автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Совершенствование параметров промышленных гусеничных тракторов (теория, эксперимент, внедрение)

н

МОСКОВСКИЙ

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ АВТОМОБИЛЬНО - ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ПОЗИН

Борис Михайлович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРОПИЛЕННЫХ ГУСЕНИЧНЫХ ТРАКТОРОВ (теория,эксперимент,внедрение)

05.05.03 - Автомобили и тракторы

05.05.04 - Доронина и строительные машины

Диссертация в форме научного доклада на соискание ученой степени доктора технически наук

1_

МОСКВА 1991

J

Работа выполнена в ГСКВ по промышленным тракторам ПО "ЧТЗ имени В.М.Ленина".

Официальные оппоненты - доктор технических наук,профессор

" В.Ф.Амельченко

- доктор технических наук,профессор В.-А.Савочкин

ч

• - доктор технических наук,профессор В.В.Яцкевич

Ведущее предприятие -.Челябинский завод дорожных машин

им. Д. В. Ко лище нко

Защита диссертации состоится кс&фи 1991 г. в 1.0 часов на заседании специализированного совета ДР-053.30.98 в Московском автомобильно-дорожном институте по адресу: 125829,Москва,А-319,Ленинградский проспект,д.64,ауд. ц/.

С диссертацией ыожно ознакомиться в библиотеке института.

Диссертация разослана "ОсГЛ^Я- 1991г.

Отзывы, направлять на имя ученого секретаря совета с подписью, заверенной печатью.

Телефон для справок 155-03-28.

Ученый секретарь специализированного совета ДР-053.098

к.т.н.,доценг Г.С.Мирзоян

\

ВВЕДЕНИЕ

Организация изготовления новых моделей и совершенствование выпускаемых промышленностью тракторов, производство на юс основе землеройно - транспортных машин таких, как бульдозеры,рыхлители, скреперы и др., для большинства из которых промышленный трактор является энергетической и несущей основой - важная народно - хозяйственная проблема. Применение трактора в качестве подсистемы землеройно - транспортного агрегата определяет ряд специфических требований к его характеристике, параметрам и конструктивному исполнению и выдвигает ряд научных проблем,решение которых не может быть получено в классической теории трактора.

В докладе обобщены труды автора, в которых решается проблема оптимизации параметров промышленных гусеничных тракторов, разрабатывается ряд новых-научных положений и пути их реализации. В нем отражены результаты научно - исследовательской и инженерной деятельности автора в ГСКБ по промышленным тракторам ПО ЧТЗ имени В.И.Ленина в 1957-1991 гг.

1 .ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.Около 30% общего объема земляных работ в нашей стране выполняется тракторными землеройно - транспортными агрегатами*1.Работа трактора в составе тракторного агрегата характеризуется рядом особенностей: ярко выраженной цикличностью технологических процессов, большими догрузками от технологического оборудования, накоплением грунта при копании, переменными нагрузками и разнообразными по своим свойствам грунтами. Эти особенности существенно меняют требования к характеристикам трактора, его параметрам, конструктивному исполнению и делают некоторые научные результаты и рекомендации, выработанные общей теорией, неприменимыми к промышленным тракторам.

*1 - в дальнейшем - тракторный агрегат.

Так, сложившийся в практике конструирования уровень энергонасыщенности промышленных тракторов в 1,5-2 раза ниже, а верхняя граница оптимальных тяговых усилий в 1,5-2 раза вше,чем рекомендуемые общей теорией для сельскохозяйственных тракторов. Примерно в 1,5 раза ниже отношение базовых параметров (Ь/В), чем у транспортных гусеничных машин.

- Отсутствие достаточных научных обоснований приводит не только к низкой эффективности тракторных агрегатов,неоптимальным их параметрам,но и к серьезным ошибкам в методологии,когда критерии оптимальности и методы, основанные на положениях общей теории, при дополнительной проверке для промышленных тракторов оказываются непригодными.Так,широко применяемая в качестве критерия оптимальности тяговая мощность.которая считается аналогом производительности,на самом деле для таких агрегатов, как бульдозер и скрепер производительности не эквивалентна. Представляется неоправданным для этих агрегатов направление автоматизации,основанное на стабилизации какого - либо параметра (мощность, скорость, тяговое усилие).

Таким образом, возникает необходимость решения научной проблемы, суть которой заключается в разработке методологии и конкретных. методов оптимизации параметров промышленного гусеничного трактора, определяющих эффективность агрегата, его функциональные и экономические характеристики.

Основная цель настоящей работы - разработка научных основ оптимизации, выработка рекомендаций по совершенствованию параметров промышленных гусеничных тракторов.и их внедрение в практику конструирования.

Объект "исследования - промышленные тракторы различных тяговых классов с разными типами ходовых систем и трансмиссий и тракторные агрегаты на их базе.

Научная новизна: разработана методология оптимизации параметров промышленных гусеничных тракторов на базе системного подхода; - разработана обобщенная теории оптимальных рабочих процессов тра!

торных землеройно-транспортных: агрегатов как основа метода оптимизации параметров тяговой характеристики;' >

- разработана обобщенная теория стационароного поворота -■ гусеничного самохода,как основа метода оптимизации базовых параметров промышленных гусеничных тракторов.

Научная полезность. Новые научные результаты, полученные в диссертации,позволяют:

- сформулировать и решить задачу оптимизации параметров тяговой

характеристики промышленного трактора с автоматическими и ступенчатыми трансмиссия?®; .

- сформулировать и решить задачу оптимизации базовых параметров ! промышленного гусеничного трактора; ' 1

- оценить перспективность научных направлений в области оптимизации тяговых характеристик и разработки систем автоматического управления тракторными агрегатами.

Практическая полезность и • реализация результатов работы. Разработанные в диссертации метода позволяют на стадии проектирования найти оптимальные параметры тяговой характеристики и базовые параметры гусеничного промышленного трактора, обеспечивающие максимальную эффективность тракторного агрегата.

Практические'рекомендации реализованы в параметрах тракторов и тракторных агрегатов ПО "ЧТЗ имени В.И.Ленина", ПО "Чебоксарский завод промышленных тракторов", Челябинский завод дорокных машин имени Д.В.Колюценко и др.

Разработанные научные методы используются в исследовательской работе Челябинским филиалом НПО "НА.ТИ", Челябинским институтом НИИОГР, Челябинским государственным техническим университетом, Сибирским автодорожным институтом, Уральской научно - исследовательской станцией Ш10"НАТ1Ги др.

Основы теории оптимальных рабочих процессов тракторных агрегатов, методика построения тяговой характеристики и выбора базовых параметров читаются в курсе лекций студентам Челябинского государственного технического. университета и Сибирскогр автодорожного института.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены в разные года на научно-технических конференциях Челябинского госу -дарственного технического университета, Челябинского государственного агроикженерного университета.Белорусского политехнического института, ЦНШМЭСХ Нечерноземной зоны СССР, Московского автодо-ронного института, на Горячкинских чтениях ВАСХНИЛ.

В целом работа долокена и обсуждена на заседаниях научно-технических советов ГСКВ по промышленным тракторам ПО"ЧТЗ",ПО "ХТЗ", НПО "НАТМ", ЦН1/ШМЭ0Х Нечерноземной зоны СССР .

' 2.ОСНОВЫ МЕТОДОЛОГИИ

Тракторный парк страны в совокупности с технологическим оборудованием и множеством условий эксплуатации можно рассматривать как сложную хозяйственную систему.В иерархическом ряду технике- , экономических -задач оптимизация параметров этой системы макет считаться достаточно общей.Такая глобальная задача может быть решена эффективно после решения задач более низкого уровня.одной из которых является задача оптимизации параметров отдельной машины.

Актуальность этой задачи подтверждается также и тем,что в соответствии с современными воззрениями теории трактора,многие решения в удельных(относительных)параметрах справедливы для машин любого класса.Повышение эффективности отдельной машины означает в данном случае повышение эффективности всего ряда машин в типаже и служит основанием для решения задач оптимизации не только тракторных, но и других народнохозяйственных систем любого уровня.

Оптимизация параметров трактора есть системная задача,решение которой зависит от определения объекта,выбора критериев .формулировки и методов решения конкретных задач.

Объект.Классический подход к трактору как объекту оптимиза -ции заключается в представлении о нем как о тяговой машине. Представление о тракторе как о тяговой машине, обладающей одной связью с внешней средой (ходовой аппарат), приводит к постановке задач оптимизации относительно свойств самой машины: тягового усилия, тяговой мощности, тягового КПД, сопротивления движению, буксования и т.д.

В основе методологии настоящего исследования лежит отказ от концепции трактора как тяговой машины. Трактор рассматривается как подсистема агрегата, в структуре которого он выполняет функции несущей и энергетической основы.

В тракторном агрегате (бульдозер,скрепер,пахотный агрегат и др.), в отличие от тяговой машины существуют (рис.2.1) две связи с внешней средой (ходовой аппарат' и рабочее орудие). Однако по свойствам второй связи тракторные агрегаты принципиально различаются. Так, в сельскохозяйственном агрегате вторая связь (плуг,борона и др.) проявляется посредством постоянного (в среднем) тягового сопротивления и работа трактора в таком агрегате не отличается от работы тяговой машины. Иное дело промышленный тракторный агрегат. Посредством второй связи с грунтом, промышленный агрегат,например, бульдозер,накапливает и перемещает разрабатываемый грунт, что вызывает изменение тягового'сопротивления,усиливающееся при траншейной разработке грунта и отсыпке его в кавальер за счет изменяемого рельефа.Таким образом,значительное изменение тягового сопротивления является существенным признаком технологического процесса тракторного промышленного агрегата.

Рассматривая трактор как подсистему агрегата, можно выделить параметры, характеризующие эффективность агрегата,его функциональные и экономические характеристики.

Наличие двух связей с грунтом и его двоякая роль приводят к необходимости рассмотреть параметры трактора, орудия и грунта в их единстве и взаимодействии.

К параметрам трактора,'определяющим эффективность агрегата, относятся: параметры, характеризующие его конструкцию*1 (масса-М , длина опорной поверхности гусениц (база) - Ь «колея (поперечная база)-В , удельное давление на грунт - ^ ,координаты центра масс-1^), и параметры, характеризующие тягово-мощностные свойства трактора*2(тяговые усилия-Р±,скорости-У;),мощность двигателя - N.

*1 * 2

- в дальнейшем

- в дальнейшем

- базовые" параметры;

- параметры тяговой характеристики.

а)

б)

Рис.2.1 Схемы тракторного землеройно-транспортного агрегат

а)функциональкая ;

б)структуры связей машинного контура.

диапазону силового - % и скоростного - -»V регулирования силовой установки*1).

К параметрам орудия, определяющим эффективность агрегата, относятся' размеры, определяющие его емкость (объем перемещаемого грунта - q).Применительно к бульдозеру, например,такими размерами являются длина - В, и высота отвала - К.

«Л

Таким образом, набор параметров трактора и орудия, например, бульдозера представляется в виде вектора

у =(М.1.в,чг,ь1Г» , Р1Л;Г в^Н) ( 2.1 )

1=1,2.....п; д=1,2.....п.

Параметры трактора, доставляющие максимальную эффективность агрегату, оцениваемую том или иным критерием, будем называть оптимальными.

Размерность вектора V/ монет быть существенно снижена,а процедура поиска оптимальных параметров разделена на две самостоятельные процедуры в пространствах меньшего числа измерений,если учесть свойства разных групп параметров и специфику их влияния на эффективность агрегата.

Базовые параметры коррелируют между собой и однозначно определяют тягово-сцепныз свойства трактора С 10,35 ].

Оптимизация базовых параметров по тому или иному критерию в силу т независимости от параметров тяговой характеристики выполняется на уровне системы ходовая часть - грунт и сводится фактически к-нахождению условий вида

Б(М,1,В^Г ,1ац) < 0. ( 2.2 )

. Параметры тяговой характеристики,вообще говоря, зависят от базовых параметров в той мере, в которой зависят от них тягово -сцепные свойства трактора.Эти свойства базовых параметров и пара -

- двигатель с автоматической частью трансмиссии

петров тяговой характеристики допускают раздельную процедуру их оптимизации. На самом деле, задача оптимизации параметров тяговой характеристики и орудия сводится к максимизации функционала Э, где базовые параметры входят как константы, удовлетворяющие условию(.2.2 )

Э = тахЭ(М,1,В^г,И1;,Ы , Р^, Вг,Н) . (2.3)

Б < 0.

Таким образом, задача оптимизации параметров промышленного гусеничного трактора сводится. к оптимизации базовых параметров и параметров тяговой характеристики(с параметрами орудия) отдельными процедурами,обеспечивающими, однако, решение задачи в целом.

Критерии. Критерии, характеризующие тяговую машину,такие как тяговый КПД. буксование, сопротивление движению, тяговое усилие по сцеплению и др.,не обеспечивают агрегату наквисшую эффективность. Например, максимум тягового КЦЦ, характеризующий тяговую машину,и максимум- производительности, характеризующий агрегат,достигается при разных тяговых усилиях, т.е. налицо разный результат решения задач оптимизации [13].

Наиболее общими характеристиками агрегата являются его производительность (П) и приведенные затраты на единицу выполненной работы (З)*1.образующие векторный критерий

Э = (П,3), (2.4)

компоненты которого являются функциями параметров трактора и орудия.Критерий 3 допускает декомпозицию.На самом деле, в структуре приведенных затрат выделяются три составляющих: затраты, связанные с производительностью, ресурсом и расходам топлива. Таким образом, приходим к трем критериям более низкого уровня : производительности (П), ресурсу (Яе) и расходу топлива на единицу выработанной продукции (О)*?

ж! - в дальнейшем - приведенные затраты; ж2 — в дальнейшем - расход топлива.

Таким образом,критерий 3 может быть представлен в виде вектора:

3 = (П.О.Ке),

компоненты которого (0 и Ке) такке являются функциями параметров трактора и орудия.

Специфика решения задачи оптимизации параметров трактора по критерию 3 имеет некоторые особенности. Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что существует устойчивая тенденция снижения расхода топлива на кубометр выработанного и перемещенного грунта при росте производительности агрегата.Более того, экстремумы производительности и расхода топлива достигаются при одинаковых тяговых усилиях трактора. Установлено также, что в широком диапазоне изменения тяговых усилий отсутствует тенденция изменения нагруженносги силовой установки [36,37,38].В таком случае производительность агрегата может быть принята в качестве основного критерия оптимальности.Оптимизируя параметры трактора по производительности, мы одновременно оптимизируем их по расходу топлива и не изменяем нагрукенности узлов трансмиссии и,таким образом,минимизируем приведенные затраты.

Производительность как критерий оптимальности параметров трактора обладает двумя вакными свойствами:свойством распределяться по нормальному закону,что проверено экспериментально по совокупности малых выборок, и свойством преобразования, заключающемся в свойстве формул производительности разных агрегатов переходить в друг друга, основанном на общности закономерностей изменения производительности тракторных агрегатов от параметров трактора [30,37].

Свойство распределения позволяет разработать методику оценки экспериментов, основанную на распределении Стъюдента, а свойство преобразования - перенести результаты исследования одного агрегата на другой.

Формулировки конкретных задач и методы их решения рассматриваются в соответствующих разделах.

3.ПАРАМЕТРЫ ТЯГОВОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Методы оптимизации параметров тяговой характеристики сельскохо- . зяйственных тракторов отработаны достаточно полно (В.И.Алхимов, В.И.Анохин, Н.Взлев, С.А.Иоффинов, В.И.Мининзон, А.П.Парфенов, В.И.Саяпин, И.И.Грепененков. Е.М.Харитончик, Д.А.Чудаков), тогда как метода оптишзации характеристик промышленных тракторов основаны на ряде априорных предположений без достаточного научного обоснования.

В соответствии с выбранными критериями и в силу независимости процедуры поиска оптимальных параметров тяговой характеристики от базовых параметров задачу можно сформулировать следующим образом: найти параметры тяговой характеристики (тяговые усилия, скорости и их ряды, мощность),которые при заданных базовых параметрах доставляют максимум функционалу П:

П = шахЩМ,1,В,дг,Иц,Ы,Р1,Уз,В<5,Н,); (3.1)

БШ.Х^.Ьц) < 0;

О < Ы; 0 < Р±; 0 < 7з < Ушах;

; Х=1 »2а • • I = ^ »2« « • »

■ где Ушах - наибольшее значение скорости, допускаемое условиями движения;

' З-.З - номера передач рабочего и холостого хода, число .которых также подлежит определению.

Базовые параметры выступают в этой задаче как константы,удовлетворяющие условию (2.2).Поскольку производительность является монотонной функцией мощности и скорости холостого хода [2,7], задача сводится к нахождению их максимальных значений и построению •' оптимальных рядов рабочих передач.

Основной предпосылкой в исследованиях сельскохозяйственных тракторов является представление об оптимальном рабочем процессе как движении с постоянной скоростью и задача в том или ином виде сводится к поиску экстремума функции нескольких переменных, в роли которых выступают обычно тяговые усилия.

Такая посылка(и,соответственно,решение задачи)для промышленных тракторов является недостаточной ввиду существенно меняющихся тяговых сопротивлений и переменной структуры рабочих циклов (371. Иначе1 говоря, нужно выработать стратегию оптимального поведения в каждом из этих циклов,т.е. найти закон движения агрегата, при котором его эффективность (производительность) будет наибольшей.

Закон движения агрегата, при котором достигается его максимальная произво дательноет ь, назовем оптимальным рабочим процессом.Установление и изучение свойств и параметров таких процессов позволяет установить параметры трактора, обеспечивающие эти процессы.

Таким образом,возникает задача: разработать теорию оптимальных рабочих процессов тракторных агрегатов как методологическую основу оптимизации параметров тяговой характеристики промышленных тракторов.

3.1.Оптимальные рабочие процессы тракторных агрегатов

Производительность ( П ) землеройного агрегата, работающего циклическим способом, записывается выражением

где д - объем призмы грунта,перемещаемый за 1-ый цикл, Т1 - время 1-го цикла, п - количество рабочих циклов.

Транспортные и холостые хода агрегата выполняются при заданном объеме перемещаемого грунта и, совершенно очевидно, движение в этих случаях должно осуществляться на максимально возможной скорости, допускаемой условиями передвижения и мощностью двигателя.Что

п

п

(3.2)

1

1

касается хода копания,то здесь требуется оптимально, в каком-то смысле,управлять режимом движения.Задача состоит,таким образом,в том,чтобы оптимизировать рабочий ход и затем из этих оптимальных рабочих ходов выбрать тот, который доставляет максимум функционалу П . Естественно, поиск оптимального процесса следует вести в широком классе функций, в том числе и разрывных.

Оптимальный рабочий процесс агрегата определяется свойства™ мощностного баланса трактора,закономерностями копания грунта рабо-'чим орудием и типом характеристики силовой установки.

Мощностной баланс трактора обладает одним важным свойством [37], устанавливаемым следующей теоремой.

Теорема. Если коэффициент полезного действия механической (редук-торной) части трансмиссии ( т] ) и сопротивление движению ( Г ) постоянны, а буксование есть вогнутая функция удельного тягового усилия ( б=& (<р)), тяговый КПД трактора ( г}т ) является выпуклой функцией скорости.

Из этой теоремы следует, что если мощность силовой установки постоянна или является выпуклой функцией частоты вращения вала,тяговая мощность как функция скорости движения выпукла.

Анализ результатов теоретических исследований процесса копа' ния (В.И.Баловнев,Д.А.Ветров) позволяет установить,что сопротивле-' ние копанию(ср ^ может быть описано двучленом относительно площади вырезаемой струкки (Е,) и объема-грунта в призме волочения )

Фт= (3.3)

где коэффициенты пропорциональности,принимающие постоянные

или переменные значения специального вида:

+ ^ (3.4)

где К, - константы,зависящие от свойств грунта и состояния ножа,а коэффициент ц 5 возрастает с ростом qт и апроксими-руется ломаной, составленной из двух отрезков с точностью, достаточной для практических расчетов[37).

Анализ прогрессивных характеристик силовых установок тракторов показывает, что степень отклонения величины мощности от постоянного значения (идеальная характеристика)

в достаточно широком диапазоне частоты вращения выходного вала не превышает 0,5 - 2%[373.

Для дальнейшего принято:

- тяговый КПД трактора является выпуклой: функцией скорости и удовлетворяет условиям

- тяговый баланс бульдозера описывается уравнением { 3.3 ) с постоянны?® или переменными коэффициентами к и

- силовые установки либо имеют идеальную характеристику,либо постоянную частоту вращения вала.

Последнее условие применяется лишь в примерах практических расчетов для сравнения эффективности двух типов трансмиссий:автоматической,имеющей идеальную характеристику, и ступенчатую с постоянной частотой вращения выходного вала силовой установки.

Задача оптимального процесса тракторного агрегата решена вначале с постоянными коэффициентами к и ц 5 уравнения ( 3.3 ) и затем обобщена на случай переменных коэффициентов.

3.1.1 ..Оптимальные процессы копания Состояние агрегата в процессе копания в любой момент времени характеризуют пять параметров: пройденный путь - х, скорость-у=х, тяговое усилие <р, сечение вырезаемой стружки - Г, объем грунта в призма волочения - Ц*1 .

Параметры т.ср.Г являются управляющими,в результате изменения которых меняются величины х и q.

Между тремя управляющими параметрами существуют "два уравнения связи: уравнение копания (3.3) и уравнение загрузки

где - тяговая мощность.

Найдем теперь,объем грунта, набираемый на перемещении йх ац = гсах.

Учитывая уравнения связи, получим математическую модель процесса копания

+ = (з.б)

ж1 - здесь и в дальнейшем 7]^<р,1 тяговая мощность ,тяго-

воэ усилие.площадь вырезаемой стружки,о0ъем грунта в призме волочения,мощность двигателя отнесены к единице веса гата

Не определяя класса допустимых двшений, сформулируем задачу в общем видегсреди всех возможных движений найти такое,которое за данное время Т на данной длине коданкя £ обеспечивает набор призмы грунта максимального объема.

В силу условия взаимности эта задача эквивалентна задаче < быстродействии: среди всех возможных движений найти такое, которое обеспечивает на данной длине хода копания набор заданного объема грунта д за минимальное время.

Непрерывноё управление. Эта задача решается методами классического вариационного исчисления.На самом деле,'решение'уравнения ( 3.6 ) с учетом граничных условий:

1:0= 0; х(0) = 0; я<0) = Т; х<1) = X; ц<Т> = q;

дается формулой

т

Jj£

q=e k (qn+

k

rj(x)e kdt). ( 3.7 )

о

Сформулированная задача решается максимизацией функционала

т

q =|t]<x)e|ix{it ( 3.8

о

О i Ь Хтах

где M-=|i5/k, т)(х)=т|т (х)/к.

Экстремали, доставляющие необходимые условия максимума функционала (q), удовлетворяют уравнению Эйлера

Т]^. х + ¡л]/х - (ГТ} = 0 , <3.9

которое и представляет собой математическую модель оптимального процесса при непрерывном управлении с прогрессивной характеристикой силовой- установки Ж.1

Достаточные условия оптимальности обосновываются следующей теоремой.

жт - в дальнейшем - автоматическая трансмиссия (AT)

'еорема. Для любой выпуклой функции г|(х) на экстремали, удовлет-юряквдей уравнению (3.9), достигается максимум функционала(3.8).

Доказательство основано на проверке выполнимости условий [ехандра и Якоби [27,37].

Важные свойства оптимальных процессов описываются следующими теоремами[371.

'еорема. Оптимальный процесс агрегата не зависит от начального збъема набранной призмы.

■еорема.Ни одно движение с постоянной скоростью не является оптимальным.

Доказательство первой теоремы основано на единстве экстремалей функционзлов(3.7) и (3.8). Для доказательства второй -токазано,что в оптимальном процессе всегда х < О.

Для некоторых типичных процессов, соответствующих характеру работы специальных орудий, либо отвечающих определенному закону протекания тяговой-характеристики трактора, функционал (3.7) вырождается и приобретает специальный вид, которому ' соответствует специальный характер оптимального процесса.Важнейший из них-ц=0=0. Этот случай интерпретируется отсутствием накопления призмы грунта (плуг.рыхлитель,фреза и т.д.).Оптимальным в этом случае является процесс с постоянной скоростью (стационарный процесс).Такие процессы характерны,в основном,для сельскохозяйственных машин и отличают их" принципиально от промышленных.

Дискретное управление. В том случае,когда трактор обору- . дован ступенчатой механической коробкой передач с переключением,; решение ищется на множестве кусочно-линейных функций, для не-переключаешх коробок передач (МСТ) - на множестве постоянных скоростей (стационарные процессы). Задача управления формулируется следующим образом: среди всех возможных управлений на множестве кусочно-линейных функций за данное время набрать наибольший объем призмы на данной длине при заданном числе переключений.

Эта задача решается методом динамического программирования.

Введем обозначения: \» - время, тяговое усилие,

скорость, длина на 1 - м участке хода копания.

Обозначим также объем грунта,набираемый на 1 - и

участке; - объем и максимальный объем грунта, набираемый на

1 участках; ^ - путь и время 1 шагового процесса. Функциональное уравнение Беллмана имеет вид

О =иах(ц + тахОЛГ ,,Т .)) ( 10 )

тп х п.-1 п I »

О < х < Хтах; О < И < 1п; О < (х < Гп; 1=1,2,.. .п

Численное решение уравнения (3.10) затрудняется тем, что процесс, осуществляемый после к шагов, зависит от трех переменных - , Хп_к, Тп_к.

Интеграл (3.8) в случае дискретного управления вычисляется в конечном виде и позволяет получить рекурентную формулу:.

у У'""-"-'1*1' ■

В переменных £ л= ср^ <р1_1, '= О

откуда следует, что оптимальное управление процессом не зависит от О ки параметры полностью характеризуют оптимальное

поведение, а объем в л шаговом процессе равен:

1

V + • (3.12)

Иначе говоря,для уравнения (3.10) также справедлива теорема о независимости оптимального процесса от начального объема набранной призмы.

Управление без переключения. Для определения • оптимальных тяговых усилий агрегата с механической ступенчатой трансмиссией трактора без переключения нет необходимости решать задачу полным образом. Здесь удается выделить специальные множители (коэффициенты производительности (Кп)), зависящие от удельных параметров трактора и пропорциональные производительности, агрегата, т.е.

выполняющие функции критерия оптимальности. Задача, таким образом, сводится к поиску экстремума функции одного перемешюго (<р) для функций вида[13,37 3:

((р-а/2)7х;

Кп= 1 + (<(н±')Ух/102Ыут]м(1-б) ( 3-13 '

где а - угол отсыпки кавальера, Ух - скорость холостого хода.

Возмокность распространения полученных результатов на общий случай уравнения копания (3.3) с переменными коэффициентами к и ц основана на независимости оптимального процесса от начального объема набранного грунта.В этом случае справедливы все основные свойства оптимальных процессов, сформулированных для к=сопз1; и ц=сопз1;.

3.1.2.Численное решение уравнений оптимальных процессов копания Расчет оптимальных траекторий выполнялся на ЭВМ. При описании мощностного баланса использовались специально разработанные эмпирические формулы зависимости буксования от удельного тягового усилия трактора [22]; при описании тягового баланса бульдозера грунты условно разбиты на "штатный" (примерно суглинок 3-4 категории) и "слабый" (примерно суглинок 1-2 категории) с широким спектром изменения характеристик для каждого типа грунта [ 37 ], охватывающего практически все грунты, разрабатываемые тракторными землеройно-транспортными агрегатами (И.А.Недорезов).

Уравнение Эйлера в задаче о непрерывном управлении (автоматические трансмиссии) решалось как задача Коши. Это дало возмокность,кроме поиска оптимального процесса,оценить еще чувствительность решения к начальным условиям, или иначе,к диапазону регулирования и -передаточному числу трансмиссии.

В результате счета выполнена оценка оптимальных решений по эффективности процесса копания (по величине ц/Т), производительности при разработке коротких траншей и длинных траншей с кавальером, определены оптимальные тяговые усилия при механических ступенчатых и автоматических трансмиссиях.

Расчеты показывают, что существуют процессы, при которых величина q/T достигает наибольшего значения, однако чувствительность этого критерия к начальной скорости процесса весьма низка.

Так.для рассматриваемых грунтов при изменении начальной скорости в два раза величина q/T меняется на доли процента.

Время набора одинакового объема грунта при нестационарном*'1 оптимальном процессе сокращается по сравнению со стационарным . для практически интересных случаев в 1,05 - 1,7 раза. С ростом объема призмы эффективность нестационарного процесса увеличивается.

Уравнение Веллмана в задаче о дискретном управлении решалось в пространстве функций, что также позволяло проследить за чувствительностью критерия ч/Т к структуре цикла. В основе счета лежит равенство (3.. 11).

Эффективность многошагового процесса при дискретном управлении существенно зависит от его времени.Многошаговый процесс для практически интересных случаев эффективней одношагового примерно в 1,2 раза, однако, прирост эффективности резко падает с числом шагов.На длине 5-10 м многошаговые процессы при п £ 2 практически равноценны.Это свидетельствует о том, что в механических ■ ступенчатых трансмиссиях при дискретном управлении требуется не более одного - двух переключеншй.

Эффективность непрерывного управления практически равноценна двухшаговому дискретному, в связи с чем.дальнейшее исследование выполнено для агрегатов с автоматическими трансмиссиями, реализующими оптимальный нестационарный процесс, и механическими ступенчатыми трансмиссиями без переключения, реализующими ■ стационарный процесс, оптимальный на множестве постоянных скоростей.

3.1.3.Оптимальные процессы в целом Транспортные и холостые хода,следующие за рабочим ходом (ходом копания), должны выполняться на максимально возможной скорости, допускаемой мощностью двигателя или условиями движения. Рассматриваются два основных типа рабочих процессов: разработка короткой траншеи с отсыпкой в свал и длинной с отсыпкой в кавальер. Во всех случаях скорость холостого хода принимается равной

»1 - нестационарным оптимальным процессом мы называем процесс оптимальный на множестве непрерывных скоростей, стационарным оптимальным - процесс,оптимальный на множестве постоянных скоростей.

V =' 2,78м/сек (10 км/час). При этом сравниваются агрегаты с меуь-нической ступенчатой и автоматической трансмиссиями при равных удельных мощностях, для каждой из которых строятся оптимальные процессы по функционалу П.

Короткая траншея. Оптимальный процесс агрегата с механической трансмиссией есть движение с постоянной скоростью на рабочем ходу при фопт и максимальной скоростью холостого хода. Оптимальный процесс агрегата с автоматической трансшюсией есть движение в оптимальном процессе копания и с максимальной скоростью движения на холостом ходу.

При разработке короткой траншеи с отсыпкой в выемку в условиях достаточной емкости рабочего орудия объем призмы волочения и производительность при нестационарном процессе копания больше,соответственно, на 10% и 5%.

Длинная траншея с отсыпкой в кавальер. Стратегия оптимальной разработки такой траншеи определяется изменяющейся длиной транспортировки и величиной угла отсыпки, а также различием структуры цикла в зависимости от емкости отвала бульдозера.

В зависимости от емкости можно различить два вида технологии:

- агрегат с отвалом малой емкости, позволяющий транспортировать набранный грунт по кавальеру при максимальном угле. В этом случае набирается одинаковый объем грунта за каждый цикл;

- агрегат с отвалом большой емкости. В этом случае набирается различный объем грунта при каждом рабочем ходе, соответствующий углу наклона кавальера.

В обоих случаях скорость транспортировки грунта определялась тяговой характеристикой,а скорость холостого хода имела максимальное значение.

При оптимально организованном процессе разработки траншеи равного профиля с равномерным распределением угла кавальера (а) и длины ходки между минимальным и максимальным размерами производительность агрегатов с АТ на 4 - 10% выше, чем с МСТ. В случае работы с бульдозером недостаточной емкости эффективность агрегата с АТ повышается до 20 - 30%.

Таким образом; закономерности изменения производительности существенно определяются емкостью рабочего орудия и при решении задач оптимизации тяговой характеристики и сравнении агрегатов с ' различными типами трансмиссий одним из главнейших является вопрос ■ оптимального агрегатирования - правильного подбора параметров трактора,и рабочего орудия.

Знание характеристик оптимальных рабочих процессов позволяет найти оптимальные параметры тяговой характеристики агрегата. Главный интерес представляет оптимизация рядов тяговых усилий, что при заданном уровне мощности определяет также и ряд скоростей.

Для механической ступенчатой трансмиссии оптимальные значения удельных тяговых усилий при отсыпке в выемку (ср ) и в кавальер (ф^) мало отличаются друг от друга и составляют: для слабого грунта <рп1 =0,575 и <0^=0,580, для плотного <рп1 =0,825 и Фп2=0,830. П .

Для автоматической трансмиссии оптимальный процесс копания обеспечивается изменением скорости рабочего хода (У0) от 1,8м/с до 1,3м/с, что соответствует <ра=0,44 - 0,59 на слабом грунте; и от 1,2 до 0,8 м/с, что соответствует <р=0,68 до 0,89 на плотном грунте. В этих же диапазонах находятся усилия транспортировки набранного в процессе копания грунта. Иначе говоря, диапазоны удельных тяговых усилий 0,44-0,59 и 0,68-0,89 оптимальны для автоматических трансмиссий, что соответствует диапазону регулирования я =1,28.

'Отсюда еледует,что для агрегатов с автоматическими трансмиссиями, такими,например,как гидромеханические,у которых мощность на выходном валу практически постоянна в диапазоне частоты вращения,-равном 1,8-2,0 изменение передаточного числа механической части в 1,5-1,6 раза не оказывает существенного влияния на производительность.

3.1.4.06 эквивалентности критериев ' Большой методический интерес - представляет сравнение процессов оптимальных по производительности и по средней за рабочий цикл тяговой мощности. Дело в том, что в ряде исследований тяговой характеристики и при создании систем автоматического управления землеройно-транспортными агрегатами критерии "производительность".

и "средняя мощность" априорно полагаются эквивалентными. При этом считается, что поддержание максимальной мощности за счет стабилизации какого-либо параметра, например,частоты вращения р-алв двигателя, буксования и т.д. обеспечивает агрегату максимальную производительность.

Средняя мощность агрегата определяется функционалом

1

N = —

1

Т}(х)с11;. ( 3.14 )

Экстремали этого функционала удовлетворяют уравнению Эйлера

Г) X = 0, { 3.15 )

XX

откуда следует х=сопз1, т.е. максимум средней мощности достигается при постоянной скорости движения агрегата.

Таким образом, процессы оптимальные по производительности и мощности совпадают для агрегатов,работающих без накопления грунта (плуг,борона,фреза и т.д.). Для агрегатов,накапливающих грунт в процессе его разработки (бульдозер,скрепер и т.д.),критерии ''производительность" и "средняя мощность" неэквивалентны и оптимальные процессы по этим критериям принципиально различнн[28,36,37 3.

3.2.Экспериментальные исследования*1 В плане общих задач исследования параметров тяговой характеристики трактора экспериментально проверены основные теоретические положения, уточнены закономерности количественного изменения гтро-изводительности от параметров тяговой характеристики, соответствие км параметров рабочего орудия. Кроме того, изучалось влияние параметров тяговой характеристики на расход топлива и нагрукенностъ моторно-трансмиссионной установки.

3.2.1.Общая методика Учитывая наибольшее распространение среди тракторных агрега-

о

- эксперименты выполнены под научным руководством и при участии автора Н.Г.Андриевскюс.В.В.лавуновым.В.В.Княгь киным,В.Л.Магарилло,В.В.Потаповым.

тов бульдозеров (около БОЙ).сложность их технологического цикла, а также свойство преобразования производительности,экспериментальные работы выполнены на глинах и суглинках 1- 4 категории с помощью бульдозеров на базе тракторов различных тяговых классов, типов и конструкций с разными базовыми параметрами, с различными параметрами тяговых характеристик и бульдозерного оборудования (таблицы 3.1,3.2).

Бее тракторы агрегатированы бульдозерным оборудованием производства Челябинского завода дорожных машин имени Колиценко с гидравлическим приводом управления. Высота, угол резания и профиль всех отвалов, применявшихся^ с одним трактором .сохранялись неизменными

Определение технической производительности выполнено в соответствии с ГОСТ 10792-75 "Бульдозеры тракторные для земляных работ.Методы испытаний" на траншейной разработке грунта с отсыпкой его в кавальер при средней дальности перемещения 40 м.

При исследованиях режимов работы моторко-трансмиссионной установки выполнены записи крутящих моментов и частоты вращения на валах трансмиссии. При измерении производительности выполняли от 3 до 5 опытов, при изучении режимов - 8-9 с одним уровнем изучаемого параметра.

3.2.2.Результаты

Производительность. Производительность бульдозера как функция удельного тягового усилия трактора с механической ступенчатой трансмиссией имеет четко выраженный экстремум (рис.3.1). Оптимальные по производительности удельные тяговые усилия агрегата(q> ) с точностью до 3% покрываются отрезками 0,55-0,72 на слабом

грунте и 0,65-0,85 на плотном.

Закономерность изменения производительности бульдозера с ГМТ существенно отличается от таковой для МСТ. При малых передаточных числах наблюдается рост производительности до определенного значения,после которого этот рост, прекращается, производительность стабилизируется и максимум производительности здесь практически обнаружить не удается (рис.3.2).

Производительность агрегата и его оптимальные параметры существенно определяются емкостью рабочего орудия (рис.3.3,3.4).Производительность как функция емкости рабочего орудия имеет четко

выраженный экстремум, положение которого на заданном грунте и определяет оптимальную емкость.

Таблица 3.1

Характе ристика бульдо з е ров,испытанных на производительность

Класс Ходовая трак- система тора

Трансмиссия

Удельное тяговое усилие на рабочей передаче (расчетное)

Параметр отвала бульдозера

Н2 В,м3

колесная

Ж1

гидромеханическая

0,25-0,65 0,16-0,46 0,11-0,36 0,08-0,29

4,60; 5,24

10

гусеничная полужесткая

механическая ступенчатая

гидромеханическая

0,44; 0,55 0,67; 0,79 0,95

0,13-0,43{?1 0,20-0,60 0,29-0,82 0,41-1,11 0,51-1 ,36

Ж2 жЗ 7,20; 8,10

7,20

15

гусеничная эластичная

гидромеханическая

0,35-1,00*1 8,80; 9,72 10,75; 11,52

ж1-расчетное тяговое усилие соответствует КПД гидротрансформатора т^г 0,8;

*2-серийный отвал бульдозера; жЗ-отвал бульдозера увеличенной емкости.

Таблица 3.2

Характеристика бульдозеров класса 10,испытанных на производительность при разном уровне энергонасыщенности

Ходовая Трансмиссия Мощность Удельное Параметр

система в относи- тяговое бульдозера

тельных усилие Н2 В,м3

единицах

Гусеничная механическая 1 ,0 0,50; 0,61 7,2

полужесткая ступенчатая 0,72; 0,87

Гусеничная механическая 1 ,18 0,51; 0,62 7,2; 8,1

полужесткая ступенчатая 1 0,74; 0,89

Гусеничная механическая 1,18 0,51; 0,62 7,2; 8,1

полужесткая ступенчатая 0,74; 0,89

удлиненная

Гусеничная гидромехани- 1,23 0,36-1,06 . 7,2'У

полужесткая ческая

Таблица 3.3

Максимальная производительность различных агрегатов на базе трактора одного -тягового класса с полужесткой подвеской и МСТ

Мощность в относительных единицах Кодовая система Параметр бульдозера Н2 В, м3 Производительность в относительных единицах

1,00 стандарт 7.2 1,00

1,18 стандарт 7.2 1,06

1,18' стандарт . в.1 1,13

1,18 удлинен. 7,2 1,15

1.18 удлинен. 8.1 1,25

п,

1.001

0.90

0.80

0.70

! ¿У о \ РГ 4 л

. ( / V / А 4 \ -•О \ 1

- 1 0о /чГ"о

а,

12

1.1

1.0

1.00

0.90

0. 80

0.70

0-60

а. 44 0.52 0.6 0.68 0.76 0-84 0.92 фа.

Рис.3.1 Относительная производительность (По=П/Пшах) и относительный расход топлива (<^=(3 /01п )'• 1-грунт 1-ой категории;2-гунт 3-ей категорий, 3-грунт 1-ой категории с отвалом увеличенной емкости;4-смешанный грунт,МСГ,класс10.

По

Рс

у—О"" 1 и ■

- АПо о

;

ч

\ Оо о

-Г-П—Т-"" —г—г—г-

12

1.1

10

0,44 0.6 0.76 0.92 1.08 1.24

Рис.3.2 Относительная производительность (По=П/1Ьпах) и относительный расход топлива (<Э0=С1 /£1т1п)» ГМГ.классЮ.

.1.2 1.1 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.1

Пе

-26-

» вам

© 7/" в»

По, \ / ■л

2

--г- у 1

г/ \

Г \ 2

I

V3

0-5 0.55 0-6 0.65 0.7 0.75 0-8 0.85 0-9 0.%

Ф

а.

П0

Рис.3.3 Относительная производительность (ПО=П/Птах) и объем призмы волочения (класс-10,М0Т):

1-грунт 1-ой категории): 1- серийный отвал;

2- отвал увеличенной емкости.

1.40

1.20

1.00

-

Пп 2

-- —' 1

- ,л / 2

< Л,

Я/

8-75 9.25 9-75 10.25 10.75 11.25 НВ^М

Рис.3.4 Относительная производительность (По=П/Птах) и объем призмы волочения (ц) (класс-15,ГМТ): 1-грунт 1-ой категории;2-грунт 3-ей категории

Результаты экспериментов по исследованию влияния параметров трактора и орудия на макОимальную производительность бульдозерного агрегата представлены в Таблице 3.3.

ти без изменения тягового усилия и параметров орудия темп роста производительности существенно отстает от темпа роста мощности, значительно больший эффект от повышения мощности достигается лишь при применении комплекса мероприятий: увеличении тягового усилия, улучшений параметров рабочего орудия и удлинении ходовой системы. В этом случае рост производительности может превысить рост мощности.

Расход Топлива. Расход топлива как функция удельного тягового усилия для агрегата с МСТ имеет четкий минимум,который достигается при тех зке значениях аргумента,при которых достигается максимум производительно сти (рис.3.1).

Закономерность изменения расхода топлива от передаточного числа механической части ГМТ зеркально повторяет изменение производительности.При малых значениях передаточных чисел (1) он уменьшается и затем в широком диапазоне 1тр имеет постоянные значения (рис.3.2).

Нагруженность моторно-трансмиссионной установки. При изменении расчетных удельных тяговых усилий трактора (передаточных чисел механической Засти трансмиссии) существенно изменяются силовые факторы, действующие на МТУ, изменяющие ее нагруженность. Закономерность изменения среднего фактического тягового усилия от расчетного [ 37 ] позволяет разделить все узлы на две 'группы:предшествующие тому, в котором изменяется передаточное число и последующие за ним.Нагруженность узлов первой группы с ростом передаточного числа снижается (рис 3.5,3.В). Нагруженность узлов второй группы (на примере бортового редуктора) оценивалась в соответствии с линейной гипотезой накопления усталостных повреждений (таблица 3.4)V по экспериментальным записям крутящего момента и частоты вращения при различной степени кривой усталости материала (ш) по формуле

Из этих данных следует, что при релизации увеличенной мощное

г—1 ГС

> М ч 15 , 1 ±

Мекв =

1

1000

800

600

400

200

Ид,Ни

' - 28-

- 2 Ч Мд

_ 2 Г л О. У 7 /

- 7 -А— — —А __/ 7~ " 1

- ШУ / )

ае

1.0

0.6

0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.В 0.85 0.9 0.95 Ц)а

Рис.3.5 Крутящий момент (Мд) и коэффициент

загрузки двигателя (зе) (класс-1О.МСТ): 1-грунт 1-ой категории;2-грунт 3-ей категории

кВт 191

3

Пт,

06. мин

1500

1350 "12СЮ 1050 900 750 600 450

-

- Мтг -

- -Ц

- -

-

-

- Ит -

-

; гт

?г

1.05

0-9 0,75

750

0.25

0.3

0.35

0.4 0.45 Фа

Рис.3.6 КПД (г) )•, потери мощности в гидротрансформаторе (N5,частота вращения (л ),крутящим момаат на турбине (М ) гидротрансформатора (класс-5,грунт 2-ой категории)

где М ,п - текущие значения крутящего момента и частоты вращения и перэсчитывались в удельные эквивалентные тяговые усилия.

Таблица 3.4

Эквивалентные удельные тяговые усилия для расчета бортового редуктора на долговечность

ш

Ф

3,33

6

7

у

0,95 0,79 0,67

0,71 0,70 0,70

0,76 0,77 0,75

0,77 0,79 0,76

0,80 0,82 0,79

Таким образом, при увеличении передаточного числа механической части трансмиссии нагруженность силовых узлов не увеличивается и в зоне оптимальных тяговых усилий практически не изменяется.

Методы оптимизации базовых параметров разрабатываются обычно с целью получения наивысших тяговых качеств (В.В.Гуськов,А.В.Васильев, Е.Д,Львов, М.М.Медведев, В.А.Скотников). Согласно п.З для сельскохозяйственных тракторных агрегатов, работающих без накопления грунта, при этом обеспечивается также максимум производительности и экстремумы других технико-экономических критериев. Цля промышленных тракторных агрегатов такая оптимизация не приводит , однако к максимуму производительности.

Эффективность многих агрегатов (бульдозер,рыхлитель, корчеватель и т.д.) в большой- степени, а иногда и единственным образом, определяется возможностью создания на рабочем орудии Зольшого тягового и вертикального усилия, способностью трактора сохранять тягово-сцегаше свойства , прямолинейность движения при теременних нагрузках и т.д. Во всех этих случаях определяющим фактором является длина опорной поверхности гусениц, которая в данном случае выступает самостоятельным критерием оптимизации, эквивалентным производительности.

Возможности увеличения д-гашы опорной поеерхиости гусеничной «готшяг ограничивает о я ее поворотливостью, лимитируемой мсчциестьг; двигателя либо сцеплениям с" грунгсы.

4.БАЗОВЫЕ ПАРАМЕТРЫ

В теории поворота гусеничных машин, основы которой заложены трудами В.И.Заславского, М.К.Кристи, М.И.Медведева, Ф.А.Опейко.• А.О.Никитина, Е.Г.Исаева, считается что поворотливость определи- ■ ется отношением базовых параметров А.=Х/В, рекомендации по выбору которого весьма разноречивы.

В практике конструирования это отношение для разных машин существенно различается. Так для сельскохозяйственных тракторов оно принимается-равным 1,2-1,3. , а у транспортных машин достигает значений 1,7-1,8. Такое различие величин к определяется как характером использования маишн, так и значениями других базовых параметров: массы (веса), удельного давления,координат центра масс и т.д., их влиянием на отношение Х/В.

Таким образом,задача оптимизации базовых параметров промышленных гусеничных тракторов заключается в поиске ограничений, накладываемых поворотливостью машины.Иначе говоря, задача поиска условия Б(М,Х,В,^г,Ьц)£0 в нашем случае сводится к нахождению максимума функционала X

'X = тахХ(ЫЗ,(^ .^.М»). (4.1)

где й,1)> - радиус и угол поворота, характеризующие поворотливость машины.

4.1.Стационарный поворот гусеничного самохода

Промышленный трактор относится к той группе машин, у которых основным ограничением по повороту является сцепление с грунтом.

'Несмотря на большое число исследований в теории гусеничных машин, не существует установившихся представлений о процессе взаимодействия гусениц с грунтом в режиме поворота. Получившие наибольшее распространение теории М.И.Медведева и Ф.А.Опейко исходят из принципиально различных предположений и приводят к существенно разным результатам.Многочисленные эмпирические формулы, выводимые в попытках уйти от недостатков теории, в силу ограниченности их возможностей не могут служить основой для решения этой проблемы.Достаточно сказать,что широко употребляяемые формулы для расчета коэффициента сопротивления повороту р. .дающие удовлетворительные результаты в расчете мощностного.баланса транспортных машин, применительно к расчету тягового баланса трактора. дают кратную ошибку.

Поскольку наибольшие ограничения на параметры накладываются стационарным поворотом5*1, возникает _ задача: разработать теорию стационарного поворота гусеничного самохода как методологическую основу оптимизации базовых параметров прошшленного гусеничного трактора.

Центральное место в теории поворота гусеничной машины занимает задача о силах, действующи на гусеницу со стороны грунта.

При решении задачи о силах пользуются представлением о взаимодействий гусениц с грунтом, как об изотропном или анизотропном трении и деформации грунта.

Если силы трения при повороте изучены достаточно полно,то силы, деформации - явно недостаточно [35].

Задача, таким образом, состоит в установлении закономерностей деформирования грунта гусеницей на повороте и затем в определении сил, которые должны быть положены в основу составления моделей движения машин.

4.1.1.Кинематика взаимодействия гусеницы с грунтом на повороте

Основной посылкой при изучении кинематики гусениц принимается обычно предположение о независимости начальных условий • движения точек опорной поверхности гусениц от их координат и от режима движения машины: радиуса и угла поворота.Эта посылка при малых радиусах, где, собственно, вступают в силу ограничения по поворотливости, приводит не только к большим расхождениям теории и эксперимента, но и к величинам, лишенным физического смысла 18,35].

Кинематика опорной ветви гусеницы. Закономерности деформирования грунта находятся- путем изучения кинематики опорной ветви.

При повороте гусеницы на угол бф (рис.4.1) т.А получает элементарное перемещение сБ. Вектор сБ* равный перемещению, обусловленному буксованием (скольжением), назван элементарным продоль-

ж1- под стационарным поворотом понимается двикаяио , при котором центр масс машины движется по окружности постоянного радиуса (Ю с постоянной величиной скорости (V) и угловой скоростью (га), определяемой отношением ч=Ч/В. (рис.4.5).

Рис.4.1 К определению перемещений точек гусеницы

Рис.4.2 К определению перемещений точек грунта

ным перемещением, щением- Величину

вектор - элементарным поперечным переме-

Ф

Эх =

сБх

( 4.2 )

назовем продольным перемещением точки поворота ф , величину

Ф

(Бг

А, соответствующим углу

( 4.3 )

поперечным перемещением.

Задача заключается в нахождении закона изменения величин Бх и Бг - вдоль гусеницы, для чего необходимо записать их в функции расстояния от точки радиуса И и угла поворота ф.

Для точки К с координатой х бБг= хйф. Пусть в начале поворота координата этой точки была равна а (начальные условия движения: ф(0)=0; х(0)= а, тогда, учитывая условия развертки с буксованием, получим:

х = а ± Щ>/(1-б)

- Б ф2

Бг = аф ±

( 4.4 )

( 4.5 )

2(1-5)

Знак'плюс в (4.4 и 4.5) соответствует задней опорной ветви гусеницы, минус - передней.

В зависимости от того, принимает ли величина а нулевое значение для всех х>0, ил^ существуют х, для которых а>0, существенно различаются закономерности изменения Бз и Бх вдоль гусеницы. Случай а=О для всех х будем называть поворотом с большим радиусом (Й1> Но=( ± е3)/(1 - б)), случай а>0 для некоторых точек - поворотом с малым радиусом (й < Ио).Здесь - Н±,е1 - радиус движения и поперечное смещение полюса гусеницы (1=1,2),е 3~ продольное смещение полюса гусеницы от средины ее опорной поверхности (рис.4.5).

Результаты вычисления величин Бх и Зг приведены в таблицах 4.1,4.2 и на графиках рис.4.3,4.4

Поперечные перемещения точек средней линии гусеницы

Таблица 4.1

Радиус

Задняя опорная ветвь

йж^+е^ф

Ш.+е. )(}г<х<

< £ _е - 2 уз

Передняя опорная ветвь

СЬЖ ^ +е3 -(И1+е1)ф

2

<х< г +еэ

И.+е.<

Д. X

3'

X2

3„=хф - -Ш^е^ф2

5 =хф +

" 2(И1+е1)

2(К1+е1)"

и1+е1_>

Б =

х2

2<И1+е1)

+еэ>2-х2]

2(К1+е1)

Таблица 4.2

Продольные перемещения точек средней линии гусеницы

Задняя опорная ветвь Передняя опорная ветвь

0<х<! -е3 0<х< | +е3 --<Н1+е1)ф 1 +е3-(^+е1)ф< <х< \ +е3

к1+е±- V [Ф -е3-<к±+е1^>+ -х]5п+<|)е1 -х) й1+е.

И1+е±> -V« в;е1 т. е1 - 2 И^е,

Рис.4.3 Зависимость длины поперечных

перемещений (Б, ) конца гусеницы (задняя ветвь) от радиуса (---по М.М.Медведеву)

Рис.4.4 Эпюры длин поперечных перемещений (Б _) при малых радиусах поворота

Рассмотрение структуры формул, представленных в таблицах <4.1) и (4.2), показывает,что обкатывание гусеницу по окружности радиуса Б с буксованием (скольжением) кинематически эквивалентно обкатыванию по окружности большего (меньшего)радиуса Поэтому

вывод кинематических соотношений можно выполнить для гусеницы,обкатывающейся по окружности без буксования (скольжения), и затем формальной заменой И на распространить на остальные

случаи.

Для нужд вычислительной процедуры формулы таблиц (4.1,4.2) можнл представить в компактной форме. Введем единую систему коорда нат х,г, направляя ось х вправо и совместив ее начало с точкой

01(рис.4.1).Обозначив 1=| ± е3,получим:

:Ъ -

1

2 ~

\

[1(х-(-1+(Н1+е1 )ф>] -11x3+1 [х-(И^ )ф] Е[1-(й1+е1)]|

:-(Н±+е1) )2-

(4.6)

Б

п

х-(1-(И1+е1)ф)] ■ +

+■

|[(1-(й1+е1)(|нх)Сп+фе1]Е[(1-(Н1+е1)ф>-х]|Е[1-(Н1+е.)ф]

(4.7)

Кинематика деформщювания грунта при повороте. Траектории движения частиц грунта во взаимодействии с опорной ветвью гусеницы при повороте, вообще говоря, не совпадают с траекториями движения точек самой гусеницы [35].

Пусть в начальный момент точка задней ветви гусеницы (рис.4.2) занимала положение Ао и при повороте на угол ф заняла положение А, соответствующее на гусенице координате За счет буксования гусеницы точка грунта совпадает с точкой В. При начальных условиях движения: ф=0, а=0 длина поперечного перемещения точки грунта (Бег) имеет вид

Э^г = -— . - { 4>а }

Тагам образом,длина поперечного перемещения частицы грунта, тлеющей в данный момент относительно гусеницы координату х, равна длине поперечного перемещения соответствующей точки гусеницы при нулевом буксовании

Б^г = 52(Х)5=0.

Легко видеть также, что Бгг(х) и Sz(x) не зависят от координаты г. Иначе говоря, длины поперечных перемещений точек поворота описываются формулами таблицы 4.1 при е±=0.

- Частица грунта,двигаясь вместе с гусеницей вдоль оси х, одновременно смещается параллельно оси г. Естественно, что напряжение в грунте и, соответственно, давление грунта вдоль оси х в точке гусеницы с координатами (х,г) характеризуются ее продольным (Бхг) и поперечным перемещениями.

Величина продольного перемещения частицы грунта (Бхг) с координата™ х,г в единой системе при (К+е±)ф >1 описывается формулами, представленными в таблице 4.3.

Продольное перемещение частивд грунта при повороте

Таблица 4.3

Передняя ветвь Задняя ветвьж1

Поперечное перемещение точек гусеницы Продольное перемещение частицы грунта Поперечное перемещение точек гусеницы Продольное перемещение частицы грунта

Б„+ г —Ь*4 Б -6± 2(1+х-х*2) т П.+е. 1 л. 1 Ь < 5 +г г ^ Vе!

2 е -г Б - 1 (1+х) - к1+в1 Б +г<Ъ г е -г х Е±+е1

*1 - перемещение на участке задней ветви *г - х1 - корень уравнения ( 4.6 ) при Б^Б^+г+Ь жз - х2 - корень уравнения { 4.6 ) при Б^.=Б2+2-Ь жд *- ь — половина ширины гусеницы.

В компактной форме формулы таблицы 4.3 записываются в виде:

5 =

- е,

( 4.9 )

23

е1~2 И + е

( 4.10 )

С учетом предыстории деформации величина продольного перемещения частшу грунта (Б^3),совпадающего с точкой задней ветви:

Бп =Б 0+Б (0,2). хЗ :3 хп

Продольное перемещение частицы грунта при стационарном повороте равно

4.1.2.Силы при,стационарном повороте Внешние силы. Непосредственное измерение сил, действующих на трак гусеницы со стороны грунта при различных режимах движения. (В.П.Запольский, Г.М.Татарчук), свидетельствует о необходимости ввести в' рассмотрение две группы сил: трения и деформацииж1. Для дальнейшего принято:

- силы трения описываются эллштическт годографом Ф.А.Олейко;

- составляющие сил деформации являются функциями величин соответствующих перемещений точек грунта;

- силы деформации описываются формулами В.В.Кацыгина.

Составляющие результирующей силы и момента пары, действующих на гусеницу со стороны грунта(рис.4.5), определяются следующими формулами:

г

Рх =

в

Рх =

di

т

Pz =

k Pz =

Ы* -

%Ví dF

ha0f(S.)dI

s Pz =

T

M =

íí

L i-

dГ

ha0xf{Sz.<x))dI

где

P^P^- составлящие резульгирукщей силы трения, ф . деформации по оси х;

i- S Л

Р2.,Р2.,Рг - составляющие результирующей силы трения,

Т в деформации, на кромке вдоль оси г;

М ,М - моменты пар сил трения, деформации; р^.р.^,- коэффициенты трения и несущая способность

при сдвиге в направлении осей х и г; о0 - несущая способность при деформации боковой

кромкой;

- удельное давление гусениц на грунт;

й - глубина погружения гусеницы в грунт; Г - площадь опорной поверхности гусеницы.

«1 - принцип разделения"сил"введен в теорию М.И.Медведевым до их

эмпирического определения

при повороте

Численная сцэнка ползала, что Р2 и Мв точно, а Рт,Рт,м'г с

Тм 1. ъ

ошибкой не превышающей могут быть записаны одномерным ингегралом. Это позволяет существенно упростить выкладки,не теряя ни ь общности, ни в количественной оценке.

Внутренние силы. При повороте гусеничного самохода возникает_ дополнительное сопротивление движению машины за счет внутренних сил (Е.Г.Исаев). Для анализа причин возникновения дополнительных сопротивлений движению машины на повороте рассмотрено взаимодействие ходовой тележки с гусеничным полотном исходя из схемы Ф.А.Опейко с анизотропным трением [ 35 ] и показано, что коэффициент сопротивления движению при повороте ( 1п) может быть представлен в виде:

при рп5Г2

* = . п 1

( 4.12 ),

где

11,Г ,1е - коэффициенты сопротивления движению

вдоль тележки, поперек тележки и дополнительного сопротивления от трения катков о направляющие; |хп - коэффициент сопротивления повороту. Поскольку добавочная сила является внутренней,она ограничивает возможности поворота машины через загрузку двигателя и не сказывается, вообще говоря, на процессе взаимодействия гусеницы с грунтом.

4.1.3.Уравнения движения Система уравнений стационарного поворота с учетом сделанных предположений с точностью до постоянных множителей имеет вид:

3? Р Р Р

р ? р ?

Р Р р

)ОГ-ДяхГ(322ХЗГ-Дф^йГ -

-Цях^йГ + РЛ + Мв=0

Р

Икдекс 1 (в системе 4.13) относится к отстающей гусенице, 2 - к забегающей.

Легко видеть, что при 1(Б)=0 система (4.13) превращается•в систему Ф.А.Опейко, а при ц • и ц , не зависящих от буксования ; скольжения), в систему М.М.Медведева.

В случае Ф.А.Опейко при эллиптическом годографе трения:

е х и =и -=- , _ и. =ц--

V хс + е. v + ef

i 1

система (4.13) приводится к системе с изотропным трением.

Действительно, вводя v по формуле р =i>|J. ^ ,полу-

чаем систему с измененной в v раз колеей и в 1/г» раз тяговой

нагрузкой.

Таким образом для задачи с эллиптическим годографом справедливы все результаты, полученные в случае изотропного трения.

4.1.4.Численное решение уравнений движения * Система (4.13) рассматривается как система нелинейных алгебраических уравнений относительно неизвестных е ¿е^е^и решается численными методами на ЭВМ.

Идея организации вычислительной процедуры заключается в разделении системы (4.13) на две подсистемы,из которых одна содержит первое и третье уравнения (первая подсистема), а другая одно вторь уравнение (вторая подсистема).

Такая процедура оправдывается тем, что для любой функции 1(6), удовлетворяющий условиям f(0)=0 и <31/<3S>0, справедливы теоремы!35]:

Теорема.Для любого С^ >'решение системы

единственно относительно ie^e^; Теорема. Для любых С^ } решение уравнения

2 рг=°

единственно относительно

Для доказательства первой теоремы показано, что линии уровня I и £ М=0 при е3= const пересекаются в одной точке. Доказательство второй основано на неравенстве

<ЭР„ / де > 0.

т. 3

Наиболее полно условия поворота характеризуются приведенными коэффициентами: сопротивления повороту ( р. сцепления ( ф ), сопротивления движению ( I ).Закономерности изменения коэффициентов (Хшаз и (р .полученные в результате решения системы (4.13), представлены на рис. 4.6,4.7 [351.

Считается, что потеря поворотливости гусеничного самохода наступает по причине буксования ведущей гусеницы (Н.А.Забавников, Е.Д.Львов) или юза отстающей (В.В.Тарасов).

Решение задачи об ограничениях поворотливости существенно определяется радиусом поворота и внешними силами. При повороте с радиусом меньшим половины колеи Я<В/2 -ограничение поворотливости наступает из-за нарушения сцепления ведущей гусеницы с грунтом. В тех случаях, когда поворот осуществляется с радиусом, большим половины колеи В>В/2 при Рх-|Р2тах|-|Р1та;!!:1» поворотливость также ограничивается сцеплением ведущей гусеницы, а при обратном неравенстве юзом тормозной. Расчеты показывают, что для ненагрукенной машины при достаточно больших X разница меэд

'■^ггаад' И 1Р1гпах1 Н0 1гРеЕышает (рИС.4.7). ИНЭЧв ГОВОрЯ, ^ЧЛЯ

плотных грунтов с малым лобовым сопротивлением ограничение наступает по юзу отстающей гусеницы, для рыхлых - по буксованию ведущей. В этом случае (как и при И<В/2) задача сводится к нахождению предельных тяговых усилий по сцеплению и момента сопротивления повороту.

Предельное тяговое усилие ведущей гусеницы асимптотически стремится к тяговому усилию прямолинейного движения. Величина тягового усилия тормозной гусеницы существенно зависит от радиуса поворота, длины и ширины гусеницы,которые определяют закономерности деформирования грунта в продольном направлении. Она вычисляется с помощью специального интеграла, табулированного по двум безразмерным параметрам [ 35 ].

Момент сопротивления от сил деформации не зависит от буксования. Суммарная величина момента от .сил трения и деформации практически не зависит от продольного смещения, центра поворота, определяемого положением центра давления и различием кинематики передней и задней опорных ветвей гусеницы. Его вычисление-облегчается с -помощью следующей теоремы.

1.2 1.0 0.8 0.6 Л 4 0.2 0.0

>Р,,Мгг>ох, Ргтп" 0Л 44

I -

> Л

йгтип

1 1.125 1.375 1.625 1.&75 2.125 А

Рис.4.6 Коэффициент сопротивления повороту (ртах), коэффициент сцепления (ср) и минимальный радиус поворота (И .) как функция базового отношений к=Ъ/В

1.0В

Ф

0.8[ 0.61 О.'

0.21 О.С^

Г 2 ! 1 ! 1

1

1— —1— ■ 1

. : . ! .

0.25 0.75 1.25 1.75 2-25 2.75 3-25 3-75 4.25

Рис.4.7 Максимальные'удельные тяговые усилия

на гусенице: 1-тормозная гусеница (ср ); 2-ведущая гусеница (ср ); 3- <р =ср ^

Теорема. Момент сопротивления повороту от поперечных сил при равномерной эпюре давления на грунт равен удвоенному моменту одной ее половины независимо от вида функций напряжений и радиуса поворота [8,35].

Результаты расчетов предельных параметров гусеничного самохода на рыхлом грунте показывают, что отношение базовых размеров для тракторов , может достигать значений 1,7-1,8. Это существенно превышает применяемые в настоящее время величины.

4.2.Экспериментальные исследования

4.2.1.Общая ме тодика Эспериментальные исследования поворота выполнялись в ЦНИИМЭСХ Нечерноземной зоны на специальном гусеничном тягаче *1 .Конструкция тягача позволяла менять в широких пределах его параметры: базу, колею, массу, удельное давление, положение центра масс и скорость движения (таблица 4.4).

Таблица 4.4

Параметры тягача,исследованного на поворотливость

Вариант Масса Удельное База Колея Ширина тягача М,кг давление Ь,мм В,мм гусеницы А.=1/В 4,Ша б,мм

1 6400 0,0490 1670 1435 390 1,16

2 7500 0,0360 2720 1435 390 1 ,89

3 9200 0,0435 2720 1920 390 1 ,42

4 9200 0,0310 3800 1435 390 2,64

5 9200 0,0310 3800 1920' 390 1 ,98

Экспериментальные работы выполнялись в песчаном карьере и на суглинистых грунтах: стерне пшеницы, слежавшейся пахоте, многолетней залежи. В опытах варьировалась скорость движения и положение центра масс. Измерение величин, характеризующих режим поворота,заключалось в записи крутящих моментов и,частоты вращения на ведущих колесах трактора , а также радиуса' поворота по следу гусениц.

• ж1 - экспериментальная работа выполнялась при непосредственном участии В.-В.Кацыгина и В.В.Гуськова.

4.2.2.Результаты Наихудшая поворотливость наблюдалась на пахоте и песке к ограничивалась буксованием ведущей гусеницы, в отличие от стерни и залежи, где ограничивалась юзом отстающей.

Сравнение результатов экспериментальных исследований с теоре -тическими выводами показывает, что основные закономерности изменения момента сопротивления повороту, силы сопротивления движению и коэф$иента сцепления в зависимости от параметров самоход? и его режима движения достаточно полно описываются моделью стационарного поворота(4.13).

Наибольшие значения коэффициента сопротивления повороту на заданном грунте существенно зависят от базовых параметров трактора (таблица 4.5 ) и как функция отношения А. имеет четко выраженный экстремум.

Таблица 4.4 Коэффициент р. при повороте на месте

Варианты Песок Суглинок Суглинок

тягача пахота стерня

1 1 ,1 ! . 1,04 -

г 0,94 1,03 0,85

3 1,07 1.28 1.14

. 4 0,67 0,73 0,61

5 0,85 0,92 0,84

• Смещение координаты центра масс относительно середины опорной поверхности гусеницы в пределах ± 1/6 и скорости движения 2,5-15,5км/ч не влияет на сопротивление повороту (рис.4.8,4.9).

Коэффициент -сопротивления движению является функцией коэффициента сопротивления повороту (рис.4.10,4.11) и описывается разработанной моделью ( 4.12 ).Расчет мощностного баланса без учета изменяющейся силы сопротивления движению приводит к ошибкам, достигающим 100% и более ■[ 35 3.

30000 25000 20000 15000 10000 5000 0

мс,нм

. я

: 1 ■V Г "

тпт «. » + □ + ^ +

1 2 • а

:

—г-^

ггНм

2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 22.5 25.0

Рис.4.8 Момент сопротивления повороту (пахота,

тягач1): 1 -теоретическая,2~эмпирическея135]; + - 2,43 км/час; 5,4 км/час; а - 11,2 км/час; о- 16,6 км/час

70000

60000

50000

40000

30000

200004.

_ а в - а

а " «V - в ч, * V - в \ О

-

- Л Л

- Ь а а о — в а ____

8

12

16

18

Рис.4.9 Момент сопротивления повороту (песок, • тягачЗ): ~ ;

• - центр тяжести сзади;

центр тяжести спереди; • в- центр тякэсти посредине

0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 €.10 0.05 0.00

ь,

-48-

;

;

;

тпт в у •

; ■ а оу Г ъ о

; □ уА О •

□

; •

0.2

0.4

0. Б

0.В

1.2

Рис.4.10 Коэффициент сопротивления движению (I ) как функция коэффициента сопротивления " повороту (рп) (пахота):

о- тягач1;*~ тягач2;*- тягачЗ;а- тягач4; в- тягачб

0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10

- « в •

• •

а • ■ . о

а • •

- 0 / ■

- ( ) а е

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.5 О.? 0.8 О.Э 1.0 1.1 ]Ип

Рис.4.11 Коэффициент сопротивления движению- (Г ) как функция коэффициента сопротивления п повороту (цп) (песок ):

е - тягач 1; е- тягач2; а.- тягачЗ;а- тягач4; ц- тягачб

5.ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

Выполненше исследования позволяют обосновать определенную процедуру выбора оптимальных параметров трактора и орудия и значения этих параметров для предварительных расчетов на стадии проектирования .

5.1.Параметры тяговой характеристики Мощность.В мировой практике сложились некоторые тенденции при построении тяговых характеристик.Прежде всего, это касается удельной мощности промышленных тракторов (Ny=Ne/M), который около 30 лет стабильно выдерживается на одном уровне у машин разных фирм и стран [ 37 ]. Удельная мощность тракторов фярм Катерпиллар,Комацу,ЧТЗ и др. составляет 8-9,5 квт/т (11 -13лс/т). Этот уровень обеспечивает достаточно высокую эффектив-нэсть различных агрегатов и определяется достижениями конструирования, технологии, материаловедения, качеством горючесмазочных материалов и т.д. Полагая, что здесь происходит самооптимизация по параметру Ny,можно рекомендовать указанные значения Ny- для предварительных расчетов.

Тяговые усилия. Установленные закономерности изменения производительности в зависимости от тягового усилия, позволяют построить ряд передач, оптимальный для всех грунтов, разрабатываемых тракторными агрегатами. Структура ряда существенно определяется критерием оптимальности. Наиболее употребительными критериями яв-ляютя максимум средней в' некотором смысле производительности (шах П), либо минимум максимального снижения производительности от наибольшего значения (min max ДП).Второй критерий представляется более удачным,т.к. оценивает эффективность тракторного агрегата в самых неблагоприятных условиях.

Задача оптимизации ряда передач формулируется следующим образом: найти ряд значений тяговых усилий (передаточных чисел трансмиссии) таких, чтобы шах АП был минимальным.

Производительность как функция цели обладает рядом сеойств, позволяющих установить, что оптимальным в сформулированном выше смысле является геометрический ряд удельных тяговых усилий [ 37 ].

За основу при практическом построении ряда передач приняты

значения минимальных и максимальных удельных тяговых усилий для МСТ =0,55-0,85. Т.к.для АТ критерий mtn max-ДП наиболее чувствителен для агрегатов без накопления грунта, для них и строится оптимальный ряд передач.

Оптимальнный ряд удельных тяговых усилий трактора для механической ступенчатой трансмиссии при четырех передачах в рабочем диапазоне имеет вид:- ср = 0,67;0,81;0,9S;1,14.Этот ряд обеспечивает шах ДП не более 1 ,3% для всех тракторных агрегатов с учетом массы навесного оборудования от 12% до 47% массы трактора в любых грунтовых условиях. При трех передачах фт= 0,69;0,88;1,11 тахДП<2,32.

Для гидромеханической трансмиссии с гидротрансформатором, имеющим диапазон регулирования =2,0, достаточно иметь две передачи в рабочем диапазоне. Расчетные значения удельных тяговых усилий трактора на левой границе диапазона (1)^0,44 и на правом ф Tma¿ 1.62 обеспечивают для агрегата любой комплектации тах ДП=0.

Естественно, что при таких малых шах ДП оценка рядов в среднем теряет смысл.

Изменение базовых параметров приводит к изменению величины критерия оптимальности П,а оптимальное тяговое усилие при этом практически не изменяется.

Производительность как функция параметров,таких как мощность двигателя, скорость холостого хода и некоторых других, является монотонной и экстремумов не имеет [2,7]. Общий вид этих зависимостей приведен на рис.5.1,5.2.

Отметим, что реализация мощности в тяговое усилие, или, иначе говоря, силовое форсирование значительно эффективнее, чем скоростное, которое считается основным направлением для тракторов сельскохозяйственного назначения.

О выборе параметров орудия. Одним из важнейших факторов, обеспечивающих эффективность агрегата, как уже отмечалось, является соответствие параметров орудия и трактора. Неудачное агрегатирование ведет не только к снижению производительности и других технико-экономических показателей агрегатов, но и к неверным.оценкам новых конструктивных решений, примененных в тракторе.

На базе выполненных исследований можно рекомендовать процедуру поиска оптимальных параметров отвала бульдозера, осно-

Рис.5.-1 Относительная производительность (По) как функция отношения скоростей холостого (V ) и рабочего (У ) хода

Пг

-

; 1 2

- N

7.5

10

12.5

15

Рис.5.2 Относительная производительность (По)

при различных путях реализации мощности:

1 - повышение силы тяги;

2 - повышенна рабочей скорости

N4 кВт

ванную на предположении о равенстве оптимальных удельных тяговых усилий тракторов различных тяговых классов и пропорциональности призмы волочения величине Н^ .

Исходя из этих положений, параметры одного бульдозера определяются через параметры другого (модели) по формуле:

вй2= вб1 / Ч

са2

а% С

2 а1

Индекс 2 относится к параметрам проектируемого отвала,индекс 1 к модели (а=Н/^.).

5.2.Базовые параметры

В мировой практике конструирования тракторов и тракторных

агрегатов слоыишсь определенные соотношения параметров с высокой

корреляцией между ними. Например, между массой трактора и его

1 /я 1

базовыми параметрами установлены связи: М =101, М =12,5В, Мг/3=125,61В с коэффициентами корреляции - 0,85; 0,93; 0,93, соответственно.

Выполненные исследования показывают [35],что для всех отечественных тракторов длина опорной поверхности гусеницы может быть существенно увеличила (в ряде случаев до 40-50%) с соответствующим улучшением параметров агрегатируемых с трактором машин. Для предварительных расчетов величина X может приниматься равной 1,6-1,7. Естественно, при увеличении длины опорной поверхности гусениц соотношения между параметрами должны изменяться. Значения величин КЬ=С1/3/Х и Кв=С1/3/В [101- в зависимости от параметров А=1/В даны в таблице 5.1.

Таблица 5.1

Значения величины К т и К „ в зависимости от Я

х> хз

К \ «в

1,6 14,4 8,84

1,7 14,58 8,57

1,8 15,00 8,33

Уточненнуго проверку из условия поворотливости по сцеплении :а рыхлых грунтах можно проводить по номограмме допустимых пара-;етроз по повороту [ 35 ].Уточненный расчет мощностного баланса о четом переменной силы сопротивления движению изложен в [17,35].

В процессе исследований параметров промышленных тракторов' ¡ыполнен ряд методических разработок, касающихся смежных проблем, юлезных при разработке новых методов исследования. Устанавливают-:я основные проблемы, возникающие при создании промышленных модификаций энергонасыщенных сельскохозяйственных тракторов С 14 ]. щализируются типичные ошибки при исследованиях тяговых характеристик тракторов статистическими методами [ 28 ]. Предлагается ювый метод записи центра поворота транспортной машины [ 25 ]. Сказываются теоремы об устойчивости обобщенно-консервативных зистем [ 26 1.Показано,что для промышленных тракторов, работающих з агрегате с бульдозером, методом улучшения поворотливости геляется применение фиксированных радиусов поворота меньших Головины колеи [ 17 ).

6.ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ

Рекомендации, выработанные в результате выполненных исследований, реализованы с большим экономическим эффектом предприятиями промышленности в конструкций серийных и опытных машин (таблица 6.1). [Гримеры реализации рекомендаций приведены в таблицах 6.2,6.3. Ряд из них, благодаря внедрению этих рекомендаций, аттестован по выс-ией категории качества.Научные и методические разработки используются рядом НИИ и вузов при выполнении научно - исследовательских работ (таблица 6.4 ).

По профилю выполненного исследования подготовлено 5 кандида- . тов наук.

Таблица В.1

Внедрение результатов и рекомендаций б промышленность

Базовый трактор и орудие

Характеристика, внедрения

Организация-разработчик

Предприятие-изготовитель

Состояние внедрения

Т-170.00

T-17Ü.01 ОРУДИЕ

Т - 10 ОРУДИЕ

Т - 200

ОРУДИЕ ДЭТ-250М Т - 330

ОРУДИЕ Т - 500

Т - 800

ОРУДИЕ

тяговая характеристика

тяговая характеристика внешние параметры

тяговая характеристика внешние параметры

тяговая характеристика .базовые параметры внешние параметры

тяговая характеристика

тяговая характеристика, базовые параметры внешние параметры , "

тяговая характеристика

тяговая характеристика

внешние параметры_

ГСКБ ' ЧГЗ

ГСКБ ЧГЗ

ГСКБ ЧТЗ

ГСКБ ЧТЗ

ГСКБ ЧГЗ

ГСКБ ЧТЗ

ОГК ЧЗК

ГСКБ ЧТЗ

ГСКБ ЧТЗ

ОГК ЧЗК

ГСКБ ЧЗПГ

ГСКБ-2 ЧГЗ

ОГК ЧЗК

ПО ЧТЗ

ПО ЧТЗ ПО ЧТЗ

ПО ЧТЗ ПО ЧТЗ

ПО ЧТЗ

ПО ЧЗК ПО ЧТЗ ПО ЧЗПТ

БЗСЗМ ПО ЧЗПТ

ПО ЧТЗ

ПО ЧЗК

серийное произ-во

серийное произ-во серийное произ-во

серийное произ-во серийное произ-во

опытные машины

опытные машины

серийное произ-во

серийное' произ-во

серийное произ-во

серийное произ-во

опытные машины

опытные машины

ПРИМЕЧАНИЕ: ЧТЗ -ЧЗПТ -ЧЗК -

БЗСЗМ -

Челябинский тракторный завод имени В.И.Ленина; Чебоксарский завод промышленных тракторов; Челябинский завод дорожных машин имени Д.В.Ко-лщенко;

Балаковский завод самоходных землеройных машин.

Таблица 6.2

Величины удельных тяговых усилий в рабочем диапазоне трактора класса 10 с МОТ

Номер передачи До внедрения • рекомендаций После внедрения рекомендаций

1 2 3 0,653 0,591 0,447 1,040 0,856 0,'723

Таблица 6.3

Величины удельных тяговых усилий в рабочем диапазоне трактора класса 10 с ГМТ (диапазон регулирования МТУ ^ =2)

Номер передачи До внедрения рекомендаций После внедрения рекомендаций

1 о 0,822-0,332 0,495-0,185 1,61 -0,543 0,873-0,386

Внедрение разработашшх методов в практику научных исследований

Таблица 6.4

Организация Объект исследования

Используемый метод

ЧФ НАТИ Трактор К-702 и агрегат

на его базе

НИМОГР Специальные бульдозерные

агрегаты,технология горных работ

ЧГТУ Гусеничный трактор

СИВАДИ Система управления трак-

торным агрегатом

УРАЖКМС Тракторные агрегаты

Метод оптимизации тяговой характеристики и орудия

Метод исследования производительности тракторных агрегатов

Методика нахождения центра поворота транспортной машины

Теория оптимальных рабочих процессов

Метод оптимизации параметров тяговой характеристики и базовых параметров промышленного трактора

ПРИМЕЧАНИЕ: ЧФ НАТИ - Челябинский филиал НПО "НАТИ";

/ШИОГР - Научно-исследовательский институт добычи угля открытым способом;

ЧГТУ - Челябинский Государственный технический университет;

С11БАДИ - Сибирский автодорожный институт;

УРАЛНИИС - Уральская научно-исследовательская станция НПО "НАТИ".

-56-

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1.Выполненные теоретические и экспериментальные исследовани позволили решить научную проблему - разработать основы оптимизации параметров промышленных гусеничных тракторов,выработать рекомендации и реализовать их в практике конструирования, что в -конечном итоге повышает эффективность тракторных агрегатов и имеет большое народно-хозяйственное значение.

2.В процессе исследования разработана методология решения задачи оптимизации параметров промышленных гусеничных тракторов параметров тяговой характеристики и базовых параметров.В рамках но--вой методологии установлено,что:

- в основе подхода к проблеме оптимизации параметров лежит огкаг от концепции трактора как тяговой машины и изучение его как подсистемы тракторного агрегата;

- обобщенными критериями эффективности тракторного агрегата являются приведенные затраты и производительность. Приведенные затраты, как критерий оптимальности параметров трактора, допускают декомпозицию к производительности,расходу топлива и ресурсу,между которыми существуют определенные взаимосвязи:-экстремумы производительности и расхода топлива достигаются при одинаковых тяговых усилиях, нагруненность моторно-трансмиссионной установки в широком диапазоне усилий не изменяется. Таким образом,параметры оптимальные по производительности обеспечивают также минимум приведенных затрат тракторному агрегату;

- применяемые в общей теории критерии оптимальности такие,например как средняя, в каком-либо смысле, тяговая мощность для агрегатов без накопления грунта (плуги,бороны,рыхлители) эквивалентны производительности.Для агрегатов с накоплением грунта (бульдозеры,скреперы) эти критерии не эквивалентны, приводят к различным решениям задачи оптимальных параметров, а также к разным представлениям о путях автоматизации тракторных агрегатов и неодинаковой оценке типов трансмиссий; ■

- наличие у агрегата двух связей с грунтам приводит к необходимости совместной оптимизации параметров тяговой характеристики ( с одновременной отработкой параметров рабочего орудия) и базовых

параметров трактора, однако свойства этих параметров, несмотря на взаимную зависимость, допускают раздельные процедуры оптимизации, дающие решек« задачи в целом;

- основой метода оптимизации параметров тяговой характеристики . трактора является исследование оптимальных рабочих процессов тракторных агрегатов;

- основой метода оптимизации базовых параметров трактора является исследование его поворотливости.

3.Введено понятие оптимального рабочего процесса тракторного агрегата. Разработана обобщенная теория оптимальных процессов, в рамках которой:

- разработаны математические Модели процесса капания, процесса в цикле и процесса в целом;

- изучены основные свойства оптимальных рабочих процессов и различных агрегатов с разными типами трансмиссий и установлено, что по структуре оптимальных процессов все тракторные агрегаты делятся на две группы:1)агрегаты без накопления грунта (плуги, рыхлители, канавокопатели и др.),для которых оптимальные процессы реализуются в классе линейных фуннций ( стационарные процессы с постоянной скоростью).Для этих агрегатов справедливы все положения, выводы и ■ рекомендации общей теории трактора;2)агрегаты с накоплением грунта (бульдозеры,скреперы и др.),для которых оптимальные процессы реализуются в класс разрывных функций и стационарные процессы не являются оптимальными;

- изучены закономерности- изменения производительности агрегата в функции параметров трактора и орудия и установлено, что верхняя граница оптимальных значений тяговых усилий промышленного гусеничного трактора в 1,5-2 раза превышает рекомендуемые "общей теорией. Оптимальные ряды передаточных чисел из 4-х передач при механических ступенчатых, и 2-х при гидромеханических трансмиссиях в рабочем диапазоне обеспечивают производительность агрегатов не ниже 0,9ЭПтах в любых грунтовых условиях.

4.Введено понятие малого и большого радиусов поворота. Разработана обобщенная теория стационарного поворота гусеничного самохода,в рамках которой:

- разработаны -математические модели движения гусеничного движителя и деформирования грунта при повороте и установлено,что все движения

опорной ветви гусеницы в режиме стационарного поворота делятся на два класса: 1)движения с.большим радиусом, для которых нулевке начальные условия движения справедливы для любых точек опорной ветви гусениц (для этих движений справедливы кинематические формулы М.К.Медведева,применяемые в классической теории гусеничных машин и описывающие траектории движения точек средней линии);2)движения с малым радиусом поворота, для которых существуют точки опорной ветви гусениц, у которых начальные условия движения не кулевые и определяются их координатами, радиусом и углом поворота; - изучены силовые факторы при повороте, составлена математическая модель стационарного поворота гусеничного самохода и установлено, что закономерности' изменения коэффициентов сопротивления повороту ц .движению £ п и сцепления ср в зависимости от параметров саыохода, установленные общей теорией,справедливы для корот-кобазовых машин, для длишюбазовых машин с увеличенным отношением Л=1./В эти закономерности имеют принципиально иной' характер. Оптимальные отношения базовых параметров гусеничных тракторов в 1,5 раза превышают рекомендуемые общей теорией значения.

5.Выработанные в процессе исследования практические рекомендации, реализованы с большим экономическим эффектом предприятиями промышленности в конструкциях серийных и опытных машин.Ряд из них, благодаря внедрению этих рекомендаций,аттестован по высшей категории качества.Экономический эффект за счет улучшения параметров трактора ЧГЗ кл.Ю и рабочего орудия к нему в агрегате с бульдозером составляет 220 млн.руб. на годовой выпуск.

Разработанные научные методы используются в исследовательской работе различными НИМ и ВУЗами.

В процессе работы по теме диссертации подготовлено 5 кандидатов наук.

- 59 -

Перечень трудов автора по теме диссертации

I.Сопротивление повороту гусеничных тракторов. - Тракторы и сельхозмашины,1961 8»с.10-12 (Саяпин В.И. Г1 .

2.Определение рационального диапазона скоростей промышленных тракторов .-Тракторы и сельхозмашины,1981 ,}Ь 11,с.9-11 (Кавьяров И.С.). 0.0 работе гусеничных тракторов с навесными орудиями.- Тракторы и сельхозмашины,1962,£ 10,с.7-10 (Егоров Ю.Д..Магарилло Б.Л.). 4.Влияние параметров гусеничных тракторов на сопротивление повороту.- В кн.:Труда ЦНИИМЭСХ.т.2, Минск:Высшая школа, 1954,с.88-92. 5.Зависимость сопротивления повороту гусеничного трактора от его параметров.- В кн.:Труда ЦНМИМЭСХ,т.З.Минск:Высшая школа,1964, с.215-224 (Гуськов В.В.).

6.К вопросу унификации колесных и гусеничных тракторов промшлен- -ного назначения.- Тракторы и сельхозмашины,1965„№ 7,с.3-5 (Кавьяров И.С.,Саматов Ю.П.).

7.Зависимость производительности промышленных тракторных агрегатов от удельных параметров тракторов.- Тракторы и сельхозмашины, 1966,й 10,с.9-10 (Кавьяров И.С.,Саматов Ю.Л.). 8.Особенности теоретического исследования поворота гусеничного трактора.- В кн.:Труда ЧШЭСХ, вш.28,Пермь, 1957,с.31-36. Э.Некоторые ограничения,накладываемые поворотом на параметры гусеничного трактора.- В кя.:Труды ЧШЭСХ, вып.28, Пермь,1967,с.37-42. 10.Основные корреляционные зависимости между параметрами гусеничных тракторов и их агрегатов.- Тракторы и сельхозмашины,1967.& 8, с.19-21 (Кавьяров Й.С.).

II.06 уровне технических параметров в типаже промышленных тракторов.- Тракторы и сельхозмашины, 1968,..% 3,с.4-5 (Евзерова Л.Я. ,3лот-ник М.И..Кавьяров И.С..Яснов. А.А.).

12.Зависимость производительности скреперных агрегатов от удельных параметров тракторов.- Колыма,1968,^ 5,с.10-12 (Кавьяров И.С.,Са-матов Ю.П.).

13.0 выборе рабочих передач промышленных тракторов.- Тракторы и сельхозмашины,1969,& 1,с.17-18 (Злотник М.И..Кавьяров И.О.. Магарилло Б.Л.).

ж1- здесь и -далее в скобках указаны соавторы.

14.Использование сельскохозяйственных гусеничных тракторов высокой энергонасыщенности на землеройных работах.- Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства, 1970, J6 1,с.9-10 (Кавьяров И.О..Магарилло Б.Л.).

15.Влияние скорости движения на колееобразование и сопротивление передвижению гусеничного трактора при работе на торфяно-болоткых грунтах.-В кн.:Трудн ШШМЗСХ.т.в.Минск.с.107-115 (Мельников E.G.).

16.Рациональные пути реализации мощности промышленных гусеничных тракторов.- В кн.:Вопросы конструирования и исследования тракторов и тракторных двигателей.Челябинск:Южно-Уральское книжное издательство, 1371 ,с.З-9 (Магарилло Б.Л.).

17.Пути повышения маневренности гусеничных тракторных агрегатов.-В кн.--Вопроса конструирования и исследования тракторов и тракторных двигателей.Челябинск:Юкно-Уральское книжное издательство, 1971 ,t.. 14-19 (Макаров П.М..Саматов Ю.П.).

18.Исследовак-з производительности бульдозерного агрегата с различными значениями расчетных тяговых усилий на рабочих передачах.-В кн.:Вопросы конструирования и исследования тракторов и тракторных двигателей.Челя.";инск:Юкно-Уральское книжное издательство, 1971, с.106-112 (Любимова h.Г.,Магарилло Б.Л..Сартаков Г.С.).

19.Исследование режимов нагрукения моторно-трансмиссионной установки гусеничного трактора-погрузчика.- Тракторы и сельхозмашины,1971 ,» 11,с.20-21 (Девжик В.Л..Кавунов В.В.).

20.Производительность как критерий при построении тяговой характеристики промышленного трактора с гидромеханической трансмиссией.- В кн.:Вопросы конструирования и исследования тракторов и тракторных двигателей.Челябинск: Южно-Уральское книжное- издательство, 1973. с. 3-8 (Кавунов В.В.,Кузнецов И.И.,Потапов В.А.).

21.0 выборе передаточных чисел гидромеханической трансмиссии промышленного трактора.- В кн.:Вопросы конструирования тракторов и тракторных двигателей.Челябинск:Шно-Уральское книжное издательство, 1973, с.9-1 5 (Кавунов В.В..Потапов В.А.). 22.0 зависимости буксования от удельной силы тяги трактора.- В кн.:Вопросы конструирования и исследования тракторов и тракторных двигателей.Челябинск:Южно-Уральское книжное издательство,1973. с.15-21 (Магарилло Б.Л..Макаров П.М.).

23.Влияние размеров отвала бульдозера на производительность тракторного землеройного агрегата.В кн.:Вопросы конструирования и исследования тракторов и тракторных, двигателей.Челябинск: ЮжноУральское книжное издательство, 1973,с. 117-120 (Князькин В.В., Ма-гарилло Б.Л..Малофеев О.В.).

24.Резервы повышения производительности промышленных тракторных агрегатов,- Тракторы и сельхозмашины,!973,Ж,с.6-8 (Кавьяров И.С., Князькин В.В..Магарилло В.Л..Саматов Ю.П.).

25.0 нахождении мгновенного центра вращения тела в плоском движении.- В кн.:Проблеш машиностроения.Челябинск,1973,с.56-60. 26.06 устойчивости нулевого решения одного класса системы уравнений Лагранка.- В кн.:Динамика машин и рабочих процессов. Челябинск, 1973, с.9S-101 .

27.Задача оптимального управления рабочим ходом машинного агрегата.- В кн.:Динамика машин и рабочих процессов.Челябинск, 1973, с.219-223.

28.0 применении экспериментально-статистических методов в исследовании тяговых свойств трактора.- Тракторы и сельхозмашины, 1974, J62.C.17-18 (Кавьяров И.С..Кузнецов И.И.).

29.Определение оптимальных значений тяговых усилий и удельной мощности гусеничных тракторов промышленного назначения.- В кн.: Динамика и долговечность тяговых и транспортных машин. Минск: Вы-шейшая школа, 1974,с.114-119 (Магарилло Б.Л.). 30.06 оценке результатов при испытаниях бульдозеров на производительность.- В кн.:Вопросы конструирования и исследования тракторов и тракторных двигателей. Челябинск: Южно-Уральское книжное издательство, 1974,с.144-151 (Кузнецов И.К.).

31.Экспериментальные исследования нагруженности моторно-транемке-сионной установки промышленного колесного трактора с гидромеханической трансмиссией.- В кн.:Вопросы конструирования тракторов и тракторных двигателей. Челябинск: Южно-Уральское книжное издательство, 1974, с.151-159 (Кавунов В.В., Турчанинов Г.А., Подольский Ю.С.).

32.Параметры отвального бульдозерного агрегата.- Добыча угля открытым способом, 1977, й12,с.14-17 (Поскотинов О.В.).

33.Исследования сдвоенных бульдозерных агрегатов и прогнозирование области их применения на открытых разработках.- В кн.:Научные

сообщения ИГД имени А.А.Скочинского, 1977,вып.153,с.84-88 (Поско-тинов О.В.).

34.Определение максимальных сил сопротивления на отвале бульдозера.- Известия высших учебных заведении.Горный журнал, 1978, J&4, с.20-23 (Поскотшов О.В.).

35.Новое в теории поворота гусеничного самохода.- Рукопись деп. в ЦНШТЭМтракторосельхозмаше, J6331 , 1982, с.99.

36.Вопросы оптимизации тяговой характеристики промышленного трактора.- Тракторы и сельхозмашины, 1984, JM, с.3-7 (Кавунов В.В., Магарилло В.Л..Сартаков Г.С..Князькин В.В.,Потапов В.А.).

37.Основы теорш! тяговой характеристики промышленного гусеничного трактора. - Рукопись деп. в ЦНИМТЭИгракторосельхозмаше, .№524, 1985,с.150.

38.Вопросы оптимизации параметров промышленных гусеничных тракто-ров(общая постановка,отношение критериев).-Рукопись деп. в ЦНЖГЭИавтосельхозмаше N1409,1991,с. 13.

39.Подрессоренный каток гусеничных машин.- Авторское свидетельство 356191 Б.И.,1972, J632 (Емельяненко В.В., Литвинов H.A.).

40.Подвеска направляющего колеса гусеничного трактора.- Авторское свидетельство 268195, Б.И., 1970, .№13 (Саматов Ю.П., Мельман Э.Р., Емельяненко В.В.).

41.Ходовая система гусеничных машин.- Авторское свидетельство 206320, Б.М., 1969, Я27 (Емельяненко В.В., Саматов Ю.П., Тараканов Е.И., Кавьяров И.С., Литвинов H.A., Карабанов И.И.).

42.Подвеска направлящего колеса гусеничной машины.- Авторское свидетельство 343894, Б.И., 1972, Ji21 (Саматов Ю.П., Мельман Э.Р., Емельяненко В.В.). '

43.Бульдозер.- Авторское свидетельство 330237, Б.И.,1972, ЯЗ (Бру-сенцев A.M., Ду?&вный Р.Г., Магарилло Б.Л., Шапиро Л.М., Яковлев Б.Н.).