автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Обоснование и выбор параметров пневматического колесного хода агрегатов по добыче торфа

На правах рукописи

ЯБЛОНЕВ АЛЕКСАНДР ЛЬВОВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ И ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ ПНЕВМАТИЧЕСКОГО КОЛЕСНОГО ХОДА АГРЕГАТОВ ПО ДОБЫЧЕ ТОРФА

Специальность 05.05.06 Горные машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

1 и ЯНВ 2013

Тверь 2012

005048050

Работа выполнена на кафедре «Торфяные машины и оборудование» ФГБОУ ВПО «Тверской государственный технический университет».

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой горной механики и транспорта ФГБОУ ВПО «МГГУ»

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой строительных и дорожных машин и оборудования ФГБОУ ВПО «ТвГТУ»

доктор технических наук, консультант по науке ОАО НЦ «Радченкоторф»

Зюзин Борис Федорович

Галкин Владимир Иванович

Кондратьев Александр Владимирович Фомин Владимир Константинович

Ведущая организация - ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственного использования мелиорированных земель» (ВНИИМЗ, Тверская обл., п. Эммаус).

Защита диссертации состоится «14» февраля 2013 г. в 12.00 на заседании диссертационного совета Д 212.128.09 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет» по адресу: 119991, ГСП, Москва, Ленинский проспект, д. 6, ауд. Д-251.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета.

Автореферат разослан « /О» 0 в.^'СЬр^ 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета:

кандидат технических наук, профессор

Шешко Евгения Евгеньевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современная заинтересованность в разработке источников торфяного сырья базируется на получении местного, альтернативного стремительно дорожающему газу топлива, производстве удобрений для сельского хозяйства, способных в несколько раз повысить плодородие почв, а также на сокращении возникновений торфяных пожаров на заброшенных площадях, которые наносят колоссальный вред экологии и хозяйствующим субъектам. Стратегия развития торфяной отрасли предполагает достижение к 2020 году уровня добычи торфа в 50 млн тонн в год, в то время как в 2010 году добыто всего 1,41 млн тонн. Столь амбициозная задача может быть решена лишь при значительной модернизации торфодобывающего оборудования и использовании инновационных решений для повышения эффективности торфяных компаний. Одним из направлений модернизации отрасли является внедрение машин на пневмоколесном ходу, особенно на уборочио-транспортных операциях, так как на один добывающий фрезер или валкователь в комплекте приходится 3-4 уборочно-транспортные машины. Торфодобывающая техника России существенно отстает от иностранной (Финляндия, Канада, Ирландия и т.д.) по применению в конструкциях пневматического колесного хода. В последние годы, несмотря на общий спад торфяного производства, наметился позитивный сдвиг в развитии конструкций торфяных машин. Внедрение в отрасль тракторов на пневмоколесном ходу потребовало срочного создания прицепных агрегатов с меньшей крюковой нагрузкой. Эксплуатация уборочно-траиспортных машин на пневмоколесном ходу, который менее энерго- и металлоемок по сравнению с гусеничным, позволит торфодобывающим компаниям увеличить производительность машин за счет развития больших поступательных скоростей и заняться вывозом добытого торфа с производственных площадок к потребителям, что ликвидирует ярко выраженную сезонность работ. Новые экономические условия делают выгодным применение и других способов добычи торфа, не требующих осушения больших площадей, что влечет за собой применение агрегатированных пневмоколесных торфяных машин в условиях повышенной влаги залежи. Создание и совершенствование этих машин направлено на повышение их производительности (эффективности), долговечности (надежности), безопасности и экологичности.

Вместе с тем, анализ отечественных и зарубежных научных публикаций и патентной документации свидетельствует о том, что сегодня в недостаточной степени разработаны научные основы создания и рационального применения пневмоколесных ходовых устройств в условиях торфяных компаний. Многие вопросы взаимодействия пневмоколесного хода и торфяной залежи еще недостаточно изучены. Так, не учитывается в расчетах взаимное деформирование пневматического колеса и торфяной залежи, определяющее проходимость технологического оборудования по залежам, не сформулированы

требования к пневмоколесной технике, не выявлены границы параметров пневмоколесных машин, соответствующие рациональным режимам их работы.

Таким образом, создание новых и совершенствование существующих горных машин путем обоснованного выбора параметров пневмоколесного хода агрегатов по добыче торфа с учетом неоднородности качественных характеристик торфяной залежи, переменной нагрузки и динамики таких горных машин является актуальной научной проблемой, имеющей важное хозяйственное значение.

Цель работы состоит в обосновании и выборе параметров пневматического колесного хода торфяных уборочно-транспортных машин с учетом неоднородности условий их использования для повышения эффективности в работе.

Идея работы заключается в учете взаимного деформирования торфяной залежи и пневматического колеса, позволяющем более точно обосновывать параметры пневмоколесного хода торфяных уборочно-транспортных агрегатов.

Методы исследований. При выполнении диссертационной работы использовалась теория торфяных машин, математический аппарат теории вероятностей, эксплуатационные наблюдения за работой горных машин, методы математической статистики, математического и масштабного моделирования с применением компьютерной техники.

Основные научные положения, выносимые па защиту:

1. Метод расчета и оценки площади контактной поверхности взаимно деформированных торфяной залежи и пневматического колеса при нелинейном ее изменении, основанный на зависимости нормальной деформации пневмоколеса от параметров колесного хода и характеристик опорной поверхности, позволяющий более точно оценивать проходимость техники и подбирать параметры колесного хода в соответствии с условиями работы.

2. Закономерности влияния конструктивных особенностей торфяных уборочно-транспортных агрегатов и качественных характеристик торфяной залежи на резистивные свойства залежи нарушенной структуры, положенные в основу выбора параметров пневмоколесного хода.

3. Математическая модель функционирования пневмоколесного хода торфяных уборочно-транспортных агрегатов, дающая возможность определять резистивные свойства залежи в системе «торфяная залежь — пневматическое колесо».

4. Метод аналитического определения дополнительных вертикальных сил, изменяющих нагрузку колесного хода тягача торфяного агрегата и обусловленных действием сил инерции прицепной машины, позволяющий установить состав операций, на которых целесообразно использовать тягач, оснащенный автоматической трансмиссией.

5. Обоснование выбора пневмоколесного тягача торфяных уборочно-транспортных машин, учитывающее энергонасыщенность, взаимное деформирование колес и залежи, специфику сервиса и позволяющее находить оптимальное решение для агрегатирования машин с тягачами.

6. Сравнительный анализ компоновочных решений, применяемых в конструкциях торфяных уборочных агрегатов, позволяющий обосновывать параметры колесного хода для работы машин в рациональном режиме.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: корректностью использованных теорий торфяных машин, вероятности, надежности и математической статистики; адекватностью математических моделей процессу функционирования горных машин и использованием данных, полученных с доверительной вероятностью не менее 0,9 при величине относительной ошибки не более 0,1.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

- сформулированы основные положения теории взаимного деформирования пневматического колеса и торфяной залежи, определяемого параметрами колесного хода и характеристиками торфяной залежи;

- разработан метод определения формы и площади контактной поверхности деформированного пневматического колеса и торфяной залежи;

- установлены закономерности влияния параметров колесного хода торфяных транспортных агрегатов (размеров колес, давления воздуха в шинах, вертикальной нагрузки) и качественных характеристик торфяной залежи (влаги, плотности) на силу сопротивления передвижению машин;

-установлены закономерности и режимы рациональной работы сдвоенных пневматических колес;

-разработана математическая модель взаимодействия пневмоколесного хода торфяных транспортных машин с торфяной залежью;

-установлены закономерности влияния на пневмоколесный ход тягачей дополнительных вертикальных нагрузок, вызванных силами инерции от прицепных торфяных машин.

Научное значение заключается в развитии теории взаимодействия пневматических колес с торфяной залежыо, выразившемся в разработке принципов и моделей функционирования торфяных агрегатов на пневмоколесном ходу в условиях изменяющихся режимов нагружения.

Практическое значение работы заключается в разработке методик:

- расчета на проходимость торфяных уборочно-транспортных машин на пневмоколесном ходу;

- оценки влияния несоответствия колеи передних и задних колес торфяных агрегатов на силу сопротивления передвижению;

- выбора колесного тягача для агрегатирования с торфяными уборочно-транспортными машинами, учитывающего особенности торфодобывающей компании и специфику сервисного обслуживания;

- оценки использования торфяных транспортных средств на пневмоколесном ходу в общей системе операций торфяного производства;

-расчета площади контактной поверхности деформированной шины с деформированной торфяной залежыо;

-проведения лабораторных экспериментов с моделью пневмоколесного

хода.

Реализация результатов работы. Методика расчета на проходимость и рекомендации по компоновке торфяных машин внедрены и используются в производственной деятельности НПО «Тверской ремонтно-механический завод» при проектировании и изготовлении уборочных машин. Методика оценки влияния несоответствия колеи передних и задних колес торфяных агрегатов на силу сопротивления передвижению в виде расчетов на проходимость и рекомендаций по комплектации торфяного транспортного средства внедрена и используется в производственной деятельности ООО «Тверьстроймаш» при проектировании и изготовлении торфяных прицепов-самосвалов. Методика выбора колесного трактора-тягача с учетом условий предприятия внедрена и используется в практической деятельности ООО «Обслуживание легких тракторов производства Евросоюза (ОЛТЕС)». Методика оценки использования торфяных транспортных средств на пневмоколесном ходу внедрена и используется в практической деятельности ООО «ИЦ Энерго» в виде определения максимально возможной цены транспортных машин. Методики расчета площади контактной поверхности деформированной шины с деформированной торфяной залежью и проведения лабораторных экспериментов с моделью пневмоколесного хода (патент РФ № 105430) внедрены и используются в учебном процессе при подготовке студентов специальностей 150403 «Технологические машины и оборудование для разработки торфяных месторождений» и 190603 «Сервис транспортных и технологических машин и оборудования» ФГБОУ ВПО «ТвГТУ».

Апробация работы. Основные научные и практические результаты диссертационной работы на различных этапах проведения исследования докладывались на научных симпозиумах: И Научно-технической конференции молодых ученых и специалистов ТвеПИ (г. Тверь, 1991 г.), VII Международной конференции физикохимии торфа и сапропеля (г. Тверь, 1994 г.), X Всероссийской конференции «Образование в XXI веке» (г. Тверь,

2010 г.), ежегодных симпозиумах «Неделя горняка» в Московском государственном горном университете (г. Москва, 2010-2011 гг.), IX и X Международных конференциях «Ресурсовоспроизводящие, малоотходные и природоохранные технологии освоения недр» (г. Котону, 2010 г.; г. Махачкала,

2011 г.), V Международной конференции «Горное, нефтяное, геологическое и геоэкологическое образование в XXI веке» (г. Грозный, 2010 г.), VI Международной научно-практической конференции «Современные проблемы гуманитарных и естественных наук» (г. Москва, 2011 г.), Всероссийском торфяном форуме (г. Тверь, 2011 г.), Международной научной конференции «Технические науки в России и за рубежом» (г. Москва, 2011 г.), IX Международной научно-технической конференции БНТУ (г, Минск, 2011 г.).

Публикации. По результатам исследований опубликованы 34 научные работы, из них 17 в изданиях, рекомендованных ВАК Мииобрнауки России. Новизна научно-технических решений отражена в двух патентах РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из общей характеристики работы, введения, пяти глав основного текста, заключения и

приложений, включает 95 рисунков, 37 таблиц и список использованных источников из 225 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражены современное состояние и тенденции развития торфяной отрасли горной промышленности России, выделены новые и традиционные направления. На примере Тверской области показана роль торфяного топлива в топливно-энергетическом балансе энерговырабатывающих предприятий. Отмечены разработки, необходимые к внедрению в конструкции торфяных машин, являющихся классом горных машин. Обоснована актуальность решаемой проблемы.

В первой главе диссертационной работы представлены пути развития ходовых устройств торфяных машин, рассмотрены теоретические основы взаимодействия колесного хода с торфяными залежами. Представлены современные конструкции торфяных машин на пневмоколесном ходу. Предложена классификация пневмоколесных ходовых устройств:

1.По способу воспроизведения толкающей силы - ведущие (преобразующие крутящий момент от привода в толкающую силу) и ведомые (воспринимающие толкающую силу от рамы машины).

2. По конструкции - одинарные и сочлененные (сдвоенные, строенные и

т.д.).

3.По возможности установки гусеничной ленты на колеса - с возможностью и без возможности установки.

4. По типу применяемых шин - с арочными шинами, пневмокатками и все остальные.

5. По развитости периметра контакта с торфяной залежью - с развитым и неразвитым периметрами.

6. По расстоянию между осями колес - разнесенные (при расстоянии между осями более двух диаметров колеса) и балансирные тележки (при расстоянии между осями менее двух диаметров колеса).

Одним из первых работы в области качения колеса на торфяной залежи выполнил профессор Ф.А. Опейко. В дальнейшем над этой проблемой работали И.Г. Блох, С.Г. Солопов, М.В.Мурашов, В.А. Бодиловский, A.M. Григорьев, Ю.А. Свирщевский, М.М. Танклевский, В.А. Ерышов, В.В. Скурко,' JI.C. Амарян, В.Г. Мойсеенко, Ю.Г. Горбутович, A.A. Гребнев, В.И. Персиков! В.М. Шпынев, A.M. Панин, В.В. Гуськов, А.К. Кочедыков, В.К.Кириллов,' JI.H. Самсонов, В.К. Фомин, Б.Ф. Зюзин и др. В области взаимодействия жестких сферических штампов с мерзлыми и слабыми грунтами необходимо выделить работы АЛО. Ишлинского, В.А. Миронова, A.A. Ланкова, И.И. Берковича и др. Зарубежный опыт но данному вопросу представлен работами M.G. Bekker, Е. Pzhistanski, D. Shroeder, N. Wilson, J.Y. Wong и др. Использование пневмоколесного хода в торфяной отрасли было бы невозможно без дальнейшей разработки теории качения колеса по различным поверхностям.

Огромный вклад в развитие этого направления науки внесли В.Н. Добромиров, Я.С. Агейкин, А.К. Бируля, H.A. Бухарин, В.П. Горячкин, Н.Ф. Кошарный, В.В. Кацыгин, П.В. Аксенов, Г.М. Кутьков, В.А. Скотников, В.И. Галкин и др.

Изложенные этими авторами теоретические основы и их краткий обзор позволили сделать следующие выводы. Торфяной залежи, как всякой упруго-пластичной среде, свойственно восстановление после деформации. Вследствие этого явления наблюдается контакт колеса с залежью не только по передней, но и по задней дуге. При этом задняя дуга контакта короче передней в два раза. В качестве ориентировочных характеристик нагруженности колеса можно использовать условную нагрузку - отношение нормальной нагрузки на колесо к площади его диаметрального сечения. Как к жесткому колесу, так и к пневматическому применим закон Ф.И. Герстнера о пропорциональности нормальной нагрузки объему грунта, сжимаемого колесом. Все теоретические изыскания по теме пневматического колесного хода строятся на положениях, основанных на изучении жесткого колесного хода. Зависимость удельного давления от осадки колеса носит политропный характер при показателе политропы чаще равном единице. Глубина осадки пневматического колеса на залежи определяется не только свойствами залежи и нормальной нагрузкой на колесо, но и давлением воздуха в шине, так как вследствие деформации каркаса шины площадь контакта колеса с залежью увеличивается, понижая удельное давление под колесом. В случае контакта пневматического колеса и торфяной залежи нарушенной структуры (с нарушенной волокнистой структурой вследствие глубокого фрезерования, корчевания, интенсивного перемешивания) определяющими факторами являются влага и глубина переработки залежи. Такие качества, как степень разложения, зольность и ботанический состав залежи малозначимы. Прочность залежи сильно понижается после нарушения ее структуры. Данный случай можно считать предельным с точки зрения проходимости машин, поэтому все расчетные и экспериментальные методики по оценке эффективности применения пневматического колесного хода необходимо выстраивать в привязке к этим условиям. Основными механическими характеристиками торфяной залежи, влияющими на взаимодействие колесного хода и залежи, являются сопротивления сжатию и срезу (сдвигу). В настоящее время не существует какой-либо целостной методики по расчету деформации пневматического колеса в зависимости от нагрузки на него, осадки колеса на залежи, его геометрических параметров, давления воздуха в шине. Изменение формы площади контакта колеса с залежью при деформации шины не учитывается.

Для достижения цели данного диссертационного исследования на основе анализа литературных источников ставятся задачи, отражающие логическую структуру диссертационной работы.

1. Разработать основные положения теории деформирования пневматических колес торфяных машин в зависимости от нагрузки на колесо, давления воздуха в шине, геометрических параметров колеса, качественных характеристик торфяной залежи и осадки колеса на залежи.

2. Разработать метод оценки площади контактной поверхности взаимно деформированных пневматического колеса и торфяной залежи.

3. Исследовать основные закономерности взаимодействия приводных колес торфяных машин с залежью с учетом их нормальной деформации с целью прогнозирования тягово-сцепных свойств.

4. Разработать лабораторную модель пневматического колесного хода для исследования силовых характеристик взаимодействия колес с залежью и коэффициента сопротивления передвижению.

5. Провести исследование по оценке рациональных параметров пневмоколесного хода торфяных уборочно-транспортных машин и выявить влияние параметров колесного хода и качественных характеристик залежи на силу сопротивления передвижению. Обосновать критерии и границы эффективного применения сдвоенного пневмоколесного хода. Разработать модель взаимодействия пневматических колес торфяных машин с залежью.

6. Провести анализ эффективности применения пневматического колесного хода на операциях по вывозке торфа и доставке его потребителям.

7. Разработать рекомендации и технические решения по созданию торфяных уборочно-транспортных машин на пневмоколесном ходу.

Во второй главе представлены исследования взаимодействия пневмоколесного хода с торфяной залежью, проведенные соискателем и направленные на выявление нормальной деформации пневматических колес, оценку влияния нормальной деформации на потребительские и эксплуатационные свойства колесного хода торфяных машин.

Движение машин и тракторов по залежам на пневматических шинах наиболее точно соответствует случаям, когда нормальная деформация колеса мала по сравнению с деформацией грунта (качение колеса с высоким давлением воздуха по рыхлой залежи) и соизмерима с деформацией грунта (качение колеса с низким давлением воздуха по рыхлой залежи). При этом деформация колес определяется работой, затраченной на сжатие шипы.

Относительно простой метод оценки деформации пневматического колеса предложил М.В. Мурашов, доказавший, что в общем объеме деформаций 80% приходится на залежь и 20% - на шину. Наиболее взвешенный подход к выявлению деформации колеса на податливом грунте наблюдается в трудах Ф.А. Опейко, который определил нормальную составляющую удельного давления между колесом и грунтом. Данное решение позволяет оценивать деформацию пневматической шины во взаимосвязи с осадкой колеса на грунте. Однако такие параметры колеса, как внутреннее давление воздуха и жесткость остаются за границами исследования. В.М. Шпынев, рассматривая взаимодействие пневмоколеса и залежи как последовательную работу каждого из составляющих упругих элементов, определил эквивалентный коэффициент упругости системы «торфяная залежь - шина». Деформация шины определялась В.М. Шпыневым как отношение веса, приложенного к колесу в, к жесткости шины Ср. Данная методика не учитывала зависимости деформации шины от осадки колеса на залежи.

Комплексной методики, позволяющей оценивать деформацию пневматического колеса во взаимосвязи с параметрами колеса и упругими характеристиками торфяной залежи, в настоящее время нет. Тем не менее, все изложенные способы вносят неоценимый вклад в исследование взаимодействия упругого пневматического колеса и упруго-пластичной торфяной залежи.

Схема постепенного нагружения колеса, погружения его в торфяную залежь и их взаимное деформирование предусматривает несколько этапов. Вначале контакт колеса с залежью характеризуется точкой или линией, и всякая деформация отсутствует. Затем начинается деформирование верхних слоев залежи, так как прочность колеса значительно больше прочности залежи. По мере роста нагрузки на колесо и повышения прочности залежи под колесом вследствие уплотнения начинается деформирование шины, и колесо достигает состояния равновесия, при котором деформации заканчиваются. Если давление Ртах, которое оказывает колесо на залежь, подчиняется закону Бернштейна

Ртах = КН , (1)

где К- коэффициент упругости залежи; Я - осадка колеса на залежи, то максимальное напряжение, которое возникает на поверхности шины, контактирующей с залежью, численно равно этой же величине, хотя может быть определено другими зависимостями. Рассматривая шину как диафрагму между залежью и воздухом, содержащимся в шине, можно определить, что напряжение на поверхности шины а, вызываемое воздействием торфяной залежи на шину, определяется давлением воздуха в шине Л,, (рис. 1).

В случае, если а = Р„ > КН, деформация шины не возникает. Уравновешивание колеса на залежи достигается только его осадкой на залежи. Если в = Рш < КН, то работа затрачивается как на деформацию залежи, так и на деформацию пневматической шины. Таким образом, можно найти осадку

колеса на залежи Нь при которой начинается деформирование пневматического колеса и продолжается деформация залежи:

(2)

ср с„ " (5)

У)

, _ 0,3б(?

с""

Сила 0У, необходимая для максимальной деформации торфяной залежи без деформирования шины, может быть найдена из зависимости:

<?!=-, (3)

где О - наружный диаметр шины в продольной плоскости в ненагруженном состоянии; Д, - диаметр шины в поперечной плоскости в ненагруженном состоянии; К- коэффициент упругости торфяной залежи.

Сила (22, необходимая для деформации пневматической шины:

(4)

где б - общая нагрузка, приложенная к колесу.

Тогда максимальная нормальная деформация пневматической шины Я, происходящая совместно с деформацией торфяной залежи:

д = <Ъ _ <2(1-Л2) Ср сп

Или с учетом У] = 0,8 (по М.В. Мурашову)

Я = ~• (6) Это искомые формулы, позволяющие определить величину максимальной деформации пневматической шины в зависимости от ее параметров, нагрузки, коэффициента упругости залежи и осадки колеса.

Снижение давления воздуха в шине 1\ приводит к уменьшению осадки колеса на залежи Я,

так как при этом увеличивается площадь контакта колеса с залежью, уменьшаются давление колеса на залежь и жесткость шины С . Деформация пневматической шины Я при этом растет. Р

Взаимодействие пневматических колес со слабонесущим грунтом характеризуется большими затратами энергии на деформирование почвы и меньшими на деформирование шины. Скорость развития деформаций в залежах меньше скорости ее деформирования. Более длительное воздействие всегда связано с большими деформациями. Отмеченное в работах М.М. Танклевского снижение сопротивления передвижению колесного хода на 5-10% с ростом скорости от 0 до 4 км/ч лежит в пределах ошибки инженерных расчетов, поэтому представляется возможным согласиться с выводами В.К. Кириллова о том, что с повышением прочности (т > 14,0... 16,0 кПа), соответствующей состоянию осушенной залежи (условия работы торфяных уборочно-транспортных машин), влияние скорости передвижения на осадку колеса и деформацию шины на практике можно не учитывать.

Для четырех распространенных пневматических шин получены зависимости: максимальной деформации шины от нагрузки на колесо (рис. 2) и максимальной деформации шины от давления воздуха в ней (рис. 3). В качестве примера рассмотрены шины: ряд 1 - Я-244 (1000 х 400 мм); ряд 2 - Я-193 (1420 х 500 мм); ряд 3 - Я-195 (1500 х 600 мм); ряд 4 - И-185 (1500 х 840 мм).

60

so

O g « S3o

20

1 К- : з ООО кШм І

: Í pj = 80: кііа t i í і / і

1 Вер зал ховая 1 гжъ ..f

і і і

! ; г \ і

Ш0 ТЯГ

—Ф^Ряд 1

-®~Ряд2

"^йг** Ряд З —Ряд 4

60

s =г

го S

Q.

О - '

-е- |

Ш Я

50

c-í

30

20

10

к= 10ф кН/м3 і

Q = 10] <Н

Вві зал жовая ежь

./' \ % : N }

; í і ** v

; ! ; І

! : !

™ф"*»Ряд 1

—*~Ряд4

Нагрузка на колесо Q, кН

30 50 80 100 120 180 Давление воздуха в шине Р кПа

Рис. 2. Зависимость максимальной Рис. 3. Зависимость максимальной деформации пневматической шины деформации пневматической шины от нагрузки на колесо от давления воздуха в ней

Из графиков следует, что в данных условиях изменение интенсивности увеличения деформации пневматических колес происходит при нагрузке больше 5 кН и давлении воздуха в шине меньше 80 кПа.

При деформировании пневматического колеса изменяется площадь его контакта с торфяной залежью, что ранее исследователями не принималось во внимание. Расчет площади контакта деформированного колеса с залежью построен на положении, обоснованном В.В. Гуськовым, о возможности замены деформированного эластичного колеса в зоне контак та с торфяной залежью на эквивалентное жесткое, большего диаметра.

колесо в поперечной плоскости (рис. 4).

Дуга А/В] = А/; образует возможную контактную

поверхность колеса с залежью в недеформированном состоянии. Дуга ограничена хордой Ы) и высотой стрелки дуги

Рассмотрим пневматическое

Мл =

+ 5,33. (7)

При деформировании на величину X увеличивается радиус в зоне контакта колеса с залежью, увеличивается и хорда, а длина дуги остается постоянной; точки Л/ и 5/ переходят в А2 и В 2-Высота стрелки уменьшается на величину деформации.

Рис. 4. Схема деформирования пневмоколеса в поперечной плоскости

Рис. 5. Совместное деформирование пневмоколеса и торфяной залежи

Найденная деформированного колеса

хорда

преобразований и подстановок окончательно имеем: N3=2

5,3301! - Я)2 (8) позволяет вычислить эквивалентный радиус замещающего колеса в поперечной плоскости:

8(7ц-Л) ' У '

При взаимодействии с торфяной залежью и осадке на величину Н (рис. 5) из свойств кривых второго порядка можно определить хорду N3, ограничивающую контакт с залежыо, и дугу контакта СО = М3 деформированного пневматического колеса с деформированной залежыо в поперечной плоскости. После проведения серии необходимых

' u/.2N^+8hl-2,66A2+5,32h^

М,

, JfNl+4hl-l,33*2+2,66hA ,

«V Г , -+ 1 ,ЗЛН)

(10)

(11)

Рассматривая деформированное колесо в продольной плоскости, находим

радиус г2 замещающего жесткого колеса, пользуясь свойствами кривых второго порядка:

Г2 ЧИ- ' (12>

Полная дуга контакта колеса с залежью в продольной плоскости OF = L состоит из передней DE = L, и задней EF = L2 дуг, причем, по исследованиям В.А. Ерышова и др., передняя дуга длиннее задней в два раза (рис. 6):

L =L +L = (13)

1 2 180 180 'v 1 Форму площади S контакта деформированного колеса с деформированной залежью

приближенно можно определить как эллипсоид, образованный

Рис. 6. Схема к определению дуги контакта колеса с грунтом

найденными дугами контакта деформированного колеса в продольной и поперечной плоскостях:

5 = паЬ = ^ ЬМ3 . (14)

Зависимости площади контактной поверхности колеса с торфяной залежью от давления воздуха в шинах для четырех типов шин (см. рис. 2-3) с учетом (ряды 1-4) и без учета (ряды 5—8) деформации колес представлены на рис. 7. Сравнение их по методу проверки нулевой гипотезы показало, что деформация пневматического колеса оказывает существенное влияние на

площадь его контакта с торфяной залежью при площади диаметрального сечения колеса больше 0,71 м2.

Тяговые возможности приводного колеса предопределяются условиями его сцепления с торфяной залежыо и сцеплением слоев торфа между собой. При наличии на колесе силы тяги, превышающей силы сцепления, возникает полное буксование колеса, зависящее от соотношения

теоретической и действительной скоростей. Деформация колеса X оказывает влияние на теоретическую Ут и действительную К скорости:

Кп=ЧГ!-А), (15)

У=шга, (16)

где со - угловая скорость вращения ведущего колеса; Г/ - теоретический радиус качения ненагруженного колеса в продольной плоскости; гл -действительный радиус качения нагруженного деформированного колеса.

С учетом буксования колеса <5 (допустимое значение буксования <5 = 0,15), действительный (рабочий) радиус колеса

г, = (1-5)(га-Я). (17)

Возможная сила тяги ТТ по сдвигу (сцеплению) слоев торфяной залежи между собой под колесами:

Гт = 5 X т, (18)

где 5 - площадь контактных поверхностей деформированных ведущих колес с деформированной торфяной залежыо; т - предельное напряжение сдвига слоев торфяной залежи, определяемое по исследованиям Л.С. Амаряна, степенью разложения торфа Я и предельным напряжением сдвига г„ при полной влагоемкости 1¥„ для верхового и низинного видов торфа.

Зависимости действительного радиуса колеса и силы сцепления слоев торфа от давления воздуха в шинах для заданных условий нагрузки,

0,22

§ г 0,21

X (Л

о. Я 0,2

О) -О т £

о ш 0,19 с с; ГО

О "

0,18

га £ 0,17 I "в; ° о 0,16

га з 0,15 3" I

| ¡0,14

0,13

1

1 1

V , 1

•Ф

! Ж

¡-Ж

'щ,

Ряд 2 "■А1— Ряд 3

Ряд 4

—гк~Ряд5 «=©«~РЯД 6 Ряд 7 Ряд 8

30 50 80 100120180

Давление воздуха в шине кПа

Рис. 7. Зависимость площади контактной поверхности пневмо-колеса с торфяной залежью от давления воздуха в шине

характеристик залежи и допустимого буксования для пневматических шин представлены на рис. 8 и 9. В качестве примера рассматривается низинная торфяная залежь степенью разложения Я = 30% и шины: ряды 1 и 5 - Я-244; ряды 2 и 6-Я-193; рядыЗи7- Я-195; ряды 4 и 8 - И-185.

—Ряд Z

3

—Яг— Ряд 4

Щ

§ 0,55

£ 0,45

5

Давление воздуха в шине кПа

Рис. 8. Зависимость действительного радиуса пневматического колеса от давления воздуха в шине с учетом деформации шины А и допустимого буксования 8

Рис. 9. Зависимость силы сцепления слоев торфа от давления воздуха в шинах при влаге w для низинной торфяной залежи Я = 30%

5 ! . ¡ ... 4-----I--ti ф, i. 1

30 50 80 100 120 180

Давление воздуха в шинах Pw, кПа

Ряд 1 -В-Ряд 2 —Аг* Ряд 3 -♦«-Ряд 4 Ряд 5 —Ряд б Ряд 7 —--Ряд 8

Из рисунков видно, что с понижением влаги сила сцепления увеличивается, это объясняется снижением смазывающего эффекта, а с повышением давления воздуха в шинах сила сцепления уменьшается, что объясняется уменьшением контактной поверхности деформированного колеса и залежи. Изменение интенсивности роста действительного радиуса колеса и падения силы сцепления слоев торфа наблюдается при давлении воздуха в шинах 80 кПа. Деформация, вызванная понижением давления воздуха в шинах, способна уменьшить действительный радиус колеса на 10-15%.

Скрытые резервы увеличения проектной проходимости заключаются, прежде всего, в учете увеличения площади контакта при деформации. Так, при увеличении несущей способности залежи, определяемой площадью и периметром контакта деформированного колеса с залежью, обобщенный показатель проходимости увеличивается. При этом периметр пятна контакта колеса с залежью П определяется так:

П'ЧОЧГ)1'". 0»

где

Третья глава посвящена исследованиям по установлению закономерностей и выявлению рациональных параметров пневмоколесного хода при взаимодействии его с торфяной залежью.

Все основное активное торфяное оборудование (предназначенное для глубокого фрезерования, корчевания, интенсивного перемешивания) работает по принципу нарушения волокнистого каркаса залежи, а полученная в результате залежь обладает гораздо более низкими прочностными свойствами, проходимость агрегатов по таким залежам ограничена, поэтому опытные образцы были представлены залежью нарушенной структуры.

Влияние нарушения структуры торфяной залежи на ее физико-механические свойства изучали многие ученые. С.С. Корчунов показал, что водонасыщенный образец торфа, обладавший довольно высокой прочностью, при переработке превращался в очень слабую по механической прочности массу. Опыты по переработке проводились им с различными торфами, в результате чего было выявлено, что сравнительно небольшая переработка дает настолько значительный эффект, что влияние ботанической характеристики и степени разложения на прочность становится малозначительным. Л.С. Амарян, проведя несколько тысяч опытов по определению механических свойств залежей ненарушенной и нарушенной структур, пришел к выводу, что при значениях степени разложения Л = 20...25% прочностные свойства низинных и верховых торфов мало отличаются между собой, а численные значения практически совпадают.

В настоящее время накоплен обширный статистический материал по прочностным и деформационным свойствам залежей как с нарушенной, так и с ненарушенной структурами. Наряду с этим, исследований взаимодействия пневматических колес торфяных машин с залежами нарушенной структуры очень мало, и все они, в основном, носят характер полевых экспериментов. Но полевой эксперимент всегда сопряжен с организационно-техническими трудностями по изменению таких параметров, как влага залежи, что делает решение данной задачи в полевых условиях практически неразрешимой. В связи с вышеизложенным существует необходимость изучения энергетического аспекта взаимодействия одинарного и сдвоенного пневматического колесного хода с торфяной залежью нарушенной структуры в лабораторных условиях по минимизации одного из важнейших энергетических показателей колесных машин - силы сопротивления передвижению, которая зависит от влаги и плотности (прочности) залежи, нагрузки на колесо, давления воздуха в шинах и конструкции ходового устройства. Для решения поставленных задач были проведены исследования на разработанной и изготовленной лабораторной модели пневматического колесного хода, и изучено ее взаимодействие с верховой залежыо (пушицево-сфагновый торф) нарушенной структуры степени разложения = 20...25%.

Набор грузов весом до Огр тах = 2320 Н позволил проводить испытания в широком диапазоне нагрузок. Давление воздуха в колесах поддерживалось на уровне от 0,02 до 0,15 МПа. С помощью специально изготовленных футорок в случае необходимости производилось сдваивание колес.

Влага исследуемых образцов залежи определялась ускоренным методом с помощью сушки двухламповым прибором, и составила 52; 74; 92%. Такие значения влаги отражают естественные условия при ворошении, фрезеровании и движении агрегатов по неосушенной залежи сразу после глубокого фрезерования или перемешивания. Плотность торфа у определялась вырезанием фиксированного объема (1 дм3) и взвешиванием его на весах. Погрешность измерений составляла 5-10%.

Соотношения предельного напряжения сдвига г, плотности у, влагосодержания IV и степени разложения Я для олиготрофных и евтрофных видов неуплотненного торфа получены Л.С. Амаряном и Л.Н. Самсоновым. По этим данным построены зависимости предельного напряжения сдвига от плотности и влагосодержания неуплотненной торфяной залежи (рис 10 и 11) Ряд 1 представлен олиготрофным, а ряд 2 — евтрофным видом торфа.

^ « 55 и С

О) к 5 И" 50

45

а. 35

30

т

<а\ \ %

\ V

т. ш, ч ф \

♦ Ряд 1

Ряд 2

0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Плотность неуплотненной торфяной залежи у, т/м3

Рис. 10. Зависимость между плотностью и предельным напряжением сдвига залежи

60

го

03 ■а 55

50

£ X <и н* 45

* *

ее п ф с; 40

т

го X т 35

О

о (Г 30

XI

«=; и. 7.5

си

о. 2(1

с

200

400

♦ Ряд 1

Ряд 2

600

Влагосодержание торфяной залежи Ш, %

Рис. 11. Зависимость между влагосодержанием и предельным напряжением сдвига залежи

Получены уравнения, описывающие представленные на рис. 10-11 зависимости и коэффициенты корреляции г. Для олиготрофных видов торфа:

т0 = —98,127/ + 104,73 , г--0,977; (21)

т0 = -0,0686И/ + 69,167, г ~ -0,812; (22) для евтрофных видов торфа:

те = -54,816у + 73,078 , г = -0,735; (23)

те = —0,086314/ + 70,857 , г = -0,887. (24)

Учитывая тот факт, что начальная плотность залежи оказывает решающее воздействие на ее деформацию (D. Schroetter, N. Wilson), и принимая во внимание корреляционную связь плотности с предельным напряжением сдвига, плотность у в сочетании с коэффициентом пористости є были выбраны в качестве оценочных характеристик исследуемых образцов торфяных залежей.

Исследования проводились на модели с одинарными и сдвоенными колесами. Изучалось влияние предварительного уплотнения залежи впередиидущими колесами на силу сопротивления передвижению. В результате, для 3-х значений влаги залежи (52; 74; 92%) и двух типов колесных ходов (одинарный и сдвоенный) получены зависимости силы сопротивления передвижению от нагрузки на колеса с погрешностью до 10% (рис. 12 и 13).

600

500

5 400

5 200

100

•""ф""» Ря Д 1 —Я— Ряд 2

110 690 1270 1850 2430

Нагрузка на колеса Q, Н

Рис. 12. Зависимость силы сопротивления передвижению от нагрузки на колеса для одинарного колесного хода: ряд 1 - неуплотненная залежь у - 550 кг/м3, е - 9,5; ряд 2 - уплотненная залежь у = 720 кг/м3, є = 7,0

600

=1 400

5 зоо

о 200

—ф—Ряд 1 --»-Ряд 2

110 690 1270 1850 2430 Нагрузка на колеса Q, Н

Рис. 13. Зависимость силы сопротивления передвижению от нагрузки на колеса для сдвоенного колесного хода: ряд 1 - неуплотненная залежь у = 820 кг/м3, е = 21,9; ряд 2 - уплотненная залежь у = 890 кг/м3, е = 20,1

Как видно из рис. 12 и 13, с ростом нагрузки на колеса сила сопротивления передвижению увеличивается из-за увеличения необходимой работы на деформирование. Экспериментальные данные достаточно точно аппроксимируются линейными зависимостями.

Оценка эффективности применения сдвоенного колесного хода по условиям минимизации силы сопротивления передвижению проводилась

600

с 300

100

Ряд 1 -в--Ряд 2 РядЗ Ряд 4

методом наложения друг на друга графиков зависимости силы сопротивления передвижению от нагрузки на колеса для одинарного и сдвоенного колесного хода. Результаты для залежи с и> = 74% отражены на рис. 14. Точки А и В

пересечения кривых для

уплотненной и неуплотненной залежей представляют собой момент рационального перехода на сдвоенный колесный ход при соответствующей нагрузке на колеса. Правее этих точек сила сопротивления передвижеиию сдвоенного колесного хода становится меньше силы сопротивления передвижению одинарного колесного хода. Первоначальный рост и увеличение силы сопротивления передвижению при использовании сдвоенных колес можно объяснить

увеличившимся весом колесного хода из-за сдваивания колес. Б дальнейшем по мере увеличения нагрузки на сдвоенный колесный ход интенсивность роста силы сопротивления передвижению надает из-за снижения удельного давления под колесами, и в точках А и В силы сопротивления передвижению для одинарного и сдвоенного колесного хода сравниваются. Последующее

увеличение нагрузки на колеса делает сдвоенный колесный ход более энергоэффективным в применении, чем одинарный, сопротивления передвижению от

1 !

/ / " ИЙ/ f

/ / / £ t /

/ If

А

110

690 1270 1850 2430 Нагрузка на колеса Q, Н

Рис. 14. Определение нагрузки на колеса для рационального

и эффективного перехода на сдвоенный колесный ход при влаге w = 74%: ряд 1 - неуплотненный торф, одинарный колесный ход, у = 550 ш/м3, е = 9,5; ряд 2 - уплотненный торф, одинарный колесный ход, у = 720 kiAi3, е - 7,0; ряд 3 - неуплотненный торф, сдвоенный колесный ход, у = 550 кг/м3, е = 9,5; ряд 4 - уплотненный торф, сдвоенный колесный ход, у = 700 kiAi3, е = 7,2

Исследование зависимости силы давления воздуха в шинах проводилось при постоянной нагрузке на одинарный колесный ход Q = 1270 Н, влаге залежи 52; 74 и 92% и давлении воздуха в шинах 0,15; 0,1; 0,07; 0,05 и 0,02 МПа. Результаты исследования отражены на рис. 15. Во всех поставленных опытах при увеличении давления воздуха в шинах сила сопротивления передвижению сначала уменьшалась, а затем возрастала, причем интенсивность понижения была значительно больше, чем возрастания. Подобные результаты были отмечены в работах В.В. Скурко, Ю.Г. Горбутовича, A.M. Панина. Уменьшение силы сопротивления

0,02 0,05 0,07 ОД 0,15 Давление воздуха в шинах РЛ

МПа

передвижению можно объяснить интенсивным и прогрессивным снижением гистерезисных потерь на деформацию шины, а увеличение - постепенной

стабилизацией площади контакта, так как с увеличением внутреннего давления воздуха пневматическое колесо становится постепенно подобным жесткому.

Интенсивность как роста, так и падения силы сопротивления передвижению для всех перечисленных опытов была различной. Так, для залежи с влагой 92% интенсивность снижения сопротивления

передвижению при увеличении давления воздуха в шинах была наименьшей, в то время как интенсивность роста -

наибольшей. Для залежи с влагой 52% интенсивность снижения сопротивления передвижению была наибольшей, в то время как интенсивность роста

наименьшей. Подобное явление можно объяснить тем, что на залежах нарушенной структуры с повышенной влагой при увеличении давления воздуха в шинах происходит уменьшение площади контакта колеса с залежью, резкое увеличение осадки колеса в залежи и резкое увеличение сопротивления передвижению в связи с этим. На залежах с нарушенной структурой и влагой 52% несущая способность достаточна для того, чтобы увеличение площади контакта колеса с залежью при повышении давления воздуха в шинах не вызывало прогрессивного роста сопротивления на передвижение. По условию минимизации силы сопротивления передвижению определены оптимальные значения давления воздуха в шинах: для м> = 52% - 0,06 МПа; для м> = 74% -0,05 МПа; для = 92% - 0,04 МПа.

Представляет большой интерес перенос полученных результатов лабораторных экспериментов в реальные (полевые) условия. Б качестве ориентировочной характеристики нагруженности колеса может использоваться удельная условная нагрузка д - отношение нормальной нагрузки на колесо к площади его диаметрального сечения. Площадь диаметрального сечения колеса была использована в качестве масштабного фактора в критериальном

Рис. 15. Зависимость силы сопротивления передвижению от давления воздуха в шинах при постоянной нагрузке на колеса Q = 1270 Н: ряд 1 - w = 92%, у = 820 кг/м3, е = 21,9 ряд 2 - w = 92%, у = 930 кг/м3, s = 19,4 ряд 3 - w = 74%, у = 550 кг/м3, s = 9,5 ряд 4 - w = 74%, у = 720 кг/м3, е = 7,0 ряд 5 - w = 52%, у = 440 кг/м3, г = 6,1 ряд 6 - w = 52%, у = 580 кг/м3, е = 4,4

уравнении подобия. Так, для силы сопротивления передвижению, полученной в ходе экспериментов с лабораторной моделью, можно записать:

^ = ?к11пВО = № V Р„) , (25)

К = Рк2/пВо = ц- Р№) , (26)

где Р\- удельная условная сила сопротивления передвижению, действующая на колесо как в условиях лабораторной модели, так и в реальных условиях для неуплотненного торфа; - удельная условная сила сопротивления

передвижению для уплотненного торфа; РК, и Рк2 - силы сопротивления передвижению модели колесного хода, полученные в ходе экспериментов с лабораторной моделью для неуплотненной (1) и уплотненной (2) залежей; и - число колес лабораторной модели (и = 2 для одинарного колесного хода, п = 4 для сдвоенного колесного хода); В - ширина колеса лабораторной модели (В = 0,175 м); I) - диаметр колеса лабораторной модели (О = 0,56 м);

- влага исследуемой залежи, %; д - удельная условная нагрузка на колесо лабораторной модели, Н; Р„ - давление воздуха в шинах.

Удельная условная нагрузка на колесо лабораторной модели

<? = °/пВО > (27)

где Q - нагрузка на колеса лабораторной установки в ходе экспериментов.

Все построенные ранее зависимости (рис. 12-14) пересчитаны в условные координаты. Полученные данные об эффективном переходе на сдвоенный колесный ход по удельной условной нагрузке на колесо представлены в табл. 1.

Таблица 1. Удельная условная нагрузка на колесо, соответствующая

эффективному переходу на сдвоенный колесный ход д, кН/м2

Характеристики залежи = 52% и^ = 74% = 92%

Неуплотненная залежь 10,51 5,82 7,28

Уплотненная залежь 9,03 5,0 3,11

Для оценки влияния уплотнения ранее неуплотненной залежи впередиидущими колесами на сопротивление передвижению были исследованы зависимости коэффициента изменения сопротивления передвижению Кж = РК"/РК" от удельной условной нагрузки на колесо д для одинарного и сдвоенного колесных ходов и различных характеристик залежи. Так, из примера (рис. 16) следует, что для одинарного колесного хода и залежи с влагой 52% при удельной условной нагрузке на колесо д = 2000 Н/м2 удельная условная сила сопротивления передвижению при перемещении колес по неуплотненной залежи будет в 1,65 раза больше, чем при движении по залежи, уплотненной впередиидущими колесами. Обращает на себя внимание характер зависимостей. Наиболее интенсивно отношение РКУРК" возрастает для залежей с влагой 52%. Для залежей с влагой 74% темпы роста этого отношения снижаются. Для залежей с влагой 92% наблюдается убывание

отношения объяснить

2,1

1,9

2 XI

1,7

01 £ х со

ч:

а>

1 с

а> 1,6

« Ряд 1 И Ряд 2 А Ряд 3

-РУ / при увеличении нагрузки на колесо. Это можно существенным уменьшением прочности более влажных

залежей, ввиду чего единократное (а в некоторых случаях и многократное) уплотнение

торфяной залежи впередиидущими колесами не дает желаемого эффекта достижения требуемой прочности залежи, необходимой для снижения силы сопротивления передвижению.

Для выявления допустимого несовпадения колеи передних и задних колес по условию снижения силы сопротивления передвижению был проведен эксперимент. При постоянной нагрузке на колеса 1270 Н и давлении воздуха в шинах Ру, = 0,15 МПа на неуплотненных залежах с различными значениями влаги (52%, 74% и 92%) одинарным колесным ходом прокладывалась колея. После возвращения лабораторной модели в исходное положение производилось смещение колес относительно ранее проложенной колеи. Прокладывалась новая колея, при этом передвижению Рк. Смещение АВ

......... 1 |

А

1

А А,

Ф

А

1,4

О 5000 10000 15000

Удельная условная нагрузка на колесо р, Н/м2

Рис. 16. Влияние удельной условной нагрузки на колесо на коэффициент изменения сопротивления передвижению для одинарного колесного хода: ряд 1-м> = 52%; ряд 2 - IV = 74%; ряд 3-и-= 92%

фиксировалась сила сопротивления устанавливалось в процентах от ширины колеса В (В = 175 мм). После фиксации всех числовых данных по силам сопротивления передвижению для адекватного описания реальных условий они были переведены в удельные условные силы сопротивления передвижению Результаты этого

эксперимента показали, что для неуплотненных залежей нарушенной структуры с влагой 52% интенсивный рост силы сопротивления передвижению наблюдается при смещении колеи передних колес относительно задних на 35% от ширины колеса. Для залежей с влагой 74 и 92% это явление наблюдается при смещении колеи на 28 и 23% от ширины колеса соответственно (рис. 17). Полученные данные можно объяснить тем, что с увеличением влаги залежи понижается ее прочность, и возрастает осадка колес в грунте, поэтому расположение колес влияет на сопротивление передвижению в большей степени, чем на менее влажных грунтах. Интенсивный рост сопротивления передвижению начинается в этом случае при меньших смещениях передних и задних колес относительно друг друга. Когда грунт обладает высокой прочностью (при меньшей влаге), сопротивление передвижению меньше

зависит от расположения колес и в большей степени определяется работой, затрачиваемой на деформацию шины при качении колеса, поэтому интенсивный рост сопротивления передвижению наблюдается при больших относительных смещениях передних и задних колес.

1500

; - 1400

U- 1300

аз

с; s X 1200

и 0)

ас го X S 1100

I со

со е$ 1000

о <и гм

с; а.

о <и

>- с X 900

а: о:

т s

X т. 800

-О а)

с; <и 5 «=; со н 700

о а. 600

с

О U 500

♦ Ряд 1 ®Ряд2 АРядЗ

0 20 40 60 80 100 120

Смещение колеи передних колес относительно задних ДВ, %

Рис.

17. Зависимость удельной условной силы сопротивления передвижению от смещения колеи передних колес относительно задних: ряд 1 - У) = 52%; ряд 2 - ы = 74%; ряд 3 - п = 92%

Подсчет средних коэффициентов сопротивления передвижению для неуплотненной/, и уплотненной f2 залежей показал, что полученные данные не расходятся с результатами полевых экспериментов, проведенных А.К. Кочедыковым и A.M. Паниным для неконсолидированных залежей нарушенной структуры (f, = 0,13...0,25, f2 = 0,07...0,16), а частное от деления коэффициентов сопротивления передвижению по уплотненной и неуплотненной залежам - величина постоянная для всех рассмотренных значений влаги торфа и составляет для одинарного колесного хода 0,61.. .0,62, а для сдвоенного-0,55...0,56 .

Методами планирования эксперимента построена математическая модель, описывающая зависимость удельной условной силы сопротивления передвижению Fk от влаги залежи w, удельной условной нагрузки на колесо q и давления воздуха в шинах Р„:

/У = 99,14 + 4,54w + 0,08q - 107,62PW -

-20,57wPw + 0,0016wf7. (28)

Модель справедлива при условии контакта одинарного пневматического колесного хода с давлением воздуха в шипах 0,02...0,15 Mlla с неуплотненной ходовыми устройствами и неконсолидированной от времени торфяной залежью нарушенной структуры степенью разложения 20...25% при влаге залежи

52...92%. Диапазон удельной условной нагрузки на колесо составляет 561,22...12 398 Н/м2.

Четвертая глава работы посвящена научным основам агрегатирования торфяных машин с тяговыми торфяными транспортными средствами. Для шести операций (фрезерование, ворошение, валкование, уборка, профилирование и вывозка торфа с производственных участков) получены тягово-энергетические характеристики машин (табл. 2).

Таблица 2. Тягово-энергетические характеристики то

Машины

Фрезерный барабан МТФ-19

Валкователь МТФ-ЗЗБ

Ворошилка МТФ-22

Мощность, необходимая для работы машины, кВт

37,14...60,11

18,4...29,4

18,84...27,44

Необходимая сила тяги на крюке трактора, кН

■рфяных машин

0...4

7,8...9,1

7,88...9,8

Поступательная скорость, м/с

2,22...3,9

2,17...2,97

2,2...2,8

Бункерная уборочная МТФ-43

38,84...53,07

8,53... 15,37

2,16...3,0

Прицеп-самосвал ПТК-2

Профилировщик МТП-52

63,3...79,13

5,2...14,56

13,45...71,61

13,31...20,8

4,0...5,0

0,12...0,59

Анализ полученных характеристик показал, что для эффективного использования тягачей для двух групп операций (1 - ворошение, валкование и 2- фрезерование, профилирование, уборка, вывозка торфа) целесообразно применять разные по энергонасыщенности тракторы. Был исследован рынок тракторов, производимых в России и странах ближнего зарубежья, проанализировано около 100 моделей, результатом проделанной работы стал справочник «Колесные и гусеничные тракторы». Сформулированы требования, которым должен отвечать колесный тягач для использования его в торфяной промышленности. В соответствии с теорией и практикой сервисного сопровождения зарубежных фирм разработан алгоритм предварительного выбора колесного трактора для торфяных предприятий с учетом расчета возможной деформации колес, анализов стоимости и качества трактора на рынке, состава сервисных услуг. Для двух перечисленных групп операций рекомендованы разные по энергонасыщенности колесные тракторы, удовлетворяющие сформулированным требованиям к тракторам для торфяной промышленности. Для первой группы операций рекомендованы тракторы с дизельным двигателем мощностью 50...60 кВт: ЛТЗ-60АБ и ЛТЗ-60АВ (Липецкий тракторный завод), МТЗ-82.1 и МТЗ-900 (920) (Минский тракторный завод). Для второй группы операций рекомендованы тракторы с

дизельным двигателем мощностью 100...130 кВт: ЛТЗ-155.4У (Липецкий тракторный завод), РТ-М-160У (Уральский вагонный завод), МТЗ-1221, МТЗ-1523(Минский тракторный завод), ХТЗ Т-17221, ХТЗ Т-150К-09 (Харьковский тракторный завод).

Для анализа действия силы инерции на вертикальную нагрузку колесного хода тягачей торфяных транспортных машин составлен силовой баланс МТА, совершающего разгон и замедление. Получена формула определения для этих двух случаев дополнительных вертикальных нагрузок колесного хода тракторов Qdon с учетом геометрических характеристик торфяных агрегатов:

<2доп = ^l^im = 0,ЗЗРит + 0Д8РИМ , (29)

где Рит - сила инерции трактора; h4 - высота расположения центра тяжести трактора; РШ1 - сила инерции прицепной машины; ксц - высота расположения тягово-сцепного устройства трактора; L - продольная база тягача.

Подсчитаны дополнительные составляющие вертикальных нагрузок колесного хода от действия силы инерции МТА для различных операций с учетом параметров торфяных машин (табл. 3).

Таблица 3. Дополнительные вертикальные

Операция

Ворошение

Валкование

Уборка торфа

Фрезерование

Вывозка торфа

Профилирование

Р*п, кН

17

17

25,22

_25,22

25,22

25,22

Сухая масса машины, кг

1850

3390

5640

2000

4000

5700

нагрузки колесного хода трактора

Масса машины с грузом, кг

1850

3390 10900

2000

11200

5700

Рт кН

0,97

1,78

5,99

1,05

6,38

2,99

Qdom кН

5,78

5,93

9,39

3,51

9,46

;,85

Как видно из табл. 3, максимальная дополнительная вертикальная нагрузка на колеса трактора-тягача от действия суммарных сил инерции наблюдается на операциях по уборке и вывозке торфа машинами на пневмоходу, поэтому именно на этих операциях целесообразно перспективное применение колесных тягачей с автоматической трансмиссией. Трактор в составе МТА, разгоняясь и притормаживая, поочередно испытывает дополнительные нагрузки и разгрузки на передние и задние колеса. При расчете на проходимость необходимо рассматривать ситуации максимальной нагруженности колес, когда и передние, и задние колеса нагружаются дополнительной составляющей вертикальной нагрузки Оло„, возникающей от действия суммарной силы инерции МТА.

Глава пятая посвящена проблемам транспортирования топливного торфа и адаптации существующих гусеничных торфяных уборочно-транспортных машин к пневмоколесному ходу.

Для оптимизации транспортных работ составлена возможная схема транспорта торфа от производственных участков торфопредприятия до бункера

топлива энергетической станции через перегрузочные пункты торфопредприятия, оборудованные на суходоле, и склады с запасом топлива, расположенные на территории энергетической станции. Для каждого перехода рекомендован свой вид транспорта. Составлен баланс транспортных операций данной технологической цепочки и выделен объем операций с использованием транспорта каждого вида. Анализ показал, что, как и узкоколейные железные дороги, тракторный поезд на пневмоколесном ходу является самым универсальным средством для транспортировки торфа (54% всех транспортных операций). Но учитывая тот факт, что сеть железных дорог узкой колеи требует колоссальных затрат на содержание и эксплуатацию, на первое место по применимости выходит транспорт тракторным поездом, состоящим из колесного трактора и прицепа.

В отличие от основных работ, связанных непосредственно с добычей торфа, транспортные работы могут быть переложены торфодобывающими компаниями на плечи посредников или потребителей. В связи с этим возникает вопрос об оценке эффективности инвестиций в транспортные операции. Анализ существующих методик оценки инвестиционной привлекательности позволил выявить для транспортных операций пять современных критериев, которые способны определить эффективность инвестиций в транспортные операции и сам транспорт: минимум приведенных затрат Zmim коэффициент сравнительной экономической эффективности Кэ, чистая текущая стоимость NPV, внутренняя норма доходности IRR, срок окупаемости инвестиций РР. Методика и примеры расчетов по этим критериям представлены в работе. Поскольку в большинство перечисленных критериев входит CF - «кэш-флоу», или чистый денежный поток, то ясно, что он является одним из основных критериев, формирующих экономический баланс предприятия. Чистый денежный поток в первую очередь определяется ценой на торфяное топливо. В работе представлена методика по определению потолочной цены на торфяное (резервное) топливо с учетом транспортных работ. Она основывается на данных о цене основного топлива в регионе (газ, уголь, мазут), коэффициентах увеличения затрат при переходе с основного топлива на вспомогательное и перевода топлива в условные единицы. На первом этапе определяется цена основного топлива в тоннах .условного топлива, которая приравнивается к цене вспомогательного условного топлива. На втором этапе определяется потолочная цена торфяного топлива с учетом транспортных работ, исходя из коэффициентов увеличения затрат при переходе на вспомогательное топливо и перевода в условное топливо. На третьем этапе с учетом цены торфа в штабеле вычленяется потолочная цена транспортных работ. С помощью данной методики, построенной на поиске решения «от обратного», можно определить также и потолочную цену пневмоколесной техники, задействованной на транспортных работах.

Сравнение эффективности проведения транспортных работ грузовым автомобилем и трактором с прицепом по количеству рейсов в смену не в пользу последнего. Однако учитывая то обстоятельство, что предполагается использовать трактор с прицепом из имеющихся фондов предприятия и

заниматься вывозкой торфа в неблагоприятные по метеорологическим условиям дни, а грузовой автомобиль необходимо брать в аренду, вывод о целесообразности применения грузовых автомобилей на операциях по вывозке торфа будет не такой уж однозначный. В отличие от гусеничных тракторов, которые использовались лишь в течение сезона добычи торфа, колесные транспортные средства могут эксплуатироваться круглогодично, доставляя в зимние месяцы торф и с полей, и с перегрузочных площадок.

Опыт создания и использования торфяных транспортных машин на пневмоколесном ходу позволил сформулировать требования к их конструкциям и компоновке. Это должны быть прицепные машины с незначительным отклонением по высоте относительно прототипа, с более гладким рисунком протектора, чем у арочных шин (для снижения эффекта «подфрезеровывания» залежи). Проведенные исследования в рамках диссертационной темы определили максимальный объем кузова (25 м3) торфяного прицепа для внутрихозяйственной работы и типы применяемых шин. Учитывая движение по слабым грунтам, для снижения давления на залежь имеет смысл применять шины низкого давления, способные легко деформироваться. Нормальная деформация шин в объеме до 20% от общего объема деформаций способна значительно увеличить площадь контактной поверхности шины с залежыо, что, в свою очередь, приводит к значительному снижению удельного давления на грунт. Таким условиям соответствуют радиальные шины. Специально для условий движения нагруженных машин по слабым и влажным грунтам разработаны радиальные флотационные шины. В настоящее время на ОАО «Тверьстроймаш» с использованием исследований автора ведутся работы по созданию универсального пневмоколесного шасси для внутрихозяйственных торфяных прицепов с объемом бункера 25 м3 и скреперно-бункерной торфоуборочной машины типа МТФ-43А. В качестве шин для данного шасси рекомендованы три образца (табл. 4).

Таблица 4. Рекомендуемые шины для уборочно-транспортных машин

Тип шины Наружный Ширина Максимальная Максимальное

диаметр профиля вертикальная давление

шины шины нагрузка воздуха

в свободном в свободном на колесо в шине, МПа

состоянии, состоянии, с шиной, кН

мм мм

480/45-17 863 455 30 0,32

400/60-15,5 874 390 29 0,36

235/75-17,5 800 241 27 0,85

С переходом промышленности с гусеничного хода на пневмоколесный увеличивается скорость передвижения техники, что требует адекватного увеличения ее надежности и работоспособности. В сезоны добычи торфа в 1987-1988 гг. на Оршинском торфопредприятии были зафиксированы

неисправности на двух комплектах уборочных машин МТФ-43 и МТФ-41, работавших на полях с пнистостыо 1,5 и 3%. Подсчитано среднее время наработки на отказ и среднее время восстановления работоспособности, а также их среднеквадратичные отклонения. Анализ неисправностей показал, что на залежах с пнистостыо 1,5% неисправности ковшевого элеватора в сумме составили 73%, а на залежах с пнистостыо 3% - 78% от всех неисправностей. Причина, как правило, одна - заклинивание пня. В связи с размещением на машинах с колесным ходом ковшевой элеватор был реконструирован, установлено устройство слежения. Внедрение данного усовершенствования снизило потери от заклинивания благодаря быстрому обнаружению неисправности. Изобретение защищено патентом РФ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе теоретически обоснована и решена крупная научно-техническая проблема в области создания новых и совершенствования существующих горных машин, заключающаяся в обосновании параметров пневмоколесного хода агрегатов по добыче торфа, включающем математические модели, методы и методики их установления, закономерности и зависимости, систему показателей и коэффициентов и позволяющем определять рациональные параметры пневмоколесного хода торфяных машин в зависимости от вертикальной нагрузки, давления воздуха в шинах и качественных характеристик торфяной залежи с учетом взаимного деформирования пневматических колес и залежи, что существенно повышает эффективность проектирования и эксплуатации и имеет важное хозяйственное значение для торфяной отрасли горной промышленности России.

Основные научные выводы и результаты, полученные лично автором, заключаются в следующем:

1. Разработаны основные положения теории деформирования пневматических колес торфяных машин в зависимости от нагрузки на колесо, давления воздуха в шине, геометрических параметров колеса, качественных характеристик торфяной залежи и осадки колеса на залежи. Определено, что деформация пневматического колеса оказывает существенное влияние на площадь его контакта с торфяной залежью при площади диаметрального сечения колеса больше 0,71 м2.

2. Разработан метод определения площади контактной поверхности деформированного пневматического колеса с деформированной торфяной залежью. Показано, что деформация пневматического колеса способна увеличить площадь контактной поверхности колеса с залежью на величину до 20%, значительно повышая проходимость машин.

3. Исследованы основные закономерности взаимодействия приводных колес торфяных машин с залежью с учетом их нормальной деформации с

целью определения тягово-сцепных свойств. Показаны резервы повышения комплексного показателя проходимости. Определено, что деформация пневматической шины при допустимом буксовании способна изменить действительный радиус колеса на 10-15%. Исследовано влияние давления воздуха в шине на предельную силу тяги по сцеплению слоев торфа, развиваемую тягачем. Установлено, что при давлении воздуха в шине больше 80 кПа, сила тяги по сцеплению слоев торфа начинает интенсивно снижаться.

4. Разработана математическая модель функционирования пневмоколесного хода, позволяющая определять силу сопротивления передвижению в зависимости от влаги залежи, давления воздуха в шинах и нагрузки на колесо, а также выявить:

-границы эффективного применения сдвоенного колесного хода по условиям нагрузки на колесо и качественным характеристикам залежи;

- максимальное смещение колеи передних колес относительно задних;

- оптимальное давление воздуха в шинах для различных условий эксплуатации;

- влияние качественных характеристик торфяной залежи и параметров колесного хода на коэффициент сопротивления передвижению.

Данное исследование послужило научной основой для создания торфяных уборочно-транспортных машин на пневматическом колесном ходу.

5. Разработан метод определения дополнительных нормальных нагрузок на колеса тягача торфяных машин вследствие действия сил инерции. Выявлено, что максимальные дополнительные вертикальные нагрузки от действия сил инерции пневмоколесный ход тягача испытывает на операциях по уборке фрезерного торфа и вывозке торфа с производственных участков, поэтому перспективное использование тягачей с автоматической трансмиссией целесообразно именно на вышеперечисленных операциях.

6. Сформулированы требования к колесным тракторам для торфяной отрасли, предварительно рекомендованы конкретные типы колесных тракторов для использования в качестве тягачей для двух групп операций: ворошение-валкование и фрезерование-профилирование-уборка-транспортирование. Предложен метод предварительного выбора колесного трактора с учетом потребностей торфодобывающих компаний, развитости сервисных услуг, соотношения цена - качество, эиергонасыщенности, позволяющий более эффективно использовать технику.

7. Изложены принципы создания и компоновки торфяных уборочно-транспортных машин на пневмоколесном ходу, обоснованы параметры шин, возможных к применению. Модернизирована конструкция торфоуборочной машины МТФ-43 в связи с переводом ее на пневмоколесный ход.

Основные научные результаты диссертации используются в учебном процессе Тверского государственного технического университета при подготовке дипломированных специалистов по профилям «Технологические машины и оборудование для разработки торфяных месторождений» и «Сервис транспортных и технологических машин и оборудования».

Основополагающими публикациями по теме диссертационной работы являются:

Научные статьи, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России

1. Яблонев, А.Л. О роли торфа в топливно-энергетическом комплексе города Твери/ А.Л. Яблонев /Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: МГГУ, 2009. № 11. С. 70-73.

2. Яблонев, А.Л. Особенности транспорта торфа к конечному потребителю в г. Твери/А.Л. Яблонев, О.В. Пухова/Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: МГГУ, 2010. № 1. С. 34-35.

3. Яблонев, А.Л. Требования к тракторам для торфяной промышленности/ А.Л. Яблонев /Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: МГГУ, 2010. № 2. С. 38-Ю.

4. Яблонев, А.Л. О коэффициенте сопротивления передвижению пневматического колесного хода на торфяной залежи низинного типа/ А.Л. Яблонев /Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: МГГУ, 2010. №3. С. 44-46.

5. Яблонев, А.Л. Расчет деформации пневматического колеса при взаимодействии его с торфяной залежью/ А.Л. Яблонев /Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: МГТУ, 2010. № 5. С. 77—80.

6. Яблонев, А.Л. Расчет ширины площади контакта деформированного пневматического колеса с торфяной залежью/ А.Л. Яблонев /Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: МГТУ, 2010. № 7. С. 21-23.

7. Яблонев, А.Л. Определение силы сопротивления передвижению пневматического колесного хода по неуплотненной торфяной залежи нарушенной структуры/ А.Л. Яблонев /Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: МГГУ, 2010. № 9. С. 41-44.

8. Яблонев, А.Л. Расчет длины дуги контакта деформированного пневматического колеса с торфяной залежью и площади их контакта/ А.Л. Яблонев/Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: МГГУ, 2010. № 9. С. 45-47.

9. Яблонев, А.Л. Алгоритм выбора колесного трактора-тягача для торфяной промышленности/ А.Л. Яблонев /Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: МГГУ, 2010. № 10. С. 113-117.

10. Яблонев, А.Л. Определение динамического радиуса пневматического колеса при его взаимодействии с торфяной залежью с учетом буксования и нормальной деформации/ А.Л. Яблонев /Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: МГГУ, 2011. № 3. С. 311-313.

11. Яблонев, А.Л. Колесные и гусеничные тракторы: справочник. Деп. в изд-ве МГГУ 12.01.2011 г., № 819/03-11. 104 е./ А.Л.Яблонев /Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: МГГУ, 2011. № 3. С. 94.

12. Яблонев, A.JI. Особенности взаимодействия пневматического колесного хода с торфяной залежью. Деп. в изд-ве МГТУ 14.12.2010 г., № 802/03-11. 171 е./ А.Л. Яблонев/Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: МГТУ, 2011. № 3. С. 277.

13.Яблонев, А.Л. Влияние нормальной деформации пневматических колес на силу тяги по сцеплению слоев торфа/ А.Л. Яблонев /Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: МГГУ, 2011. № 3. С. 314-316.

14. Яблонев, А.Л. Определение потолочной цены на торфяное топливо с учетом транспортных расходов/ А.Л. Яблонев /Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: МГГУ, 2011. № 4. С. 379-381.

15. Яблонев, А.Л. Влияние силы инерции на нагрузку колесного хода тракторов для торфяной промышленности/ А.Л. Яблонев /Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: МГГУ, 2011. № 6. С. 232-235.

16. Яблонев, А.Л. Эффективное применение сдвоенного пневматического колесного хода на торфяной залежи нарушенной структуры/А.Л. Яблонев/Горное оборудование и электромеханика. М.: Новые технологии, 2011. № 5. С. 54—56.

17. Яблонев, А.Л. Основы прогнозирования взаимодействия пневматического колеса с грунтом / А.Л. Яблонев / Вестник Российской академии сельскохозяйственных наук. М.: Россельхозакадемия, 2011. № 6. С. 73-74.

Публикации в прочих научных журналах и трудах

18. Яблонев, А.Л. Определение коэффициента сопротивления передвижению модели пневматического колесного хода на торфяной залежи/ A.JI. Яблонев, А.Н. Лукьянчиков /Вопросы проектирования и эксплуатации наземного колесного транспорта: межвузовский сборник научных трудов. Тверь: ТГТУ, 2010. Вып. 3. С. 25-27.

19. Яблонев, А.Л. Определение деформации пневматического колеса при его взаимодействии с торфяным грунтом/А.Л. Яблонев/Материалы X Всероссийской научн. конф. «Образование в XXI веке». Тверь: ТГТУ, 2010. С. 244-248.

20. Яблонев, А.Л. Особенности расчета пневматического колесного хода при его использовании на торфяных месторождениях / А.Л. Яблонев / Материалы IX Междун. конф. «Ресурсовоспроизводящие, малоотходные и природоохранные технологии освоения недр», г. Котону, 2010 г. М.: РУДН,

2010. С. 259-261.

21. Яблонев, А.Л. Модель пневматического колесного хода для исследования его взаимодействия с торфяной залежью / А.Л. Яблонев /Материалы V Междун. конф. «Горное, нефтяное, геологическое и геоэкологическое образование в XXI веке», г. Грозный, 2010 г. М.: РУДН, 2010. С. 180-181.

22. Яблонев, А.Л. Пневматический колесный ход и особенности его взаимодействия с торфяной залежью: монография/А.Л. Яблонев. Тверь: ТГТУ,

2011. 168 с.

23. Яблонев, А.Л. Применение транспорта на пневмоколесном ходу в технологии добычи торфа повышенной влажности с последующей его искусственной досушкой/А.Л. Яблонев/Молодой ученый. Чита, 2011. № 3. С. 97-100.

24. Яблонев, А.Л. Определение эффективности инвестиций в операции по перевозке торфа с производственных участков к конечному потребителю / А.Л. Яблонев / Материалы Междун. конф. «Технические науки в России и за рубежом», г. Москва, 2011. Чита: Молодой ученый, 2011. С. 111-114.

25. Яблонев, А.Л. Некоторые экономические аспекты, касающиеся проблемы транспорта торфа/ А.Л. Яблонев /Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. М.: Литера, 2011. № 3. С. 48-51.

26. Яблонев, А.Л. Ходовые устройства торфяных машин и пути развития их конструкций/А.Л. Яблонев/Молодой ученый. Чита, 2011. № 4. С. 83-85.

27. Яблонев, А.Л. Применение техники на пневматическом колесном ходу в торфяной промышленности России/ А.Л. Яблонев / Материалы VI Междун. научно-практич. конф. «Современные проблемы гуманитарных и естественных наук», г. Москва, 2011. М.: ИСИ, 2011. С. 38-39.

28. Яблонев, А.Л. Применение сдвоенного колесного хода на торфяной залежи нарушенной структуры/ А.Л. Яблонев /Материалы X Междун. конф. «Ресурсовоспроизводящие, малоотходные и природоохранные технологии освоения недр», г. Махачкала, 2011. М.: РУДН, 2011. С. 99-102.

29. Яблонев, А.Л. Влияние несовпадения колеи передних и задних колес торфяных машин на силу сопротивления передвижению при взаимодействии с торфяной залежью нарушенной структуры / А.Л. Яблонев /Вестник ТГТУ (научн. журнал). Тверь: ТГТУ, 2011. Вып. 19. С. 35-38.

30. Яблонев, А.Л. Использование машин и тракторов на пневмоколесном ходу в торфяном производстве/ А.Л. Яблонев /Материалы Всероссийского торфяного форума, г. Тверь, 2011. М.: Ассоциация менеджеров России, 2011.

С. 60-61.

31. Яблонев, А.Л. Исследование особенностей взаимодействия пневмоколесного хода с торфяными залежами в лабораторных условиях / А. Л. Яблонев/Материалы IX Междун. научно-техн. конф. «Наука - образованию, производству, экономике», Беларусь, г. Минск, 2011. Минск: БНТУ, 2011. т. 1.

С. 381-382.

32. Яблонев, А.Л. Исследование отказов торфоуборочных машин типа МТФ-43 и МТФ-41 с целью повышения их надежности при переводе на пневматический колесный ход/ А.Л. Яблонев/Вестник ТвГТУ (научн. журнал). Тверь: ТвГТУ, 2012. Вып. 20. С. 56-60.

Патенты

33. Патент РФ на полезную модель № 98473 Элеватор для торфоуборочной машины. БИ. № 29. 2010. Зарегистрирован 20.10.2010 г. / Синицын В.Ф., Яблонев А.Л. и др.

34. Патент РФ на полезную модель № 105430 Лабораторная модель пневмоколесного хода. БИ. № 16. 2011. Зарегистрирован 10.06.2011 г. / Яблонев А.Л., Ионкин К.Н.

Подписано в печать 7.11.2012

Физ. печ. л. 2 Усл.печ.л 1,86 Уч.-изд.л. 1,74

Тираж 150 экз. Заказ № 75 Формат 60x84/16

Типография ТвГТУ 170026, г. Тверь, наб. А. Никитина, 22

Тверской государственный технический университет

На правах рукописи

УДК 622.331.002.5

05201^0-100

ЯБЛОНЕВ АЛЕКСАНДР ЛЬВОВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ И ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ ПНЕВМАТИЧЕСКОГО КОЛЕСНОГО ХОДА АГРЕГАТОВ

ПО ДОБЫЧЕ ТОРФА

Специальность 05.05.06 - Горные машины Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант -доктор технических наук, профессор Зюзин Б.Ф.

Тверь 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.............................................................6

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................13

1. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЖЕСТКИХ И ПНЕВМАТИЧЕСКИХ КОЛЕС ТОРФЯНЫХ МАШИН С ТОРФЯНОЙ ЗАЛЕЖЬЮ, СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЗАДАЧИ ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ.............21

1Л. Ходовые устройства торфяных машин и пути их развития......................21

1.2. Теория взаимодействия жесткого колесного хода торфяных машин с торфяной залежью.................................................................................................25

1.3. Взаимодействие пневматического колесного хода с торфяной залежью 36

1.4. Исследования взаимодействия колесного хода с торфяной залежью и другими слабонесущими грунтами.....................................................................41

1.5. Современные типы торфяных машин на пневмоколесном ходу и классификация пневмоколесных ходовых устройств.......................................59

1.6. Анализ существующих исследований по расчету и эксплуатации пневматического колесного хода на торфяной залежи.....................................67

1.7. Задачи диссертационного исследования.................................................69

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ ПРОХОДИМОСТИ ТОРФЯНЫХ УБОРОЧНО-ТРАНСПОРТНЫХ АГРЕГАТОВ..........................................................................................................71

2.1. Способы определения деформации пневматического колеса на торфяной залежи.....................................................................................................................71

залежи...................................................................................................................../о

2.3. Площадь контакта деформированных колес торфяных машин с залежью..................................................................................................................95

2.4. Касательная сила тяги пневматического колеса на торфяной залежи при условии их взаимного деформирования....................................................108

2.5. Показатели проходимости по торфяным залежам машин на пневмоколесном ходу.........................................................................................116

2.6. Частные случаи оценки проходимости машин на пневматическом колесном ходу по торфяной залежи..................................................................120

2.7. Выводы по главе...........................................................................................124

3. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПНЕВМОКОЛЕСНОГО ХОДА ТОРФЯНЫХ УБОРОЧНО-ТРАНСПОРТНЫХ МАШИН С ЗАЛЕЖЬЮ НАРУШЕННОЙ СТРУКТУРЫ.......................................................................................................125

3.1. Обоснование объекта и задач исследований............................................125

3.2. Лабораторная модель пневматического колесного хода.........................132

3.3. Методы и методики проведения экспериментальных исследований.....135

3.4. Исследование зависимости силы сопротивления передвижению от нагрузки на колеса...............................................................................................142

3.5. Исследование зависимости силы сопротивления передвижению от давления воздуха в шинах..................................................................................160

3.6. Перенос результатов исследований с модели в реальные условия........162

3.7. Влияние несовпадения колеи передних и задних колес торфяных машин на силу сопротивления передвижению.............................................................174

3.8. Влияние качественных характеристик торфяной залежи на коэффициент сопротивления передвижению...........................................................................179

3.9. Построение математической модели взаимодействия пневматического колесного хода торфяных машин с торфяной залежью нарушенной структуры.............................................................................................................182

3.10. Выводы по главе.........................................................................................187

4. НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ АГРЕГАТИРОВАНИЯ ТОРФЯНЫХ МАШИН С КОЛЕСНЫМИ ТРАКТОРАМИ.....................................................................189

4.1. Классификация машинно-тракторных агрегатов торфяной промышленности и принципы агрегатирования торфяных машин с тракторами...........................................................................................................189

4.2. Энергетическая характеристика фрезера послойно-поверхностного фрезерования торфяной залежи МТФ-19.........................................................192

4.3. Энергетическая характеристика валкователя МТФ-ЗЗБ......................196

4.4. Энергетическая характеристика ворошилки.............................................199

МТФ-22 (ВФ-19)..................................................................................................199

4.5. Энергетическая характеристика бункерной уборочной машины МТФ-43 на арочных шинах...............................................................................................200

4.6. Энергетическая характеристика прицепа-самосвала ПТК-2 на арочных шинах....................................................................................................................203

4.7. Энергетическая характеристика торфяного шнекового профилировщика МТП-52А..............................................................................................................205

4.8. Анализ энергетических характеристик торфяных машин.......................208

4.9. Требования к колесным тракторам для торфяной промышленности и алгоритм их подбора при агрегатировании с торфяными машинами...........211

4.10. Нагрузки на пневмоколесный ход тягачей торфяных машин...............219

4.11. Выводы по главе.........................................................................................228

5. ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ ТОПЛИВНОГО ТОРФА И АДАПТАЦИЯ СУЩЕСТВУЮЩИХ ГУСЕНИЧНЫХ УБОРОЧНО-ТРАНСПОРТНЫХ МАШИН К ПНЕВМАТИЧЕСКОМУ КОЛЕСНОМУ ХОДУ........................229

5.1. Актуальность проблемы по транспортированию торфа.........................229

5.2. Транспортирование топливного торфа с производственных участков ОАО «Васильевский Мох» на Тверскую ТЭЦ-4 ОАО ТГК-2...........................................................................................................232

5.3. Оптимизация транспортных работ...........................................................236

5.4. Основы инвестиционного анализа при оценке транспортных работ техникой на пневмоколесном ходу...................................................................244

5.5. Максимальная цена топливного торфа, определяющая цену транспортных операций техникой на пневмоколесном ходу.........................257

5.6. Применение транспорта на пневматическом колесном ходу в технологии добычи торфа повышенной влаги с последующей его искусственной досушкой..............................................................................................................263

5.7. Адаптирование гусеничных торфяных уборочно-транспортных агрегатов к работе на пневмоколесном ходу.....................................................................267

5.8. Увеличение надежности и производительности бункерной уборочной машины на пневмоколесном ходу.....................................................................272

5.9. Выводы по главе...........................................................................................281

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................283

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ПРИЛОЖЕНИЯ...........................................................

286 308

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современная заинтересованность в разработке источников торфяного сырья базируется на получении местного, альтернативного стремительно дорожающему газу топлива, производстве удобрений для сельского хозяйства, способных в несколько раз повысить плодородие почв, а также на сокращении возникновений торфяных пожаров на заброшенных площадях, которые наносят колоссальный вред экологии и хозяйствующим субъектам. Стратегия развития торфяной отрасли предполагает достижение к 2020 году уровня добычи торфа в 50 млн тонн в год, в то время как в 2010 году добыто всего 1,41 млн тонн. Столь амбициозная задача может быть решена лишь при значительной модернизации торфодобывающего оборудования и использовании инновационных решений для повышения эффективности торфяных компаний. Одним из направлений модернизации отрасли является внедрение машин на пневмоколесном ходу, особенно на уборочно-транспортных операциях, так как на один добывающий фрезер или валкователь в комплекте приходится 3-4 уборочно-транспортные машины. Торфодобывающая техника России существенно отстает от иностранной (Финляндия, Канада, Ирландия и т.д.) по применению в конструкциях пневматического колесного хода. В последние годы, несмотря на общий спад торфяного производства, наметился позитивный сдвиг в развитии конструкций торфяных машин. Внедрение в отрасль тракторов на пневмоколесном ходу потребовало срочного создания прицепных агрегатов с меньшей крюковой нагрузкой. Эксплуатация уборочно-транспортных машин на пневмоколесном ходу, который менее энерго- и металлоемок по сравнению с гусеничным, позволит торфодобывающим компаниям увеличить производительность машин за счет развития больших поступательных скоростей и заняться вывозом добытого торфа с производственных площадок к потребителям, что ликвидирует ярко

выраженную сезонность работ. Новые экономические условия делают выгодным применение и других способов добычи торфа, не требующих осушения больших площадей, что влечет за собой применение агрегатированных пневмоколесных торфяных машин в условиях повышенной влаги залежи. Создание и совершенствование этих машин направлено на повышение их производительности (эффективности), долговечности (надежности), безопасности и экологичности.

Вместе с тем, анализ отечественных и зарубежных научных публикаций и патентной документации свидетельствует о том, что сегодня в недостаточной степени разработаны научные основы создания и рационального применения пневмоколесных ходовых устройств в условиях торфяных компаний. Многие вопросы взаимодействия пневмоколесного хода и торфяной залежи еще недостаточно изучены. Так, не учитывается в расчетах взаимное деформирование пневматического колеса и торфяной залежи, определяющее проходимость технологического оборудования по залежам, не сформулированы требования к пневмоколесной технике, не выявлены границы параметров пневмоколесных машин, соответствующие рациональным режимам их работы.

Таким образом, создание новых и совершенствование существующих горных машин путем обоснованного выбора параметров пневмоколесного хода агрегатов по добыче торфа с учетом неоднородности качественных характеристик торфяной залежи, переменной нагрузки и динамики таких горных машин является актуальной научной проблемой, имеющей важное хозяйственное значение.

Цель работы состоит в обосновании и выборе параметров пневматического колесного хода торфяных уборочно-транспортных машин с учетом неоднородности условий их использования для повышения эффективности в работе.

Идея работы заключается в учете взаимного деформирования торфяной залежи и пневматического колеса, позволяющем более точно

обосновывать параметры пневмоколесного хода торфяных уборочно-транспортных агрегатов.

Методы исследований. При выполнении диссертационной работы использовалась теория торфяных машин, математический аппарат теории вероятностей, эксплуатационные наблюдения за работой горных машин, методы математической статистики, математического и масштабного моделирования с применением компьютерной техники.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Метод расчета и оценки площади контактной поверхности взаимно деформированных торфяной залежи и пневматического колеса при нелинейном ее изменении, основанный на зависимости нормальной деформации пневмоколеса от параметров колесного хода и характеристик опорной поверхности, позволяющий более точно оценивать проходимость техники и подбирать параметры колесного хода в соответствии с условиями работы.

2. Закономерности влияния конструктивных особенностей торфяных уборочно-транспортных агрегатов и качественных характеристик торфяной залежи на резистивные свойства залежи нарушенной структуры, положенные в основу выбора параметров пневмоколесного хода.

3. Математическая модель функционирования пневмоколесного хода торфяных уборочно-транспортных агрегатов, дающая возможность определять резистивные свойства залежи в системе «торфяная залежь -пневматическое колесо».

4. Метод аналитического определения дополнительных вертикальных сил, изменяющих нагрузку колесного хода тягача торфяного агрегата и обусловленных действием сил инерции прицепной машины, позволяющий установить состав операций, на которых целесообразно использовать тягач, оснащенный автоматической трансмиссией.

5. Обоснование выбора пневмоколесного тягача торфяных уборочно-транспортных машин, учитывающее энергонасыщенность, взаимное

деформирование колес и залежи, специфику сервиса и позволяющее находить оптимальное решение для агрегатирования машин с тягачами.

6. Сравнительный анализ компоновочных решений, применяемых в конструкциях торфяных уборочных агрегатов, позволяющий обосновывать параметры колесного хода для работы машин в рациональном режиме.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: корректностью использованных теорий торфяных машин, вероятности, надежности и математической статистики; адекватностью математических моделей процессу функционирования горных машин и использованием данных, полученных с доверительной вероятностью не менее 0,9 при величине относительной ошибки не более 0,1.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

- сформулированы основные положения теории взаимного деформирования пневматического колеса и торфяной залежи, определяемого параметрами колесного хода и характеристиками торфяной залежи;

- разработан метод определения формы и площади контактной поверхности деформированного пневматического колеса и торфяной залежи;

- установлены закономерности влияния параметров колесного хода торфяных транспортных агрегатов (размеров колес, давления воздуха в шинах, вертикальной нагрузки) и качественных характеристик торфяной залежи (влаги, плотности) на силу сопротивления передвижению машин;

- установлены закономерности и режимы рациональной работы сдвоенных пневматических колес;

- разработана математическая модель взаимодействия пневмоколесного хода торфяных транспортных машин с торфяной залежью;

- установлены закономерности влияния на пневмоколесный ход тягачей дополнительных вертикальных нагрузок, вызванных силами инерции от прицепных торфяных машин.

Научное значение заключается в развитии теории взаимодействия пневматических колес с торфяной залежью, выразившемся в разработке

принципов и моделей функционирования торфяных агрегатов на пневмоколесном ходу в условиях изменяющихся режимов нагружения.

Практическое значение работы заключается в разработке методик:

-расчета на проходимость торфяных уборочно-транспортных машин на пневмоколесном ходу;

- оценки влияния несоответствия колеи передних и задних колес торфяных агрегатов на силу сопротивления передвижению;

- выбора колесного тягача для агрегатирования с торфяными уборочно-транспортными машинами, учитывающего особенности торфодобывающей компании и специфику сервисного обслуживания;

- оценки использования торфяных транспортных средств на пневмоколесном ходу в общей системе операций торфяного производства;

- расчета площади контактной поверхности деформированной шины с деформированной торфяной залежью;

- проведения лабораторных экспериментов с моделью пневмоколесного хода.

Реализация результатов работы. Методика расчета на проходимость и рекомендации по компоновке торфяных машин внедрены и используются в производственной деятельности НПО «Тверской ремонтно-механический завод» при проектировании и изготовлении уборочных машин. Методика оценки влияния несоответствия колеи передних и задних колес торфяных агрегатов на силу сопротивления передвижению в виде расчетов на проходимость и рекомендаций по комплектации торфяного транспортного средства внедрена и используется в производственной деятельности ООО «Тверьстроймаш» при проектировании и изготовлении торфяных прицепов-самосвалов. Методика выбора колесного трактора-тягача с учетом условий предприятия внедрена и используется в практической деятельности ООО «Обслуживание легких тракторов производства Евросоюза (ОЛТЕС)». Методика оценки использования торфяных транспортных средств на пневмоколесном ходу внедрена и используется в практической деятельности

ООО «ИЦ Энерго» в виде определения максимально возможной цены транспортных машин. Методики расчета площади контактной поверхности деформированной шины с деформированной торфяной залежью и проведения лабораторных экспериментов с моделью пневмоколесного хода (патент РФ № 105430) внедрены и используются в учебном процессе при подготовке студентов специальностей 150403 «Технологические машины и оборудование для разработки торфяных месторождений» и 190603 «Сервис транспортных и технологических машин и оборудования» ФГБОУ ВПО «Тверской госуда�