Теоретические основы использования машин

Классификация эксплуатационных свойств дорожных машин и их показателей

Все эксплуатационные свойства объединяют в несколько самостоятельных систем подсистем, связанных между собой и обладающих свойством саморегулирования при помощи обратных связей.

Комплекс эксплуатационных свойств машины

Весь комплекс эксплуатационных свойств самоходных ЗТМ непрерывного действия состоит из 3-х систем, состоящих из подсистем, определяемых свойствами, которые характеризуются показателями (см. рисунок).

С и с т е м ы

грунт-движитель-двигатель -рабочее оборудование-грунт

человек-машина-среда

машина-условия эксплуатации -длительность эксплуатации

П о д с и с т е м ы

С в о й с т в а

П о к а з а т е л и

И з м е р и т е л и

 

 

1-я система: грунт – движитель – двигатель – рабочее оборудование – грунт.

Она связывает первопричину возникновения движения машины с рабочим процессом, совершаемым этой машиной вследствие её движения.

3 подсистемы: 1. грунт – движитель

В ней отражено взаимодействие ведущих колёс с грунтом (тяговые усилия, скорости, КПД движителя и т.д.).

2. движитель – двигатель – рабочее оборудование

В ней отражены особенности движителя, связанного с трансмиссией и ДВС (передаточные числа в трансмиссии, мощность и частота вращения вала двигателя, его топливная экономичность и др.).

3. рабочее оборудование - грунт

В ней отражено взаимодействие движущегося РО с грунтом (преодоление сопротивлений резанию и перемещению грунта).

2-я система: человек – машина – среда.

Она связывает водителя машины с органами её управления и средой, окружающей его на рабочем месте в кабине.

2 подсистемы: 1. человек – машина

В ней отражены условия работы водителя на рабочем месте (усилия на рычагах и педалях, обзорность, безопасность, эстетика).

2. человек – среда

В ней отражены условия среды, действующие на человека(температура воздуха, содержание вредных газов, вибрация, шум).

3-я система: машина – условия эксплуатации – длительность эксплуатации.

Она связывает работу машины в условиях эксплуатации с фактором времени, её постепенным старением, т.е. утратой служебных свойств.

2 подсистемы: 1. машина – условия эксплуатации

В ней отражены климатические, грунтовые и режимные условия эксплуатации машины.

2. машина – длительность эксплуатации

В ней отражена надёжность, связанная с мероприятиями по поддержанию её на необходимом уровне.

Из 3-х систем основной является 1-я, т.к. её показатели предопределяют главные единичные показатели качества машины, а также её комплексный показатель – производительность (выработку).

2-я система является вспомогательной, т.к. своими комплексными показателями действует на комплексный показатель 1-ой системы.

3-я система также влияет на комплексный показатель 1-ой системы.

В 1-ой системе полностью решена задача определения П_К, во 2-й – П_Т, в 3-й – П_Э.

Каждая из рассматриваемых систем внутри себя замкнута и саморегулируется при помощи обратных связей.

На основе исследования указанных систем можно дать рекомендации по лучшему выполнению функций, полному использованию возможностей, повышению эффективности машины.

Эксплуатационные свойства и свойства, влияющие на них, связаны с качеством машины, т.к. отношение удельных приведённых затрат Z_уд.пр(отражающих отношение стоимости машины и затрат на их эксплуатацию) к суммарному эффекту от потребления является оценкой, в которую входит и Z_уд.пр и к_и (интегральный показатель качества).

Сопоставление показателей эксплуатационных свойств, полученных экспериментальным и расчётным путём, для машин различных видов (а/г, бульдозеров и др.) даёт возможность оценить степень эффективности их использования в эксплуатации.

Эксплуатационные свойства машин взаимосвязаны и измерения параметров или конструкции машины, предпринятое для изменения одного из этих свойств, неизбежно отразится на остальных.

Например, снизив центр масс машины для улучшения устойчивости, обеспечивающий безопасность движения, ухудшается проходимость, т.к. уменьшается дорожный просвет.

Следовательно необходимо искать компромиссные решения. При этом приходится ограничивать свойства менее существенные и улучшать за их счёт другие, имеющие большую значимость.

Нельзя создать машину, одинаково пригодную для всех условий эксплуатации. С одной стороны должна быть серийность машин с унификацией и стандартизацией, с другой стороны детали машин должны быть универсальны.

Связь эксплуатационных свойств с качеством машины

Зависимость и влияние друг на друга двух подсистем - сферы производства и сферы эксплуатации (потребления) хорошо видны на схеме математической модели управления качеством машин(см. рис. 2.2)

Вследствие функционирования этой системы имеется возможность выпуска машин с показателями, более близкими к оптимальным, т.е. машин повышенного качества.

Таким образом, процесс управления качествомсостоит в постоянном корректировании процессов проектирования и производства машин при помощи обратной связи со сферой эксплуатации, что позволяет выпускать машины с показателями, близкими к оптимальным.

 

 

 

 

Рассмотрим более подробно некоторые основные эксплуатационные свойства ЗТМ

1. Тягово-скоростные свойства ЗТМ

Под тягово-скоростными свойствамипонимают совокупность параметров, определяемых результатами совместной работы движителя, трансмиссии и двигателя с учетом сил, возникающих при копании грунта и действующих на рабочее оборудование.

Тягово-скоростные свойства ЗТМ определяют способность машин копать или перемещать грунт на тяговом режиме с минимальной затратой времени при решении задачи оптимизации процесса.

Комплексное представление о тягово-скоростных и сцепных свойствах движителя дает тяговая характеристика машины.

Как правило, у всех самоходных машин на первой передаче тяговые свойства зависят от условий сцепления колёсного движителя с грунтом и в основном характеризуется движителем(его параметрами).

На повышенных (2-й и 3-й) передачах скоростные и тяговые свойства, а также производительность машины определяется главным образом мощностью установленного двигателя.

Колёсные машины имеют ряд преимуществ перед гусеничными, сказывающихся в эксплуатации и износе, но у них КПД движителя ниже.

КПД ведущего колеса:

 

где N^/- подведённая мощность;

N^//- мощность, необходимая для преодоления внешних сопротивлений;

Р_К – толкающее (тяговое) усилие на колесе;

V_P– скорость движения колеса (поступательная);

М_К – крутящий момент на колесе;

ω_к– угловая скорость колеса.

Основы теории и расчёта колёсного движителя ЗТМ разработаны Н. А. Ульяновым. В основу теории положен процесс взаимодействия колёсного движителя с грунтом.

С учётом потерь на буксование КПД ведущего колеса:

 

где r_к– скоростной радиус ведущего колеса;

r₀– теоретический радиус колеса;

r_c– силовой радиус (приведённое плечо силы).

 

где Р_П = μfG_K– толкающее усилие (G_K– сцепной вес, приходящийся на одно колесо, кгс f– коэффициент трения качения, μ – коэффициент, учитывающий условия работы ведущих и ведомых колёс).

 

- тяговое усилие на колесе (по двигателю)

где М_К – крутящий момент на колесе;

М_е – крутящий момент двигателя;

U_тр- общее передаточное число трансмиссии на передачах;

Z_В– число ведущих осей;

η_М– механический КПД трансмиссии.

Формулы тягового баланса.

- для автогрейдера;

- для бульдозера.

где Т – усилие копания на отвале;

P_f– усилие сопротивления перекатывания ведущих колёс;

α_укл– угол наклона местности;

P₁– усилие перемещению базовой машины (трактора);

G_δ– масса трактора и бульдозера.

 

 

Уравнение мощностного баланса – мощности двигателя.

 

где N_e– мощность двигателя;

η_T= η_mη_ka– тяговый КПД;

η_m- механический КПД трансмиссии на соответствующей передаче;

η_ka- КПД движителя;

N_отв– мощность на отвале ( затрачиваема на преодоление сопротивления копанию грунта);

N_f1– мощность, на преодоление сопротивления качению передних ведомых колёс.

Для практического применения:

где ε – коэффициент, учитывающий неустановившейся режим нагрузки (для автогрейдера ε = 0,8…0,88).

Тяговая мощность на отвале:

 

Большое значение имеет определение коэффициента буксования:

Если в процентах, то помножить на 100%.

Он зависит от сцепных свойств ведущего колеса с грунтом, свойств грунта и может колебаться в больших пределах. Определяют его экспериментально на различных грунтах при снятии тяговой характеристики машины.

Скоростные качества машин.

Как видим, величина скорости входит и в формулу мощности двигателя, мощности на отвале и в коэффициент буксования, и в формулу производительности. Т.е. скоростные и тяговые свойства взаимосвязаны.

Скоростные качества машины зависят от мощности двигателя, передаточных чисел в механизме и массы машины.

Следует различать скорости: теоретическую (V_T)и действительною (V_д).

Под теоретической скоростью движения самоходных машин следует понимать скорость их прямолинейного движения по горизонтальной плоскости при отсутствии буксования на данном режиме работы двигателя.

Топливная экономичность.

Топливо расходуется в ДМ в большом количестве. Стоимость его составляет 10 - 15 % от всех затрат на работу машин (у автогрейдера – 16% себестоимости машино-смены). В следствие этого топливная экономичность относится к одному из основных эксплуатационных свойств ЗТМ.

Под топливной экономичностьюпонимают способность машины машины выполнять рабочий процесс с минимальным расходом топлива в час на единицу объёма вырабатываемой продукции, что достигается оптимизацией параметров рабочего процесса.

Расход топлива зависит от конструктивных особенностей и технического состояния машины, а также от квалификации машиниста и уровня организации технического производства дорожно-строительных работ.

Для оценки топливной экономичности принимают следующие показатели:

1. Часовой расход топлива G_T, получаемый при испытании машины в условиях эксплуатации;

2. Удельный расход топлива g_eна единицу мощности;

3. Удельный расход топлива g_отвна единицу объёма выполненной работы;

4. Сменный расход G_см.

Эти показатели определяются по формулам:

1. ;

где G_оп – расход топлива за опыт, г;

t_оп – время проведения опыта, ч;

V_h – рабочий объём цилиндра, л;

i – число цилиндров;

n – частота вращения коленвала;

p – плотность, кг/м³.

 

где V_Tоп– объём топлива израсходованный во время опыта, см³;

γ– удельная масса топлива при 20⁰ С, г/см³;

α– коэффициент удельного расширения топлива;

t– температура топлива в мерном бачке во время опыта.

V_T– измеряют по разности показаний на мерных бачках, устанавливаемых на двигателе, до и после опыта.

2.

Для тракторных дизелей g_e= 218…270 г/кВт-ч.

3.

4. для автогрейдера.

где t_осн– основное время работы на квазиустановившемся режиме (почти установившемся), ч (80…85%);

t_пов– время на зарезание, выглубление и повороты (развороты) машины, ч (15…20%);

t_техн– технологическое время, учитывающее остановки машины по технологическим и техническим причинам, ч;

G_T^/- часовой расход топлива на холостых оборотах двигателя, кг/ч.

Показатель g_отввлияет непосредственно на интегральный показатель качества к_и, т.к. выражает отношение массы (ил стоимости) топлива к комплексному показателю П_К, учитывающему такие показатели, как F, Т, V_P. Он позволяет определить часть себестоимости единицы продукции, отнесённую к расходуемому топливу.

Проходимость ЗТМ

Проходимостью называется способность машины к перемещению в процессе выполнения работы, а также при транспортировании с одного объекта работ на другой.

Высокой проходимостью должны обладать все самоходные машины, работающие в условиях влажных и рыхлых грунтов, по пересечённой местности, по снегу, по заболоченным местам.

Проходимость характеризуется: силой тяги; удельным давлением на грунт; величиной дорожного просвета (клиренса); углом переднего и заднего свеса;

для машин с колёсным ходом– числом ведущих осей; диаметром, числом и расположением колёс; давлением в шинах и рисунком протектора; продольным и поперечным радиусами проходимости; минимальным радиусом поворота.

С увеличением удельного давления растёт сопротивление движению, что ведёт к увеличению потерь на передвижение машины.

Большинство исследований на проходимость относится к автомобилям. Но самоходные ЗТМ имеют иное назначение и ряд особенностей, присущих их рабочему процессу.

Самоходные ЗТМ, как правило, работают только на грунтах, которые хорошо поддаются резанию и перемещению, не липнут, т.е. имеют влажность менее 20%. Они прекращают работу в грунтах повышенной влажности из-за резкого снижения производительности и залипания РО и переводятся на другие участки, где имеется твёрдое основание. Вследствие этого при определении проходимости необходимо рассматривать взаимодействие колёс с грунтом, когда грунт под нагрузкой уплотняется, но бокового выпирания и интенсивного образования колеи не происходит.

Для ЗТМ основными являются критерии, которые оценивают степень реализации тягово-сцепных свойств отдельными ведущими колёсами или бортами многоколёсного движителя в течении длительной работы на грунтах, а задачами – стремление к выравниванию и более полной реализации этих свойств всеми колёсами. Важны также критерии, оценивающие потери скоростных и тяговых свойств при разных видах работ, выполняемыми этими машинами.

Для ЗТМ и в часности для автогрейдеров проходимость оценивается следующими критериями:

 

 

1. Критерием геометрической проходимости η_г – обуславливается значением переднего ψ_П и заднего ψ_З углов въезда; радиусов продольной r₁, r₂ и поперечной r₃проходимости; предельного угла бокового наклона α и дорожных просветов с.

Дорожный просвет (клиренс) – расстояние от самой нижней точки машины до поверхности дороги (0,28…0,45).