водохозяйственном строительстве (ирригация, мелиорация), гражданском, промышленном, энергетическом, сельском и транспортном строительстве. При этом было получено распределение вероятностей дистанций 5, описанное законом Вейбулла (рис. 1.9):
F (5) = apS^e-es* где a =2,1; Р = 0,000408 — параметры закона распределения вероятностей. На рис. 1.9 и в некоторых других рисунках масштабы шкал вероятностей условны и при использовании распределений необходимо проводить нормирование, например, по методике, изложенной в главе X. Работа рыхлителя заключается в рыхлении грунта перед работой бульдозером. При этом на наиболее распространенных площадках (до 50 м), как правило, используют челночную технологию, когда рыхление совершается на переднем ходу, затем на заднем ходу проводится откат и снова начинается рыхление, т. е. рабочий цикл* рыхлителя аналогичен рабочему циклу бульдозера. Менее распространена технология, при которой рыхление совершается постоянно на переднем ходу с разворотами или при движении по периметру площадки. Дистанции рабочих ходов при этом эквивалентны дистанциям бульдозера. Для рыхления, особенно при заглублении рыхлителя в грунт, необходимо большое усилие заглубления, с этой целью желательно рабочее оборудование максимально приблизить к центру тяжести агрегата. Это целесообразно также для уменьшения перемещения центра тяжести при навешивании различных видов оборудования. Для выполнения этого требования стремятся ликвидировать свисание узлов трактора за обвод гусениц, а рыхлитель крепить непосредственно на стенке заднего моста трактора. Рабочий цикл скрепера состоит из набора грунта, перемещения груженого скрепера, отсыпки грунта и возвращения порожнего скрепера. Все элементы цикла совершаются на передачах переднего хода. В цикле работы скрепера процесс набора продолжается сравнительно недолго (обычно менее 1 мин), однако объем набранного материала, зависящий от тягового усилия агрегата, существенно влияет на производительность скрепера. Поэтому в наборе часто используют дополнительные тракторы-толкачи. Прицепные скреперы с гусеничными тракторами общего назначения работают, как правило, без толкача, и в этом случае трактор является как бы симбиозом двух машин: землеройной машины — при наборе грунта в ковш и транспортного тягача — при дальнейшем транспортировании груженого и порожнего скрепера. В результате анализа данных эксплуатации отечественных тракторов, а также литературных данных [38—40] установлено, что дистанция транспортирования скрепера колеблется от 50 до 500 м и описывается законом Вейбулла с параметрами а = 1,35, Р = = 0,0004 (см. рис. 1.9). Дистанции других элементов цикла следующие: набор грунта — 25—45 м, разгрузка — 15—25 м. Для рабочего цикла скрепера можно принимать в среднем следующие время и дистанции: набор грунта — 60 с, 40 м, разгрузка — 18 с, 20 м, переключение передач при механической трансмиссии (МТ) — 20 с, при гидромеханической трансмиссии — 5 с. Тракторы-погрузчики. При агрегатировании тракторов-погрузчиков с различными ковшами, масса которых отличается незначительно, обусловливается постоянная масса агрегата. Разнообразны свойства поверхностей, по которым двигается трактор, а также грунтов и материалов, с которыми взаимодействует ковш, при этом обычно разрабатывается грунт, отличный от того, по которому движется трактор. Трактор-погрузчик в основном работает на погрузке насыпных грузов (песка, щебня, взорванных скальных пород и др.). в транспортное средство, расположенное вблизи от места складирования груза (штабеля). Маневр трактора-погрузчика состоит из следующих элементов:    ' 1)    подъезд к штабелю и одновременная установка ковша в исходное положение; 2)    набор сыпучего материала в результате поступательного движения трактора и одновременного поворота, а иногда и подъема ковша; 3)    маневр трактора для подъезда к транспортному средству и одновременный перевод ковша в исходное положение для выгрузки (стрела поднята); 4)    разгрузка, при этом трактор обычно стоит, а ковш поворачивается в крайнее нижнее положение; 5)    отъезд от транспортного средства, изменение направления движения для подъезда к штабелю и одновременный перевод ковша в исходное положение для набора. Таким образом, за один цикл погрузки 4 раза изменяется направление движения трактора, 4 раза проводится разгон и 3 раза торможение (при наборе остановка трактора происходит без торможения), проводится набор груза и его разгрузка, осуществляется полный цикл управления погрузочным оборудованием (подъем и опускание стрелы, поворот ковша для транспортировки и в исходное положение для копания). Продолжительность цикла составляет в основном 30—40 с. За один цикл погрузки оператор проводит 25—30 включений различ- ных механизмов управления. За час непрерывной работы водитель может иметь 2430—3240 управляющих воздействий, т. е. больше, чем при управлении любым другим агрегатом. Поэтому одно из основных требований к трактору, агрегатируемому с погрузочным оборудованием, — совершенствование и легкость систем управления, а также автоматизация некоторых операций управления (установка оборудования в исходное положение, совмещение торможения с отключением трансмиссии и др.). В течение всего цикла движение трактора совмещается с перемещением рабочего оборудования, осуществляемым гидроприводом. Самый энергоемкий элемент цикла — набор. При наборе реализуется максимальное тяговое усилие, а в основных (транспортных) элементах цикла оно значительно меньше. Кратковременность цикла работы трактора-погрузчика делает нерациональным излишние переключения передач, поэтому трактор-погрузчик на одной передаче подъезжает к штабелю и совершает набор. Рабочая передача трактора-погрузчика должна обеспечивать достаточно высокую скорость в транспортном режиме (4—7 км/ч). При движении к транспортному средству с грузом в поднятом ковше необходимо исключить раскачку передней части трактора, что создается ее жесткой подвеской. В связи с длительной работой трактора-погрузчика на одной рабочей площадке выдвигается требование — минимальное разрушение ее основания, для чего необходимо уменьшить грунтозацепы. 1.4. связь ОСНОВНЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ С МАССОЙ ТРАКТОРА При конструировании трактора основная первичная информация о нем выступает в виде его массы. При конструировании тракторов-значительный интерес представляет связь массы с основными геометрическими размерами трактора, а. также мощностью двигателя, мощностью гидросистемы и другими его показателями. Основой таких связей служат корреляционные поля зависимости соответствующего параметра от массы трактора. И. П. Керовым, А. А. Ясновым и другими установлено, что при анализе зависимостей между параметрами различных машин целесообразно использовать методы теории вероятности и математической статистики. При выявлении корреляционных зависимостей расчеты выполняли в следующей последовательности: на поля регрессии наносили точки всей совокупности параметров; выбирали функции регрессии нескольких видов; методом наименьших квадратов определяли коэффициенты для функции каждого типа, при этом некоторые функции приводили к линейному виду путем логарифмирования; находили корреляционное отношение и выбирали тип функции регрессии с наибольшим корреляционным отношением; определяли границы зоны отклонения всей совокупности параметров от кривой регрессии (при исключении явно ошибочных данных). Полученные зависимости приведены в табл. 1.1 и 1.2. Для большинства случаев корреляционные отношения, превышающие 0,88, 1.1. Корреляционные зависимости между основными параметрами и массой тк промышленного трактора общего назначения Параметр Гусеничный Колесный (модификация сельскохозяйственного) Мощность двигателя Ne, кВт База L, м Колея Blt м: гусениц передних колес задних колес Ширина b, м: гусениц передних колес задних колес Радиус поворота по середине колеи RMi м Подача насосов гидросистемы QH, л/мин Высота грунтозацепа hr, мм Наружный диаметр колес D, м: передних задних (0,019 ± 0,0025) т°к-»5 (1 ±0,1) (0,0775^-1) 0,014 У7пк (0,41 ±0,04)(0,145 Упь + 1) (0,02 + 0,002) УИГК Нет данных (250 ± 50) (0,076 V7nK — 1) (1 ± 0,1) (2,632 + + 0,0004 У тк) \гтк (0,0597 ± 0,01) (1 ± 0,05) (1,14 + ”Ь 0,068 У/Пк) (1 ± 0,05) (0,445 + + 0,0718 Утк) (0,105 ±0,01) Yin* (0,0135 ± 0,0025) Упц, (0,031 ± 0,005) Утк (1 ± 0,08) (1,66 + + 0,145 Утк) Нет данных Нет данных (1 ± 0,08) (0,2 + + 0,045 Утк) (1 ± 0,1) (0,35 + + 0,08 У тк) Примечание. Пределы массы для гусеничного — (5— 75)* 103 кг, для колесного — (10—64)* 10* кг. 1.2. Корреляционные зависимости между основными параметрами и массой тА тракторов-погрузчиков Параметр Колесный Г усеничный Мощность двигателя Ne, кВт Максимальная мощность гидросистемы оборудования Мгпм, кВт Максимальная мощность гидросистемы поворота ^пм> кВт (1 ± 0,12) (0,112т»-75 —24) (0,00426 ± 0,0007) та (0,0022 ± 0,0007) та (0,00938 ± 0,0011) ш®'96 (0,0036 ± 0,00066) та » Параметр Колесный Гусеничный База L, м (0,12 ±0,01) У пГя (0,1 ± 0,007) Колея Bv м (1 ± 0,05) (0,67 + + 0,057 Ущ) (0,072 ± 0,004) У ml Ширина колеса, гусеницы bt м Наружный диаметр ведущего колеса £>, м (0,022 ± 0,0025) Утй (1 ± 0,07) (0,25 + + 0,0525 У7па) (0,017 ± 0,001) Ута Радиус поворота по середине колеи Ru, м (0,193 ± 0,03) УпГ& Нет данных Г рузоподъемность эксплуатационная Мэ, кг (0,3 ± 0,045) /па (0,235 ± 0,04) та Геометрическая вместимость основного ковша WKt м3 (0,136 ± 0,03) та-КГ3 (0,107 ±0,014) та-Ю’3 Максимальная высота подъема ковша Лм, м (1 ±0,09) (0,7 + 0,13^) (1 ± 0,08) (0,92 + + 0,11 У та) Примечание. Пределы массы для колесного — (6 — 80)* 103 кг, для гусеничного — (2—42)* 103 кг. показывают, что между всеми рассмотренными параметрами имеется достаточно тесная связь, хорошо описываемая выбранными уравнениями регрессии. Приводимые корреляционные зависимости целесообразно использовать при предварительном выборе параметров вновь создаваемых тракторов, оценке технического уровня и выборе путей модернизации тракторов. Для этих целей корреляционные зависимости удобно изображать в виде графиков, на которые наносят и параметры оцениваемого трактора (рис. 1.10). Отклонение значения параметра от границ зоны корреляционной зависимости свидетельствует об ошибке в его выборе. Однако, если параметр находится внутри границ, то не всегда можно дать однозначный ответ: при смещении параметра к какой границе зоны улучшаются показатели тракторов. В случае, когда о влиянии данного параметра на эффективность трактора информации нет, считается предпочтительным то значение параметра, которое близко к значению математического ожидания (среднестатистическое значение корреляционной зависимости). Если в результате теоретических и экспериментальных исследований выявляются оптимальные значения параметра или тенденции его развития, то прогрессивным следует считать параметры, соответствующие этим значениям. По корреляционным зависимостям мощности двигателя в функции массы базового трактора видно, что мощность увеличивается мед- Рис. 1.10. Корреляционные зависимости параметров промышленных тракторов общего назначения от их массы леннее, чем масса, и с увеличением массы трактора его энергонасыщенность уменьшается. Например, с увеличением массы колесных тракторов-погрузчиков с 10 до 80 т энергонасыщенность снижается (по средним значениям) с 8,8 до 6,4 кВт/т или на 36 %.
В то же время для получения наивысшей производительности тракторов тяжелых тяговых классов последние должны обладать большой удельной мощностью на единицу массы трактора вследствие наличия большей массы рабочего оборудования гусеничных тракторов общего назначения и увеличенной дистанции перемещения и высоты подъема ковша тракторов-погрузчиков. Это объясняется трудностью создания тракторов тяжелых тяговых классов высокой энергонасыщенности при сохранении показателей надежности, отвечающих современным требованиям. При увеличении массы трактора пропорционально увеличивается тяговое усилие, в то же время радиус ведущего колеса увеличивают пропорционально корню кубичейсому из массы. Вследствие этого крутящий момент на ведущих колесах увеличивается пропорционально массе в степени 4/3. Это значит, что при увеличении массы трактора в 8 раз крутящий момент на колесах возрастает в 16 раз и одновременно увеличивается крутящий момент в трансмиссии. В связи с этим увеличивают передаточное число трансмиссии также в степени 4/3 и соответственно усложняют конечные передачи. С повышением тягового класса трактора увеличивают также пропорционально массе в степени 1/3 линейные размеры всех узлов и деталей (например, рамы, полуоси ведущего колеса, башмака гусеницы), вследствие чего изгибающие моменты элементов увеличиваются пропорционально массе в степени 4/3. Корреляционные зависимости между линейными параметрами и массой практически не изменяются в течение длительного периода, а между параметрами мощности и массой постоянно изменяются (энергонасыщенность тракторов увеличивается на 0,5—1 % в год). Корреляционные зависимости между параметрами тракторов можно использовать в теоретических исследованиях, методиках расчета ит. п., например, в случае, когда необходимо найти для расчетов недостающие исходные данные. Значительный интерес представляют собой корреляционные связи между массой трактора и размерами дорожно-строительного оборудования, в частности, отвала бульдозера. Теоретически на трактор заданной массы можно навесить отвал любого размера, однако имеется несколько практических ограничений по условиям компоновки и обеспечения обзорности. Целесообразно изготовляв отвал как можно уже и как можно выше. Эта тенденция реализуется в так называемом прямом отвале и обусловливает четко выраженные корреляционные зависимости высоты Н отвала и его ширины L от массы: Я = (0,82- 1,18) (41,88 + 0,37 У1пт)У1пт, L = (0,88- 1,12) (132,09 + 0,33 У1ГТ)УИГТ. В некоторых случаях, когда необходимо разрабатывать легкие грунты, при работе бестраншейным способом, планировании и др., указанные размеры и формы отвала уже нецелесообразны и используют отвалы других конструкций и размеров (полусферические, сферические, универсальные и др.). Как уже говорилось, в связи с тем, что тяговое усилие пропорционально массе трактора, а линейные размеры отвала пропорциональны Утт, с увеличением массы трактора удельное усилие копания (на единицу длины кромки отвала) возрастает в степени 2/3, т. е. при прочих равных условиях увеличение массы трактора с 10 до 50 т увеличивает удельное усилие копания примерно в 3 раза. Отсюда, чем выше тяговый класс трактора, тем более плотные грунты он должен разрабатывать. Поэтому тяжелые тракторы целесообразно использовать при рыхлении и разработке тяжелых грунтов (мерзлых, скальных и т. п.). Другим следствием этого является то, что ширина отвала легких-тракторов в большинстве случаев ограничивается возможностью резания грунта, а для тяжелых тракторов, вероятно, что ограничение отсутствует. ГЛАВА 2 ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ УЗЛОВ И АГРЕГАТОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ ТРАКТОРОВ 2.1. МОТОРНО-ТРАНСМИССИОННЫЕ УСТАНОВКИ Источником энергии в промышленных тракторах по-прежнему остается дизель, как правило, водяного охлаждения с рядным расположением цилиндров при мощности до 350 кВт и V-образным — при большей мощности. При мощности до 100 кВт дизель имеет четыре цилиндра, шесть — при мощности 100—350 кВт и более мощные дизели выполняюг с числом цилиндров 8—12. Тенденцией развития двигателей промышленных тракторов является повышение частоты вращения коленчатого вала при номинальной мощности: в настоящее время 88 % моделей двигателей промышленных тракторов имеют частоту вращения более 1900 об/мин. Наблюдается также тенденция к увеличению коэффициента Кя приспосабливаемости двигателя по крутящему моменту, который для современных дизелей равен 1,15—1,3. Двигатели, имеющие Кя > > 1,35, принято называть двигателями постоянной мощности (ДПМ). Указанные двигатели в некоторых случаях очень эффективны, вследствие чего их применение постоянно расширяется. Для двигателей мощностью более 150 кВт широко применяют турбонаддув, а для более мощных моделей — промежуточное охлаждение воздуха. Совершенствование конструкций двигателей направлено на повышение показателей надежности: долговечности, безотказности, снижение трудоемкости технического обслуживания, улучшение ремонтопригодности, а также снижение удельного расхода топлива. С дизелями применяют трансмиссии четырех видов. Из них наиболее распространены механические трансмиссии (МТ) и гидромеханические (ГМТ), значительно реже — гидрообъемные (ГОТ) и электрические (ЭЛ). При мощности тракторов до 60 кВт используют механические трансмиссии; при 60—650 кВт — гидромеханические; до 200 кВт — гидрообъемные; более 650 кВт — электрические. Моторно-трансмиссионные установки промышленных тракторов имеют следующие особенности, которые учитывают при создании компоновочных и кинематических схем: преимущественное использование ГМТ; уменьшенное число передач коробок передач (3—4 для ГМТ и 4—6 для МТ); реализация увеличенного общего передаточного числа; отбор мощности через независимый вал отбора мощности для привода гидравлических насосов управления трактором и рабочим оборудованием; модульность, т. е. исполнение различных узлов в съемных сепаратных блоках для удобства монтажа при ремонте и обслуживании; повышенные статические и динамические цагрузки в силовой цепи; гидрофицированное управление переключением передач, поворотом и тормозами; быстродействующий реверсивный механизм; применение обоих ведущих мостов для колесных тракторов. 2.1.1. КИНЕМАТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ МОТОРНО-ТРАНСМИССИОННЫX УСТАНОВОК На гусеничных промышленных тракторах применяют кинематические схемы моторно-трансмиссионных установок (МТУ) двух типов. По первой традиционной схеме мощность на ведущие колеса трактора разделяют после коробки передач, что предопределяет наличие одной центральной (конической) передачи. По этой схеме МТУ трактора имеет коробку передач, ведущий вал которой соединен с муфтой сцепления, а выходной — с малой конической шестерней, которая передает мощность через центральную передачу заднему мосту, содержащему механизмы поворота и остановочные тормоза. Такая МТУ трактора относительно проста, обладает хорошими компоновочными возможностями, 1а также достаточно высоким КПД механической части и приемлемыми показателями металлоемкости. По кинематической схеме второго типа мощность разделяют до коробки передач или в ней, что предопределяет наличие двух центральных передач. К достоинствам подобной схемы можно отнести возможность использования узлов и деталей, включая кони- Трехступенчатая Рис. 2.1. Структурная схема механических и гидромеханических трансмиссий промышленных тракторов
Потопоточная передача
Гидротрансформатор Муфта сцепления Г/дротрансформатор и муфта сцепления Двухпоточная передача Комбинированная ]_
С неподвижными осями Валов Планетарная Комбинированная С переключением при остановке
Рис. 2.2. Кинематическая схема гидромеханической трансмиссии гусеничного трактора D7G: Т, Н, Р — соответственно турбинное колесо, насосное колесо, реактор; Т^ — Ть — дисковые тормоза ческие шестерни, меньшего размера вследствие меньшей их нагру-женности при разделении мощности по бортам, уменьшение размеров механизмов поворота при расположении их на относительно малонагруженном участке силовой передачи (до центральной передачи), а также возможность обеспечения унификации узлов тракторов различных тяговых классов^!. По кинематической схеме первого типа выполнено подавляющее большинство современных тракторов. Внутри указанного типа возможны разнообразные кинематические схемы коробок передач, механизмов поворота, конечных передач, а также различные их сочетания (рис. 2.1). Традиционные схемы имеют преимущественно трансмиссии гусеничных тракторов общего назначения Т-130, тракторов D5, D6, D7G, а также D65, D85, D155, D355. Например, в кинематическую схему трактора D7 (рис. 2.2) с гидромеханической трансмиссией включены двухпоточная передача с дифференциалом на выходе и суммированием мощности на водиле планетарного ряда, планетарная коробка передач, центральная передача, механизм поворота, состоящий из бортового фрикционного механизма и тррмозов, и двухступенчатая конечная передача с неподвижными осями валов. Коробка передач обеспечивает три передачи переднего (в числителе) и заднего (в знаменателе) ходов при включении дисковых тормозов: Передачи ......................I    II    III Тормоза............ Т-{Гъ Т{Г3!Т о7'з 7jT При использовании механической трансмиссии на указанный трактор вместо блока гидротрансформатора и планетарного редуктора устанавливают муфту сцепления, а вместо планетарной коробки передач (КП) — КП с неподвижными осями валов (рис. 2.3) и переключением передач зубчатыми муфтами при остановке трактора, Рис. 2.3. Кинематическая схема коробки передач с неподвижными осями валов механической трансмиссии трактора D7G: М±—М4 — зубчатые муфты; 1 — 15— зубчатые колеса

1_г
iLj
которая обеспечивает пять передач переднего хода и четыре передачи заднего хода (табл. 2.1). По кинематической схеме первого типа выполнены также трансмиссии тракторов 31 и 41В фирмы «Фиат-Аллис» с двигателем мощностью соответственно 317 и 386 кВт (рис. 2.4). Трансмиссия этих тракторов имеет модулирующую муфту сцепления, установленную между двигателем и гидротрансформатором, КП с неподвижными осями валов, обеспечивающую по три передачи переднего и заднего ходов, и быстродействующий реверсивный механизм (табл. 2.2), бортовой фрикционный механизм и двухступенчатую комбинированную конечную передачу, первая ступень которой имеет валы с неподвижными осями, а вторая — планетарный механизм. Трансмиссии промышленных тракторов могут иметь такие сочетания, как муфта сцепления — КПбез переключения на ходу, гидротрансформатор или блок двухпоточной передачи — КП с пере- 2.1. Характеристика коробки передач с неподвижными осями валов и зубчатыми муфтами Передний ход Задний ход Передача Муфты Зубчатые колеса Муфты Зубчатые колеса 7—1—5—12—11—14 7—1—6—15 8—2—5—12—11—14 8—2—6—15 9—3—5—12—11—14 9—3—6—15 10-4 5 12 11 14 10—4—6—15 Рис. 2.4. Кинематическая схема гидромеханической трансмиссии тракторов 31 ф4_ф6 __ фрикционные механизмы ключением на ходу, а также муфта сцепления — КП с переключением на ходу. В трансмиссиях тракторов 8-С, 10-С, 14-С используют дисковую гидроуправляемую муфту, включаемую автоматически при переключении передач или принудительно по желанию водителя, четырехступенчатую КП с быстродействующим гидроуправляемым реверсивным механизмом. Такая коробка передач обеспечивает два диапазона скоростей Для каждого диапазона скоростей передачи переключаются на ходу, а при переходе с одного диапазона на другой — при остановке с помощью зубчатой муфты. В результате применения муфты сцепления, наряду с индивидуальными фрикционными муфтами в КП, можно при отсутствии 2.2. Характеристика коробки передач с неподвижными осями валов и быстродействующим реверсивным механизмом Передний ход Задний ход Передача Фрикционное устройство Зубчатые колеса 2—3—4— 5^8-9-7 2—3—4—5 8—10—11 1—5—8— 1-5—8— Рис. 2.5. Кинематическая схема одноступенчатого планетарного механизма поворота трактора Т-180 Z£L
г
гидротрансформатора уменьшить потери на буксование индивидуальных фрикционных механизмов, выполнив их более компактными, менее требовательными к охлаждению и смазке. Для трансмиссии всех кинематических схем используют механизм поворота, в который включены бортовые фрикционные механизмы и тормоза. В кинематических схемах первого типа такой механизм поворота широко применяют для тракторов всех классов ввиду его значительной простоты, надежности и достаточной эффективности. В них используют также планетарные механизмы поворота (ПМП) как одноступенчатые, так и двухступенчатые. Одноступенчатый ПМП используют в отечественном тракторе Т-180 (рис. 2.5), а аналогичный по схеме двухступенчатый ПМП — в отечественном дизель-электрическом тракторе ДЭТ-250М (рис. 2.6). \По кинематической схеме второго типа выполняют тракторы легких классов с мощностью двигателя до 100 кВт или тяжелые тракторы с мощностью двигателя свыше 250 кВт. Особенностью схем второго типа является невозможность четкого разграничения коробок передач и механизмов поворота и выполнение одним агрегатом совмещенных функций. Примером кинематической схемы второго типа является отечественный трактор Т-330 (рис. 2.7, табл. 2.3) с мощностью двигателя 250 кВт.
HPj
~1_Г
ш
Рис. 2.6. Кинематическая схема электрической трансмиссии трактора ДЭТ-250М: } 1 — возбудитель тягового электродвигателя; 2 — силовой генератор; 3 — тяговый электродвигатель; 4 — тормоз ПМП; 5 — остановочный тормоз; 6,7 — гидронасосы
уц

1° ГТГП 16 ГТТТ1 77777    77777 I 3>—д)——= 777777 777777    I Рис. 2.7. Кинематическая схема ГМТ трактора Т-330
м Ш.
Схема трактора Т-330 также позволяет при включении любой из трех бортовых передач по бортам осуществлять раздельное реверсирование^    * В тракторе Т-800 с мощностью двигателя 590 кВт использована центральная коробка передач с быстродействующим реверсивным механизмом и двухступенчатые бортовые КП, которые в сочетании с тормозами обеспечивают поворот трактора. На тракторе D455 с мощностью двигателя 440 кВт использована МТУ, состоящая из одного двигателя, двух гидротрансформаторов, двух четырехступенчатых планетарных коробок передач с быстродействующим реверсивным механизмом, с двумя остановочными 2.3. Характеристика гидромеханической трансмиссии трактора Т-330 Передний ход Задний ход Передача Фрикци Зубчатые колеса механизма поворота Фрикци Зубчатые колеса механизма поворота онное устройство левого правого онное устройство левого правого Ф2ФвФ4Ф8 9—2—5— 9—12—15— 14—16—17 ф]фъфАф» Ф1Ф{Г1Т2 8—1—5— 8-U—15— 14—16—17 Ф3Ф7Ф4Ф8 ф3<г,-7'1г2 10—3—5— 10—13—15— 14—16—17 тормозами, двумя коническими передачами и блокировочным устрой* ством между левой и правой большими коническими шестернями. Единственным достоинством этой схемы следует считать почти полную унификацию бортовых трансмиссий с трансмиссией трактора D355 меньшей мощности. Для более мощного трактора (Ne = = 736 кВт) использована кинематическая схема первого типа с одной центральной передачей. На тракторах легких и средних классов применяют МТУ по кинематической схеме второго типа, например, трактора фирмы «Massy Ferguson» («Месси Фергюсон», США). Общим для трансмиссий указанных тракторов являлась возможность раздельного реверсирования левой и правой гусениц и поворота трактора радиусом, равным половине колеи. Передачи при этом переключаются в центральной части коробки передач одновременно для двух гусениц. Для тракторов с мощностью двигателя до 40 кВт фирма «J. I. Case» («Кейс», США) использует иную схему (рис. 2.8, табл. 2.4). В схеме МТУ этих тракторов применен на входе в КП двухступенчатый редуктор, в котором с помощью зубчатой муфты включается прямая и низшая передачи, реверсивный механизм, действующий на оба промежуточных вала КП, и двухступенчатые бортовые КП с переключением передач на ходу трактора. Для тракторов с мощностью двигателя от 50 до 100 кВт применяют трансмиссию, в которой фрикционные механизмы, осуществляющие реверсирование, перенесены на промежуточные валы с соответствующим увеличением общего их количества на два. Такая схема позволяет обеспечить как раздельное реверсирование, так и включение различных передач на каждой гусенице. Для тракторов легких и средних тяговых классов наиболее целесообразны кинематические схемы первого типа, обеспечивающие ■ наименьшую металлоемкость, минимальное число зубчатых колес и элементов управления. Для мощных тракторов при выборе типа схемы следует учитывать возможность их унификации с тракторами более низких тяговых классов. Схемы конечных передач практически полностью зависят от массы трактора. На самых легких тракторах (2—8 т) используют одноступенчатые редукторы. При компоновке тракторов необходимо ось ведущего колеса расположить ниже оси вала большой конической шестерни, редукторы выполнить несоосными с парой шестерен, имеющей неподвижные оси валов. С увеличением массы трактора увеличивается общее передаточное число трансмиссии, которое реализуется в конечной передаче. В связи с этим на тракторах с массой свыше 10 т используют двухступенчатые редукторы, на более легких — с двумя ступенями с неподвижными осями валов, на более тяжелых — первая ступень с неподвижными осями валов и вторая — планетарная. На тракторах, у которых ось качания тележки совпадает с осью ведущих колес, привод последних осуществляется от эпициклической шестерни планетарной передачи (см. рис. 2.7), а на тракторах с разделенными осями или упругой бестележечной подвеской — с водила планетарного ряда, что позволяет обеспечить 2 Гинзбург Ю. В. 33
А <р^ . з- - rv
I yH r2q ji imrttL'fimj 1_Г

:i—[Ши Liffil фг I I % 18 15 1ФГ1 ПФ1 Рис. 2.8. Кинематическая схема ГМТ гусеничного трактора «Кейс» 450
высокую технологичность и долговечность второй ступени (см. рис. 2.4 и 2.6). По мере увеличения массы трактора (свыше 60 т) требуемое передаточное число уже невозможно обеспечить и при комбинированной двухступенчатой конечной передаче. Кроме того, при традиционной компоновке трактора необходимо входной и выходной валы конечной передачи располагать на значительном расстоянии. Так, при традиционной компоновке трактора D550 использована трехступенчатая конечная передача: две ступени — с неподвижными осями валов (первая и вторая) и одна — планетарная (третья). 2.4. Характеристика ГМТ промышленного трактора 450 Передний ход Задний ход Передача Фрикци онное устрой Зубчатые колеса Фрикци онное устрой Зубчатые колеса (1 4) 7 10 к } 6-11-13 <*-« ~ТГ^ТТ~ (17 — 18 — 15 — 16 — 1 4) 7~1° } 6-11 — 13 (17-18-15 — 16- ФхФ*Ф* (1 4) 8~9 ' ' 6-12-14 Ф2Ф*Ф« <-> ^ ФХФАФ% (17 — 18—15 — 16 — 1 4) 8~9 > 6-12-14 (17 — 18—15 — 16 — ) 12 — 14 Примечание. В скобках даны общие участки трансмиссии, в числителе — правый борт, в знаменателе — левый. Рис. 2.9. Кинематическая схема ГМТ гусеничных тракторов D8L, D9L и D10 При применении на тракторах D8L, D9L и D10 ведущих колес малого диаметра, центр вращения которых поднят практически до горизонтальной плоскости валов большой конической шестерни и механизмов поворота, появилась возможность не устанавливать цилиндрическую пару шестерен для увеличения расстояния между входным и выходным валом конечной передачи и уменьшить также передаточное число трансмиссии. В результате такой компоновки была создана кинематическая схема ГМТ с соосной двухступенчатой планетарной конечной передачей, обеспечивающей и да 23, и приводом ведущего колеса с водила планетарного ряда (рис. 2.9). Элементы МТ следует включать в следующем порядке. Передача................ I    II    III Фрикционное устройство и тормоз .... Т2Ф11Т1Ф1 Т^Тц/ТуТ^ ТгТ31\Т.л Примечание. В числителе приведены дацные для переднего, в знаменателе — для заднего ходов. Кинематические схемы трансмиссий гусеничных тракторов-погрузчиков практически не отличаются от схем тракторов общего назначения. На колесных тракторах-погрузчиках и бульдозерах используют те же гидротрансформаторы и коробки передач, и вместо механизмов поворота — центральные передачи, межколесный и меж-осевой дифференциалы и колесные редукторы. На колесных тракторах применяют также комбинированные КП с планетарными элементами и валами, имеющими неподвижные оси. Благодаря использованию ступенчатой коробки передач с неподвижными осями валов, можно обеспечить расстояние между выходным валом и входным без установки дополнительной раздаточной коробки. Примером является КП колесного трактора-погрузчика 580 фирмы «Интернейшнл Харвестер» с двигателем мощностью 895 кВт Рис. 2.10. Кинематическая схема ГМТ колесного трактора-погрузчика (рис. 2.10). Элементы ГМТ трактора-погрузчика 580 включают в следующей последовательности : /т[н\ т 1 2 IF п , I ЦП| -
Передача .... I Фрикционное устройство и тормоз Ф1Т1!ФгТ1 Передача ....    II Фрикционное устройство и тормоз ФгТг!Ф^ Передача ....    III Фрикционное устройство и тормоз    ф1ф3/ф2ф3 Примечание: В числителе данные для переднего, в знаменателе — заднего ходов. 2.1.2. КОНСТРУКЦИЯ УЗЛОВ ^ТРАНСМИССИИ
Трансмиссия промышленного трактора состоит из муфты сцепления или гидротрансформатора, карданных передач и соединительных валов, коробки передач, центральной передачи, механизмов поворота*остановочных тормозов и конечных передач. ЖШ
Муфты сцепления. В современных конструкциях тракторов используют муфты сцепления двух типов: со смазочным материалом и без смазочного материала (сухие). Муфты сцепления можно включать вручную или с помощью сервопривода. Муфты сцепления без сервопривода применяют на легких тракторах с двигателем мощностью до 70 кВт, на более мощных тракторах — с сервомеханизмами различных видов. Например, муфта сцепления без смазочного материала отечественного трактора Т-180 (рис. 2.11) имеет пневматический сервомеханизм. Муфта сцепления со смазочным материалом трактора D7G также имеет сервопривод (рис. 2.12). Ведущие стальные диски 5 приводятся от маховика двигателя. Три ведомых диска 6 из спеченных материалов посажены на шлицы ведомого барабана 7. Через отверстие в барабане подается масло на промывку и охлаждение дисков. В выключенном состоянии находящиеся во фланце 3 пружины 2 отодвигают нажимной диск 4. Во включенном положении усилие от сервопривода передается через муфту 1 и рычаги с роликами 8 на нажимной диск 4, который, преодолевая сопротивление пружин 2, замыкает ведущие и ведомые диски. В некоторых случаях в ГМТ между двигателем и гидротрансформатором устанавливают так называемые модулирующие муфты сце- Рис 2.11. Муфта сцепления трактора Т-180: / — цапфа; 2 — подшипник; 3 — ведомый бврабан; 4 и 5 — ведомый и ведущий диски; 6 — маховик; 7 и 8 — сухарики; Р — опора; 10 — нажимной диск; 11 — фланец: /2 — рычаг; 13 — кольцо; /4 — карданный вал; 15 — пружина
пления, представляющие мно-годисковые фрикционные устройства с дисками, работающими в масле, и которые включают с помощью гидравлического бустера. Муфта рассчитана на неограниченно длительное буксование в режиме, задаваемом водителем. В модулирующей муфте сцепления тракторов 21В, 31 и 41В (рис. 2.13) ведущий фланец 1 соединен с маховиком- дви-. гателя. В ведущем фланце находится бустер 2 с поршнём 3, уплотненным стальными кольцами по внутреннему и внешнему диаметрам. Давление масла через поршень передается на пакет дисков 4. Ведущие диски соединены с корпусом 5, прикрепленным к ведущему фланцу. Ведомые диски находятся на шлицах вала 6, соединенного с насосным колесом гидротрансформатора. Управление муфтой сцепления осуществляется через ножную педаль. Кроме того, оно сблокировано с системой управления коробкой передач таким образом, что при переключении передач и реверсировании муфта сцепления автоматически выключается и включается. Модулирующая муфта сцепления позволяет: применять в конструкции коробки передач более компактные индивидуальные фрикционные устройства, так как основное усилие при трогании с места и переключении приходится на диски муфты; уменьшить динамичность и общую нагруженность узлов трансмиссии и двигателя и тем самым повысить их долговечность; при необходимости уменьшать скорость трактора вплоть до полной остановки (не выключая передачи), не уменьшая частоты вращения коленчатого вала двигателя и, соответственно, подачи гидронасосов; обеспечить пониженные («ползучие») скорости при устойчивой частоте вращения вала двигателя; т Рис. 2.12. Муфта сцепления трактора D7G при необходимости уменьшить мощность, передаваемую через трансмиссию, и одновременно увеличить ее долю, приходящуюся на гидропривод рабочего оборудования. Гидротрансформаторы. В гидродинамических передачах современных промышленных тракторов используют гидротрансформаторы нескольких типов. Наиболее распространен для тракторов общего назначения одноступенчатый комплексный гидротрансформатор с одним или двумя реакторными колесами. Такие гидротрансформаторы составляют основу типоразмерного ряда гидротрансформаторов НАТИ и их используют в конструкции ГМТ тракторов Т-130, Т-330 и других. Они просты по конструкции и обеспечивают требуемые показатели (КПД, прозрачность и др.). Рассмотрим, например, гидротрансформатор трактора D65E (рис. 2.14). Он выполнен отдельным блоком. Корпус 7 присоединен к двигателю, насосное колесо 6 приводится от коленчатого вала 1 двигателя через диск 3, Рис. 2.13. Модулирующее сцепление и гидротрансформатор тракторов моделей 21В, 31 и 41В турбинное колесо 2 установлено на валу 9, который опирается на шариковые подшипники. Два реакторных колеса 4 и 5 установлены на роликовых автологах, внутренняя обойма которых через полый вал 8 замыкается на корпус. От насосного колеса осуществляется привод подпитывающего гидронасоса. В некоторых случаях используют некомплексные гидротрансформаторы. Такие гидротрансформаторы применяют, например, для тракторов D8L, D9L и D10. Тогда их устанавливают в двухпоточной передаче (рис. 2.15). Мощность от двигателя передается на насосное колесо 4 и солнечную шестерню 6 планетарного ряда. С турбинного колеса 3 мощность передается через эпициклическую шестерню 5 и водило 2 планетарного ряда на вал 1. В результате применения двухпоточной передачи возможно увеличить максимальный КПД блока по сравнению с КПД гидротрансформатора (при одновременном некотором сужении диапазона высоких КПД по *гт), а также про- Рис. 2.14. Гидротрансформатор трак* тора D65E зрачность трансмиссии, что позволяет более полно использовать динамические свойства двигателя и дает водителю возможность контролировать работу двигателя на слух.
Важнейшей особенностью МТУ тракторов-погрузчиков является одновременный сопоставимый отбор мощности на движитель машины и на гидропривод рабочего оборудования, что приводит к уменьшению мощности, передаваемой с двигателя на движитель трактора, а также к изменению характеристик двигателя и гидротрансформатора. Для устранения этого недостатка на тракторах-погрузчиках начали применять гидротрансформаторы, обеспечивающие принудительное (по желанию водителя) уменьшение передаваемой на турбинное колесо мощности. Конструктивно Рис. 2.15. Двухпоточная передача (гидротрансформатор и планетарный ряд) тракторов D8L, D9L и D10 Рис. 2.16. Гидротрансформатор мощных колесных тракторов-погрузчиков: / — турбинное колесо; 2 — отключаемое насосное колесо; 3 — неотключаемое насосное колесо; 4 — нажимной диск; 5 — клапан; 6 — реактор
такое решение выполняют не-сколькими способами. Так, на ряде колесных тракторов-погрузчиков фирмы «Катерпиллар» используют гидротрансформатор с двумя насосными колесами, одно из которых приводится непосредственно от коленчатого вала двигателя, а второе — через дисковую муфту сцепления (рис. 2.16). Нажимной диск муфты сцепления является одновременно поршнем гидравлического бустера, и усилие на нем определяется давлением масла в бустере. Благодаря тому, что диски находятся в масляной ванне и имеется возможность их неограниченной пробуксовки, водитель с помощью специальной педали -(изменяя давление в системе) может управлять энергоемкостью гидротрансформатора, т. е. мощностью, передаваемой на колеса трактора, от максимальной до минимальной. Эту же задачу решают, используя одноступенчатый некомплексный гидротрансформатор с регулируемыми лопатками. Лопатками управляют с помощью специальной педали, при нажатии на которую мощность и тяговое усилие трактора снижаются от максимальных значений до нуля. Одновременно систему регулирования лопаток используют для уменьшения нагрузок в трансмиссии и обеспечения плавности трогания при переключении передач и реверсировании. С помощью автоматической системы управления в процессе переключения передач лопатки поворачиваются, снижая энергоемкость гидротрансформатора до нуля, а затем возвращаются в исходное положение для передачи полной мощности. Коробки передач. В современных МТУ используют коробки передач двух видов: планетарную и с неподвижными осями валов. Их выполняют с переключением передач как на ходу, так и при остановке трактора. Планетарные коробки передач используют, как правило, в ГМТ. В .частности, планетарные КП устанавливает на тракторе Т-130, тракторах фирм «Катерпиллар», «Комацу» и др. Планетарная коробка передач трактора D7G (рис. 2.17), выпрл-нена в цилиндрическом корпусе, через который проходит ведущий вал 9, опирающийся на шариковый подшипник со стороны двигателя,, и роликовый — со стороны центральной передачи. В передней части вала на шлицах установлены солнечные шестерни двух планетарных рядов 7 и 8, выполняющих роль реверсивного механизму. Три последующих планетарных ряда, обеспечивающие три передачи, смонтированы на трубчатом валу 1, момент с которого передается to малую шестерню цилиндрического редуктора и оттуда — через 4JL Рис. 2.17. Планетарная КП трактора D7G большую шестерню на центральную передачу. Включение передач и реверсирование осуществляются дисковыми тормозами 10—14 одинакового диаметра, включаемыми с помощью гидравлических бустеров 2—6, поршни которых уплотнены металлическими кольцами. Применение в качестве управляющих элементов дисковых тормозов позволяет избежать вращающихся уплотнений и обеспечить подвод жидкости в бустера через отверстия в корпусе коробки. Такие КП имеют тракторы D3, D4, D5 и D6C. Тракторы D8L, D9L и D10 оборудованы корсбкой передач другой конструкции (рис. 2.18). Крутящий момент с турбинного колеса гидротрансформатора передается на торсионный вал 9, опирающийся на хвостовую часть корпуса КП, через водило планетарного ряда при помощи шарикового подшипника. Солнечные шестерни планетарных рядов реверсивного 1 и прямого хода 2 расположены на валу 9. Два последующих планетарных ряда 4 и 6 обеспечивают три передаточных числа, Переключение передач осуществляется Рис. 2.18. Планетарная КП трактора D9L четырьмя дисковыми тормозами 3, 5, 10, 11 и одним фрикционным устройством 7. Таким образом, в отличие от ранее применяемой схемы, в схему КП введен вращающийся фрикционный элемент, масло к которому подводится через устройство 8. Это позволило сократить количество планетарных рядов до четырех и уменьшить размеры КП. В ГМТ некоторых отечественных и зарубежных тракторов используют КП с неподвижными осями валов и переключением передач на ходу (рис. 2.19). Например, такие КП устанавливают на трактор Т-330, тракторы фирм «Фиат-Аллис», «Месси-Фергюсон—Ганомаг» и другие. Коробка передач имеет зубчатые колеса постоянного зацепления, вращающиеся на подшипниках скольжения и включаемые с помощью сдвоенных и одинарной гидроуправляемых фрикционных муфт. Фрикционные устройства и зубчатые колеса расположены на коротких жестких валах, опирающихся на роликовые подшипники. Масло к вращающимся фрикционным элементам подводится через вращающиеся уплотнения на концах валов в передней стенке КП. Рассмотренная КП имеет сравнительно небольшую длину, значительное число валов и увеличенные ширину' и высоту. Рис. 2.19. Коробка передач тракторов 31 и 41В При использовании комбинированной схемы (рис. 2.20) КП получают значительное уменьшение размеров. В данной конструкции часть КП с неподвижными осями валов представляет собой реверсивный механизм, а планетарная часть — трехступенчатый редуктор. Ведущий 3 и промежуточный 4 валы (очень короткие) опираются на роликовые подшипники. От части КП, обеспечивающей реверсирование, крутящий момент передается на компактный планетарный блок. Три значения передаточных чисел обеспечиваются! двумя дисковыми тормозами 1 и 2 и одним фрикционным устройством 6. Подвод масла к бустерам тормозов осуществляется через, отверстия в корпусе, а к фрикционному устройству — через вращающиеся уплотнения на свободном от зубчатого колеса конце выходного вала 5. Механизмы поворота и тормоза. Конструкция бортовых фрикционных механизмов поворота базируется на вращающихся фрикционных устройствах и остановочных тормозах. Бортовое фрикционное устройство представляет собой многодисковую фрикционную* муфту с дисками из спеченных материалов, работающими в масляной ванне (рис. 2.21). Во включенном положении диски 1 замкнуты через нажимной диск 2 с помощью цилиндрических спиральных Рис. 2.20. Комбинированная КП колесного трактора-погрузчика Рис 2.21. Бортовое фрикционное уст ройство трактора D7G Рис. 2.22. Механизм поворота трактора D9L пружин 3, расположенных на пальцах нажимного диска. При выключении фрикционного устройства масло подается в полость бустера 5 и кольцевой поршень 4, преодолевая сопротивление пружин, отводит нажимной диск 2 и освобождает ведущие и ведомые диски. Как правило, используют ленточные тормоза, работающие в масле и управляемые с помощью гидроусилителя. На более тяжелых тракторах широко применяют дисковые тормоза (рис. 2.22). Дисковый тормоз в данной конструкции унифицирован по дискам, поршням гидравлических бустеров и нажимным пруЖинам с бортовым фрикционом. Тормоз постоянно замкнут с помощью набора тарельчатых пружин 1, воздействующих через нажимной диск-поршень 4 на пакет Рис. 2.23. Дисковый тормоз колесного трактора-погрузчика 980 дисков из спеченных материалов. При этом диски с внутренними зубьями установлены на шлицах ведущего барабана бортового фрикционного устройства. Подвод масла к бустеру тормоза осу-, ществляется через каналы в корпусе, а к бустеру фрикционного устройства — через вращающиеся уплотнения 2, 10 и каналы в барабанах 3. При этом внутренний элемент бустера фрикциона 9 вращается на роликовых подшипниках вместе с ведомым барабаном 6, болтами 7 и поршнем 8. При движении или стоянке трактора с выключенными тормозами масло подается в бустер тормоза 5 и отжимает диск 4. При уменьшении давления в магистрали как управляемом, так и случайном (неисправность системы управления), пружины 1 замыкают диски и блокируют ведущий барабан фрикциона и далее — ведущие колеса. Дисковые тормоза широко используют в колесных тракторах-погрузчиках (рис. 2.23). В рассматриваемой конструкции барабан 4 соединен с корпусом моста трактора. В барабане установлен кольцевой поршень 2 масляного бустера, масло к которому подводится через штуцер 3. Кольцевой поршень 2 является одновременно нажимным диском, который при выключенном тормозе отводится от Дисков с помощью пружин 1. Ведомые диски 5 с внутренними шлицами надеты на вращающуюся ступицу колеса. При подаче масла в бустер диски замыкаются и происходит торможение. Диски тормоза смазываются и охлаждаются маслом. 1 2 3 4 Рис. 2.24. Планетарный механизм поворота трактора ДЭТ-250М: 1,2 — барабан; 3 — сателлиты; 4,5 — муфты; 6 — фланец; 7 — солнечная шестерня; 8 — водило; 9 — эпициклическое зубчатое колесо; 10 — фрикционное устройство; И — фланец; 12 — отверстие для подвода масла; 13 — прокладка; 14 — кольцо; 15 — вал; 16 — штуцер; 17 — манжеты; 18 — нажимной диск Примером двухступенчатого планетарного механизма поворота является ПМП трактора ДЭТ-250М (рис. 2.24). Мощность от главной передачи передается на эпициклическое зубчатое колесо планетарного ряда и с водила — на вал 15 бортового редуктора. Солнечная шестерня 7 соединена с барабаном ленточного тормоза ПМП и ведущим барабаном фрикционного устройства. Диски поджимают с помощью гидравлического бустера через нажимной диск 18. Конечные передачи. Конструкция комбинированной конечной передачи традиционного типа (рис. 2.25) включает в себя первую ступень с неподвижными осями валов и зубчатыми колесами 2 и 14, при этом ведомое колесо насажено на вал 15 с нарезанными зубьями, являющийся солнечной шестерней планетарного ряда, эпицикли- Рис. 2.25. Конечная передача трактора ДЭТ-250М: 1 — крышка; 2, 14 — зубчатые колеса; 3 — картер; 4 — сателлит; 5 — эпицикл; 6 — кронштейн; 7 — венец; 8 — пробка; 9, 10 — муфта; 11 — водило; 12 — барабан; 13 — ось сателлита; 1,5 — солнечная шестерня ческое зубчатое колесо которого крепят к корпусу конечной передачи. Привод ведущего колеса осуществляется с водила планетарного ряда. На тракторах D8L, D9L и D10 используют соосную двухступенчатую планетарную конечную передачу (рис. 2.26). Крутящий момент с полуоси 6 передается на солнечную шестерню первого планетарного ряда, затем через водило 1 первого планетарного ряда — на солнечную шестерню второго планетарного ряда, с водила 3 которого осуществляется привод барабана 5, связанного с ведущим колесом трактора. Эпициклическое колесо 2 является общим для двух планетарных рядов и через диск 4 связано с корпусом редуктора.    '    '    '    ' Рис. 2.26. Конечная передача трактора D9L 2.2. ХОДОВЫЕ СИСТЕМЫ ч
Подвески. Ходовые системы гусеничных промышленных тракторов можно с определенной степенью условности разделить на четыре группы: ходовые системы с жесткой подвеской, с полужесткой подвеской, с упругой подвеской (балансирной и индивидуальной) и смешанной подвеской. Традиционной схемой, получившей на промышленных тракторах (Т-4АП2, Т-130, D3, D4, D5, D6C, D7G и др.) наибольшее распространение, является полужесткая трехточечная подвеска, в которой левая и правая рамы гусеничных тележек качаются вокруг оси ведущих колес или специальной оси, закрепленной на раме трактора. В передней части рамы шарнирно закреплена многолистовая рессора для тракторов (Т-4АП2, Т-130М) или попереч- Рис. 2.27. Конструктивная схема ходовой части трактора D9G ная качающаяся балансирная балка, которая опирается на гусеничные тележки. Например, в подвеске трактора D9G балансирная балка при качании упирается в резиновые амортизаторы /, закрепленные на раме трактора, и резиновые подушки 2, установленные на гусеничных тележках (рис. 2.27). При наезде одной гусеницы на препятствие сжимается соответствующий амортизатор 1 и работают резиновые подушки 2 на рамах гусеничных тележек. При переезде через препятствие двумя гусеницами одновременно работают резиновые упоры на гусеничных тележках, а усилие с балансирной балки передается через ось качания непосредственно на раму. При иолужесткой подвеске трактора (рис. 2.28), при качании рамы гусеничной тележки вокруг оси, закрепленной в раме трактора, при наезде одной гусеницы на препятствие усилие передается на кривошип, связанный с соответствующим продольным торсионом круглого сечения, который в свою очередь передает это усилие через рычажную систему на торсион противоположного борта. Таким * образом, в работе постоянно участвуют два продольных торсиона, Рис. 2.28. Конструктивная схема подвески гусеничных тракторов фирмы «Кейс»: 1 — гусеничные тележки; 2 — торсионы; 3 — балансирная штанга Рис. 2.29. Ходовая система трактора Т-180: 1 — рычажная система; 2 — двухплечий балансир; 3 — ось каретки; 4 — опорный каток; 5 — балансир; 6,8,9 — торсионы; 7 — резиновое кольцо; 10 — лонжероны рамы что дает возможность обеспечить достаточно низкий коэффициент жесткости в малых размерах. В ходовых системах с полужесткой подвеской направляющие и ведущие колеса незначительно приподняты над грунтом и при работе практически являются опорными. Упругие подвески с балансирным элементом широко известны (тракторы ДТ-75, Т-180). Например, подвеска трактора Т-180 (рис. 2.29) состоит из шести катков, объединенных в три каретки. Оси 3 качания кареток прикреплены к балансирам 5, которые соединены с пластинчатыми пучковыми торсионами 6, 8, 9. Основной ее особенностью является то, что для сохранения трехточечной схемы опоры трактора на грунт торсионы первых кареток через систему рычагов связаны между собой, что обеспечивает взаимную связь левой и правой кареток. Примером индивидуальной упругой подвески служит подвеска трактора ДЭТ-250М, которая имеет индивидуальные опорные катки с торсионным упругим элементом (рис. 2.30). Ведущие и направляющие колеса трактора приподняты над грунтом. В последние годы на промышленных тракторах начали применять смешанные подвески, которые удачно сочетают преимущества трехточечной схемы опоры трактора на грунт с индивидуальным под-рессориванием опорных катков. Первой конструкцией такого типа ‘ явилась ходовая система отечественного трактора Т-330 (рис. 2.31). Указанная ходовая система включает гусеничные тележки, качающиеся вокруг оси ведущих колес, балансирную балку без амортизаторов и опорные катки, закрепленные на коротких торсионах. По другой конструктивной схеме смешанной подвески трактора (рис. 2.32) гусеничные тележки качаются вокруг специальной оси, а. Т. 0200 01162,8 Рис. 2.32. Конструктивная схема ходовой системы тракторов D8L, D9L и D10: 1 — направляющее колесо; 2 — гидравлический механизм натяжения гусеницы; 3 — резиновые амортизаторы; 4 — ведущее колесо; 5 — поперечная балка; 6 — сферический подшипник заделанной в раму трактора, и опираются на поперечную балансир-ную балку, закрепленную на пальце в раме трактора и на сферических подшипниках в рамах гусеничных тележек. Восемь опорных катков объединены попарно в четыре каретки, балансиры которых опираются на резиновые амортизаторы. Первая и четвертая каретки объединены t передним и задним направляющими колесами. Объединенные каретки качаются вокруг осей в раме трактора. Подвеска трактора D555 фирмы «Комацу» включает гусеничные тележки, качающиеся вокруг оси, расположенной впереди ведущих колес, балансирную балку с резиновыми амортизаторами и опорные катки, объединенные в четыре каретки попарно. Особенностью указанной подвески является то, что направляющие и ведущие колеса снабжены вмонтированными резиновыми бандажами, обеспечивающими их микроподрессоривание, а катки в каретках качаются на отдельных балансирах (по Х-образной схеме), каждый из которых опирается на резиновый амортизатор. У колесного трактора (как правило, трактора-погрузчика или бульдозера) передние мосты крепят к передней полураме трактора жестко, а к задней — балансирно, без упругих элементов. Такая конструкция подвески обеспечивает контакт всех колес с грунтом при езде по неровностям и исключает раскачку передней части трактора при движении с грузом в ковше. Механизмы натяжения. При конструировании механизмов натяжения и сдавания в основном применяют гидравлические натяжители с пружинным сдающим звеном. Однако в последнее время начали использовать пневмогидравлические механизмы натяжения и сдавания. Такой механизм, применяемый на тракторах фирмы «Терекс» (США), представляет собой цилиндр, корпус которого закреплен на раме гусеничной тележки. В цилиндр входит поршень, шток которого служит вилкой оси направляющего колеса. Под поршнем находится азот под давлением 9 МПа, штоковая полость заполняется специальным полужидким смазывающим материалом. Натяжение гусениц поддерживается давлением азота и регулируется количеством смазочного материала в штоковой полости. Для ослабления натяжения гусениц необходимо добавить смазочный материал рис. 2.33. Смазываемый шарнир гусеницы трактора фирмы «Катерпиллар»: / — полость, заполненная маслом; 2 — втулка;
3 — резиновое уплотнение с разжимным кольцом; 4 — звено; 5 — палец; 6 — резиновая заглушка с пластиковой пробкой; 7 — упорное кольцо; 8 — канал маслоподводящий в штоковую полость, а для усиления натяжения гусениц — выпустить некоторую его часть. В ходовых системах промышленных тракторов широко используют торцовые уплотнения опорных и поддерживающих катков, а также направляющих колес, обеспечивающие несменяемость смазочного материала в течение всего срока службы узла. На промышленных тракторах также применяют уплотненные смазываемые шарниры (рис. 2.33) гусениц и замыкающие звенья гусеничной цепи вместо замыкающего пальца. Применение указанных конструкций позволяет улучшить показатели надежности гусеницы. 2.3. СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ РАБОЧИМ ОБОРУДОВАНИЕМ ДЛЯ ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНЫХ РАБОТ В системах управления рабочим оборудованием, устанавливаемых на промышленный трактор, широко используют гидропривод. Наиболее важными общими тенденциями развития систем управления являются повышение рабочего давления, приводящее к снижению металлоемкости, повышение надежности гидросистем в результате применения автоматического выключения гидропривода по завершению определенной операции, разнообразных устройств (клапанов), разгружающих и предохраняющих систему как от перегрузок по давлению, так и от образования вакуума (разрыва потока), а также улучшение качества очистки рабочей жидкости. Для гусеничного трактора общего назначения необходимо обеспечить управление цилиндрами, как минимум, трех групп: подъема и опускания отвала бульдозера, перекоса отвала, подъема и опускания рыхлителя. При некоторых конструкциях дополнительно устанавливают цилиндры поворота стоек рыхлителя. Например: в системе управления рабочим оборудованием трактора D-65E фирмы «Комацу» с Ne т= 114 кВт (рис. 2.34) имеется два трехпозиционных распределителя 4 управления перекосом отвала и подъема — опускания рыхлителя 6 (нейтральное, подъем, опускание) и четырехпозиционный распределитель 5 управления бульдозером (подъем, опускание, нейтральное и плавающее положения). Система содержит предохранительный клапан 2, который соединяет нагнетающую магистраль насоса 1 со сливной при давлении 14,0 МПа. В запертых полостях Цилиндра 10 рыхлителя могут быть значительные колебания давле- fl
ТТ

i
10
м&
ф=®
/тт
л/
й
НЕ
Х>
1
3>
и
L,

М
Рис. 2.34. Система управления навесным рабочим оборудованием трактора D-65E ния, поэтому в каждой полости установлен предохранительный клапан 8 или 9, при срабатывании которого в противоположную полость поступает масло из сливной полости через обратный клапан 7. Для управления перекосом отвала требуется значительно меньшая подача насоса, чем для управления остальными операциями. Поэтому делитель 3 потока с дроссельной заслонкой при включении Рис. 2.35. Система управления навесным рабочим оборудованием трактор а-погрузни ка 980С золотника управления перекосом перепускает на слив около 80 % потока масла. На тракторах-погрузчиках используют схему (рис. 2.35), в которой имеется сервомеханизм управления исполнительными золотниками. Водитель воздействует на золотники 1 и 2 управляющего клапана. Золотник 1 имеет три положения, соответствующие нейтрали, повороту ковша по часовой стрелке и против часовой стрелки, а золотник 2 имеет четыре положения, соответствующие, нейтрали, подъему и опусканию стрелы и плавающему положению. При перемещении вправо или влево золотника 1 подается управляющий поток в золотник 4 исполнительного клапана, клапан перемещается и соединяет с линиями нагнетания и слива полости цилиндра 6 поворота ковша. Аналогично с помощью золотника 2 и золотника 3 исполнительного клапана осуществляется подъем и опускание стрелы (цилиндр 5). Золотники (/ и 2) управляющего клапана и (3 и 4) исполнительных клапанов удерживаются в нейтральном положении с помощью пружин. Плавающее положение, необходимое при разработке трактором-погрузчиком карьера (бульдозерная работа), достигается соединением одновременно с линиями нагнетания и слива обоих полостей цилиндров подъема стрелы с помощью клапана 7. В гидросистеме трактора-погрузчика 980С имеются два насоса: односекционный 8 и двухсекционный 9. Одна из секций насоса 9 соединена с системой 10 управления поворотом, а другая — с контуром управления работой оборудования. В обоих контурах (управления и исполнительном) имеются предохранительные клапаны Иногда в гидросистемах управления трактором-погрузчиком устанавливают автоматические устройства для ограничения высоты подъ--ема ковша, угла поворота ковша при разгрузке, а также для установки стрелы и ковша в исходное положение для набора. В результате применения таких автоматических устройств улучшается режим работы гидросистемы и облегчается управление трактором-погруз-чиком. ГЛАВА 3 ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ТРАКТОРОВ 3.1. КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТРАКТОРОВ КАК БАЗЫ ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН В книге не используют экономические оценки, так как рассматривают только технические аспекты эффективности тракторов и оптимизации их параметров. Обобщенными техническими критериями оценки эффективности трактора, как базы дорожно-строительного агрегата, являются производительность агрегата и расход топлива на единицу этой производительности. Указанная производительность будет зависеть не только от параметров трактора, но и от типа агрегата и эксплуатационных условий. Игнорирование типа агрегата и эксплуатационных условий может привести к серьезной ошибке в оценке базового трактора и нерациональному выбору его основных показателей. Например, увеличение тягового усилия трактора общего назначения, агрегати-рованного с бульдозером, может быть эффективно, если на трактор дополнительно навесить рыхлитель, увеличивающий сцепной вес трактора, и вредно, если трактор агрегатировать с прицепным скрепером, уменьшающим его сцепной вес. При агрегатировании с одним и тем же оборудованием увеличение тягового усилия будет целесообразным для плотного грунта, обусловливающего увеличение сцепных свойств трактора, а нецелесообразным при работе на легком грунте. Различают несколько видов производительности трактора. Для экономических оценок определяют эксплуатационную производительность, т. е. производительность за год или за срок службы трактора. Она может быть определена как объем грунта, разработанного агрегатом за срок службы или за год, или как произведение производительности за малую единицу времени, например 1 ч, на фонд рабочего времени за срок службы или за год. При этом фонд рабочего времени обусловливается факторами, не имеющими прямого отношения к тягово-скоростной характеристике трактора, а именно, показателями надежности, организационными, климатическими и другими. Вследствие этого при оценке тягово-скоростных показателей производительность трактора можно рассматривать за малую единицу времени без учета простоев. Такая производительность называется технической и, как правило, ее определяют как объем разработанного и перемещенного грунта за час работы [14]. Техническая производительность трактора в агрегате с дорожностроительными машинами для заданных условий и типа агрегатирования П = Kbwr/Tiv    (3.1) где Кь — коэффициент размерности; Wr — объем грунта, перемещаемый агрегатом за цикл; Тц — время цикла. Техническая производительность является функцией как конструкции и параметров рабочего оборудования, так и показателей базового трактора. Объем грунтовой призмы, например бульдозерного агрегата, является комплексной функцией параметров отвала (размеров, угла резания, геометрии и других), характеристик грунта (коэффициентов и зависимостей), дистанции набора призмы и усилия копания. Из указанных аргументов лишь усилие копания, пропорциональное тяговому усилию на крюке трактора, является составляющей тяговой характеристики, а остальные показатели характеризуют рабочее оборудование, технологию и грунт. Время цикла в равной степени зависит от скорости рабочего и холостого ходов, являющихся функциональными показателями характеристики трактора, и дистанции Sp разработки и перемещения грунта, отражающей эксплуатационные условия. В то же время желательным было бы наличие критерия, пре-валирующе оценивающего базовый трактор с точки зрения его роли в композиции факторов, определяющих производительность агрегата. Для сельскохозяйственного трактора таким критерием служит мощность на крюке, или тяговый КПД [20, 29]. Оценка трактора по мощности на крюке является в достаточной степени правомочной, если трактор используют как базу для агрегатов, рабочий цикл которых практически состоит из одного рабочего хода, а доля холостых пробегов пренебрежимо мала. Эффективность же агрегата при цикличном характере работы не является прямо пропорциональной мощности на крюке в рабочем элементе цикла, так как сомножители, определяющие NKp, т. е. Ркр и vp, не равнозначны. Отсюда энергетический критерий оценки промышленного трактора может быть определен, исходя из выражения полезной работы, совершенной трактором с оборудованием в единицу времени, с учетом составляющих рабочего цикла дорожно-строительного агрегата. Полезная работа трактора в единицу времени Л = Аф0рт.    (3.2) Коэффициент использования времени т = 7УГЦ,    (3.3) где    время соответственно рабочего хода и цикла. Конкретный вид выражения для определения энергетического критерия оценки эффективности будет зависеть от типа агрегата. Также от типа агрегата зависит целесообразность использования одного из двух указанных критериев эффективности (технической производительности или полезной работы в единицу времени). Рассмотрим сначала работу трактора общего назначения в агрегате с бульдозером (и рыхлителем при цикличной технологии). При этом время цикла Гц - Грх + Тхх + Тост = Sp/yp + Sxx/Vxx ~Ь Тост»    (3-4) гДе Трх» Т'ост — продолжительность соответственно рабочего хода, холостого хода и остановок; Sp, Sxx — дистанции рабочего и холостого ходов; ухх — скорости рабочего и холостого ходов. Подставив выражение (3.4) в формулу (3.3) и выполнив преобразования, получим 1 + (1Д>ХХ + Т’ост/Зр) ур Подставив выражение (3.5) в уравнение (3.2) и выразив произведение РКр^р через AfKp, получим формулу полезной работы за единицу времени цикла: А =- .-"кр    .    (3.6) 1 I / 1 I 1 ост \ Из формулы (3.6) следует, что работа за единицу времени цикла зависит не только от мощности на крюке, но и от рабочей скорости, т. е. от соотношения между скоростью и тяговым усилием при равной мощности на крюке, а также от составляющих, определяющих холостой элемент цикла, —скорости холостого хода и, времени остановок. Величину А будем называть энергетическим потенциалом производительности (ЭПП) при постоянном тяговом усилии. По физической сущности ЭПП представляет собой энергию, передаваемую трактором на рабочее оборудование в процессе рабочего элемента цикла (элемента, при котором выполняется полезная работа) и приходящуюся на единицу времени полного технологического цикла (сумма времени рабочего и холостого элементов цикла) при работе с данным оборудованием. Таким образом, энергетический потенциал производительности трактора будет иметь размерность Н м/с [см. формулу (3.6)], т. е. размерность мощности (ватт или киловатт). Соотношение ЭПП и NKn рассмотрим на примере трактора с двигателем мощностью 58,8 кВт, являющегося базой для агрегата массой 10 т. Тяговая характеристика этого трактора приведена на рис. 3.1. Из рис. 3.1 видно, что функции А (Ркр) и NKV (Ркр) имеют максимум при различных значениях Ркр. При этом абсолютный максимум функции А (Ркр) примерно на 30 % меньше максимума А^кр (РКр)- Следовательно, NKp не может быть объективным критерием оценки тягового усилия и скорости для промышленного трактора. Физическую сущность рассмотренного явления можно сформулировать следующим образом. Работа при повышенном тяговом усилии и пониженной скорости (см. рис. 3.1, зона Ркр = 70^-90 кН) более выгодна, несмотря на некоторое уменьшение NKр, чем работа при Лф = 504-70 кН, так как при этом сокращается число циклов 60 Рис. 3.1. Тяговая характеристи- N ,А ка трактора с двигателем мощ- Kta’ ностыо 58,8 кВт (6 — коэффициент буксования) в единицу времени работы, а следовательно, и число 20 холостых ходов, что снижает долю непроизводи- 10 тельно затрачиваемого времени.    о 20
Из этого следует, что для промышленного трактора общего назначения при заданной мощности двигателя тяговое усилие должно быть как можно больше, а рабочая скорость — как можно меньше. Однако увеличение тягового усилия для агрегата такой массы ограничено буксованием трактора, вследствие чего существуют оптимальные тяговые усилия, в данном случае оптимальные Рщ> = 70-^90 кН [6, 23]. Сравнивая формулы (3.6) и (3.1), можно увидеть, что они отражают структуру цикла агрегата при неэквивалентном влиянии на эффективность силового и скоростного факторов тяговой характеристики. Из числа основных различий этих формул можно выделить два. Первое различие состоит в том, что цикловая работа в единицу времени, как любая мощность, есть произведение тягового усилия на скорость, а скорость — частное от деления дистанции разработки грунта на время рабочего хода. В то же время выражение технической производительности [см. формулу (3.1)] содержит дистанцию разработки грунта как компонент, изменяющий время цикла. Отсюда, . если по формуле (3.6) изменение Sp лишь в малой степени корректирует ЭПП, то техническая производительность по формуле (3.1) изменяется прямо пропорционально Sp, т. е. с увеличением дистанции перемещения грунта в два раза техническая производительность агрегата уменьшается также почти в два раза, в то время как энергетический потенциал производительности практически от этого не изменяется. Вторым различием является то, что характеристики грунта по-разному влияют на оба рассматриваемых критерия. Так, с увеличением плотности и трудности разработки грунта техническая производительность вследствие уменьшения объема призмы и увеличения времени цикла будет монотонно уменьшаться, в то время как тяговое усилие будет повышаться до определенного предела и вызывать соответствующее увеличение ЭПП. Поэтому критерий ЭПП для трактора общего назначения предпочтительнее. Он исключает несоответствие между энергоотдачей трактора, с одной стороны, и объемом грунта, разработанного агрегатом, и дистанцией его перемещения, с другой стороны. Существенным является и тот факт, что для такого агрегата, как рыхлитель, объем призмы, как таковой, не определяется и достаточно точный расчет технической производительности просто невозможен. Следовательно, если принять за критерий техническую производительность, то будет отсутствовать единая критериальная основа для оптимизации показателей трактора общего назначения как базы дорожно-строительных машин. При определенных рабочем оборудовании трактора, грунтовых и технологических условиях техническая производительность эквивалентна ЭПП и может быть использована как частный критерий оценки эффективности трактора при расчетах и экспериментальных исследованиях. Очевидно, что детерминированное уравнение (3.6) и зависимость А (Ркр), рассчитанная на его основе (см. рис. 3.1), имеют смысл при условии обеспечения постоянного тягового усилия в процессе выполнения рабочего элемента цикла. Это возможно только при наличии идеального автоматического управления оборудованием, обеспечивающим такое условие. Таким образом, выражение (3.6) целесообразно использовать при решении узкого круга задач, например, при выборе и обосновании номинального тягового усилия трактора. Практически при работе промышленного трактора общего назначения тяговое усилие в процессе рабочего элемента цикла изменяется в широких пределах. Поэтому любой энергетический критерий оценки производительности трактора должен опираться на факт непрерывного изменения тягового усилия трактора с той или иной частотой и амплитудой, т. е. на случайную функцию тягового усилия на крюке или ведущих колесах Ркр (t) или Рк (t). Вследствие этого мощность на крюке А'кр, являющаяся функцией тягового усилия на крюке Ркр, будет изменяться в определенных пределах и в формулу (3.6) должна входить в виде математического ожидания NKp, так же как и скорость vp рабочего хода. Применительно к фиксированным параметрам функции Ркр (t) указанную величину назовем частным энергетическим потенциалом производительности (ЧЭПП) и обозначим Р. Рассмотрим тяговое усилие как семейство случайных величин, зависящих от параметра t, и интерпретируем этот параметр как время. В соответствии с принятым в теории случайных процессов определением возможна классификация изменения тягового усилия как случайного процесса, когда параметр i имеет произвольное множество Т, т. е. Ркр (^), t £ Т, и как случайной величины Ркр при фиксированном значении t £ Т, распределенной по какому-либо закону / (Ркр)- Начнем с более простого варианта, если Ркр является случайной величиной, то частный энергетический потенциал производительности j -VКр (Ркр) / (^кр) dPкр
1 + (1/Ухх + Тост/^р) | Ур (РКр) f (Ркр) dPxp
где j* NKp (PKp) / (Ркр) ^Ркр — математическое ожидание мощности на крюке;
J ^р (Ркр) / (Ркр) dPKp — математическое ожидание рабочей скорости, о
Выполнив необходимые преобразования, получим, что удельный частный потенциал производительности
J ^кр. уд (Фкр) / (фкр) ^фкр
Л д = Р/Оа =
1 + (1/^хх + ТОСТ/^р) | Vp (фкр) / (Фкр) ^Фкр
Если представить Ркр случайным процессом, то Руд будет зависеть уже не только от параметров закона / (фкр), но и от частотной характеристики процесса. Это влияние может быть обнаружено при рассмотрении процесса взаимодействия трактора как многомассовой динамической системы с входным воздействием сркр (t). Математическое описание процессов работы трактора в этом случае сведется к системе дифференциальных уравнений с соответствующими функциональными зависимостями, описывающими тяговую характеристику трактора. Тогда
л7    f Фкр (0 ^р [фкр (01
кр» уд ~ J    7^    аг
(3-7).
бр= f Isd^sM-dt о    рх С учетом зависимостей (3.7) удельный частный ЭПП Г Фкр (0 vp [фкр (01 ^ J    Т п уд    т 1 + 0 Мех + T’oct/Sp) J gp [(^р {t)Ldt о    р Параметры закона / (фкр) и реализации ф„р (t) не являются постоянными для всех видов эксплуатационных условий и, следовательно, РУд для одного и того же трактора будет изменяться в определенных пределах, обусловленных пределами изменения указанных параметров. Первым параметром, оказывающим наиболее существенное влияние, являются сцепные свойства агрегата на заданном грунте, зависящие от трех показателей: характеристики грунта, конструкции движителя и сцепного веса агрегата. Рис. 3.2. Зависимость тяговой характеристики, распределения вероятностей / (Ркр) и Р (ЧЭПП) от Ркр. шах трактора при его работе: на легком грунте и при агрегатировании со скрепером — штриховые кривые; на типичном грунте (наиболее распространенном) и при агрегатировании с бульдозером — сплошные линии; на плотном грунте и при агрегатировании с бульдозером и рыхлителем — штрихпунктирные линии Обобщающим показателем характеристики грунта и конструкции движителя является фкшах (£>д, #с) — максимальный коэффициент сцепления по касательному тяговому усилию (здесь £>д — обобщающая характеристика конструкции движителя; Нс — обобщающая характеристика грунта). При заданной конструкции движителя фктах будет зависеть только от характеристик грунта, т. е. фктах (Яс), и в этом случае фктах выступает эквивалентом грунтовых условий. При известном значении фКШах максимальное касательное тяговое усилие будет зависеть от сцепного веса. Изложенное подтверждается рис. 3.2. Из рис. 3.2 видно, что тяговые характеристики, законы нагружения и вид случайного процесса, а следовательно, и ЧЭПП являются функциями Ркр. шах- Для трактора при заданном виде агрегатирования, т. е. постоянного сцепного веса, указанные параметры зависят от фкр. шах- Вторым параметром эксплуатационных условий является дистанция Sp разработки грунта. Работа трактора в тех или иных грунтовых условиях носит случайный характер, поэтому значение фктах. как результат расчета функции со случайным аргументом, будет случайной величиной, распределяемой по закону F (фКШах)- Дистанция разработки грунта также может быть рассмотрена как случайная величина, распределяемая по закону F (5Р). Энергетический потенциал производительности, рассчитанный с учетом распределения вероятностей F (фктах) и F (Sp), называется полным энергетическим потенциалом производительности (ПЭПП), обозначим его Р, а отношение PIGa — PJK. Тогда ^кшах в *^р. в Р уд С^уд» Фкшах» *Sp)— j | Руд^Р (Фкшах) ^(5р)^фКтаХ^5р, ^ктахн 5р.н где фк max н> Фк max в нижнии и верхняя пределы Фктах» *^р. н> *^р. в— дистанции разработки грунта, соответственно нижний и верхний пределы. Используя аналогичный методологический подход, рассмотрим ЭПП промышленного трактора в агрегате со скрепером: Ас — NK р# Рхт. Математическое ожидание мощности на крюке, включая мощности при наборе грунта в ковш и транспортировании груженого скрепера, N кр. рх = (^кр. Н + AV тг) ^ (^кр. нГн Л^нр. хг Т тг)/(Тн Ттг) = — кр. н (^н/^н) “Ь ЛГир. ТГ (^тгМгг)]/(^н/^н ^тг/^тг)» где SH, STr — дистанции набора и транспортирования груженого скрепера; Л/Кр. н, NKp. тг — мощность на крюке соответственно при наборе и транспортировании груженого скрепера; vH, vTr — скорость груженого скрепера соответственно при наборе и транспортировании; THi Ттг — время набора и транспортирования груженого скрепера. Коэффициент использования времени т = Трх/Тц — (^н + ТтГ)/(Ти + Ттг -)- Гхх + Трс -f- Тост) = 1 + (Тн + Ттг)/(XXX “Ь Трс "Ь Тост) * где Трс — время разгрузки скрепера. Обозначив 7*ц == Sh/v#, ^тг ==: *^тг/^тг» Трс :=: ^рс^рс» получим 1 “f* (^н/^н ”Ь ^тг/Утг)/(*5хх/ухх ~Ь *5рс/урс “Ь Тост) Приняв 1/(5хх/^хх + Spc/Ppc + Тост) = Рс получим л __ N кр. н^н/^н + ^кр. тг^тг/^тг Г 1 С    *5н/^Н 4“ 5тг/^тг L 1 + рс (^н/ун + 5тр/^тг) J
Переходя к удельному частному ЭПП, примем случайные функции фкр. н (t) и фкр, тг (t) и соответствующие им законы распределения коэффициента сцепления по тяговому усилию на крюке при наборе грунта / (фкр. н) и при транспортировании груженого скрепера /(фкр.тг)- Тогда удельный частный ЭПП можно выразить через коэффициенты /„, /тг> 1н. Р __ /н ~Ь /тг Г 1__I_ ^н/1н "Ь 5тг/|тг L 1 "Ь Рс (^н/^н 4~ •Srr/iir) - 3 Гинзбург Ю. В.    65 Если рассматривать фкр как случайную величину, то коэффициенты выразятся следующим образом: оо оо оо оо Если рассматривать сркр как случайную функцию, то будем иметь о о Разнообразные технологические условия работы скреперов могут быть выражены законом распределения вероятностей F (фКшах) и законом распределения вероятностей дистанции F (STr) транспортирования груженого скрепера. Дистанция набора грунта (для прицепных скреперов рассматривается без элеваторной загрузки) меняется в малых пределах и может быть принята постоянной. В этом случае удельный ПЭПП ^ктах в 5тг. в где Sxr. н, 5ХГ. в — нижний и верхний пределы Srr.

^ктахн 5тг. н
Трактор общего назначения агрегатируют с тремя основными видами оборудования и поэтому его параметры должны быть оптимизированы с учетом этого. Тогда критерием оценки трактора слу- жит обобщенный энергетический потенциал производительности ЮЭПП) или удельный ОЭПП Л>. уд ^ S ^УДрЬ    (3‘8) где рг — вероятность работы трактора с оборудованием того или другого вида. Вероятность работы трактора с тем или иным видом оборудования не всегда совпадает с вероятностью агрегатирования. Если на трактор установлено бульдозерное и рыхлительное оборудование, то при равной вероятности агрегатирования необходимо ввести вероятность работы с бульдозером или с рыхлителем. В случае использования трактора с бульдозером и скрепером вероятность работы трактора с оборудованием и вероятность агрегатирования совпадают. Удельный расход топлива ёп “ ^тр/^а-Руд»    (3-9) где бхр — математическое ожидание часового расхода топлива за рабочий элемент цикла. Расходом топлива за холостой элемент цикла ввиду его относительной незначительности и малого отклонения от постоянной величины в данном случае пренебрегаем. Расход топлива GTp определяется для заданных условий эксплуатации: при представлении тягового сопротивления случайной величиной GTp = j GTP (фк) f (ф„) йф„; о при представлении — случайной функцией = } {Стр[Фк(0]/Грх}Я. Для . всего диапазона грунтовых и технологических условий удельный расход (^н шах в ^р. в §п == j J    (фктах) F (*5р) ^фктах^5р.    (3.10) (* к шах н '^'р. н Указанные характеристики (ЭПП и удёльный расход топлива на единицу ЭПП) далее будем рассматривать как обобщающие показатели для оценки совершенства параметров тракторов общего назначения. Применительно к трактору-погрузчику, работающему постоянно с одним агрегатом, время цикла: Тц = 4 tnn +1„ tv -(- -{■ tr + ^x> гДе /Пп — продолжительность переключения передачи, с; /„ — продолжительность набора материала, с; tp — продолжительность разгрузки, с; /м — продолжитель- 3*    67 ность маневрирования трактора-погрузчика, с; tr, tx — продолжительность транспортных пробегов трактора-погрузчика с грузом и без груза, с. Очень часто транспортное средство находится недалеко от бурта, в этом случае /г = О и tx = 0. При этом только процесс набора грунта, занимающий около 12 % от общей продолжительности цикла, обусловлен энергетическим балансом трактора, а во всех остальных элементах цикла трактор заведомо недоиспользует мощность двигателя вследствие ограничений по допускаемым ускорениям при разгоне и торможении. Ускорения трактора-погрузчика при малых размерах рабочих площадок обусловлены безопасностью труда водителя, а также возможностью обеспечения минимального радиуса поворота по устойчивости и т. п. В этих условиях работа, выполняемая трактором-погрузчиком за цикл, во многом зависит от рабочей скорости при маневрах, причем увеличение затраченной работы не приводит к прямо пропорциональному росту производительности агрегата. Кроме того, и непосредственно при наборе грунта эффективность трактора-погрузчика существенно зависит не только от мощностей, отдаваемых трактором на оборудование и гидросистему управления оборудованием, но и от соотношения этих мощностей. Таким образом между трактором-погрузчиком и агрегатами других видов (бульдозером, рыхлителем, скрепером и т. п.) существует коренное отличие, которое заключается в следующем. Эффективность агрегатов всех видов в конечном счете обусловливается наивысшей выходной мощностью, получаемой при прохождении заданного участка, характеризуемого определенным тяговым сопротивлением, за минимальное время (с максимальной скоростью), или при преодолении за данное время максимальной дистанции. Наивысшая эффективность трактора-погрузчика при типичной технологии достигается при быстрейшей перегрузке материала из бурта в транспортное средство одновременно при минимизации пути и времени, затрачиваемого на набор и перемещение грунта (т. е. при одной и той же выходной мощности в результате меньшего пути эффективность трактора-погрузчика может быть различной, и наоборот — при одинаковой эффективности может быть различна выходная мощность вследствие разницы в траекториях движения). Таким образом, энергетический критерий эффективности для трактора-погрузчика менее целесообразен, и в этом случае критерием, наиболее полно и обобщенно оценивающим тягово-скоростные показатели трактора-погрузчика, следует считать техническую производительность. Техническая производительность трактора-погрузчика также зависит от эксплуатационных условий, которые могут быть обобщены двумя показателями: сцепными свойствами трактора-погрузчика на заданном грунте (фктах). аналогично трактору общего назначения, и свойствами насыпного перегружаемого материала, обозначенными М. В соответствии с этим математическое ожидание производительности трактора-погрузчика при наборе одного насыпного материала в разнообразных грунтовых условиях назовем частным техническим потенциалом (ЧТП): фк шах в кшах> фкшахн где П (фк тах) — зависимость производительности от максимального коэффициента сцепления по касательному тяговому усилию фк max; f (фк тах) — закон распределения вероятностей фк тах; фк тах н, фк max в — нижнее и верхнее значения фк тах. Математическое ожидание производительности трактора-погрузчика в разнообразных грунтовых условиях при наборе различных насыпных материалов будем называть обобщенным техническим потенциалом (ОТП): mln 4>к max н где П (М, фк Шах) — зависимость производительности от вида насыпного материала и фк шах> f (Щ — распределение вероятностей насыпных материалов. Как для трактора общего назначения, так и для трактора-по-грузчика техническая производительность или частный энергетический потенциал могут быть определены и экспериментально, и расчетным путем. В то же время полный, и обобщенный энергетические потенциалы производительности для трактора общего назначения, а также частный и обобщенный технические потенциалы для трактора-погрузчика можно лишь рассчитать, поскольку проведение на стадии создания трактора широких сравнительных испытаний с многочисленным оборудованием и во всех почвенно-климатических зонах невозможно и экономически нецелесообразно. 3.2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ОЦЕНКЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ТРАКТОРОВ Мтах фкшах в
Обоснованные критерии эффективности тракторов являются функцией комплекса показателей трактора. Их можно условно разделить на три группы, для каждой из которых необходим соответствующий подход к изучению и .описанию. Первая группа —это конструктивные параметры трактора, значения которых должны быть заложены на стадии проектирования, а именно, параметры моторно-трансмиссионной установки. К ним относится выходная характеристика моторно-трансформаторного блока (МТБ), обуславливаемая абсолютной мощностью двигателя, характеристикой бесступенчатой трансформаторной установки (гидротрансформатор, генератор-электродвигатель, мотор-насос) и способом совмещения трансформирующего блока и двигателя; тяговый фактор (t'M = и/гк) трактора; моменты инерции вращающихся масс; КПД механической части трансмиссии г]тр. Вторая группа — характеристики, формирующиеся в результате взаимодействия агрегата с грунтом и являющиеся функциями тяго- вого усилия. К ним относятся коэффициент б буксования, коэффициент /с сопротивления передвижению. Указанные зависимости с одной стороны обусловлены конструкцией трактора, а с другой — грунтовыми условиями, при современном уровне конструирования и технологии изготовления они могут быть изменены в достаточно больших пределах. Третья группа —это задаваемые параметры трактора (сцепная масса и вид агрегатирования), а также эксплуатационные условия: случайные процессы изменения тягового усилия, грунтовые условия и другие. Для оценки показателей тракторов и оптимизации их параметров был выполнен комплекс исследований, в состав которых входила разработка математических моделей для оценки тягово-скоростных показателей промышленных тракторов общего назначения и трак-торов-погрузчиков и расчеты по обоснованию этих показателей, получение экспериментальных данных, необходимых для реализации математических моделей, разработка приближенных инженерных методик определения эффективности и тягового расчета промышленных тракторов, а также методов расчетного и экспериментального нахождения производительности промышленных тракторов с различными дорожно-строительными агрегатами. Содержание исследований имело некоторые отличия в зависимости от типа изучаемого трактора (общего назначения и трактора-погрузчика). Для трактора общего назначения основой структурной схемы исследований является стохастическая моделирующая (имитационная) система, в которой функционирование отдельных элементов зависит от случайных параметров и результат этого функционирования может быть получен только в вероятностном виде как математическое ожидание, закон распределения или случайный процесс. Указанная система имеет четыре компонента (частные модели): критерии, характеризующие*цикличную работу трактора и случайные внешние факторы; комплекс уравнений, описывающих процесс работы трактора и его энергобаланс при случайных нагрузках; вероятностно-статистическую модель тягового сопротивления, действующего на трактор в заданных грунтовых условиях; вероятностно-статистическую модель эксплуатационных условий, включая условия протекания процесса тягового сопротивления. С помощью указанной моделирующей системы осуществляется решение двух задач статистической динамики: задачи анализа, т. е. определения выходных параметров трактора при известных характеристиках входных воздействий и передаточных функций, и задачи синтеза, т. е. определения передаточной функции при заданных характеристиках входных воздействий и желаемых — выходных параметров. Аналитическое решение подобной моделирующей системы практически исключено и единственно доступным способом математической реализации являются численные методы вероят-ностно-статистического анализа и решения дифференциальных уравнений с применением цифровых ЭВМ. При этом параметры машинной системы и характер внешних воздействий можно имитировать в любой форме и масштабах, включая и нереализуемые для аналитических методов и натурных экспериментов. Что касается характеристик эксплуатационных условий, то без статистического моделирования решение задачи принципиально невозможно. Экспериментальная часть исследований была направлена на решение трех задач: обоснования ряда составляющих математических моделей, проверки результатов математического моделирования и исследования влияния тягово-скоростных показателей на эффективность трактора как базы дорожно-строительного агрегата. При проведении экспериментальных исследований стремились избежать распространенной ошибки, когда какое-либо частное исследование, проведенное на одной машине в определенных условиях, служит базой для каких-либо выводов. В связи с этим эксперименты многократно повторяли на тракторах различных конструкций, классов, в различных грунтовых и климатических условиях, с различными водителями и различными способами измерений. Обобщенные результаты таких экспериментов могут служить надежной основой для получения объективных закономерностей влияния тяговоскоростных показателей на эффективность трактора в агрегате. Исследования проводили на ряде тракторов и натурных макетов, т. е. специальных тракторов с изменяющимися в широком пределе параметрами. Исследованиям были подвергнуты 15 различных конструкций (табл. 3.1), среди которых были тракторы с механической трансмиссией, с полнопоточной гидромеханической трансмиссией, с двухпоточной гидромеханической трансмиссией, с гидрообъемной трансмиссией, с двигателем постоянной мощности, с полужесткой подвеской, с упругой торсионной индивидуальной подвеской, с упругой торсионной смешанной подвеской, с дискретной и следящей (позиционной) системой управления рабочего оборудования. Основная масса исследований проводилась на стендах и полигонах Уральской научно-испытательной станции НАТИ. Кроме того, были проведены исследования в других районах Челябинской области, а также в Красноярском крае, Магаданской области и районах Южного Казахстана. В комплекс проводимых исследований были включены: определение стендовой характеристики двигателя и МТБ; проведение тяговых испытаний; тензометрические исследования при работе трактора в агрегате с рабочим оборудованием; определение технической производительности трактора в агрегате с тем же рабочим оборудованием. Стендовые характеристики определяли или на шасси трактора через специально изготовленные приводы с валами отбора мощности, или при снятом МТБ и последующей установкой его на стационарные стенды. На этих же стендах регулировали двигатели при перестройке их мощности и скоростной характеристики. Скоростные характеристики определяли по принятым методикам. Тяговые испытания проводили на специальных тяговых треках на плотном суглинистом грунте, а также других грунтовых участках 3.1. Характеристики гусеничных тракторов общего назначь Трактор, агрегат ность, Масса, кг Транс миссия Подвеска Полужесткая бульдозер ТЭМП-1, бульдозер Пол у жестка я 1 1*1 1 ГМТ Полужесткая бульдозер ТЭМП-2, Упругая бульдозер ТМ-4АП, Полужесткая бульдозер Полужесткая бульдозер ДТМ-75, Упругая бульдозер, скрепер ДТ-75МП, Упругая бульдозер, скрепер Полужесткая бульдозер ДЭТМ-250, Упругая бульдозер Полужесткая бульдозер поточная ТМ1-330, Упругая бульдозер, рыхлитель ТМ2-330, Полужесткая бульдозер, рыхлитель Полужесткая «Комацу» (Япония), бульдозер Полужесткая «Комацу» (Япония), бульдозер Примечания. 1. На всех тракторах установлен дизель. 2. Принят] ДПМ — двигатель постоянной мощности, ГОТ — гидрообъемная трансмисси тромеханическая трансмиссия, и — передаточное число, N е — номиналы двигателя, TT — тип трансмиссии, ТП — тип подвески, СУ — система упра скоростная характеристика двигателя. по стандартным методикам (ГОСТ 23734—79) и специаль* танным ускоренным методам тяговых испытаний (см. р В процессе тензометрических исследований на лент; графа фиксировали основные показатели работы МТУ и трактора при его работе с неустановившейся тяговой переменном сцепном весе и центре приложения давления Для придания полной достоверности результатам указанных исследований динамический характер работы воспроизводился реальными дорожно-строительными машинами (бульдозер, скрепер, рыхлитель) при разработке грунта по принятой типичной технологии. При проведении тензометрических исследований все тракторы-макеты были оборудованы датчиками и приборами, позволяющими фиксировать в процессе работы агрегатов соответствующие случайные процессы. В процессе проведения исследований осуществляли непрерывную модернизацию используемой измерительной техники. По результатам измерений определяли теоретическую и действительную скорости; тяговое усилие на ведущих колесах и на крюке; коэффициент буксования; сопротивление передвижению трактора; мощность, передаваемую на гидропривод. Экспериментальное определение ЧЭПП и технической производительности проводили методами, изложенными в разделе 10.4. По трактору-погрузчику комплекс исследований базировался на нескольких этапах теоретических и экспериментальных исследова ний по определению влияния различных параметров трактора на производительность погрузочного агрегата. Первый этап исследований включал определение влияния соотношения скоростей поступательного движения трактора и перемещения ковша (гидравлической системой) на производительность и удельную энергоемкость набора насыпного материала. Теоретическая часть указанного этапа представляет собой частную математическую модель взаимодействия ковша погрузчика с насыпным материалом, выполненную с учетом исследований В. Н. Стогова, Г. В. Родионова [26] и П. А. Михарева. В экспериментальной части этапа использовали трактор-погрузчик Т-50АП. На трактор дополнительно устанавливали ходоуменынитель двух типов: планетарный механический и гидрообъемный, дополнительный насос НШ-46 в гидравлической системе управления погрузочным оборудованием, кран отключения этого насоса, дроссель для регулирования расхода жидкости в гидросистеме управления погрузочным оборудованием. Эти особенности конструкции трактора позволили в широком диапазоне изменять отношение скорости трактора к скорости перемещения рабочего оборудования (скоростной коэффициент X) в результате изменения номинальной подачи насоса от 90 до 180 л/мин и выбора различных передач. Трактор-погрузчик имел следующие технические характеристики: эксплуатационная масса агрегата 4270 кг; номинальная мощность двигателя 37,5 кВт; геометрическая вместимость ковша погрузочного оборудования 0,407 м3; радиус качения задних ведущих колес 0,744 м. При проведении экспериментов по изучению процессов набора насыпных материалов измеряли следующие параметры: крутящий момент на ведущем валу коробки передач; крутящий момент на валу привода’гндронасосов^частоту вращения коленчатого вала двигателя; давление в гидросистеме на выходе из насосов; давление в цилиндре поворота ковша; ход штоков цилиндров поворота ковша; путь трактора; продолжительность опыта. По завершении каждого опыта определяли массу набранного в ковш погрузчика материала. По результатам опыта рассчитывали составляющие баланса мощности трактора-погрузчика, энергоемкость набора 1 кг насыпного груза, средние за набор буксование и касательное тяговое усилие, производительность трактора-погрузчика. Второй этап исследований ставил целью выявление влияния основных параметров трактора на продолжительность транспортных элементов цикла (продолжительность маневрирования). На этом этапе была создана частная математическая модель движения трактора при выполнении всех элементов цикла, кроме набора, выполненная с учетом имеющихся трудов по теории автомобиля [32]. Экспериментальные исследования проводили также на тракторе Т-50АП. Третий этап исследований посвящен оптимизации тягово-ско-ростных параметров трактора-погрузчика. Теоретическая часть исследований основана на выполненных в процессе первых двух циклов исследованиях. Разработана была обобщенная математическая модель оптимизации тягово-скоростных параметров трактора-погрузчика с целью достижения максимального значения обобщенного технического потенциала. Экспериментальная часть исследований, обеспечивающая получение необходимых для расчета данных, а также проверку правомерности принятых в теоретической части исследований положений, выполнена на тракторе-погрузчике Т-80ПМ с МТ и погрузчике Д-561 Б с ГМТ. Трактор Т-80П был снабжен блокируемым межмостовым дифференциалом, дополнительным насосом в гидросистеме навесного оборудования и бульдозером-балластом в задней части трактора. На тракторе установлен двигатель с Ne = 40,4 кВт, геометрическая вместимость ковша составляла 0,69 м3. При агрегатировании с бульдозером общая масса трактора-погрузчика Т-80П—6690 кг (на переднем мосту — 3420, на заднем — 3270 кг); без бульдозерного оборудования общая масса трактора 6300 кг (на переднем мосту — 3620, на заднем —2680 кг). Мощность двигателя Д-561 Б составляет 55,1 кВт, масса — 7680 кг, геометрическая вместимость ковша — 1,03 м3. По результатам замеров рассчитывались путь и скорость трактора, буксование (в наборе), частота вращения коленчатого вала двигателя, передаточное отношение гидротрансформатора. г На последнем, четвертом этапе исследований определяли влияние энергонасыщенности трактора на производительность погрузочного агрегата и энергоемкость погрузки материала. Экспериментальная часть исследований этого цикла проведена на тракторе Т-80П с различной мощностью двигателя (17,6; 21,3; 40,4 и 50,7 кВт). В четвертом цикле исследований использовали телеметрическую аппаратуру, что позволило исследовать в естественных условиях весь цикл работы трактора-погрузчика. При исследованиях были также использованы некоторые результаты изучения работы погрузчиков на базе тракторов К-702, Т-130 и др. [11, 12]. ГлАвА 4 ТЯГОВАЯ ДИНАМИКА ПРОМЫШЛЕННОГО ТРАКТОРА ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ , ПРИ ПРЯМОЛИНЕЙНОМ ДВИЖЕНИИ 4.1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС И ТЯГОВАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТРАКТОРА В АГРЕГАТЕ С ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНЫМИ МАШИНАМИ Тяговая динамика промышленного трактора общего назначения обусловливается действующими на него нагрузками и порядком движения при работе в дорожно-строительном агрегате. Характерными являются факторы, приведенные на схеме нагружения (рис. 4.1). Это сцепной вес 2 агрегата, изменяющийся при агрегатировании с рабочим оборудованием различного вида; кратковременный рабочий цикл, содержащий рабочий 1Р и холостой 1Х элементы; эксплуатационные условия, изменяющиеся в зависимости от свойств 5, 8 разрабатываемого грунта, а также дистанции 4 его разработки и перемещения; случайная тяговая нагрузка 5; случайные нагрузки 7б, 7Р в вертикальной плоскости, возникающие при разработке грунта дорожно-строительным оборудованием и изменяющие сцепной вес системы трактор—оборудование; масса агрегата,„ изменяющаяся вследствие переменной массы 6 набираемого и транспортируемого грунта; технологические ограничения Зр на рабочую скорость, обусловленные возможностью обеспечения эффективной работы системы управления рабочим оборудованием, качествами водителя и условиями его труда, а также технологические ограничения Зх на скорость холостого хода, зависящие от качества подвески, условий труда и техники безопасности; отбор мощности 9 на привод дорожностроительного оборудования, параллельный потреблению мощности движителем трактора. В принципе для трактора общего назначения можно условно рассмотреть энергетический баланс трех видов. Первый вид — это энергетический баланс при установившемся движении трактора, находящегося под воздействием стационарного тягового усилия, параллельного продольной оси трактора с постоянным сцепным весом, без отбора мощности на привод навесного оборудования. При этом уравнение энергобаланса NKp^NK-Nf-N„    (4.1) где NK — мощность на ведущих колесах, NK — А^д — Л'тр == уУдг)гр; Л/тр — п«* терц мощности в трансмиссии, ведущих колесах и ведущих участках гусеницы; гр — КПД трансмиссии. Рис. 4.1. Схема работы трактора общего назначения при агрегатировании с дорожностроительным оборудованием Выражение (4.1) может быть представлено в виде функции основных показателей тяговой характеристики. Существует два идентичных по конечному результату метода расчета:
1 метод Nf = P,vT = fcGa (NK/PK) = fcGaNK/(PKp f f0Ga), (4.2) — Ркр (^1 Уд) — Рнр^т (1 VJVi) '= РщРА ~ P«pbNц/{Рщл •-(- fcGa)f NKp = NK[l- fcGa/(PKp + fcGa) - PKp8/(/>Hp + fcGa)} = = NKPKp(l-8)/(PKp + fcGa). 2 метод Nf = P,va = РрТ (1 - 8) = fcGavT( 1 - 8) = f0Ga    (1 - 8), N6=-~ PK (о, - Уд) = PKvT(\ - vjjvr) = PKvt6 = PKbNK/(PKp 4- fcGa) = NKp = iVK [1 - /0Ga (1 - 6)/(PKp 4- /c0a) - 8] = = A^KPKp(l-6)/(PKp + /cCa). Различие указанных методов заключается в том, что в первом методе при нулевой действительной скорости, т. е. при полном буксо* вании, Nf не равно нулю, а во втором методе Nf равно нулю, поскольку один из сомножителей в выражении Nf равен нулю. Для промышленного трактора, работающего с повышенным буксованием (часто 100 %), описание баланса по первому методу является более приемлемым, поскольку позволяет учитывать возрастающее при буксовании сопротивление передвижению. Чтобы перейти к удельным показателям, следует разделить все члены уравнений (4.1) и (4.2), включая числитель и знаменатель дроби, на вес агрегата, и после выполнения необходимых подстановок будем иметь УД    уд ^ 1. уд Д^б уд ~    удфкр (1 8)/(фкр -|- /с)* Для трактора с потенциальной характеристикой, т. е. характеристикой, получаемой при полностью используемой мощности трактора, оборудованного бесступенчатой непрозрачной трансмиссией, NK,уд = (Ne/Ga) г|тр является функцией мощности двигателя, массы агрегата и КПД трансмиссии. Для трактора с реальной!МТУ NK — Мк(ок, Мк = Ркгк — = (-^кр /о^а) ^*к» «к ©T/t/, Т. е. NK = (Ркр-\-fcGa)(i>^rK/u.    (4-3) Радиус ведущих колес в основном зависит от типа ходовой системы, поэтому часто на стадии тягового расчета вновь проектируемого трактора является величиной неизвестной. Он может быть изменен в процессе конструктивной доводки трактора, следовательно, его целесообразно объединить с передаточным числом трансмиссии и ввести новую постоянную г'м = и/гк, которую назовем тяговым фактором. Перепишем уравнение (4.3) в следующем виде: ЛГ„ = (Ркр+/сСа)<От-/- = -^ или удельная мощность на крюке ^К. уд “ Фк^тАм* Тяговое усилие Рк и угловая скорость выходного вала МТБ сот связаны между собой следующим образом: Рк = Мт^м'Птр ИЛИ Мт = РкЛ*м^|тр> где Мт — крутящий момент на выходном валу МТБ, Мт (сот), т. е. скоростная характеристика. Заменив Рк на фк, получим Л1Т — ФкСа/^*мт)Тр. Таким образом, мощность на ведущих колесах трактора с реальной МТУ является функцией скоростной характеристики МТБ, тягового фактора и КПД механической части трансмиссии: ^К. УД [(-Л^Т(G>t)> ^М) Лтр» Фк Ь Следовательно, уравнение энергобаланса первого вида: для трактора с потенциальной тяговой характеристикой Л^кр = Ne - ЛГтр ~Nf- N6;    (4.4) для трактора с реальной МТУ, при неполностью использованной мощности двигателя, имеющей место в реальных условиях, А^кр = Ne- ЛГнд - ЛГтр -Nf- N6,    (4.5) где Л^нд — мощность, равная разности между максимальной мощностью двигателя и мощностью, соответствующей заданному крутящему моменту. Второй вид — это энергетический баланс, характеризующий равномерное движение трактора как статической системы, однако при уменьшении мощности на ведущих колесах вследствие неустановившегося характера работы МТУ, отбора мощности на гидропривод рабочего оборудования и снижения мощности на крюке в результате переменного сцепного веса агрегата, изменения давлений движителя на грунт и неустановившейся тяговой нагрузки. Энергобаланс данного вида обусловлен искажением ряда функций, формирующих тяговую характеристику, вследствие динамического нагружения, а также отбора мощности на привод рабочего оборудования. Первой из указанных функций является скоростная характеристика двигателя или МТБ, которую необходимо рассматривать применительно к конкретному типу МТУ. Известно, что значение этой функции уменьшается при неустановившейся нагрузке двигателя в сравнении со значением той же функции при стационарной нагрузке. Указанное отклонение может быть различным и зависит от конструкции двигателя, типа трансмиссии и амплитудно-частотной характеристики момента сопротивления на коленчатом валу двигателя. Так, при работе МТУ с МТ отклонение мощности может составлять 5 % от максимальной мощности двигателя при номинальной частоте вращения. В работах Е. С. Арсеньева, В. И. Анохина, Г. М. Кутькова и других показано, что для блока двигатель— гидротрансформатор при имеющих место на тракторах и автомобилях частотах и амплитудах колебания нагрузки на валу турбинного колеса динамическая и статическая характеристики практически не отличаются. Таким образом, с учетом динамики работы можно записать Mil К) [МТУ, Vqp], (здесь —динамичность нагрузки). Другим фактором, изменяющим скоростную характеристику двигателя, является то, что при работе трактора имеют место затраты мощности Nrn на привод рабочего оборудования. Если учесть изменения скоростной характеристики вследствие динамического нагружения и отбора мощности на привод оборудования, то МГКНМТУ, v9, Мгп]. В классической теории трактора зависимость б (фкр) рассматривается как статическая функция, зависящая от конструкций движителя и качеств грунта, на котором работает трактор [1, 7, 13, 14, 18, 20]. Такую характеристику получают во время тяговых испытаний трактора, осуществляемых при нагружении трактора статической тяговой горизонтальной нагрузкой. В действительности промышленный трактор работает при постоянно действующих знакопеременных вертикальной и горизонтальной нагрузках, в значительной степени изменяющих эпюру давлений движителя, а также сцепной вес агрегата. Вследствие случайности действия вертикальных и горизонтальных усилий реальная функция б (<ркр) представляется в виде корреляционного поля, описываемого методами статистической динамики. В зависимости от вида агрегатирования степень расхождения статической и динамической кривой коэффициента буксования может быть различной — от практического совпадения (скреперный агрегат) до значительного расхождения (бульдозерно-рыхлительный агрегат). Вид агрегатирования оказывает влияние также на сцепной вес трактора, что, в свою очередь, влияет на абсолютные значения функции б (Ркр). Учитывая изложенное, потери мощности на буксование можно характеризовать функцией б* (фкр), которая, в свою очередь, является зависимостью от веса Ga агрегата, грунтовых условий, обобщаемых показателем фктах, условий агрегатирования и работы, которые будем характеризовать динамичностью, т. е. в общем случае запишем Л^буд [б (фкр), Gat фк гпах» ^ф]> где 6* (фкр) и N*6 уд— зависимость коэффициента буксования от фкр и мощность на буксование при динамическом нагружении; Ga — сцепной вес агрегата, зазисящий от вида агрегатирования. Мощность, затрачиваемую на передвижение, Nf также можно рассматривать при стационарном и динамическом нагружении. Основу определения Nf составляет коэффициент сопротивления передвижению /с = Pj/Ga. Для промышленного трактора коэффициент сопротивления передвижению и мощность Nf также необходимо рассматривать как корреляционное поле с соответствующей линией регрессии в функции от аргументов фкр, ад, Ga, фКшах» т. е. Nf [/с (фкр> ^д)> Ga» фктах]» где /* (фкр, ид), NJ — зависимость коэффициента сопротивления передвижению от удельного тягового усилия на крюке и скорости; NJ — мощность на передвижение при динамическом нагружении. Следовательно, уравнение энергобаланса второго вида NKP = Ne- ЛГнд - Nrn - NTP - N1 - АТ/ - где А^д — различие в значениях мощности по статической и динамической характеристикам двигателя. Третий вид — это энергобаланс, характеризующий неравномерное движение трактора при влиянии динамических факторов, учтенных в энергобалансе второго вида: AfKp ~ Nе А/нд Л/рп NTp Na - Nf Nq -±zNмтб ± Л/ут zb Nуг, где А^МТб — мощность на изменение угловой скорости коленчатого вала двигателя и турбинного колеса гидротрансформатора; — мощность на изменение действительной скорости движения трактора; Njr — мощность на изменение скорости движения и массы грунтовой призмы. При этом инерционные составляющие мощности при изменении скоростей вращающихся и поступательно движущихся масс определяются на основе дифференциального уравнения движения где Afc — момент сопротивления движению агрегата, Мс =(РКр + Pf)/iмЛт^ ^д1 — момент инерции поступательно движущихся масс агрегата, приведенный к выходному валу МТБ; Уд2 — момент инерции призмы грунта, приведенный к выходному валу МТБ. Момент инерции /м не зависит от изменяющихся при работе показателей трактора и является его конструктивным параметром, обусловленным моментами инерции вращающихся частей и передаточными числами трансмиссии. Момент инерции /д1 определяют из известного уравнения баланса кинетической энергии /Д1 = 0а(1-б)2/(и2- Таким образом, /л, является функцией массы трактора, тягового фактора и коэффициента буксования /д1 [Ga, г'м, б]. При заданных конструктивных параметрах Ga и iM приведенный момент инерции *^Д1 является функцией б; при полном буксовании движителей он равен нулю, при отсутствии буксования он становится максимальным. Момент инерции /д1 может быть как положительным при замедлении трактора, так и отрицательным при ускорении. Момент инерции /д2 от движущихся масс грунта определяется аналогичным образом, однако в зависимости от агрегатирования его действие различно. Так, при наборе призмы бульдозером он может иметь только знак минус, так как призма взаимодействует с трактором только при ускорении. При замедлении движения трактора отвал отстает от призмы и ее масса не участвует в тяговом балансе. Кроме того, при наборе грунта масса призмы не является постоянной и изменяется от нуля при t = 0 до постоянной величины G0, т. е. 1 _ I ~ §)2/(1'м)2> если д2 { 0    , если г)д<0. При этом ( G0t/tn, если 0 < t с ta Gu = { { G0 , если t tn, где tn — время набора призмы. Таким образом, в общем случае момент инерции от призмы /д2 обусловлен ее переменной массой и, так же, как и для JRl, тяговым фактором tM и коэффициентом буксования б, т. е. /д2 [Gn (0, tM> б ]. Из выражений, характеризующих энергобаланс третьего вида, видно принципиальное отличие дифференциальных уравнений движения для машин, работающих при малых буксованиях движителей (автомобили, тягачи и др.), и для промышленных тракторов, работающих в режиме значительных буксований. Для первых угловое ускорение ведущих колес или какого-либо вала трансмиссии может быть связано однозначной зависимостью с линейным ускорением, что дает возможность условно приводить к поступательно движущейся массе машины вращающиеся массы путем введения коэффициента бвр вращающихся масс. Для вторых, если действительная скорость постоянно не равна теоретической, то указанные параметры связаны через коэффициент буксования б, изменения которого носят случайный характер, что не позволяет принять какое-либо постоянное значение коэффициента вращающихся масс, как это принято в классической теории трактора [20], и необходимо раздельное рассмотрение инерционных составляющих от вращающихся и поступательно движущихся масс. 4.2. РАБОТА МОТОРНО-ТРАНСМИССИОННОЙ УСТАНОВКИ На скоростную характеристику двигателя при его случайном нагружении и потери мощности N& влияют конструктивные особенности двигателя и динамичность работы, характеризуемая угловыми ускорениями коленчатого вала. Влияние конструктивных особенностей двигателя на скоростную характеристику рассмотрено в работах В. H. Попова, В. А. Гусятникова, Г. М. Кутькова и др., в связи с чем остановимся на динамике нагружения двигателя. При работе двигателя промышленного трактора с гидротрансформатором угловые ускорения е = ±30 1/с2 (рис. 4.2). Однако наиболее вероятна работа двигателя при угловых ускорениях е = = ±10 1/с3. В этом диапазоне двигатель работает около 80 % времени, причем значительное время (около 50 %) приходится на его работу с ускорениями, близкими к 0 (в пределах е = ±2 1 /с3). Турбинное колесо гидротрансформатора работает со значительно большими ускорениями б = ±40 1/с2, причем 90 % времени работа происходит с ускорением е = ±20 1/с2, а вероятность работы с ускорениями, близкими к нулю, не превышает 20 % (рис. 4.2, в). Исследования, выполненные Е. С. Арсеньевым, показали, что в диапазоне ускорений насосного и турбинного колес гидротрансформатора е = ±30 1/с2 и е = ±65 1/с2 соответственно безразмерные характеристики гидротрансформатора при стационарной и случайной нагрузках эквивалентны. Ускорения насосного и турбинного колес гидротрансформатора промышленного трактора находятся в этих пределах, поэтому имеются все основания принимать при случайной нагрузке стационарную характеристику гидротрансформатора. Однако учитывая, что определенную долю времени двигатель работает с достаточно большими ускорениями коленчатого вала, были выполнены экспериментальные исследования по получению выходной характеристики МТБ при его работе непосредственно на тракторе с ГМТ и рабочим оборудованием бульдозера. Значения крутящего момента при замедлении и ускорении не различались, поэтому на график указанные точки наносили совместно, после чего по методу наименьших квадратов была определена линия регрессии. По линии регрессии при частоте вращения турбинного колеса 1200—1600 об/мин уменьшение крутящего момента составляет около 7,5 Н-м или 1—1,5 %. При частоте вращения турбинного колеса /гт = 300—900 об/мин указанное расхождение увеличивается до 2 %. Полученные значения расхождения достаточно малы, и для тягово-динамических расчетов промышленных тракторов при случайной нагрузке характеристики двигателя и гидротрансформатора можно принимать эквивалентными характеристикам при стационарной нагрузке.
Рис. 4.2. Распределение вероятностей углового ускорения:
а и в — ГМТ, коленчатого вала двигателя и турбинного колеса; крестик — трактора TM-220, кружок черный и белый — трактора ТМП-4 при работе соответственно на среднем и плотном суглинке; б — МТ, сплошная и штриховая линии при работе трактора Т-4АП2 на IV и III передачах
При работе двигателя на тракторе с МТ распределение вероятностей угловых ускорений коленчатого вала меняется, значительно увеличивается доля времени работы с е = 5—10 1/с2 (рис. 4.2, б). При этом существенную роль играет тяговый фактор. Так при работе на IV передаче, на которой для трактора Т-4АП2 передаточное число соответствует верхнему пределу оптимальности производительности, двигатель около 30 % времени работает с ускорениями более ±10 1/с2 40 % времени — с е = ±5—10 1/с2 и лишь 30 % времени — с ускорениями, близкими к нулю. При переходе на III передачу, которая по производительности и по передаточному числу ниже минимальной целесообразной границы, динамичность работы значительно снижается и распределение вероятности б приближается к имеющему место распределению вероятности е при работе двигателя с ГМТ. Точно так же, если передача будет выше IV, то динамичность работы двигателя заметно возрастет. В этом случае, по результатам исследований имеются различные скоростные характеристики при работе двигателя с ускорением и замедлением. В диапазоне частот вращения коленчатого вала ид = = 1350-^-1700 отклонение крутящего момента составляет 10—25 Н-м или 1,5—5 % (рис. 4.3). Аналогичные значения отклонений МА при случайной нагрузке были получены при исследовании динамики сельскохозяйственного трактора [16] (рис. 4.3 читай Мл, а не Мр). Рис. 4.3. Скоростная характеристика двигателя А-01М трактора Т-4АП2: 1 — при работе с замедлением, е = 10 */с2; 2 — при работе с ускоренним, е = 10 Vс2; сплошная кривая — при стационарной нагрузке При работе двигателя с ускорением существенного отличия скоростных характеристик при случайной и стационарной нагрузках не установлено. т
зоо
1300 то 1500 1600 пa, Off/Mtut В соответствии с полученными данными, а также в соответствии с результатами исследований, выполненных другими авторами (В. Н. Попов, В. А. Гусятников), скоростную характеристику двигателя при случайной нагрузке для трактора с МТ предложено описывать выражением Ml =-• Мд(Кси. с + Кен. н    . (4.7)
\    ПН -пм. / где Мд — крутящий момент при стационарной нагрузке; /Сен. с» ^сн.н — коэффициенты снижения момента, принимаемые в зависимости от конструкции двигателя и динамичности нагрузки; в среднем рекомендуется принимать /Сен.с = 0,98; /Ссн.н — = 0,01; пЖ1 — текущая частота вращения коленчатого вала двигателя. Кроме динамичности нагружения другим существенным фактором, снижающим мощность, передаваемую на ведущие колеса трактора, является ее отбор на гидропривод рабочего оборудования: бульдозера, рыхлителя, скрепера. Отбор мощности на гидропривод складывается из двух составляющих: первой — на преодоление сопротивления перепускных клапанов гидросистемы (не более 0,5 % от мощности двигателя), второй — на перемещение штоков гидроцилиндров рабочих органов. Вторая составляющая имеет место при включенном гидроприводе, т. е. установке распределителя в положение подъем или опускание. В зависимости от конструктивного исполнения гидропривода, стиля работы водителя, характеристик разрабатываемого грунта и т. п. частота и длительность включения 4.1. Показатели работы гидропривода трактора Показатели ТЭМП-2, /V = 150 кВт е ДТ-75МП, передачи ДТ-75МП и ДПМ, передачи Средний промежуток времени между включениями tz> с Время работы гидропривода в % от времени рабочего хода, ^гп Средняя за рабочий ход мощность гидропривода Nrn, кВт Средняя за рабочий ход мощность гидропривода в % от мощности двигателя 2    6 8 10 Nrn, кВт О _I_I_I_I_I    L 2,5 5,0 7,5 10 Nr„/Ne,% 0 О
2 ¥ 6 8 10 Nrn,nBm _:—I_I_I_I_I 15 Nrn/Me>%
6)
Рис. 4.4. Распределение вероятностей / мощности, отбираемой на гидропривод бульдозера: а и б — ТПМ-4 и ДТ-75МП; 1 — при работе на плотном суглинке, Л^гп =5,1, арп =3,1, V = 0,61; 2 — при работе на среднем суглинке, Nru = 4,09, сгп = 3, v = 0,77; 3 — с МТ и двигателем постоянной мощности, Nru = 3,33; агт = 2, v = 0,59; 4 — с МТ, ^гп= 5,36; агт = 2,8, v = 0,53 гидропривода могут в определенных пределах изменяться, оказывая влияние на отбираемый крутящий момент и соответствующую мощность (табл. 4.1). При этом мощность на гидропривод каждый раз требуется различная, вследствие чего она распределяется по одномодальному закону с положительной асимметрией (рис. 4.4). Мощность, потребляемая гидроприводом, составляет 1,0—18 % мощности'двигателя. В некоторых случаях отбор мощности может быть и большим, например до 30 % мощности двигателя. Однако это происходит в очень короткое время и его вероятность за срок эксплуатации трактора достаточно мала. Около 80 % времени работы гидропривод реализует от одного до 5—10 % мощности двигателя. Как правило, при испытаниях средняя мощность гидропривода за рабочий ход составляла 4—9 % мощности двигателя. Причем для трактора в агрегате с бульдозером, рыхлителем и скрепером не выявлено корреляции между крутящим моментом, отбираемым на гидропривод, и крутящим моментом по скоростной характеристике двигателя. В связи с этим мощность на гидропривод предлагается рассчитывать по формуле Л/гп — КтМдПд. Для гарантированного обеспечения требуемых тяговых характеристик трактора при наличии отбора мощности рекомендуется принимать КГп = 0,07—0,1. Отбор мощности на гидропривод рабочего оборудования в определенной степени зависит от рабочей скорости и уровня энергонасыщенности. Так, при заданной энергонасыщенности увеличение передачи и скорости рабочего хода влечет за собой некоторое увеличение абсолютной и относительной мощности, отбираемой на гидропривод оборудования, которое незначительно при оптимальном тяговом факторе (на 10—30 % при изменении скорости с 1,2 до 2,4 км/ч). Если же отклонение iM происходит в меньшую от оптимума сторону, т. е. трактор работает на передаче с недостаточным тяговым усилием, то происходит резкий рост мощности, потребляемой гидроприводом. 4.3. УСИЛИЯ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА ТРАКТОР В ВЕРТИКАЛЬНЫХ ПЛОСКОСТЯХ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ РАБОЧЕГО ОБОРУДОВАНИЯ С ГРУНТОМ. СЦЕПНОЙ ВЕС СИСТЕМЫ ТРАКТОР—ОБОРУДОВАНИЕ При взаимодействии рабочего оборудования, установленного на тракторе, с разрабатываемым грунтом возникают усилия, проекции которых на вертикальные плоскости алгебраически складываются с первоначальным весом агрегата, изменяя сцепной вес системы трактор—навесное оборудование. При рабочем элементе цикла взаимодействие оборудования с грунтом носит характер случайного процесса, поэтому сцепной вес агрегата можно рассматривать также как случайный процесс или как непрерывную случайную величину. Характер изменения сцепного веса системы трактор—оборудование рассмотрим на примере бульдозерного агрегата. Усилие копа'ния на отвале бульдозера передается на трактор через толкающие брусья и штоки гидроцилиндров подъема и опускания бульдозерного оборудования. В шарнирах заделки усилие в толкающих брусьях в основном дает проекцию на горизонтальную (параллельную опорной поверхности) плоскость, а усилие в штоках гидроцилиндров — на вертикальную (перпендикулярную опорной . поверхности) плоскость. Усилия на штоках гидроцилиндров возникают при принудительном выглублении и заглублении отвала с помощью гидропривода управления и при возникновении сил, заставляющих отвал перемещаться относительно корпуса трактора (само-заглубление отвала, наезд трактора на препятствие при отвале, заполненном грунтом, и т. п.). Экспериментальные исследования работы трактора с рабочим оборудованием (бульдозером) на наиболее распространенных (типичных) грунтах показали, что распределение вероятностей отношения сцепного веса системы к весу агрегата является одномодальным и симметричным (рис. 4.5, а, б) и удовлетворительно описывается нормальным законом с математическим ожиданием, равным единице, т. е. при сцепном весе системы, равном полному весу агрегата или весу трактора с рабочим оборудованием (рис. 4.5, в). Указанный факт является обоснованием для принятия при расчетах полного веса агрегата в качестве основной характеристики сцепного веса системы трактор—оборудование. Полигоны 4 и 5 (см. рис. 4.5, б) построены по результатам исследований А. Г. Карлова. Из рис. 4.5 видно, что изменение сцепного веса при работе системы трактор—оборудование происходит в диапазоне G04/G0 = Рис. 4.5. Распределение вероятностей / отношений сцепного веса Осц к весу агрегата Ga при работе с бульдозерным оборудованием на типичных грунтах (суглинок, С — 4^6 ударов): а и б — для тракторов соответственно ТМ1-330 и Т-130; в — обобщенный закон для ^Сц/еа = = 1; 1, 2, 3, 4, 5 — при G /6’а соответственно равном 0,935; 0,967; 1,02; 0,988 (I передача); 0,982 (II передача) = 0,8-М,2. При этом на кривой распределения вероятностей может быть выделено четыре зоны, обусловленные пограничными линиями /, II, III. При анализе этих зон будем условно считать вес оборудования суммой двух составляющих G0T и Gor, под которыми соответственно понимается вес оборудования, приходящийся на трактор, и вес, приходящийся на грунт при свободном положении оборудования на грунте (когда золотник гидрораспределителя системы управления находится в «плавающем» положении). При этом линия III соответствует полному весу трактора с бульдозерным оборудованием, т. е. GCII = GT + GOT + Gor; линия II — сумме веса трактора и веса бульдозерного оборудования, приходящейся на трактор, т. е. GCIl = GT -f G0T, и линия / — весу трактора без оборудования, т. е. Осц — GT. Соответственно в зоне А будем иметь Gct, = GT + G0T + Gor + + FB (здесь FB Ф 0 — проекция на вертикальную плоскость сил, растягивающих штоки гидроцилиндров, и усилия копания грунта). В большинстве случаев указанная зона соответствует принудительному выглублению отвала с преодолением веса Gor и силы, заглубляющей отвал FB Ф 0, возникающей при копании грунта. В зоне А трактор работает 50 % случаев при рабочем ходе бульдозера. Зона В отличается от зоны «Л» отсутствием силы FB, т. е. растягивающие усилия в штоках гидроцилиндров бульдозера больше нуля и меньше (равны) Gor, т. е. GT + G0T ■< GCn < GT + G0T + Зоны С и D характеризуются наличием сил, сжимающих штоки гидроцилиндров, причем в зоне С происходит компенсация веса бульдозерного оборудования, приходящегося на трактор при свободном положении отвала, т. е. GT < Gcn < GT + G01, а в зоне D сцепной вес снижается в сравнении с весом трактора без оборудования, т. е. Gcr( < GT. Видно,- что подавляющую долю времени (92 %) трактор работает в зонах Л и Б, когда происходит увеличение веса трактора в сравнении с его весом при свободном положении отвала на грунте (линия //). Были проведены также специальные исследования по отысканию экстремальных грунтов, для которых законы распределения отношений Gcn/Ga отличаются от рассмотренных (рис. 4.6). Было установлено, что при разработке пластичной глины (С = 7 ударов) определенного качества возникают значительные составляющие силы копания, заглубляющие отвал, при компенсации котерых возрастает сцепной вес агрегата (математическое ожидание Gcn/Ga-= 1,2). При разработке плотного грунта, находящегося на границе раз-рабатываемости грунтов тракторами исследуемого класса, математическое ожидание отношения Gcu/G„ осталось близким к единице, однако дисперсия распределения вероятностей сцепного веса значительно возросла. Необходимо иметь в виду, что приведенные на рис. 4.6 распределения вызваны сочетаниями качеств грунта, встречающимися достаточно редко, и их необходимо учитывать при прочностных расчетах тракторов, в то время как тяговые расчеты должны базироваться на распределении, приведенном на рис. 4.5. Поскольку при взаимодействии рабочего оборудования с грунтом вертикальные усилия приложены не в центре тяжести трактора, то они, кроме изменения сцепного веса, искажают случайным образом и эпюру давлений движителя на грунт (рис. 4.7). Изменения сцепного веса и давлений движителя на грунт в процессе работы влияют на показатели тяговой характеристики, в частности, изменяются зависимость коэффициента буксования от тягового усилия и сопротивление передвижению по сравнению с теми же зависимостями при стационарной нагрузке. Однако это влияние для указанных составляющих проявляется несколько по-разному. Если в первом случае (буксование) количественная мера изменений мало зависит от грунтовых условий, то для сопротивления_передвижению качества грунта играют решающую роль. Так, при одинаковой определенной догрузке трактора силами резания с соответствующим Рис. 4.7. Распределение вероятностей смещения х центра давления трактора Т-130 относительно центра опорной поверхности:
о,г
0,1
1,11— центр давления трактора соответственно без оборудования, с бульдозерным оборудованием
<!) 1 1/ 0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 Бп/£а Рис. 4.6. Распределение вероятностей f отношений GCIl/Ga при работе трактора Т-130 с бульдозерным оборудованием на экстремальных грунтах: 1 — плотный грунт с включением щебня; С — 12-т- 20 ударов, 6Сц/6'а = °>98; 2 — пастичная глина, С — в-f- 8, ^Сц/^а~ 1 > 1 9 сдвигом центра давления движителя на грунт вперед коэффициент сопротивления передвижению увеличивается в 3 раза на легком грунте при образовании значительной колеи (исследования А. И. Бру-сенцева) и только на 30—50 % на плотном грунте, где колея практически не образовывалась. Указанные факторы говорят о том, что в расчетах необходимо принимать эти данные с учетом всего диапазона грунтовых условий, встречающихся при эксплуатации трактора, или определенные на грунтах типичных для условий эксплуатации. Аналитическое детерминированное описание зависимости показателей функций буксования или сопротивления передвижению от изменения эпюры давлений при случайной тяговой нагрузке в сочетании с таким же описанием изменения сцепного веса представляет исключительные трудности, и реальное решение задачи целесообразно осуществлять при совокупном рассмотрении всех указанных и других факторов (продольные и поперечные крены, неравномерная плотность грунта и т. п.), определяющих случайные изменения функций буксования и сопротивления передвижению. При этом функции сопротивления передвижению и буксования будут представлять собой корреляционные поля, описываемые соответствующими линиями регрессии. Необходимо отметить, что применительно к промышленным тракторам к моменту проведения настоящих исследований не полностью была решена задача аналитического описания рассматриваемых функций при постоянном сцепном весе, эпюре давлений и стационарной тяговой нагрузке, что ставит перед нами комплексную задачу по описанию указанных характеристик движителя при стационарном и случайном нагружении. 4.4. СОПРОТИВЛЕНИЕ ПЕРЕДВИЖЕНИЮ В общем случае усилие сопротивления передвижению принято рассматривать как сумму трех слагаемых [13, 20]: Pf — Рц~{~ Рг~\~ Рт> где Ра— потери усилия на прессование грунта; Рг— потери усилия в шарнирах неведущих ветвей гусениц, опорных и поддерживающих катках, не зависящие от тягового усилия; Рвк — потери усилия в зацеплении ведущих колес с гусеницами и в шарнирах ведущих ветвей гусениц, зависящие от тягового усилия. В литературе существуют различные толкования о том, какие потери усилия следует отнести к потерям в гусеничном движителе, а какие — к сопротивлению передвижения. Как правило, сопротивлением передвижению принято считать сумму Рп и Рг. Экспериментально определить только (Рп + Рг) в реальных условиях трудно, поэтому в сопротивление передвижению кроме этой суммы включают и другие виды потерь усилия, число которых зависит от метода испытаний. В частности, при широко распространенном методе ! о-т 10 8 10 12 vs,Km/h буксировки испытываемого трактора тягачом сопротивление передвижению Pf — Рп “Ь ~\~ Рвк Рт> где Рт — потери тягового усилия в трансмиссии при буксировке (от ведущего колеса до выключенного фрикционного элемента). Аналогично при измерении тягового усилия тензометрированием одного из валов трансмиссии при движении трактора без нагрузки будут измерять также сумму указанных четырех слагаемых с той лишь разницей, что Рт будут обусловлены потерями в трансмиссии при определенной нагрузке. При этом значения Рт могут быть определены с достаточной степенью точности. Рис. 4.8. Зависимость коэффициента сопротивления передвижению от действительной скорости трактора: / - CD8; 2 - ТМ-4АП 3 — ТМ-220; 4 — D9G 5 — Т-220; 6 — Т-330 7 — Т-220; 8 — Т-330 9 — Т-4АП2 с усовершенствованной ходовой системой; 10 — ТМ-220; 11 — Т-4АП2
0,100
ом
0,050
Под сопротивлением передвижению будем понимать сумму Ра + + Рг + РВк- Для решения задач, которые сводятся к определению Ркр при известном Рк, это допущение не является существен--ным и может быть принято. При стандартных испытаниях тракторов сопротивление передвижению определяют буксированием испытуемого трактора тягачом с различной скоростью и получают зависимость коэффициента сопротивления /0 передвижению от действительной скорости уд (рис. 4.8). С увеличением скорости сопротивление передвижению для всех тракторов увеличивается по линейному или близкому к нему закону примерно с одним темпом. В среднем увеличение скорости с 3 до 10 км/ч влечет за собой увеличение сопротивления передвижению на 20 %. Абсолютные значения коэффициента сопротивления передвижению при данных значениях скорости находятся в диапазоне /с = 0,06-f-0,12. Разброс абсолютных значений объясняется различным состоянием грунтовой дорожки при проведении испытаний и особенностями конструкции ходовой системы трактора. При другом способе определения применяют динамометрические ведущие колеса или элементы заднего моста. В этом случае трактор передвигается или без нагрузки на крюке и на осциллографе происходит запись крутящего момента, который затем пересчитывают в тяговое усилие, или загрузочным устройством обеспечивают требуемое тяговое усилие на крюке. Рис. 4.9. Зависимость коэффициент сопротивления передвижению от действительной скорости трактора: 1 и 2 — передвижение при РКГ), равном 120 кН и 0; 3 — буксировка
Этот способ обеспечивает получение результатов, которые ближе к результатам, получаемым при реальной эксплуатации, когда трактор работает с определенной нагрузкой на крюке. Однако и этот способ не воссоздает полной картины. Наиболее реальные значения Pf могут быть получены при непосредственном замере в процессе работы трактора с дорожно-строительным агрегатом Рк и Ркр и определении мгновенных значений Pf при синхронном замере других показателей работы трактора — vn ид и б. В связи с этим комплекс сравнительных исследований, выполненных на тракторе ТЭМП-2, включал в себя определение сопротивления передвижению тремя способами: при буксировке; при движении и записи на ленту осциллографа значений крутящего момента на полуосях заднего' моста с последующим определением усилия сопротивления передвижению без нагрузки и с нагрузкой на крюке; при работе с бульдозерным оборудованием непосредственно при разработке грунта. На первой стадии исследования проводили на укатанной глинистой дорожке с горизонтальной поверхностью. Нагрузка на крюке обеспечивалась динамометрической тележкой. На тракторе был установлен бульдозер, толкающие брусья которого находились в горизонтальном положении. Буксирный трос крепили к специальному кронштейну, установленному на прицепной скобе, что обеспечивало линию действия тормозящего усилия на минимальной высоте у опорной поверхности. В результате было установлено, что абсолютные значения сопротивления передвижению (рис. 4.9) минимальны при транспортировании трактора буксировкой. При тензометрической записи крутящего момента без приложения нагрузки на крюке сопротивление передвижению увеличилось примерно на 20—30 %. Интересно отметить, что построенные зависимости располагаются почти эквидистантно, т. е. абсолютная разница сопротивлений передвижению, полученных различными способами, не меняется с увеличением скорости, вследствие чего относительная их разница уменьшается. Подобное явление объясняется следующим образом. При определении Pf путем тензометрирования ведущих колес увеличивается слагаемое Рък, причем чем больше нагрузка на крюке, тем больше РВК) поскольку абсолютные потери усилия в зацеплении движителя и его ведущих ветвях возрастают. При этом относительные потери, выражаемые отношением тягового усилия на крюке к касательному, с ростом этих усилий будут уменьшаться, а КПД движителя — повышаться.
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 унр
0,16 0,14 0,12 0,10
var
0,08
P.
По результатам проведенной серии испытаний были получены зависимости коэффициента сопротивления передвижению от тягового усилия на крюке при различных скоростях движения (рис. 4.10). С ростом Рк р при = = const сопротивление передвижению Pf увеличивается чала постепенно (примерно на 20 % при увеличении , кр от 0 до 120 кН), что объясняется увеличением Рвк, а затем резко, что вызвано дополнительным увеличением Рп. Рост последнего обусловлен появлением дополнительных потерь на прессование грунта при интенсивном буксовании трактора. При Ркр = = 120 кН буксование а составляет 10 %, а при Ркр = 180-f-200 кН наступает полное буксование. Именно в диапазоне Якр = 120 ч-4-220 кН и происходит резкое нарастание Pf. Это нарастание соизмеримо с увеличением тягового усилия на крюке и, следовательно, относительные потери в этом случае не уменьшаются, а остаются на прежнем уровне. Так, отношение Ркр к Рк при Ркр = 120 кН и Ркр = 190 кН постоянно и составляет 0,87. Естественно, что действительная скорость в диапазоне Рк = 1204-190 кН вследствие буксования снижается по сравнению с рд, значения которой указаны на ряс. 4.9. Кривая 3 (см. рис. 4.10) была получена по результатам испытаний трактора с двигателем мощностью 150 кВт, что вызвало взаимное изменение скорости и тягового усилия в исследуемом диапазоне Ркр. Например, увеличение Pf (см. рис. 4.10, кривая 3) при значениях Ркр меньше 30—40 кН объясняется увеличением скорости при этом, а меньшие значения Pf при Ркр больше 50—60 кН — уменьшением скорости. Таким образом, можно сказать, что применяя метод буксировки, получаем значения Pf на 15—25 % меньшие Pfy соответствующих рабочему диапазону тяговых усилий промышленного трактора. Увеличение скорости для всех значений Ркр вызывает рост сопротивления передвижению Pf с темпом, равным 3—5 % на 1 км/ч действительной скорости в диапазоне от 2 до 10 км/ч, что соответствует результатам, полученным при исследованиях сельскохозяйственных тракторов. На второй стадии исследования проводили при разработке бульдозером стандартных траншей длиной 40 м с отсыпкой грунта в кавальер на суглинистом грунте плотностью 6—11 ударов плотномера ДорНИИ. Исследования включали движение трактора с поднятым отвалом бульдозера по днищу траншеи с неровностями, оставлен-
1 и 2 — 4 и 6 км/ч; 3 — v
Д
Рис. 4.10. Зависимость коэффициента сопротивления передвижению от тягового усилия на крюке при скорости движения ид:
Ifi5 ti 0,15 0,2 0,25 0,3 fc ' 0J)5 0,1 0^5 0,2 0,25 OJfc ' a)    6) Рис. 4,11. Распределение вероятностей / сопротивления передвижению Pf при работе трактора в траншее: а — при РКр = 0; б — с бульдозерным оборудованием Ркр = var; 1,2, 3 — при соответственно равной 150; 243; 35Э кВт ными при копании грунта, а также при работе с бульдозерным оборудованием. Одновременно фиксировали касательное тяговое усилие и тяговое усилие на крюке. Для проведения исследований была разработана аппаратура, позволяющая измерять параллельную продольной оси трактора составляющую толкающих усилий левого и правого брусьев. При этом сопротивление передвижению Pf = — Pr Ркр- Исследованиями установлено, что при движении трактора по днищу траншеи диапазон изменения Pf составляет от 6 до 50 кН (рис. 4.11), однако 80 % случаев соответствуют Pf = Ю-т-30 кН (fc = 0,056-7-0,17). При работе трактора с бульдозерным оборудованием увеличивается сопротивление передвижению (табл. 4.2). 4.2. Результаты исследования сопротивления передвижению трактора Ne, кВт Од, км/ч Ne, кВт 1>д, км/ч По дорожке у Рк р = 0 По днищу траншеи, Рк р = По дорожке, Ркр = 120 кН Работа с бульдозерным оборудованием Так, среднее значение /с для трактора с двигателем мощностью Ne = 150 кВт составляет 0,135, что на 20 % больше /с при Ркр = 0; при мощности 243 кВт эта разница составила 30 %, а при 350 кВт — 40 %. При определении коэффициента сопротивления передвижению сопротивление передвижению Pf делилось на массу агрегата (трактор с бульдозером) без учета изменения его сцепного веса вследствие наличия вертикальной составляющей. Сопротивление передвижению при работе под нагрузкой изменяется от 6 до 50 кН, как и в случае Ркр = 0, однако дисперсия и коэффициент вариации выше. Во время работы трактора с бульдозерным оборудованием коэффициент /с изменяется от 0,03 до 0,3 (в 80 % случаев Pf = 14 4-4-38 кН). Так, для тракторов с энергонасыщенностью 5,5—6,6 кВт/т в 80 % случаев при работе с бульдозерным оборудованием /с = = 0,064-0,2 при среднем значении 0,135. При всех способах определения сопротивления передвижению с увеличением скорости сопротивление передвижению увеличивается, однако темп увеличения при разных способах определения неодинаков. При работе с бульдозером средние значения Pf как функции средней скорости растут быстрее, чем при других способах определения Р/. Так, увеличение средней скорости с 2,66 до 7,01 км/ч, т. е. в 2,5 раза, повлекло за собой увеличение Pf от 24 до 32 кН, т. е. на 35 % (в других случаях это увеличение составляет примерно 20 %). Быстрое увеличение Pf можно объяснить следующим. При работе с бульдозером на повышенных скоростях водитель интенсивнее работает отвалом, в результате чего создаются вертикальные переменные нагрузки, днище траншеи менее ровное, трактор работает со значительными ускорениями. Все это дает дополнительный прирост к обычному увеличению сопротивления передвижению при уве- * личении скорости. Таким образом, реальные потери тягового усилия на передвижение хотя и могут достигать больших значений (до /с = 0,3), в среднем выше полученных при тяговых испытаниях буксировкой на 50—60 %, а полученных тензометрированием ведущих колес с нагрузкой на крюке — на 30—40 %. Воспользуемся принятым в статистической динамике методом и будем представлять сопротивление передвижению как линию регрессии корреляционных полей в функции основных доминирующих переменных: тягового усилия и скорости. Изучение указанных корреляционных полей позволило установить, что линия регрессии удовлетворительно описывается выражением Фкшах Фк
/с =/«[! -0,375(1 Эмпирические функции fm и С зависят от vT: fm = 0,15 —|— 0, lvT; I С = 0,08 -J- 0,0035ут. J Для упрощения расчетов можно пользоваться    следующей матрицей: 1>г, км...................... О—4    4—8 8—16 fm........................ 0,18    0,24 0,3 С........................ 0,16    0,22 0,28 Для определения коэффициента сопротивления передвижению на транспортных работах и при холостых пробегах на плотных суглинистых дорогах справедлива формула /с = 0,055 +0,0024ут. При работе трактора в агрегате с бульдозером или рыхлителем математическое ожидание следует принимать /с = 0,1 -4-0,15 при скоростях до 4 км/ч. Сопротивление передвижению скреперного агрегата определяется как сумма сопротивлений передвижению трактора и скрепера: Pfa = — Р ft -f- Рfc- Дополнив это уравнение сопротивлением движению на уклонах с углом а, имеем Pfa — f<fii -f- /с.    GT (К -|- 1) sin а или, переходя к удельным показателям, Рfa/Gт — fa — /с ~Ь /с. сК (К -f- 1) Sin а, где к — отношение веса скрепера к весу трактора, К = GC/GT. Выполненный корреляционный анализ по отечественным и зарубежным скреперам показал, что коэффициент К с корреляционным отношением 0,88 для порожнего скрепера равен 0,5; для груженого скрепера — 1,53. Для изучения вопроса о сопротивлении передвижению применительно к колесному скреперу был собран статистический материал по значению fco для прицепных скреперов, самоходных скреперов и колесных тракторов при скоростях движения от 2 до 10 км/ч, а также рассмотрены результаты исследований, выполненных Г. В. Аникиным, применительно к скреперному агрегату на базе трактора Т-100М [25]. По результатам проведенного анализа приняли в качестве среднего значения fcc = 0,039. На основании выполненных исследований, а также изучения распределения вероятностей /с по результатам тяговых и других видов испытаний гусеничных тракторов было установлено, что на плотных суглинистых дорожках математическое ожидание fc = 0,0755. Таким образом, без учета движения на уклонах коэффициент сопротивления движению агрегата для груженого скрепера /с. а = = 0,0755 + 1,53 0,039 = 0,137. При равной вероятности движения трактора на подъем и под уклон можно считать полученное значение /с. а математическим ожиданием нормального распределения суммарного сопротивления передвижению, учитывающего движение на уклонах. Принимая /с. а распределенной в пределах 6а, определим граничные значения нормального распределения. При движении на Рис. 4.12. Нормальные законы распреде- / лений вероятностей fa для различных ^ Фк шах -1,2 -Ofi -0,4 О 0,H 0,8 1,2 fа
подъем предельные значения /с, а 2о ограничиваются продольной устойчивостью трактора, или бук- 15 сованием движителей.^ Причем ' последнее ограничение будет зависеть от сцепных свойств трактора, т. е. срк тах, которая в свою очередь является функцией грунта. Учитывая, что подавляющее большинство тракторов работают на склонах с углами, не превышающими ±25°, определим предельный Фк пред = /с. а ПО УСТОЙЧИВОСТИ: Фк пред = 0,137 + (1,53 + 1) sin 25°- 1,187. Поскольку фктах практически для всех грунтов заведомо меньше полученной, то она является единственным ограничением суммарного сопротивления движению скреперного агрегата. Следовательно, для всего диапазона грунтовых условий суммарное сопротивление будет являться семейством нормальных законов с границей ±Фкшах (рис. 4.12), т. е. /(/„) = —i_e    , где Mf = 0,137; с f — 0,038 (8,76фк шах !)• Вероятность проявления каждого из этих законов эквивалентна ВерОЯТНОСТИ фКтах- 4.5. БУКСОВАНИЕ ДВИЖИТЕЛЯ Буксование промышленного трактора оказывает значительное влияние на его тяговую характеристику и тем самым на энергетический баланс, энергетический потенциал производительности и непосредственно на производительность агрегата. В отличие от гусеничного сельскохозяйственного трактора, для которого средний коэффициент буксования в процессе рабочего элемента цикла составляет 2—10 %, для промышленного трактора 6 = 104-30 % при значительной вероятности работы с 8 >30 %. Исследовали буксование трактора при постоянных и случайных сцепном весе и тяговой нагрузке. На первой стадии исследований была поставлена задача получения эмпирического выражения коэффициента буксования при стационарной тяговой нагрузке. Для получения аналитического выражения буксования в процессе исследований было изучено более 50 тяговых характеристик гусеничных и колесных тракторов, работающих на супеси, суглинке и других грунтах (рис. 4.13). Рис.^4.13. Зависимость коэффициента буксования б от коэффициента сцепления фкр для гусеничных тракторов, работающих а — на легких грунтах: 1 — ДТ-75МР (С = 14- 3); 2 — Т-130 (С = 1); 3 — ND-7G (С = = 230); 4 —- D8 (С = 2); 5 — Т-100 (стерня озимой пшеницы); 6 — CD8 (С = 3-т-5); б — на плотных грунтах; 1 — ДТ-75МР (суглинок, С — 11); 2 — Т-180 (суглинок, С = 6-т-7); 3и— НД-7в «Аллис—Чалмерс» (суглинок, С = 12); 4 — ДЭТ-250 (суглинок, С = 5-Ь 7); 5Ь— ТЭМП-2 (суглинок, С = 124-20); 6 — С-200 «Комацу» (С = 64-8); 7 — D9G, без оборудования (суглинок, С = 54- 10); 8 — Т-200 (многолетняя залежь люцерны); 9 — Т-330 (суглинок, С — 74-11); 10 — Т-4АП1 без оборудования (суглинок, С = 64-11); 11 — D9G с оборудованием (суглинок, С = 54-10); 12 — ТМ-4АП (суглинок, С = 64-11); 13 — Т-130 (суглинок, С = 44-12) Если максимальное тяговое усилие развивается не при полном буксовании, а при буксовании, равном 20—40 %, то характеристика б (фкр) продолжена параллельно оси ординат от точки <рКтах-Из рис. 4.13 видно, что фкртах оказывает влияние не только на пределы кривой, но и на вид функции: крутизна кривых увеличивается для более плотных грунтов с большими значениями фвртах (это увеличение незначительно). При выводе формулы для расчета коэффициента буксования за основу брали экспериментальные точки для каждого трактора и по этим точкам строили кривые, выражаемые зависимостью 6 = 1 — ( !---р22—V, \    Фкр шах / где а — параметр формулы. Чтобы можно было пользоваться полученным выражением для расчета линий регрессии корреляционных полей б (<ркр) при случайном характере нагружения, параметр а представили как функцию не только фкртах» которая может меняться вследствие динамики нагружения, но и как [функцию фкршах (постоянный для данного грунта предельный коэффициент сцепления при стопроцентном буксовании). Тогда    _ а = ±У 1 — Фкртах_ ^ А г    Фкр max где К — коэффициент, зависящий oi агрегатирования трактора. Затем описывали характеристики буксования при непостоянных сцепном весе и центре давления на грунт. Зависимость б (фкр) при случайном нагружении представляет собой корреляционное поле, ., fc ■ fc: "ТУ 0,8 1,0 <рк *) 0,8 %0 фн 6) Рис. 4.15. Кривые буксования при работе бульдозером (динамическая характеристика) и тяговых испытаниях (статическая характеристика для ТЭМП-2, Ne = 150 кВт): а, б — соответственно первая, вторая серия испытаний; 1,2 — границы корреляционных полей и линии регрессии; 3 — статическая характеристика
0,6
0,6
правая граница которого ориентировочно совпадает с кривой буксования при постоянном сцепном весе и работе на том же грунте (рис. 4.14). Однако некоторые значения <ркр в динамике превышают статические при тех же 6. Такие случаи соответствуют или относительно небольшим значениям коэффициента буксования, или коэффициенту буксования, близкому к 100 %. В первом случае это явление объясняется в основном движением по микроуклонам, наличием участков плотного грунта, а также относительно низкой точностью замеров б в динамике. Второй случай обусловлен в основном нарушением устойчивости движения трактора при больших тяговых усилиях и неравномерной нагрузкой, прижимающей агрегат к грунту (такая сила возникает при выглублении отвала, которое является средством выхода из состояния полного буксования). В диапазоне б от 7 до 40 % корреляционное поле б (Ркр) соответствует меньшим значениям Ркр, чем при стационарной нагрузке. Это свойство корреляционного поля наиболее существенно отличает его от кривой буксования при стационарной нагрузке. Для статических тяговых характеристик, полученных при испытаниях гусеничных тракторов без навесного оборудования, коэффициент К = 1,8-4-2. Для характеристик, полученных при испытаниях тракторов с бульдозером при торможении с нагрузкой, приложенной к отвалу, К. = 2-J-3. В среднем для универсальных расчетов коэффициент К может быть принят равным 2. В общем виде коэффициент буксования при статической и случайной нагрузках    ,--- 0,05 1/ 1+90-■ § __ j _ / j__Фкр_\ '    фкртах V Фкртах — Дфкр / 4 Гинзбург Ю, В.    .    97
•« • 4 ► •• ► .••и 1 • • 50 60 70 80 90 100 Рк,кН j_I 0,3 ом 0,5 0,6 0,7 0,8 (рн
Рис. 4.14. Зависимость коэффициента буксования от тягового усилия Рк на ведущих колесах при случайном (точки) и постоянном (кривая) сцепном весе
При расчете статической характеристики Д<ркр = 0, а динами* ческой Дфкр = 0,07. При тяговых расчетах коэффициент буксования: для постоянного сцепного веса 6 " 1 (1 Фкр/Фкртах)®'*^* для переменного сцепного веса б = 1 — (1 - ф„р/фкртах)0’15. В последнем случае необходимо для одних и тех же грунтовых условий подставлять значение. фкршах, уменьшенное на 0,07. Данные эмпирические выражения имеют высокую сходимость с экспериментальными кривыми буксования гусеничных тракторов, полученными при тяговых испытаниях. Рассмотрим полученное выражение в качестве уравнения линий регрессии корреляционных полей (рис. 4.15). Корреляционное отношение для построенных кривых (экспериментальные точки на рисунке не показаны) составляет 0,58 ... 0,65 при расчете кривых до значений б = 30 %. Заштрихованная зона описывает доверительный интервал, при доверительной вероятности 0,95. На рис. 4.15 сплошными линиями показаны кривые 3 буксования для статического характера вертикальной нагрузки. Видно, что линии регрессии 2 отличаются от них более пологим характером протекания и меньшим на 0,05-т-0,07 значением фкршах- Чем меньше ф„ргаах. тем больше отличаются кривые при статическом и случайном характере сцепного веса и тем более пологой является последняя. Это явление полностью соответствует экспериментам, проведенным на относительно слабых грунтах, и объясняется тем, что роль факторов, искажающих характеристику при Ga = = const, в этом случае проявляется ярче, чем на более плотных грунтах. Вообще в зависимости от типа движителя, показателей характеристики грунта и других факторов разброс экспериментальных точек и соответственно интервал доверительной вероятности, а также пологость кривой б (фкр) при Ga = var может изменяться, однако осредненные условия выражаются предлагаемой формулой достаточно точно. Полученные аналитические выражения удовлетворительно описывают характеристики буксования гусеничных тракторов при стационарном и динамическом нагружении в широком диапазоне фкр тах, выражены относительно б и имеют только один параметр фкршах. определяемый по приведенным в разделе 5.3 выражениям как функция параметров движителя и распространенных характеристик грунта — числа ударов С плотномера ДорНИИ и числа пластичности Wn. Кривая буксования колесного трактора отличается наличием иногда существенного значения б при нулевом значении Ркр. В связи с этим на базе полученной была выведена формула для описания буксования колесных тракторов в зависимости от коэффициента

Рис. 4.16. Распределение вероятностей / коэффициентов буксования б на рабочем ходу трактора в агрегате с бульдозером: а — ТПМ-4; б — ТМ-4АП; 1,2,3 — при работе соответственно на среднем суглинке (б = 21), супеси (5 = 18,4), плотном суглинке (Ь = 17); 4 и 5 — Ne = 96 и 81 кВт, б — 33,2 и 19,7; 6 — с двигателем постоянной мощности, б = 26,7 сцепления фк (отношения касательного тягового усилия к массе трактора): б = 1 — /1 — —) 4 Фкшах \    Фк max / Эта формула удовлетворительно описывает буксование колесных тракторов в широком диапазоне грунтовых условий при Ga = const и имеет высокую сходимость с экспериментальными данными [7, 29]. В процессе выполнения рабочего элемента цикла агрегата тяговое усилие трактора непрерывно изменяется, вследствие чего коэффициент буксования б — случайная величина, описываемая двухмодальным распределением, первая вершина которого — при б = 0—10 %, а вторая — при б = 60-И00 % (рис. 4.16). Между указанными вершинами находится зона примерно равномерной плотности, для которой б мало отличается и имеет довольно малую вероятность. Около 20 % времени трактор работает с буксованием от 0 до 5 %, 30—35 % времени — с буксованием от 5 до 12 %, около 20 % времени — с буксованием от 12 до 60 % и остальное время (20—30 %) — с буксованием свыше 60 %. За рабочий элемент цикла б = Ю-г-30 %. При этом параметры распределения вероятностей практически не зависят от массы трактора, типа его ходовой системы, типа трансмиссии (при условии обеспечения тягового усилия «по сцеплению»), вида грунта и обусловливаются стилем работы водителя, технологией разработки грунта и, в определенной мере, конструкцией и параметрами системы управления навесным и прицепным оборудованием. Различные сцепные свойства трактора, определяемые его движителем и сцепным весом, проявляются не при изменении среднего б, а при изменении среднего <рк при данном б. При этом необходимо учитывать динамический характер нагружения при работе трактора в агрегате. Так, по статической тяговой характеристике б = Ю-гЗО % примерно соответствует <рк = 0,8-г 1,1; в действительности же при работе в агрегате ф„ = 0,5-г0,7. 4.6. ТЯГОВАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТРАКТОРА ПРИ УЧЕТЕ СЛУЧАЙНЫХ ВНЕШНИХ НАГРУЗОК Работа трактора в агрегате е рабочим оборудованием описы-зается энергобалансом третьего вида. Однако для описания тяговой характеристики в этом случае можно воспользоваться энергобалансом второго вида. Составляющие энергобаланса этого вида характеризуются мощностью, которая может быть рассчитана на базе детерминированных аналитических выражений, описывающих линию регрессии корреляционных полей зависимостей при случайных значениях сцепного веса и мощности, потребляемой гидроприводом управления рабочим оборудованием N& (Ркр), Nf (Ркр, От), Nrn(Ne). Сюда же относят потери мощности, принимаемые постоянными для тяговой характеристики при стационарной и случайной нагрузках. Это потери мощности в гидротрансформаторе при его наибольшем КПД и в механической части трансмиссии, выражаемые как доля Ne. Возможны следующие варианты экспериментально-расчетного метода построения тяговой характеристики трактора при случайных нагрузках: первый — характеристику рассчитывают принятыми в теории трактора методами с определением Pf и б по формулам для случайных нагрузок, приведенным в разделах 4.4 и 4.5; во РНр,кН Рис* 4.17. Потенциальная характеристика и энергетический баланс эталонного трактора: а — при стационарной нагрузке; б — при случайном сцепном весе; / и // — трактор с ГМТ и МТ; А^гд — отбор мощности на гидропривод; А^гт, NM — потери мощности в гидротранс* форматоре и механические Рис. 4.18. Распределение вероятностей f частоты вращения яд коленчатого вала двигателя трактора: а — Т-4АП2; ТМ-4АП; б — ДТ-75МП; 1 — Т-4АП2 с Ne = 96 кВт; лд = 1696; 2 — ТМ-4АП с ДПМ, й_ = 1435; 3 — в агрегате с бульдозером, л_ = 1685; 4 — в агрегате со скрепером, йд = 1721 об мин второй — проводят тяговые испытания трактора при ряде зна-чений сцепного веса, после чего искомые значения NKV и другие определяют осреднением полученных с учетом вероятности каждого значения сцепного веса (см. рис. 4.5, в); третий — при работе агрегата фиксируют мгновенные значения NKр и других параметров и рассчитывают линии регрессии их корреляционных полей. Из сравнения тяговых характеристик (рис. 4.17, I) трактора с массой системы 10 т на грунте, обеспечивающем при стационарной нагрузке ф„гаах = 0,95, видно, что тяговая характеристика, имеющая место при случайной нагрузке, значительно отличается от стационарной (максимальный условный тяговый КПД меньше в 1,35 раза). Одновременно изменяется характер зависимости NKp (Ркр), которая приобретает значительный участок NK„ = const. При работе трактора с реальной МТУ к рассмотренным составляющим добавляется недоиспользование мощности двигателя, которое зависит в основном от следующих четырех факторов: скоростной характеристики, прозрачности трансмиссии, тягового фактора и тяговой нагрузки. Первые три фактора являются конструктивными параметрами трактора, а последний является случайной величиной или случайной функцией. Изменение тягового усилия вызывает изменение частоты вращения коленчатого вала двигателя с соответствующим снижением мощности в сравнении с ее максимальным значением при номинальной частоте вращения. В большинстве случаев распределение вероятностей частоты вращения коленчатого вала двигателя является одномодальным с отрицательной асимметрией и наибольшей вероятностью в окрестностях максимальной мощности двигателя при правильно подобранном тяговом факторе (рис. 4.18). Для трактора с ГМТ распределение вероятностей частоты вращения коленчатого вала двигателя имеет меньшую дисперсию, практически все сосредоточено в окрестностях номинальной частоты вращения (при правильно подобранном тяговом факторе), что и обусловливает более высокий коэффициент использования мощности 4.3. Показатели работы двигателя на тракторах с ГМТ Трактор, агрегат Nе, кВт Лн* об/мин "д’ об/мин "д lNe ТПМ-4, бульдозер (средний сугли ТПМ-4, бульдозер, (плотный сугли ТЭМП-1, бульдозер ТЭМП-2, бульдо зер (1 серия ис пытаний) ТЭМП-2, бульдозер Двигателя — от 0,86 до 0,985 % (табл. 4.3). Для тракторов с обычным дизелем и МТ коэффициент использования мощности двигателя Кз — 0,65—0,8, что зависит от оптимального тягового фактора для данных грунтовых условий и других обстоятельств (табл. 4.4). Наиболее существенное влияние на скоростной режим и использование мощности двигателя оказывает тяговый фактор. Так, при работе трактора ТМ-4АП на оптимальной IV передаче математическое ожидание частоты вращения вала двигателя практически совпадает с частотой вращения вала при максимальной мощности двигателя, а коэффициент К3 = 0,815. При работе на пониженной III передаче математическое ожидание пя увеличилось и соответствует работе двигателя по регуляторной ветви скоростной характеристики с коэффициентом /С3 = 0.66.J При переходе на повышенную передачу режим работы двигателя изменился (стал ближе к режиму работы при максимальном крутящем моменте), а Ка стал равен 0,776. Значительно увеличивается коэффициент Ка (до 0,9—0,92) при использовании ДПМ. При этом математическое ожидание частоты вращения вала двигателя находится близко к ее номинальному значению. Для трактора с ГМТ К3 = 0,864-0,935, т. е. примерно в 1,1—1,2 раза выше, чем Кз двигателя, работающего с МТ. При случайном нагружении в переменном режиме работает гидротрансформатор. При этом передаточное отношение распределяется по одномодальному симметричному закону с математическим ожиданием и наибольшей вероятностью, соответствующими (при правильно выбранном тяговом факторе) максимальному КПД гидротрансформатора на режиме трансформации. Режим работы гидротрансформатора и двигателя может быть радикально изменен при работе трактора с неоптимальными тяговыми факторами. Так, при работе трактора ТПМ-4 (см. табл. 4.3) на разработке плотного суглинка на оптимальной III передаче 1ГТ = 0,79, при переходе на низкую передачу — увеличилось, ггт = = 0,82, а при работе на высшей передаче /гт = 0,69, с соответствующим изменением режима работы двигателя и уменьшением коэффициента загрузки двигателя с 0,9 до 0,86. Составляющие энергобаланса третьего вида, обусловленные неравномерной скоростью поступательно движущихся и вращающихся масс трактора, оценим на примере трактора ТЭМП-2 при трех мощностях двигателя. МТУ трактора состоит из двигателя ЯМЗ и трансмиссионной части серийного трактора Т-180. Моменты инерции некоторых наиболее важных узлов и деталей приведены в табл. 4.5. Если на трактор установить ГМТ, то к моментам инерции маховика и муфты сцепления следует добавить момент инерции насосного колеса, а к моментам инерции остальных узлов — момент инерции турбинного колеса гидротрансформатора. При проведении анализа воспользуемся понятием среднего ускорения валов, которое рассчитано следующим образом. Из сово- 4.4. Показатели работы двигателя тракторов с механической трансмиссией Трактор, агрегат об/мин об/мин "д lNe ДТ-75МП, бульдозер
ДТ-75, бульдозер
ДТ-75МП с ДМП,
бульдозер
ТМ-4АП, бульдозер
ТМ-4АП с ДМП, буль
дозер
Т-4АП2, бульдозер
ТЭМП-1, бульдозер
ТЭМП-2, бульдозер
4.5. Приведенные моменты инерции узлов МТУ трактора ТЭМП-2
Передачи
Узлы МТУ
Маховик двигателя Муфта сцепления
13 370,4 2,215 7497,2
4254.7 2,215
2690.7 2,215
Передачи
Узлы МТУ
Первичный вал КП в сборе
Промежуточный вал КП в сборе
Вторичный вал КП в сборе
Шестерни главной передачи
Планетарный механизм поворота (один)
Ведущее колесо (одно)
5.4 0,0045
5.4 0,0143
Примечание: В числителе — момент инерции, приведенный к двигателю, в знаменателе — к ведущему колесу.
купности ускорений исключены ускорения точек с равномерным движением и найдены средние ускорения или замедления по формулам
— е = (1/я) Е — е; +е = (1/%) J]+8,
1    I
где п, пх — число замеров при замедлении и ускорении.
Для достаточно длинных дистанций разработки грунта интеграл ускорений равен или близок к нулю и средние замедления и ускорения оказываются близки между собой, что дает возможность в практике пользоваться одной из них (воспользуемся средним замедлением). Кроме того, будем рассматривать предельные' ускорения, встречающиеся при работе трактора. При известных средних и предельных ускорениях можно рассчитать среднюю и предельную мощность на изменение угловой скорости по известным в теории трактора и автомобиля формулам. Рассчитанные изложенным способом показатели приведены в табл. 4.6.
Видно, что для трактора с обычной энергонасыщенностью среднее ускорение двигателя составляет 6,1 и 4,7 1/с2 для МТ и ГМТ соответственно. При этом предельные ускорения в том и другом случае примерно в два раза больше средних. Среднее значение мощности составляет 5,19 и 4,1 кВт при МТ и ГМТ, что соответствует 3,4 и 2,7 % от Ne.
Предельная мощность составляет 9,7 и 6,4 % от Ne, однако вероятность ее появления достаточно мала (1 % случаев). Таким образом, при первых приближениях мощностью на изменение угловой скорости вращения коленчатого вала двигателя можно пре-4.6. Ускорения и мощности на изменение угловых скоростей МТУ
трактора ТЭМП-2
Средние
Максимальные
ускорение,
мощность,
ускорение,
мощность,
15,0/— 25,0/— 32,0/—
14,55/— 29,3/— 45,8/—
22,54/6,44
25,05/8,34
Примечание. Для трактора с МТ приведены данные для коленчатого вала двигателя, а для трактора с ГМТ в числителе приведены данные для коленчатого вала двигателя, в знаменателе — для турбинного колеса гидротрансформатора.
4.7. Ускорения, тяговые усилия и мощность, необходимые для изменения поступательной скорости трактора ТЭМП-2
Мощности двигателя, кВт
Показатели
Среднее, м/с2: ускорение +/ замедление —/ Максимальное, м/с2: ускорение +/ замедление —/ Инерционная составляющая тягового усилия Pj при ускорении, кН: средняя максимальная Мощность Nj при ускорении, кВт: средняя максимальная
0,155/0,116
0,166/0,116
20,775/20,775
22,63/33,95
0,215/0,244
0,23/0,269
5,95/6,76 7 27,7/27,7
7,86/10,07
0,275/0,316
0,275/0,316
1,5/1,5 1,5/1,5
7,617/3,753
41,55/41,55
13,64/17,56
113,15/124,4
П р и м е ч а теле — с ГМТ.
н и е. В числителе приведены данные для трактора
с МТ, в знамена-
небречь, в особенности для тракторов с ГМТ. Учет же этого фактора дает более точную картину, особенно на коротких по времени рабочих ходах.
Однако ситуация меняется по мере наращивания энергонасыщенности. Для трактора с МТ при мощности двигателя Ne = 350 кВт уже только средняя мощность на изменение частоты вращения вала двигателя составляет 6 % от мощности двигателя, а максимальная — до 13 %. Для трактора с ГМТ она значительно ниже и составляет
Рис. 4.19. Распределение    /
вероятностей / линейного    д и
ускорения трактора ТЭМП-2    7 с ГМТ:    д,3 U 2,3 — при ЛГ = 150; 243J 350 кВт    0,2 2,7 и 7,15 % соответ- О ственно. Следовательно, при увеличении энерго- о,з насыщенности выше д i 6 кВт на 1 т массы аг- ’ регата учитывать дина- ' мику при работе дви- 0 гателя необходимо для трактора с МТ и же- 0,2 лательно для трактора я/ с ГМТ.    д

Что касается дина- -j,м/с21,5 1 о,5 о о,5 1 1,5+j,M/^ мики работы] турбинного колеса для МТУ с ГМТ, то следует сказать, что несмотря на значительно большие, чем для двигателя, ускорения вследствие малого момента инерции приведенных к валу турбинного колеса масс, средняя и предельная мощности на изменение частоты его вращения незначительны. Мощность на изменение линейной скорости для трактора данной массы является функцией линейных ускорений /. Ускорения и замедления существенных различий не имеют (табл. 4.7), поэтому расчеты тяговых усилий и мощностей выполнены для ускорений. Это также обусловлено большей массой агрегата вследствие массы призмы, которая при расчетах принята постоянной и равной 9800 кг. Ускорения и мощность определяются энергонасыщенностью агрегата (табл. 4.7, рис. 4.19). Среднее ускорение трактора с двигателем Ne = 150 кВт составляет 0,116—0,155 м/с2. Соответственно средняя инерционная составляющая тягового усилия в процентах к весу трактора с бульдозером составляет 1,9—2,57 % или выраженное как <ркр; = 0,019-f--i-0,027. Предельные ускорения вызывают фкр^ = 0,116, что соответствует 18—21 % от фкр. Эта цифра является уже довольно значительной, однако вероятность ее появления не превышает 1 %. __ Соответственно средняя инерционная составляющая мощности Nj = 2,7 — 3,8 кВт или 1,8—2,5 % от максимальной мощности двигателя. (Исследования, выполненные на ряде тракторов, показали, что линейные ускорения для трактора с обычной энёргонасыщен-ностью 5,9—7,3 кВт на 1 т массы агрегата распределяются, как правило, в диапазоне j — ±1 м/с2, причем основную часть времени (80—90 %) трактор работает с ускорением / = ±0,25 и инерционное тяговое усилие не превышает 3 % от веса агрегата.) При мощности двигателя Ne = 243 и Ne — 350 кВт средняя инерционная составляющая тягового усилия, отнесенная к весу трактора, составляет (fKpj = 0,033-=-0,038 и фкру = 0,0425-f-0,049 соответственно. В процентах от фкр при рабочем элементе цикла указанные величины уже составят 5—6,9% для Ne — 243 кВт и 6,5—8,9% для Ne — 350 кВт. Или в процентах от соответствующей мощности на крюке — 6,2—8,2 % для Ne = 243 кВт и 7,8 — 10 % для Ne = 350 кВт. Трактор мощностью 150 кВт работает в диапазоне / = ±0,75 м/с2 при 90 % вероятности работы с ускорениями / = ±0,25 м/с2. Около 5 % времени трактор движется без ускорений. Увеличение мощности до 243 кВт и 350 кВт вызывает увеличение границ диапазона соответственно до / = ±1 м/с2 и j — ±1,5 м/с2. Причем вероятность работы с / = ±0,25 м/с2 снижается до 65 % при Ne — 243 кВт и до 50% при Л/е=350 кВт, а движение без ускорения практически исчезает. Масса бульдозерного агрегата фактически имеет различное значение при ускорении и замедлении. Так, в первом случае масса будет состоять из непосредственно массы агрегата и массы грунтовой призмы, накопленной перед отвалом. Масса тп призмы является сложной функцией параметров трактора, агрегата и свойств грунта и изменяется от нуля при начале движения до некоторой предельной массы т0, ограниченной емкостью рабочего органа при достаточной дистанции набора грунта. Проведенные исследования показали, что для использования в математических моделях возможно сделать допущение, что масса призмы является линейной функцией времени набора, тп = = т0^иред, а предельная масса призмы составляет долю от эксплуатационной массы трактора т0 = Knj/Пг- Для бульдозерного агрегата в среднем /пр д = 12 с, для скреперного — 60 с, а коэффициент призмы /СПр = 0,5 и /Спр = 1,53 соответственно. Математические модели, предназначенные для уточненных исследований, включая исследования по энергонасыщенности, должны учитывать изменение призмы и массы агрегата при работе и инерционные составляющие мощности. Проведенные исследования позволили установить, что трактор с высокой энергонасыщенностью приобретает новые свойства при работе с бульдозерным оборудованием. Небольшие неровности, временные сопротивления, которые вызывают у трактора обычной энергонасыщенности снижение действительной скорости, в результате снижения частоты вращения ведущих колес и повышения коэффициента буксования преодолеваются трактором повышенной энергонасыщенности вследствие инерционной составляющей тягового усилия. 4.7. ДВИЖЕНИЕ ТРАКТОРА НА ХОЛОСТОМ ХОДУ И ОСТАНОВКИ Скорость^холостого хода и время на остановки можно считать независимыми константами. Скорость холостого хода определяется не энергетическим балансом, а возможностью безопасно и эффек- Рис. 4.21. Распределение вероятностей суммы времени остановок трактора при работе с бульдозерным оборудованием: 1 и 2 — трактор соответственно с ГМТ и с МТ Рис. 4.20. Распределение вероятностей / скорости ухх холостого хода трактора в агрегате с бульдозером при испытаниях на техническую производительность: 1 — полужесткая подвеска; 2 — упругая и смешанная подвески
тивно управлять агрегатом и условиями труда водителя. В свою очередь эти условия зависят от типа подвески, обзорности, свойств грунтовой поверхности, погоды и других факторов. При испытаниях на техническую производительность около 60 тракторов (рис. 4.20) установлено, что для трактора с полужесткой и упругой подвесками скорость холостого хода при откате vxx распределяется в пределах соответственно 3—11 км/ч и 5—13 км/ч. При этом в первом случае наиболее вероятна работа в диапазоне ^хх = 6-ь8 км/ч, а во втором случае t»xx = 8-f-10 км/ч. Испытания на техническую производительность проводят в короткое время (от 40 мин до 1,5 ч), в течение которого водитель работает достаточно напряженно. При работе в течение смены скорость отката, как правило, дополнительно снижается. Для использования в математических моделях принята скорость fxx = 7-г-9 км/ч. Время остановок зависит от конструкции реверсивного механизма, квалификации и активности водителя. Для тракторов, имеющих трансмиссии с быстродействующим реверсивным механизмом (тракторы с ГМТ) при испытаниях суммарное время на две остановки распределялось в пределах Гост = l-f-б с, с наиболее вероятным значением Тост = 2-ьЗ с. Для тракторов с МТ (без быстродействующего реверсивного механизма) распределение вероятностей носит характер равномерной плотности в диапазоне Тост = 2-н9 с, причем меньшие значения соответствуют КП с шестернями постоянного зацепления, а большие — КП с переключением блоками шестерен (рис. 4.21). При расчетах принимаем Гост = 3 с для тракторов с ГМТ и Т’ост = 6 с для тракторов с МТ. ТЯГОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ ТРАКТОРОВ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ В процессе работы трактора его тяговое сопротивление непрерывно меняется и может рассматриваться как случайная функция. В теории под случайной функцией понимается функция, которая в результате опыта может принять тот или иной конкретный вид, неизвестный заранее [2, 24]. Очевидно, при фиксированном значении аргумента случайная функция превращается в случайную величину, поэтому в ней совмещаются оба эти понятия и в зависимости от задачи ее можно рассматривать тем или другим образом. Конкретный вид, принимаемый случайной функцией, называется реализацией функции, и в результате экспериментов получают семейство реализаций. В современной практике наиболее полно разработана теория стационарных случайных функций, т. е. функций, все вероятностные характеристики которых не зависят от сдвига аргумента, в нашем случае от времени [2, 24]. В связи с этим при изучении вероятностно-статистических характеристик случайной функции тягового О 8 16 24 31 М Чд 56 6Н 72 80 t,c Рис. 5.1. Реализация случайного процесса Рк (01при работе трактора по рабочему циклу бульдозера: 1 - TM2-330; 2 — ТМ1-330 сопротивления необходимо сделать одно допущение. Оно состоит в следующем. В принципе любой процесс изменения тягового усилия начинается и заканчивается с нестационарной стадии — разгона и остановки. Однако для промышленного трактора при малых скоростях движения и достаточно больших дистанциях разработки грунта указанные нестационарные стадии разгона d и замедления с процессов изменения тягового усилия не превышают 3—8 % времени рабочего элемента цикла (рис. 5.1), что дает основание исследовать стационарность процессов без указанных стадий. При изучении случайных процессов важнейшим условием является обеспечение объективности их описания, исключение использования результатов частных экспериментов в качестве объективных законов и определение сферы действия полученных результатов. В связи с этим был выполнен обширный комплекс экспериментальных исследований. 5.1. СЛУЧАЙНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ТЯГОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ НА ТРАКТОР КАК НА СТАТИЧЕСКУЮ СИСТЕМУ. ПАРАМЕТРЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕРОЯТНОСТЕЙ СЛУЧАЙНОЙ ВЕЛИЧИНЫ Основной характеристикой случайной величины является закон распределения, устанавливающий связь между возможными значениями этой величины и соответствующими им вероятностями [2]. Закон распределения, как правило, характеризуется моментами первого, второго, третьего и четвертого порядка — математическим ожиданием, дисперсией, асимметрией и эксцессом, а также модой. Следовательно, нашей задачей является нахождение распределений вероятности тягового сопротивления и их параметров в функции способа измерения тягового усилия при проведении экспериментов, конструкции трактора, технологических условий и других факторов. Сравнение распределений, полученных при различных перечисленных факторах, будем осуществлять на основании так называемой «нуль—гипотезы», в соответствии с которой исследуется расхождение средних значений случайной величины при желаемой надежности вывода, принятой равной 0,95. Критерием оценки является нормированная величина 2
t
к a Yl/«i + 1/«а ’ где Хъ Х2 — хматематическое ожидание величин из первой и второй выборок; пъ п2 — число точек в первой и второй выборках. Значение tR должно быть больше критического значения tKp при значительном расхождении распределений и меньше — при незначительном. Исследование процесса изменения тягового усилия проводят при помощи тензометрических измерений тягового усилия на крюке, или на ведущих колесах, в подавляющем большинстве случаев осуществляемых с помощью тензолабораторий, имеющих проводную связь с испытываемым трактором. Для установления влияния наличия проводной связи между трактором и передвижной тензолабора-торией на свободу действий водителя и параметры законов распределения тягового сопротивления были проведены специальные исследования, причем для обеспечения достаточного запаса прочности полученных результатов исследования проводили на тракторе ТЭМП-2 (Ne = 243 кВт) с повышенной энергонасыщенностью и, следовательно, скоростью, при которой влияние проводов должно сказываться значительно сильнее. Исследования заключались в сравнительной записи тягового усилия по проводам и по радио с применением телеметрической лаборатории. Проверка полученных распределений «нуль-гипотезой» показала, что распределения существенно не отличаются одно от другого (tK = 0,66 при /кр = 1,96). Указанный факт позволяет говорить о том, что полученные с помощью проводной связи реализации носят достаточно объективный характер и можно их использовать в качестве основы для обобщений. Другим важным вопросом, связанным с объективностью замеров, является изучение влияния стиля и приемов работы водителя при его достаточной квалификации и роль квалификации водителя. С этой целью сравнивались законы распределения, полученные на одном и том же тракторе в одинаковых условиях для трех высококвалифицированных водителей У, В и Е, одного средней квалификации И и одного низкой квалификации Р. При достаточно высокой и средней квалификациях водителя полигоны распределений вероятностей ср„ практически совпадают (tK = 0,55, /кр == 2,04), а водитель низкой квалификации не в состоянии обеспечить достаточного тягового усилия трактора и данному случаю соответствует полигон с меньшим математическим ожиданием (tK = 13, /кр = 1,96). Из этого следует вывод, что при достаточной квалификации водителя тяговая нагрузка носит также объективный характер. Не оказывает влияния на законы распределения вероятностей срк тип трансмиссии. Эксперименты, проведенные на тракторах с механической трансмиссией, включая обычный двигатель и двигатель постоянной мощности, гидромеханической трансмиссией и гидрообъемной трансмиссией по парным сериям на одном и том же тракторе с одним водителем и в одних условиях, показали несущественное различие в полигонах распределения (рис. 5.2). Однако при этом необходимым условием является, чтобы тяговое усилие трактора было ограничено не по двигателю, а по сцеплению, т. е. чтобы полное буксование трактора наступило раньше, чем остановка двигателя или стоповый режим гидротрансформатора. Исключение составляет эксперимент с ДПМ (tK = 3,09 при /кр = 1.9), что объясняется несколько различными свойствами грунта при испытаниях. При соблюдении этого условия на распределение вероятностей не влияет тяговый фактор (передаточное число трансмиссии). Было проделано большое число экспериментов на тракторах с различными типами трансмиссий, в процессе которых установлено достаточное сходство (tK = 0,£7-И,48, tKр = 1,96-5-2,04) полигонов распределений фк при различных тяговых факторах тракторов. 0,4 0,8 !0 0,4 0,8 <fK 0,4 0,8 ук
Рис. 5.2. Распределение { вероятностей f коэффициента сцепления <рк в за-висимости от типа транс- 9 f миссии трактора: 1 м2 — ТЭМП-2 с ГМТ и МТ; 0,2 3 и 4 — ТМ-4АП с ДПМ и МТ; 5 и 6 — ДТМ-75 с ГОТ
0,05
Существенно важным вопросом является вопрос о влиянии рабочей скорости на вероятностно-статистические характеристики тягового усилия. Проведенные на тракторах-макетах ТЭМП-1 и ТЭМП-2 исследования показали, что если по параметрам системы управления имеется возможность работать с соответствующей рабочей скоростью, то полигоны вероятностей в диапазоне исследуемых мощностей практически не отличаются один от другого (tA = 0,63-5-1,94, £кр = = 1,56-5-1,96). Изменения могут наступить в случае, например, несоответствия скоростей подъема и опускания отвала рабочей скорости трактора, несовершенства конструкции системы управления и т. п., однако характер этих изменений практически непредсказуем. Дело в том, что одни водители при этом будут работать, обеспечивая повышенные тяговые усилия трактора, подолгу буксуя на одном месте, другие, наоборот, будут стремиться недоиспользовать тяговое усилие трактора. Не оказывает существенного влияния на распределения вероятностей фк также масса трактора. Объясняется это тем, что в любом случае водитель, оперируя заглублением рабочего органа, стремится обеспечить повышенное тяговое усилие, которое ограничено лишь сцепными свойствами трактора на данном грунте. В соответствии с этим с увеличением массы трактора при одинаковых сцепных свойствах абсолютное тяговое усилие возрастает, а удельное на единицу сцепного веса — остается постоянным. Решающее влияние на характер и параметры законов распределения оказывают сцепные свойства трактора. Эти свойства определяются показателями двух групп: первая — конструкция и параметры движителя; вторая — свойства грунта, обусловливающие сцепление движителя. Законы f (фк) формируются независимо от того, какие показатели будут влиять на изменения сцепных свойств (рис. 5.3). Это положение было полностью подтверждено при проведении экспериментальных исследований. На первой стадии исследовали бульдозерный агрегат на базе трактора ДТ-75МП с двумя вариантами ходовой системы при разработке одного и того же грунта (суглинка средней плотности). В первом варианте направляющее колесо было приподнято над грунтом, как это имеет место на серийном тракторе ДТ-75МР, а во втором — опущено на грунт. Во втором варианте соответственно увеличилось математическое ожидание распределения вероятностей q>K и изменились остальные параметры этого распределения.


Рис. 5.3. Распределение вероятностей f коэффициента сцепления срк при различных сцепных свойствах трактора: / и 2 — ТПМ-4, суглинок, С — 6 и 10; 3 и 4 — ТЭМП-2, суглинок, С — 12 и 7; 5 и 6 — Т-330, суглинок, С = 20и5;7и5 — ДТ-75МП, с поднятым направляющим и опущенным колесом
Аналогичный эффект оказывает изменение свойств грунта при заданной конструкции ходового аппарата. Так, при увеличении плотности грунта по числу ударов С для одного и того же трактора увеличивается фк с соответствующим увеличением математического ожидания, дисперсии и изменением асимметрии и эксцесса при значениях tK — 5,73-^8,95 и 4р = 1,96-^2,04. Все приведенные распределения относятся к бульдозерному агрегату. Параллельно изучали законы распределений / (фк) для рыхли-тельного и скреперного агрегатов, для чего были поставлены специальные эксперименты, а также изучены материалы, полученные при испытаниях рыхлителей Ф. М. Дубровским. Результаты анализа представлены на рис. 5.4, из которого видно, что для большинства случаев математическое ожидание распределений фк = 0,3 4-0,5, что соответствует распределениям, имеющим место при работе бульдозера на достаточно слабых грунтах. Объясняется это тем, что рыхлителем разрабатывают в основном плотные мерзлые и скальные грунты, которые не могут быть разработаны бульдозером. На таких грунтах происходит неполное внедрение грунтозацепа, трактор обладает пониженными сцепными свойствами и распределение вероятностей сдвигается в зону меньших удельных тяговых усилий, Рис. 5.4. Распределение вероятностей / коэффициента сцепления <рк трактора при рыхлении грунта: 1 — ТМ1-330, скала; 2 —« ТМ2-330, скала; 3 — Т-130, мерзлый грунт; 4 —
Т-180, мерзлый грунт; 5 — С — 200, скала, 6 — ДЭТ-250, мерзлый грунт; 7 — Т-330, мерзлый грунт Картина может несколько меняться при благоприятном стечении обстоятельств (трактор Т-330). Такое стечение обстоятельств обусловлено тем, что более тяжелый трактор имеет повышенное давление на единицу площади гребня грунтозацепа, обеспечивающее внедрение грунтозацепа в мерзлый суглинок, который трактор в данном случае разрабатывал. Однако и при этом удельное тяговое усилие не становится больше, чем при разработке плотных грунтов бульдозерным агрегатом. Полученные законы распределения вероятностей для бульдозерного и рыхлительного агрегатов принципиально не отличаются один от другого. Аналогичный характер имеют распределения, полученные при наборе грунта скрепером при работе без толкача (рис. 5.5) и с тол-качем. Отмеченное сходство объясняется общей физической сущностью явления: во всех случаях водитель, выглубляя и заглубляя рабочий орган, стремится копать грунт с наибольшей стружкой (бульдозер, скрепер) или рыхлить с максимальной глубиной (рыхлитель), развивая при этом тяговое усилие, предельно возможное по сцеплению. Однако неравномерность плотности грунта по длине разработки, изменение центра давления в продольной и поперечной плоскостях, ошибки при управлении рабочим оборудованием приводят к вероятностному характеру тягового усилия, распределения которого описываются одномодальным законом с верхним пределом, соответствующим максимальному тяговому усилию, развиваемому трактором на данном грунте, т. е. с Рктах. Таким образом, решающее влияние на параметры закона распределения вероятностей тягового сопротивления оказывает сцепной вес агрегата и максимальный коэффициент сцепления фКтах- Другие показатели функции буксования влияния на параметры закона практически не оказывают. Несколько иная физическая основа процесса разработки грунта имеет место при вскрыше и планировании. При снятии, например, слоя чернозема с поверхности грунтовой площадки водитель не может заглубить отвал до величины, которая бы вызвала тяговое усилие, соответствующее повышенному буксованию, поскольку Рис. 5.5. Распределение вероятностей / коэффициента сцепления <рк при наборе грунта скрепером: 1 — Т-130 с МТ; 2 — ДТ-75МП при этом отвал начнет копать непосредственно грунт, лежащий под черноземным слоем, а это не входит в технологическую задачу, по-ставленную при вскрыше. В связи с этим копание осуществляют с небольшой стружкой, полная призма не набирается в результате рассыпания в боковые валки и трактор как бы недоиспользует тяговое усилие по сцеплению. Тяговое усилие по двигателю при этом может быть снижено в результате увеличения скорости при переключении на высшую передачу, если нет технологических ограничений по скорости, или может оставаться на прежнем уровне, если такие ограничения имеются. Однако и в рассмотренном случае в результате ошибок в управлении и других вышеуказанных причин имеет место распределение вероятностей, аналогичное распределению при копании грунта (рис. 5.6). Рис. 5.6. Распределение вероятностей / коэффициента сцепления фк трактора ТЭМП-2 {Ne = 150 кВт): 1 — при планировании; 2 — при_вскрыш-ных работах
Такой же вид имеет показанное на рис. 5.6 распределение при планировке (подготовке ровной площадки). Оба указанных распределения соответствуют распределениям при копании на мягком грунте и имеют уменьшенное математическое ожидание <рк. Часть из изученных распределений вероятностей в виде гистограмм показана на рис. 5.7, а параметры этих распределений приведены в табл. 5.1. На рис. 5.7 индексы 1, 2, 3, 4 соответствуют более легким грунтам, индексы 5, 6,7,8 — средним, а индексы 9, 10, 11, 12 — более плотным. Все гистограммы (см. рис. 5.7) являются одномодальными распределениями, левая граница которых совпадает с нулем, а правая изменяется в соответствии с изменением сцепных свойств. Одновременно с изменением правой границы изменяется математическое ожидание и дисперсия, которые увеличиваются при сдвиге правой границы в большую сторону. Естественно, что при этом меняется асимметрия гистограмм, которая для слабых грунтов имеет знак «плюс», а для плотных — знак «минус». В небольшой степени меняется также эксцесс, описывающий «крутость» распределения. Нетрудно заметить, что для средних грунтов асимметрия близка к нулю, что приближает полученные распределения к нормальным. 5.1. Параметры распределения <рк при работе с бульдозерным оборудованием для различных тракторов и грунтовых условий Порядковый номер, соответствующий индексам на рис. 5.7 Трактор Мощность, Тип грунта, число ударов С Матема тическое ожидание Дисперсия Скала ТМ-4АП ТЭМП-2 ТЭМП-1 Мерзлый грунт ТЭМП-2 Глина Из приведенного анализа следует, что необходимо математическое описание такого закона, у которого все указанные параметры, т. е. математическое ожидание, дисперсия, асимметрия и эксцесс, являлись бы функцией правой границы распределения, выражаемой для трактора с данной массой агрегата наибольшим коэффициентом сцепления <pKmax-
Л
7
ш
Л
!h
Ж
в
\
/
7
■л
N
й
ж
\
Ж
\
10
11

I
3
к
It
О О,г 0,4 0,6 0,8 1,0 ук 0,2 0,4 0,6 0,8 5РК 0,2 0,4 0,6 0,8^ 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 <fK
М
I
_
Рис. 5.7. Гистограммы распределения вероятностей <рк и соответствующие им обобщенные законы
Описание полученных гистограмм нормальным законом не дает должной сходимости для распределения вероятностей во всем диапазоне фктах, а может быть использовано только в середине указанного диапазона. Физическая сущность явления, заключающегося в том, что минимальные значения фк независимо от сцепных качеств трактора приближаются к нулю, объясняется ситуациями, при которых происходит потеря грунтовой призмы, трактор движется под микроуклон. Для получения действующих во всем диапазоне фк тах обобщенных законов распределения вероятностей фк был использован прием, применяемый в выводе логнормального закона распределения, когда нормально распределена не величина х, а величина логарифма, т. е. г — In х. В результате было получено выражение где Mz и аг — соответственно математическое ожидание и дисперсия распределения величины г. Для полученного закона были найдены аналитические выражения, описывающие Мг, <х2, МфК, а,рК в функции от фКШах- При этом каждая из полученных экспериментальных гистограмм с определенным значением фКтах описывалась законом / (ф„) с параметрами, обеспечивающими наилучшую сходимость закона с эмпирическим распределением по критерию %2, а затем найдена связь между М2 и az, которая была описана аналитическими выражениями: Mz = 0,8 (Фкшах - 0,78) [ 1 + е5'244 oz ~ 1,4 0,5фкшах. Аналогично определяли выражения, описывающие математическое ожидание и среднее квадратическое отклонение фк: МФк = 0,7825фкшах 0,218, <Ч = 0,1фкпмх + 0,068. Параметры распределения f (фк) при различных значениях фк тах (с шагом 0,05) следующие: Фкшах ... 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1,0 1,05 1,1 1,15 1,2 Л1фк.... 0,33 0,369 0,408 0,447 0,486 0,525 0,565 0,604 0,643 0,682 0,721 о<рк • • • • 0,138 0,143 0,148 0,153 0,158 0,163 0,168 0,173 0,178 0,183 0,188 При сравнении полученных теоретических кривых со статистическими распределениями по критериям согласия Колмогорова и Пирсона установлено, что во всех случаях имеет место схождение по критерию Колмогорова и в большинстве случаев — по критерию Пирсона (см. рис. 5.7). Таким образом, полученный закон достаточно объективно отражает реальные распределения вероятностей фк для бульдозерной Рис. 5.8. Расчетные обобщенные законы распределения вероятностей <рк: 1 — 14 — для всего диапазона Фк шах — 0,554-1,2 разработки грунтов всех видов, рыхления грунтов и операции набора грунта скреперным агрегатом. Ассамблея законов для всего исследуемого диапазона приведена на рис. 5.8. 5.2. СЛУЧАЙНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ТЯГОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ НА ТРАКТОР КАК НА ДИНАМИЧЕСКУЮ СИСТЕМУ. ПАРАМЕТРЫ СЛУЧАЙНОГО ПРОЦЕССА После получения законов / (<рк) и их параметров для дальнейшего изучения процесса изменения <рк необходимо перейти к изучению динамики процесса, т. е. к нахождению амплитудно-частотных характеристик случайной функции. В теории случайных функций частотная и амплитудная структура процесса оценивается корреляционной функцией р (t) и спектральной плотностью S (v) процесса, причем последняя характеристика не является самостоятельной, а полностью определяется параметрами первой при помощи разложения в ряды Фурье. Как известно, условиями стационарности процесса <рк (0 в широком смысле являются неизменность математического ожидания, дисперсии и корреляционной функции. Процесс <ркр (0 является нестационарной функцией даже npiH условии отбрасывания разгона и остановки, поскольку его математическое ожидание и дисперсия, как было показано в разделе 5.1, являются функцией <рк тах, распределенной по определенному закону. Однако для определения стационарности требование постоянства математического ожидания не является существенным, поскольку при наличии фк как функции фктах имеется возможность рассматривать центрированный случайный процесс для каждого вида
"МЛ
2- ' Ч 6 8 10 tc В)
Рис. 5.9. Нормированные корреляционные функции процесса <рк (/) (сплошные линии) и их аппроксимации (пунктирные линии) для тракторов:
а - ДТ-75МП; б - Т-4АП2; в — ТЭМП-2
-0,2
_ Л 7
грунта с определенным фк тах. При этом и дисперсия будет неизменной. Таким образом, при рассмотрении процесса <рк (f) для каждого значения фк тах первые два условия — постоянство математического ожидания и дисперсии — выполняются и необходимо наличие третьего условия — постоянства корреляционной функции. Проверка стационарности по третьему условию может быть основана на сравнении корреляционных функций разных реализаций или разных участков одной и той же реализации. Для промышленного трактора имеется достаточно четко выраженная длина реализации, обусловленная дистанцией разработки грунта, которая сама по себе невелика, поэтому примем за минимальный неделимый отрезок процесса реализацию, соответствующую длине разработки грунта около 40 м. Такая реализация имеет длительность от 40 до 70 с. Проведенные исследования показали, что при меньшем, чем 40 с времени реализации характер корреляционной функции является нестабильным и такая реализация не может быть принята за информационную при исследованиях. Функции р (t) примерно одинаковы для всех трех рассмотренных тракторов (рис. 5.9) и легко аппроксимируются аналитическим выражением р(/) = е—“t ^ I cos    (5.1) где а, Р — постоянные коэффициенты, подбираемые по методу наименьших квадратов. В дальнейшем будем пользоваться аппроксимирующим функции уравнением (5.1). Случайный процесс, заданный совокупностью п реализаций, может быть описан осредненными вероятностными характеристиками, для чего необходимо найти характеристики каждой из заданных реализаций, т. е. математическое ожидание МфК, Номер реализации Номер реализации Среднее значение дисперсию Dm и коэффициенты а и р, а затем выполнить их осреднение. В качестве примера рассмотрим указанную операцию применительно к трактору Т-4АП2 при работе с бульдозерным оборудованием иа суглинке средней плотности. Для 10 реализаций определим характеристики и выполним осреднение (табл. 5.2). Из табл. 5.2 видно, что имеет место некоторый разброс характеристик, вследствие чего, строго говоря, случайный процесс и для заданного грунта стационарным не является. Однако, принимая во внимание ограниченное число реализаций и наличие значительного элемента случайности, полученные отклонения от стационарности можно считать несущественными, что позволяет пользоваться для анализа функции при заданном <prtraax приемами, употребляемыми при анализе стационарных процессов. Осредненные корреляционные функции для Т-4АП2 и других тракторов приведены на рис. 5.10. Соответствующие нормированные спектральные плотности (см. рис. 5.10) рассчитаны по формуле 5Ф„ (v) = [ а2 + (v + + а2 + (v — Р)2 ‘ Характер полученных спектральных плотностей для исследуемых тракторов примерно одинаков и наибольшая дисперсия процесса соответствует частотам 0,05—0,8 Гц. Максимальное значение дисперсий находится на следующих частотах: 0,25 Гц—для трактора ДТ-75МП; 0,15—0,35 Гц—для трактора Т-4АП2 и 0,6 Гц — для трактора ТМ-4АП с ДПМ. Правая граница частот, при которой дисперсия на порядок ниже, чем максимальная, имеет следующее значение: для трактора ДТ-75МП — 2 Гц, Т-4АП2 — 1,6 Гц, ТМ-4АП с ДПМ — 1,8 Гц. При изучении амплитудно-частотных характеристик тягового сопротивления также анализировались данные, полученные Ф. М. Дубровским, С. Р. Зоробяном, Ю. И. Колесовым и другими исследователями. Считают, что основная мощность процесса с наибольшей дисперсией также сосредоточена в зоне частот 0,15—0,5 Гц, однако имеются корреляционные функции с очень пологим экстремумом, когда наибольшее значение дисперсий амплитуд растягивается в диапазоне 0,15—2 Гц. Указанное исключение составляют тракторы Т-130 с пониженным тяговым усилием на I передаче. По-видимому, а)
S)
г)

в)


0,8 0,6 0,4 0,2 ° 0,5 1,0 1,5 0,1/с 0,4 0,8 1,2 i),1/с 0,4 0,8 1,2 i), 1/с 0,4 0,8 1,2 0,1/с Рис. 5.10. Корреляционные функции р (/) 'и спектральные плотности S (v) процессов фк (/) для тракторов: а - ДТ-75МП (а = 0,3; р = 0,2); б - Т-4АП2, Ng = 81 кВт (а = 0,3; р = 0,35); в -Т-4АП2, ые= 96 кВт (а = 0,5; р = 0,24); г - Т-4АП2, ДПМ (а = 0,6; р = 0,65) в результате постоянной угрозы остановки двигателя имела место значительная высокочастотная составляющая. Проведенный анализ показывает, что полученный частотный спектр функций <рк (t) является ^объективной характеристикой, которая мало зависит от конструкции трактора. По результатам исследований было установлено, что основное влияние на частоту процесса оказывает скорость рабочего хода. Статистический анализ по некоторым промышленным тракторам показывает, что линия регрессии t0 (уд) снижается при увеличении рабочей скорости. Оценивая темп снижения зоны регрессии по линии регрессии, можно сказать, что частота, соответствующая максимальной амплитуде, смещается примерно прямо пропорционально ожиданию рабочей скорости. Это говорит о том, что рассмотрение спектрального состава процесса изменения тягового усилия или моментов сопротивления на валах моторно-трансмиссионной установки без привязки к рабочим скоростям является грубой ошибкой. Пользуясь известными в математической статистике методами, можно выделить и проанализировать частоты колебания, имеющие место в случайном процессе тягового сопротивления. Наиболее высокая частота в спектре тягового сопротивления первого порядка формируется в результате работы гусеничного зацепления. Колебания нагрузки с этой частотой не носят случайного характера и корре-лируются с характеристикой МТУ и движителя трактора, вследствие чего частота процесса <ркр (() может быть определена по формуле
где пвк, яд — частота вращения ведущих колес и вала двигателя, об/мин; гвк — число звеньев гусеницы, укладываемых за один оборот ведущего колеса; t3 — шаг звена гусеницы, м. Очевидно, что при равных скорости движения, частоте вращения вала двигателя и числе zBK частота колебаний процесса <ркр (/), вызванная гусеничным зацеплением, будет отличаться для тракторов с различными массами. Это объясняется тем, что с увеличением массы трактора передаточное число трансмиссии или шаг звена увеличивают пропорционально    при этом соответственно снижается частота изменения нагрузки при работе движителя. Следо-. вательно, искомая частота процесса <ркр (f) укладывается в диапазон v = 2,5ч-6 Гц при амплитуде ЛФк = (0,01-7-0,05) GT. Следующая по частоте составляющая второго порядка процесса Фкр (0 возникает при переезде препятствия опорными катками трактора и коррелируется с расстоянием между опорными катками, являющимся функцией массы трактора и действительной скоростью движения трактора. Частота указанного процесса может быть рассчитана по формуле v = ад/3,61к, где /к — расстояние между опорными катками. Во всем диапазоне рабочих скоростей и тяговых классов тракторов частота v составляет 1,5—3 Гц. Необходимо отметить, что указанная частота процесса имеет место далеко не на всех видах работ и грунтов. При работе, например, бульдозера гусеница следует по относительно ровной грунтовой поверхности, спланированной отвалом, и препятствия, формирующие рассмотренную частоту, отсутствуют. С другой стороны, тракторы с достаточно большим давлением на грунт продавливают большую часть грунтов и тогда умень- -шается до минимума или нуля амплитуда колебаний. Таким образом, рассмотренная частота процесса <ркр (t) характерна для тракторов малых тяговых классов при разработке плотных грунтов или для тракторов, производящих рыхление скальных пород, разработку мерзлых грунтов, т. е. на тех видах работ, где трактор движется по жесткому основанию. Колебания третьего порядка с частотой 0,25—1,5 Гц присутствуют в спектре частот тягового усилия у всех тракторов независимо от их конструкции и массы, а также видов и условий работ. Указанные частоты являются следствием: постоянной манипуляции отвалом бульдозера, зубом рыхлителя или положением ковша скрепера, вызывающей изменения глубины разработки грунта; неравномерной плотности грунта, как по сопротивляемости его копанию, так и по сцепным свойствам движителя; наезда отвалом на твердые включения в грунте или задеваний боковой кромки отвала за стенки траншеи; резкого изменения центра давления движителя и соответственно коэффициента сцепления в результате выглубления, заглубления или перекоса рабочего оборудования, а также продольных и поперечных кренов трактора. Амплитуда рассмотренных колебаний изменяется в значительных пределах ЛфИ = (0,1-т*0,6) GT. Следующую, более низкую по частоте составляющую четвертого порядка 0,15—0,5 Гц вызывают колебания тягового усилия, имеющие ту же физическую природу, что и предыдущие, но усугубленные следующим: грубыми ошибками при управлении оборудованием, когда, например, призма грунта потеряна и требуется несколько секунд, чтобы ее набрать снова; попаданием участков чрезмерно плотного грунта, на которых отвал бульдозера (зуб рыхлителя, ковш скрепера) не может заглубиться; наличием больших участков грунта повышенной плотности, с одной стороны, требующих значительных усилий резания, а, с другой стороны, обеспечивающих большое тяговое усилие и разрабатываемых при повышенном буксовании трактора; разработкой грунта с перекосом отвала бульдозера и одновременной компенсацией поворачиваемости трактора путем выключения одной из гусениц и другие случаи такого же плана. Амплитуда колебаний этого вида может быть очень значительной. Например, при невозможности заглубить, скажем, отвал бульдозера или зуб рыхлителя на ровном плотном грунте тяговое сопротивление будет определяться лишь силой трения оборудования о грунт, в то же время на участке плотного грунта при выглублении отвала возникает значительная вертикальная сила, прижимающая трактор к грунту, и может быть реализовано тяговое усилие, на 10—15 % превышающее сцепной вес агрегата. Так же, как и составляющая третьего порядка, рассмотренная составляющая присуща тракторам любой конструкции практически на всех видах работ. В некоторых случаях при работе бульдозерного агрегата может появляться пятая составляющая тягового сопротивления с частотой 0,05—0,01 Гц и периодом 10—20 с. Природа этих колебаний кроется в технологии работ бульдозерным оборудованием. Самым распространенным видом технологии является разработка грунта траншейным способом с последующей отсыпкой его в кавальер. В этом случае указанная низкочастотная составляющая почти никогда не имеет места. Отсутствует она также при планировании или снятии верхнего слоя грунта с какой-либо заданной площадки, наборе грунта скрепером и при работе рыхлителя. Однако может иметь место такой вид работ бульдозерным обору дованием, который связан с необходимостью вынуть грунт на одном участке и переместить его на другой, где, например, этот грунт экскаваторами грузят в автомобили. Такой технологии присущи два участка рабочего элемента цикла: копание и набор призмы, а затем ее транспортирование. Поскольку по технологическим условиям (например, необходимо не портить площадку) в процессе транспортирования не происходит подрезание и добор грунта, призма, рассыпаясь, доходит до какого-либо уровня, и сопротивление ее перемещению будет ниже усилия копания. Низкочастотная составляющая пятого порядка может возникнуть и при работе с дифференцированным уклоном, когда, например, копание грунта производят на горизонтальном участке, а транспортирование призмы грунта осуществляют под уклон, а также при так называемой работе в сброс, когда грунт набирают из резерва, Номер порядка Основные составляющие тягового сопротивления Ч астота V, Гц Период Т, с Амплитуда Лфк— Рк/°Т Звенчатость гусеничной цепи 0,15—0,4 0,01—0,05 Переезд препятствий катками 0,01—0,06 Манипуляции отвалом, неравномерность грунта Грубые ошибки в управлении, участки неразрабатываемого грунта 0,15—0,5 Переход с копания на транспортирование 0,15—0,35 а затем сбрасывают в выемки под откос, например, при рекультивации земель. Амплитуда низкочастотной составляющей изменяется в пределах ЛфК = (0,15 ~ 0,35) GT. При наличии низкочастотных колебаний пятого порядка процесс изменения <ркр будет нестационарным (и при условии заданного срк тах вследствие изменения математического ожидания или математического ожидания и дисперсии в пределах одной реализации, отражающей элемент рабочего хода. То же можно сказать применительно к коротким забоям, когда не набирают полную призму грунта, и к другим специфическим условиям. Такой вариант реализации не рассматривался при определении законов распределения вероятностей f (<рк) и спектральных плотностей, анализируемых в настоящем разделе, ввиду их достаточной нетипичности. Однако очевидно, что разрабатываемые математические модели должны позволять имитировать' и данный вид нагружения со ступенькой по математическому ожиданию. Деление частот на порядки (табл. 5.3) является весьма условным и может говорить о наиболее вероятных зонах, а не о четких границах каждой из частот. В соответствии с этим зависимость ЛФк (v) выглядит как достаточно широкая полоса, т. е. имеет место значительное перекрытие, где одной и той же амплитуде может соответствовать достаточно большой диапазон частот. Необходимо отметить, что исследуемые процессы фкр (за исключением частоты первого порядка) далеки от законов гармонического нагружения и практикуемое иногда представление функции <рк (t) в виде синусоидальных частотных гармоник является весьма грубым приближением. Указанное является следствием абсолютно случайных и многообразных явлений, формирующих колебания тягового сопротивления. Выполненный статистический анализ может служить основой для формирования типичной случайной функции <pK (t), которую будем называть эталонной. Очевидно, что такая функция должна Рис. 5.11. Корреляционная функция (а) и спектральная плотность (б) типичной реализации процесса cpK (t) иметь статистические характеристики, осредненные по результатам всего комплекса исследований тракторов различных марок при примерно равных значениях энергонасыщенности.
Для выполнения такого осреднения было получено распределение вероятностей коэффициентов аир корреляционной функции, найдены их математические ожидания и дисперсии, которым отвечают корреляционная функция и спектральная плотность, изображенные на рис. 5.11. Ввиду разброса аир приведенные характеристики являются средними для доверительного интервала, показанного на рисунке, при доверительной вероятности 0,95. Вопросы моделирования реализации, отвечающей осредненным статистическим характеристикам случайного процесса <рк (t), будут рассмотрены в параграфе 6.1. Очевидно, что математическое ожидание случайной функции совпадает с математическим ожиданием распределения вероятностей непрерывной случайной величины, которое (см. параграф 5.1), является функцией фКтах- В соответствии с этим ставится задача определения количественных функциональных связей между фкшах, с одной стороны, и конструкцией движителя и характеристиками грунта, с другой стороны, а также вероятностно-статистических характеристик указанных показателей. 5.3. ТЯГОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ КАК ФУНКЦИЯ СЦЕПНЫХ СВОЙСТВ ТРАКТОРА И СЛУЧАЙНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГРУНТА В настоящее время наиболее распространенной является теория сцепления гусеничного движителя с грунтом, которой придерживаются М. Г. Беккер [1], Г. А. Леонтьев [18], Д. А. Чудаков [31] и другие исследователи. В соответствии с этой теорией сцепление гусеницы с почвой происходит в результате сопротивления грунта сдвигу и действия сил трения, возникающих между кирпичиками грунта, вписанными в грунтозацепы, и грунтом при их относительном сдвиге. При этом максимальную силу тяги целесообразно [18] определять как сумму силы сопротивления сдвигу почвенного кирпичика, заложенного между грунтозацепами, и силы трения между грунтом, гребнями и боковинами грунтозацепов. Масса трактора считается равномерно распределенной по площади опорной поверхности гусеницы. Максимальное напряжение почвы определяют по формуле Кулона—Мора: Ттах = То + a tg ф,    (5.2) где х0 — коэффициент сдвига грунта; а — нормальное давление; ф — угол внутреннего трения. У сухих песчаных грунтов т0 = 0 и сопротивление сдвигу создается вследствие трения между частицами грунта, у пластичных грунтов — в результате сил сцепления между частицами. Почвы с промежуточной структурой сопротивляются сдвигу в результате наличия обоих указанных факторов. Коэффициенты т0 и tg ф определяют экспериментально измерением тшах при различных нормальных напряжениях о. Для определения касательного тягового усилия Рк тах трактора необходимо умножить правую часть формулы (5.2) на площадь сдвига и прибавить силу трения, возникающую на поверхности грунтозацепов с грунтом. Г. А. Леонтьевым предложена формула для определения максимального тягового усилия трактора: Ркшах == 2bLr0[(1 -|- 2hjb) — l,3il/L] -j- GT[(1 — H/L) -|- 0,64 (1 — iS/Lh) -j- arcctg -y-J tg ф -f- цЮт1/Ь, (5.3) где b — ширина гусеницы, м; L — длина опорной поверхности гусеницы, м; h — высота грунтозацепа, м; i — число грунтозацепов; I — ширина вершины грунтозацепа, м; S — боковая площадь грунтозацепа, м2; ц — коэффициент трения стали о грунт. Составляющие формулы (5.3) рассчитывали следующим образом: площадь сдвига, проходящая по вершинам грунтозацепов гусениц S0 = 2 (bL — ibt)\ боковая площадь сдвига Sx = 4 (hL — tS); сила нормального давления, действующая на боковую поверхность грунтовых кирпичиков, H, Р1 = 4JVy (L — iS/h); сила, распределенная по высоте почвенного кирпичика на единицу длины (формула Беккера), ^у = Ж/1агсс1§Т-- Использовать формулу (5.3) для практического решения данных задач не всегда возможно, так как во-первых, не всегда известны при тяговых расчетах промышленных тракторов на стадии проектирования точные размеры движителя, включая длину опорной поверхности и ширину вершины грунтозацепа; во-вторых, отсутствуют данные по коэффициентам т0 и tg <р для достаточно широкого спектра грунтов, на которых эксплуатируется трактор. В связи с этим от формулы Беккера—Леонтьева следует перейти к аналитическому выражению, в котором бы использовали минимальное количество аргументов, отражающих конструкцию и параметры движителя трактора, а также показатели грунтов. Первую часть задачи решали путем отыскивания корреляционных зависимостей параметров движителя b, L, h от массы трактора (см. гл. 1). Остальные параметры практически не зависят от массы трактора и могут быть приняты в среднем по результатам статистического анализа: h/b — 0,126; l/L = 0,005; i = 12,5; Lib = 4,91. Данные постоянные параметры не играют большой роли при нахождении Рктах, и некоторые отклонения при их определении существенно не скажутся на ее значении. Площадь боковой поверхности грунтозацепа рассчитывали как площадь трапеции с вершиной I и основанием 2,5/: S = h (/ +22,5/) = 1,75hi = КМ После подстановки полученных составляющих в формулу (5.3) и выполнения необходимых преобразований получено выражение для определения фктах в функции конструктивной массы трактора: Фк max == 48,63 т}=г т0 + 1,04 tg ф + 0,025.    (5.4) Из уравнения (5.4) следует, что кроме коэффициентов т0 и tg ф, сцепные свойства трактора зависят от его массы. Физическая сущность этого явления основана на переменном давлении тракторов, увеличивающемся с ростом массы трактора и выражаемом корреляционной формулой (с корреляционным отношением 0,9) = 1.75 (0,175 У1пк — 1). Исследуем, как влияет масса трактора на фктах при различных значениях т„ и tg ф. Проведем расчет фктах применительно к тракторам с конструктивной массой тк = 10—50 т для грунтов двух типов — суглинка и супеси (табл. 5.4). Видно, что при увеличении массы трактора в 5 раз фктах уменьшается на 14 % для супеси и на 23 % — для суглинка. Необходимо отметить, что результаты проведенных тяговых испытаний тракторов в указанном диапазоне масс тракторов на суглинистых грунтах не позволяют количественно подтвердить выполненные расчеты, хотя для тракторов с большой массой наблюдается небольшое уменьшение фк щах- 5.4. Значения фкшах при различных тк Г рунты Суглинок (С =0, т0 = 0, tg ф = 0,4) Супесь (С =6, т0 = 0,12, tg ф — 0,68) Ориентируясь на трактор со средним G„ = 200 кН, будем иметь расчетные отклонения по Рктах при GK = 100 кН и GK = 500 кН не более 10 %, что для решения поставленной задачи можно считать приемлемым. В этом случае формула (5.4) упростится и запишется: Фк шах = 1,75т0 -f 1.04 tg ф + 0,025.    (5.5) Дальнейшая задача сводится к определению зависимости т0 и tg ф от какого-либо широко принятого показателя грунта. В качестве такого показателя целесообразно принять предложенное А. Н. Зелениным число ударов плотномера ДорНИИ [14]. Фундаментальными работами А. Н. Зеленина установлено, что сопротивление резанию подавляющего большинства грунтов пропорционально числу ударов С динамического плотномера ДорНИИ (ударника ДорНИИ), которое используют как (ГОСТ 10792—75) классификационный критерий. А. Н. Зеленин предложил следующую классификацию грунтов: Категория грунта...... I    II    III    IV Число ударов С....... 1—4    5—8    9—15 16—34 Причем в зависимости от влажности в одну категорию могут попасть,. ‘скажем, глина и супесь, поскольку они будут иметь одно число ударов С и, следовательно, одно сопротивление разрушению. В работах Зеленина—Горовца [14] получена также номограмма, позволяющая найти для каждого грунта зависимость между числом ударов С и коэффициентами т„ и tg ф. Следовательно, предложенная А. Н. Зелениным характеристика грунтов наряду со своим первоначальным назначением — отражать сопротивление копанию — может быть использована для расчета сцепных свойств трактора. Однако зависимости т0 (С) и tg ф (С) однозначно выразить нельзя и в них введена дополнительная информация в виде числа пластичности Wn, описывающего характер грунта с точки зрения его пластичности: глина, суглинок, супесь, песок. Полученные А. Н. Зелениным статистические зависимости между числом ударов С, т0, tg ф, Wn были описаны нами аналитическими зависимостями, разрешенными относительно т0 и tg ф „ O.llWn no.oa(V„+5Q\    (5-6) 0 “ " Р^+ТЬ,5 1 п tgV = -p|=.(1_e-o.i35c) 129
5 Гинзбург Ю. В. При подстановке полученных зависимостей (5.6), (5.7) в формулу (5.5) получим формулу для определения фКШах как функции двух аргументов, характеризующих грунт (числа ударов С и числа пластичности №„): Фкшах = 1,75 -prfflfe- С°-013(г°+50> + 1,04р^(1 -е-о.135С) + + 0,025.    (5.8) При этом необходимо отметить, что полученную формулу (5.8) можно использовать для определения Фкшах при полностью погруженном грунтозацепе гусеницы, а, следовательно, до определенного значения С, так как при увеличении числа ударов С происходит рост фКтах ДО определенного предела, а затем фКШах снижается и далее стабилизируется, что характерно для случая, когда грунто-зацеп не внедряется вообще. Для определения практической зоны действия полученных расчетных зависимостей и их проверки был осуществлен комплекс экспериментов, заключающийся в проведении тяговых испытаний промышленных тракторов в различных грунтовых условиях, а также проведении специальных экспериментов с использованием трактора ТЭМП-2. Для этих экспериментов были подобраны грунты трех видов (песок, плотный суглинок и пластичная глина) с одним и тем-же числом ударов С = 6. На указанных грунтах осуществляли сдвиг трактора с заторможенными гусеницами через трос с динамометром другим трактором. При этом фиксировали максимальное усилие сдвига. Результаты исследований (рис. 5.12) показывают, что нарастание фКтах происходит для всех видов грунтов (т. е. для всего диапазона чисел пластичности) при изменении С от 2 до 8, далее рост ср« та, практически прекращается и фКШах не изменяется до С = 12. Это явление объясняется тем, что при работе на грунтах с С — 8-j-12 некоторое недозаглубление грунтозацепа компенсируется увеличением сцепных свойств грунта. При увеличении С > 12 имеет место только частичная компенсация и ф„ тах начинает снова уменьшаться до значений, соответствующих грунтам с С « 24. При таком грунте (С » 24) грунтозацеп уже не внедряется, и тогда значение фкп,ах становится равным значению коэффициента трения стали о грунт [х = 0,5-^0,6. При работе трактора на льду или мерзлом грунте этот коэффициент еще меньше. Таким образом, работа трактора на грунте с числом С > 12 (по фкшах и параметрам закона распределения вероятностей) эквивалентна работе на соответствующем грунте с С < 8. Кроме того, работа самого распространенного агрегата бульдозера осуществляется в основном на грунтах с С < 12, поскольку более плотный грунт отвалом бульдозера не может быть разработан. В соответствии с работами [14, 22] 90—95 % грунтов, на которых эксплуатируют дорожно-строительные машины на базе тракторов, имеют число С =1-7-12. В связи с изложенным целесообразно ограничить зону in А да1 W Фктах Рис. 5.12. Зависимости срк тах от числа ударов С для грунтов различного типа: --осредненные зависимости; /, //, ///, IV — соответственно для средней супеси, среднего суглинка, средней глины, плотной пластичной глины; треугольник — значения <pR шаХ) Ч 8 12 С, уд, а)
0 2 4 6 8 10 С, уд. 6) 0,05
0,8
полученные при тяговых испытаниях промышленных отечественных и зарубежных тракторов; заштрихованный прямоугольник — значения <рк тах, полученные при испытаниях трактора 0,1
ТЭМП-2 на грунтах с С — 6; 1 — песчаный грунт, 2 — плотный суглинок, 3 — плотная пластичная глина О 14 8 8 10 С,уд. 6) , ~Тт-|-г-|—_г-1 О Ч 12 20 28 С,уд. г) 12 18 24 С, у9 Рис. 5.13. Распределение вероятностей числа ударов С, определенное по работам ряда авторов
исследований максимальным числом С = 12 и именно в этой зоне уточнить связь фкшах с С и Wn. Исходя из выполненных уточнений, формулу (5.8), которая громоздка, можно за-
менить при принятых Си №п на эмпирическое выражение, дающее высокую сходимость с результатами экспериментов: Фктах-В [l -(i^l£)4]-    <5 9) где Л = 11,08 Н- 0,03ff'n; В = 0,56 + 0,0225^. Зависимости фк max (С), рассчитанные по формуле (5.9) и соответствующие четырем средним значениям WB для основных видов грунтов, показаны на рис. 5.12. Предельного значения фктах достигает для всех Wn при значениях С = 12. После получения зависимости между т0 и tg ф, а следовательно, между фктах с одной стороны, числом ударов С и числом пластичности Wn с другой стороны, можно перейти к вероятностно-статистическим характеристикам ф„тах на базе аналогичных характе-5*    131 ристик грунтовых условий эксплуатации тракторов. Отсюда наша задача сведется к первоначальному определению вероятностей появления грунта с тем или иным значением чисел Си Wa и к пересчету их через функцию Фкшах (С, №п) в плотность вероятности F (фкшах)- Исследования проводили применительно к различным грунтовым условиям, характерным для различных районов СССР. При этом для удобства дальнейшего анализа будем описывать предложенные вероятностные характеристики грунтов аналитическими законами, если описание характеристик исследователями не выполнено. Если исследователи описали характеристики грунтов, то следует принимать их. А. Н. Зеленин констатирует распределенность грунтов по С в диапазоне С — 1 12 без указания на вероятность появления того или иного вида грунта. Математически такое распределение может быть выражено законом равномерной плотности f (С) — const [14]. По результатам исследований, выполненных И. А. Недорезовым [22], предложена (для территории СССР) асимметричная гистограмма [22] (рис. 5.13, г), которая математически описана авторами данной книги законом Коши: f (с) = ~' (х _ Л4с)а + а*' Гистограмма также содержится в работах И. К- Растегаева, она авторами данной книги аппроксимирована нормальным законом (рис. 5.13, а) с соответственно подобранными параметрами. Для описания грунтов Северо-Западного района РСФСР предложен 3. Е. Гарбузовым логнормальный закон распределения вероятностей С (рис. 5.13, в): (In с—мс>» f{C]r=    е 2о’ . ’ Сос V 2п Для описания грунтов Казахской ССР Р. К- Кудайбергенов предложил закон Вейбулла (рис. 5.13, д) /(С) = w”C»-''tr»nca, где п = 1,4; ц = 0,069. На основании анализа эксплуатационных условий Центрального, Уральского и Западно-Сибирского районов РСФСР авторами данной книги для описания распределения С (рис. 5.13, б) был обоснован закон Рэлея [4]: /(С) = -£-е-да, где в = 7,34. Предлагаемые описания имеют много общего и сходятся в диапазоне распределения С = 1-5-12. Все авторы, кроме А. Н. Зеленина, предлагают одномодальные распределения с наибольшей вероят- Рис. 5.14. Распределение вероятностей величины С (a), Wu (б), фк П1ах (г) и зависимости Фктах от С (в) для различных грунтов: / — супесь, Wn = 4; II — суглинок, W = 13; III — средняя глина, Wn = = 24; IV — плотная, пластичная глина, 1^п = 28; заштрихована зона полигонов 12 вариантов f (Фк тах)
ностью С = 5-4-8. Рассмотренные результаты исследований можно обобщить, сгруппировав их в четыре варианта (рис. 5.14, а): 1)    закон Рэлея; 2)    закон равномерной плотности с параметрами Мс = 6, ас = 3, 46; 3)    нормальный закон с параметрами Мс= 7, <тс=2,33; 4)    закон Коши с параметрами Мс =6, а = 1,9. Число пластичности зависит от двух показателей (непосредственно пластических свойств материала и его влажности), которые вступают в определенные комбинации. Так, суглинок с большой влажностью может иметь Wn, соответствующую глине меньшей влажности, и т. д. Проанализированные данные по числу пластичности [14, 22] могут быть обобщены законами распределения вероят-. ностей f (W^) (рис. 5.14, б) трех видов:    _ d) нормальным, с математическим ожиданием Wn — 14; ё) нормальным, с математическим ожиданием Wa = 20; с) равномерной плотности, с пределами £ (4,27). Сочетание четырех вариантов распределения / (С) с тремя вариантами распределений f (lFn) приводит к 12 вариантам распределения F (фк шах) при постоянстве функции фк ша!£ (С, Wn) (табл. 5.5). Решение задачи синтеза распределения вероятностей F (фк гаах) на базе двух распределений f (С) и / (№„) при наличии функциональ- 5.5. Варианты распределения F (q>K шах) Варианты распределения вероятностей Wn Варианты распределения вероятностей С Номер вар ианта по табл. 5.5 Наиболее вероятное Фкшах Фкшах аФкшах Номер варианта табл. 5.5 Наиболее вероятное Фкшах Фкшах аФктах ной зависимости фкгаах (С, W'n), показанной на рис. 5.14, в, в аналитической форме представляет известные трудности, вследствие чего оно осуществлялось численным методом с применением ЭВМ. В частности, был использован метод Монте-Карло. В результате было получено 12 распределений (гистограмм) фКШах- Несмотря на различия законов / (С) и f (Wu), параметры полученных распределений фктах (табл. 5.6) и их форма весьма близки между собой. Полигоны 12 вариантов распределения фКтах соответствуют заштрихованной зоне (см. рис. 5.14), для которой концентрация плотности вероятности Фкшах = 0,7ч-1. Следовательно, расхождения в описании распределений С и практически не сказываются на параметрах распределения фКШах- Ассамблея полученных гистограмм фКшах удовлетворительно осредняетс'я законом Грамма—Шарлье (сплошная линия на рис. 5.14, г): F (фкшах) = О (фкшах) jl + “ М3Н3 + (Л14 — 3) Я4 + • • • | > где о (фкшах) — функция плотности нормального распределения; М3, — моменты третьего и четвертого порядка; Н3 = <р®ша, — Зфктах; #4 = Фктах — — 6<Рк max + 3- Из полученного закона следует, что около 80 % времени трактор работает при фКШах = 0,7-т-1,1, что является, по существу, общим диапазоном изменения максимальных тяговых усилий промышленного трактора. При этом наиболее вероятна работа трактора при фктах = 0,8-г-0,95 (при этом максимальное расхождение плотностей вероятности не превышает 5 %). Указанный диапазон ф„тах соответствует плотному суглинку с Wn да 20 и С да 4-г-7 или глинистому грунту с Wa да 24 и С да З-т-5. Эти грунты следует считать типичными для промышленных тракторов. Для того, чтобы выбрать один типичный вариант грунта, например, для определения номинального тягового усилия, следует учитывать дополнительные факторы (см. параграф 9.1). Таким образом, решена задача нахождения вероятности условий тягового сопротивления, выражаемых законом распределения вероятностей F (фкшах) или реализацией случайного процесса фк (t). рис. 5.15. Законы распределения веройт- f\ ностей / коэффициента сцепления фк во всем диапазоне фк тах-    * 0,2 0,4 0,8 0,8 1,0 <fK П
1 — осредненный; 2 — обобщенный На базе комбинаций законов 0,15 f (фк) и F (фк „их) были также получены осредненный и обобщенный законы распределения вероят- ’ ностей фк (рис. 5.15). Под осред-ненным законом в данном случае о,os понимается закон / (фк), который получен определением средневзвешенного аргумента фк при соответствующей вероятности /. Например, правая граница закона (при / = 0): 2J Фктах^ (здесь F—вероятность появления определенного значения фКтах)- Обобщенный закон является суммой всех принятых законов / (фк) с учетом доли появления каждого из них. Полученные вероятностно-статистические описания тягового сопротивления являются важнейшим компонентом при определении ЭПП трактора и выборе его тягово-скоростных показателей. Кроме того, полученные описания можно использовать при прочностных, тепловых и других видах расчета тракторов общего назначения, а также применять в качестве входной информации при стендовых и полевых испытаниях. Часто при некоторых исследованиях необходимо знать распределения вероятностей фк для каждой из передач того или иного' трактора. При агрегатировании трактора с бульдозером и рыхлителем для тракторов с ГМТ и МТ целёсообразно работать на I и II передачах и пренебрегать работой на других. Распределение вероятностей фк при работе трактора на указанных передачах определяется путем суммирования законов / (фк), соответствующих каждому значению Фкшах» с учетом вероятности их появления и целесообразной зоны использования каждой из передач (ориентировочно: трактор с ГМТ, I передача фКШах > 0,7, трактор с МТ, I передача фктах > 0,75 ч-4-0,8). Например, для трактора в агрегате с бульдозером и рыхлителем (три передачи при ГМТ и пять передач при МТ) вероятность работы трактора с ГМТ на I передаче составляет 86 %, на II —14 %, для трактора с МТ на I передаче —75 %, на II —25 % (рис. 5.16, кривая 2). При агрегатировании трактора со скрепером используется другой метод, который дает хорошую сходимость с результатами экспериментальных исследований. Для каждой из передач принимается нормальный закон распределения вероятностей / (фк) с математическим ожиданием фк = фкМ для трактора с ГМТ и фк = 0,85фкЛ- ©
0,2
<3>
0,2
0,4 0,0 a)
0,8 <fK
0,2 0,4 0,5 0,8 1,0 <рк S)
Рис. 5.16. Тяговые характеристики и распределения вероятностей <рк: а — для трактора с МТ; б — для трактора с ГМТ; 1 — безразмерная тяговая характеристика; 2,3 — распределение вероятностей f (Фк) при работе в бульдозерно'-рыхлительном агрегате, в скреперном агрегате I, II, III, IV, V — передачи для трактора с МТ (здесь фкЛГ — коэффициент сцепления при максимальной мощности на крюке) и средним квадратичным отклонением ^ _ фк max — фк а--з    , где фктах — максимальный коэффициент сцепления или по МТУ (столовый режим гидротрансформатора, максимальный крутящий момент вала двигателя), или по сцеплению (полное буксование движителей трактора). Отрицательные значения фк или Рк не учитывали, вследствие чего нормальный закон для ряда передач получает несколько асимметричный вид (см. рис. 5.16). В свою очередь вероятность работы трактора на каждойТиз передач определяют как нормированную плотность вероятностей значений математического ожидания ф„ на данной передаче по обобщенному (для всех передач) закону распределения вероятностей f (фк). Для рассмотренного выше примера (три передачи ГМТ и пять передач МТ) при агрегатировании трактора со скрепером вероятности работы на каждой из передач будут составлять: для трактора с ГМТ на I передаче — 19,6 %, на II —37,5 %, на III —42,9 %, для трактора с МТ на I передаче —7,7 %, на II —12,5 %, на III — 20,6 %, на IV —29,2 %, на V —30 %. 5.7. Доля времени, % работы трактора на передачах при агрегатировании с бульдозером, рыхлителем и скрепером Транс миссия Число передач Передача четыре
<<< Предыдущая страница  1  2    Следующая страница >>>


1 A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z 
А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я