ЭНЕРГОЕМКОСТЬ ПОВОРОТА ШАРНИРНО-СОЧЛЕНЕННОГО ТРЕЛЕВОЧНОГО ТРАКТОРА

 

Дроздовский Г.П., Шоль Н.Р. (УГТУ, г. Ухта, РФ)

 

Let's consider the problem power consumption of turn of forward section сочленного трелёвочного a tractor with wheel or колесно-caterpillar a running part on a firm surface and in a track of a deformable surface by criterion of a level of pressure of a hydroliquid in the servo-driver of system of turn of a tractor.

 

Рассмотрен поворот первой секции шарнирно-сочлененного трактора относительно второй грузовой секции, нагруженной весом перемещаемой древесины и содержащей развитую ходовую часть (колесно-гусеничную, двухосную колесную, гусеничную). Поворот секции осуществляется при помощи сервопривода (гидроцилиндров) связи секций относительно вертикального шарнира их сочленения. Несмотря на определенные недостатки, рассматриваемый способ поворота за счет "излома" положения секций в условиях лесосеки при наличии пороговых неровностей и скоростях движения до 12-16 км/ч является конструктивно более удачным по сравнению с другими способами поворота.

Рассматриваемая кинематическая схема положения секций в повороте соответствует кинематической схеме [1]. На рисунке 1 приведена расчетно-кинематическая схема изменения положения передней секции в повороте, ходовая система которой может быть колесной или колесно-гусеничной (тандем).

Для сравнения энергоемкости процесса поворота рассмотрены два вида условий поворота:

- поворот на твердой поверхности;

- поворот на деформируемой поверхности при образовании колеи.

Момент поворота М_п со стороны сервопривода относительно вертикальной оси О сочленения секций на угол α передней секции с учетом различного направления хода штоков бортовых гидроцилиндров определяем по формуле:

                                       (кН·м),                      (1)

где Р – давление гидрожидкости в гидроцилиндрах (МПа);

      В – расстояние между шарнирами крепления гидроцилиндров на передней секции (м);

      d_п – диаметр поршня гидроцилиндра (м);

      d_ш – диаметр штока гидроцилиндра (м);

      α – угол поворота передней секции (градус).

Давление гидрожидкости Р привода гидроцилиндров механизма поворота передней секции зависит от момента сопротивления повороту М_сп этой секции в зависимости от условий поворота и выбран в качестве критерия оценки энергоемкости процесса поворота.

Определение момента сопротивления повороту М_сп осуществлено для двух сравниваемых видов условий поворота.

Сопротивление сдвигу секции в бок по твердой поверхности определяется с учетом действия двух сил сопротивления повороту:

1) сила сопротивления упругой поперечной деформации шин передней секции, учитывающей боковую эластичность шин и приводящая к изменению их поперечного профиля [1]:

R_б = К_у·δ,

где К_у – коэффициент сопротивления поперечной деформации профиля шин при сдвиге ее в бок (кН/рад);

       δ – угол поперечной деформации профилей шин (рад).

  2) сила сопротивления трению ходовой системы о твердую поверхность при ее боковом смещении:

R_φ = G·φ_тр,

где G – сила веса передней секции (кН);

       φ_тр – коэффициент трения (бокового сцепления) ходовой системы о поверхность.

С учетом радиуса поворота С передней секции относительно точки О сочленения секций момент сопротивления ее повороту (сдвигу) равен:

М_сп = (R_б+R_φ)·C (кН·м)

Для поворота необходимо, чтобы М_п > М_сп, т.е. относительно критерия оценки энергоемкости поворота Р условие поворота определяется:

                                          Р >  (МПа)                         (2)

При повороте в колее на деформируемой поверхности согласно кинематике сдвига передней секции (рисунок 1) возникает дополнительная сила сопротивления повороту R_г (сдвиг призм грунта стенок колеи ходовой системой, заглубленной на глубину колеи).

Определим площади сегментов шин колес ходовой системы, воздействующих на стенки колеи при сдвиге их в бок в процессе поворота (рисунок 2).

Рисунок 1 – Схема действующих сил в повороте при колееобразовании	Рисунок 2 – Определение площади сегмента колеса

 

Площадь сегмента:

F_сегм = F_сект – F_треуг,

где F_сект – площадь сектора с углом 2γ;

      F_треуг – площадь треугольника АБВ.

Суммарная площадь сегментов двух колес передней секции равна:

,

или

 (м²).

Суммарная площадь сегментов четырех колес тандемных колесно-гусеничных движителях передней секции равна:

 (м²),

где r_к – динамический радиус ведущего колеса (м):

r_к = – λ_м·i_x·M_ен·φ_кр,

где  – радиус колеса в ведомом режиме при наличии вертикальной нагрузки 0,5G (м);

       i_x·M_ен – крутящий момент, подводимый к ведущему колесу (M_ен – номинальный крутящий момент двигателя; i_x – передаточное число трансмиссии привода колеса по передачам х);

       λ_м – коэффициент изменения радиуса качения колеса (шины) от передачи крутящего момента (радиальная деформация шины, м/Нм);

       φ_кр – коэффициент использования крутящего момента М_кр с учетом буксования;

       h – глубина колеи (м).

При повороте секции сегментами колес, находящимися в колее, оказывают удельное боковое давление q_б на стенки колеи от М_п, величину которого определяем как:

 (кН/м²),

где С – плечо приведения М_п к осям колес (радиус поворота передней секции).

Силу отпора грунта R_г при смещении стенок колес сегментами колес в повороте определим по формуле Кулона:

R_г = τ · ΣF_c,

где τ – удельное сопротивление грунта тангенциальному (боковому) сдвигу от колес (кН/м²):

τ = q_б · tgφ^° + C₀,

где С₀ и φ^° – прочностные параметры деформируемой поверхности, зависящие от показателя консистенции В_к грунта.

Откуда, с учетом коэффициента m_б (коэффициента пропорциональности между поперечными реакциями грунта и боковой нагрузкой q_б), получим:

 (кН)

или

                                               ,                                   (3)

где m_б = 0,4 ÷ 0,9 [1] – зависит от вида поверхности.

Суммарный момент сопротивления повороту SМ_СП в колее передней секции относительно точки О равен:

ΣМ_СП = (R_у + R_б + R_г) · C,

или

ΣМ_СП = G·φ_тр·С + К_у·δ·С + М_п·m_б·tgφ^° + C₀·C·m_б·ΣF_c (кН·м).

Условие выполнения поворота в колее:

М_п > ΣМ_СП или М_п(1 – m_б·tgφ^°) > G·φ_тр·С + К_у·δ·С + С₀·С·m_б·ΣF_с.

 

Откуда

М_п > .

Решая относительно критерия оценки энергоемкости поворота Р и подставляя выражения М_п и ΣF_с, получим:

       Р >  (МПа),           (4)

где для колесного трактора А = 90^º, К = 0,866; для тандема А = 45^º, К = 1,732.

Для расчета по формуле (4) необходима расшифровка параметров и коэффициентов. Прочностные параметры деформируемой поверхности с образованием колеи глубиной h, С₀ (кН/м²) и φ^° назначаются в зависимости от показателя консистенции состояния В_к. При В_к = 0,75 ÷ 1,0 (текучепластичное состояние) соответственно (С₀ – φ^°; глина, суглинок, супесь): 10 – 8°; 10 – 13^°; 2 – 18^°. При В_к = 0,5 ÷ 0,75 (пластичное состояние): 20 – 14^°; 15 – 17^°; 5 – 20^°. При В_к = 0,25 ÷ 0,5 (тугопластичное состояние): 40 – 18^°; 25 – 21^°; 10 – 24^°.

Глубину образуемой колеи h колесного движителя определяем, например, по формуле [2]:

 (м),

где G_к – вертикальная нагрузка на колесо (кН);

       b – ширина шины колеса (м);

       Е – модуль деформации грунта (МПа), по [1] для деформируемого грунта Е= 0,5 ÷ 5,0 МПа в зависимости от состава и влажности W% (для снега Е = 0,2 ÷ 4,0 МПа);

       m – модуль продольного расширения грунта, при В_к = 0,25 ÷ 0,5 m = 0,2 ÷ 0,25; при В_к = 0,5 ÷ 0,75 m = 0,3 ÷ 0,4; при В_к = 0,75 ÷ 1,0 m = 0,45 ÷ 0,5 [3].

Глубина колеи "h" от тандемного движителя определяется по выражению [2]:

h = C₁·b·x^0,385,

где x = l/b,

где l – длина гусеничного обвода в опорной зоне (м);

      b – ширина гусеничного обвода тандема (м);

      С₁ – безразмерный коэффициент, С₁ = q/[q_s] = G_т/(l·b·[q_s]) (G_т = 0,5 G – вертикальная нагрузка на тандем);

      [q_s] – несущая способность поверхности, зависит от ее состава, В_к, влажности W %.

Динамический радиус колеса (отдельно или в тандеме) r_к определяем, используя справочные данные от типа колеса , М_ен ДВС, i_х – общего передаточного числа трансмиссии на выбранной передаче КПП; λ_м = 3·10^-6 ÷ 1·10^-5 (м/Н·м); φ_кр = 0,3 ÷ 0,6 в зависимости от уровня буксования на деформируемых поверхностях. Коэффициент трения резины шины о грунт (боковой коэффициент сцепления) φ_тр = 0,4 ÷ 0,6 [1].

Коэффициент сопротивления поперечной (боковой) деформации профиля шины К_у = 33 ÷ 280,5 (кН/рад) назначают в зависимости от размеров шины и давления воздуха Р_w в ней (кПа), а угол поперечной деформации профиля δ = 3 ÷ 12^° (0,0523÷0,21 рад) [1] и зависит от величин φ_тр, G, r_к, С₀ и φ^° грунта.

Для тандема q = G/F_гус = 25/(0,42·1,3) = 0,046 МПа; при [q_s] = 0,5 МПа (тугопластичное состояние) С₁ = 0,046/0,5 = 0,092 ≈ 0,1; при [q_s] = 0,24 МПа (текучепластичное состояние) С₁ = 0,046/0,24 = 0,192 ≈ 0,2.

Пример расчета.

1) Твердая поверхность.

Передняя колесная секция силой веса – 50 кН; С/В = 1,0 (С = 2м; В = 2м); колеса 1300×530 – 523; К_у = 280,5 кН/рад; δ = 7° (0,122 рад) – для двух колес; φ_тр = 0,4; d_п = 0,08 м; d_ш = 0,04 м; α = 30°.

По формуле (2):

Р >

Для тандемного движителя, колеса 370 – 508 (14,0 – 20), К_у = 132 кН/рад, δ = 0,122 [1]. Для четырех колес тандема:

Р > кН/м² @ 9,6 МПа

2) Деформируемая поверхность с образованием колеи:

а) глинистая тугопластичная поверхность с параметрами: В_к = 0,25 – 0,5; С₀ = 40 кН/м² (0,04 МПа); φ^° = 18^°; С = 2 м; В = 2 м; С/В = 1,0; колеса 1300×530 – 523;  = 0,625 м (при G = 25 кН); λ_м = 3·10^-6 м/Н·м; i₃ = 63,6; М_ен = 286 Н·м; φ_кр = 0,4; δ = 7^° (0,122 рад) – суммарный для двух колес; r_к = 0,603м (r_к = 0,625 – 3·10^-6·63,6·286·0,4 = 0,603 м); глубина колеи h= 0,097 м при m = 0,25; Е = 1000 кН/м² (1 МПа); G_к = 25 кН; b = 0,53м; m_б = 0,5; φ_тр = 0,4.

Необходимое давление гидрожидкости в сервоприводе находим по формуле (4):

Р>>17,7 (МПа)

 

Тандемный движитель – колеса 14,0 – 20,  = 0,6 м; r_к = 0,578 м; глубина колеи при l = 1,3 м, b = 0,42 м; х = 3,1, С₁ = 0,1 равна h = 0,1·0,42·3,1^0,385 = 0,065 м.

По формуле (4) получим:

Р > 11,71 МПа

 

б) глинистая текучепластичная поверхность с параметрами: В_к = 0,75 – 1,0; С₀ = 10 кН/м² (0,01 МПа); φ^° = 8^°; С/В = 1,0; колеса 1300×530 – 523,  = 0,625 м; λ_м = 3·10^-6 м/Н·м; i₃ = 63,6; М_ен = 286 Н·м; φ_кр = 0,3; δ = 3^° (0,052 рад); r_к= 0,609 м (r_к = 0,625 – 3·10^-6·63,6·286·0,3 = 0,609 м); глубина колеи h = 0,156 м при m = 0,25; Е = 500 кН/м² (0,5 МПа); G_к = 25 кН; b = 0,53м; m_б = 0,4; φ_кр = 0,3; глубина колеи h = 2,2·((1-0,5²)/500)·(25/0,53) = 0,156 м.

 

Р > >18,3 МПа

 

Тандемный движитель, r_к = 0,584 м; глубина колеи h при С₁ = 0,2 равна h = 0,2·0,42·3,1^0,385 = 0,13 м.

По формуле (4) получим:

Р > 13,5 МПа

Результаты расчетов представлены на рисунке 3.

—— колесный движитель, колеса 1300–530–523; − − тандем колесно-гусеничный, колеса 14,0–20, х = 3,1   Рисунок 3 – Изменение давления гидрожидкости Р в сервоприводе механизма поворота и глубины колеи h (м) при С = В = 2 м для  глинистой поверхности

 

Расчеты показывают, что на деформируемой поверхности с образованием колеи критерий оценки энергоемкости поворота колес Р увеличивается по сравнению с поворотом на твердой поверхности. При выбранных параметрах на тугопластичной глинистой поверхности (В_к = 0,25 ÷ 0,5) при глубине колеи h= 0,097 м Р увеличивается на 20%. На текучепластичной глинистой поверхности (В_к = 0,75 ÷ 1,0) при глубине колеи h = 0,156 м Р увеличивается на 24,4%. Применение колесно-гусеничного тандема (l = 1,3 м; b = 0,42 м) позволяет на твердой поверхности уменьшить энергоемкость поворота по сравнению с колесным на 32,4 %, на тугопластичной поверхности – на 34 %, на текучепластичной поверхности – на 26,2 %. Разработанная методика расчета уровня энергозатрат на поворот в колее позволяет оптимизировать процесс проектирования шарнирно-сочлененного колесного трактора и механизма сервопривода управления поворотом. Для снижения энергоемкости поворота в колее разработан новый способ поворота сочлененного трактора со значительным снижением энергозатрат на поворот в колее и уменьшением экологического воздействия на поверхность движения.

 

Литература

1. Смирнов А.Г. Теория движения колесных машин. -М.: Машиностроение, 1990. – 351 с.

2. Анисимов Г.М. Лесные машины. -М.: Лесная промышленность, 1989. – 512 с.

3. Цытович Н.А. Механика грунтов. -М.: Высшая школа, 1973. – 279 с.