Моделирование рабочих процессов дорожных машин

Министерство по образованию и науки РФ Иркутский государственный технический университет МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ Лабораторный практикум

(электронный вариант)

Лабораторная работа № 1

Математическая модель взаимодействия скребкового рабочего органа цепного траншейного экскаватора с грунтом Цель работы — исследовать процесс взаимодействия скребкового рабочего органа цепного траншейного экскаватора с грунтом.

Задачи:

1. Используя теоретические предпосылки, составить математическую модель взаимодействия скребкового рабочего органа траншейного экскаватора с грунтом.

2. Построить графики зависимости усилия копания и его составляющих от скорости цепи, скорости подачи и угла установки рабочего органа.

3. Оценить влияние отдельных параметров процесса на усилие копания и его составляющие.

Теоретические предпосылки.

Цепные траншейные экскаваторы представляют собой высокопроизводительные землеройные машины, которые по сравнению с универсальными одноковшовыми экскаваторами имеют более высокую производительность и качество выполняемых работ, возможность автоматизации рабочего процесса, менее опасны в природоохранном отношении.

Изучением взаимодействия рабочих органов цепных траншейных экскаваторов с грунтом занимались многие исследователи, среди которых наиболее известны имена Руднева В. К, Гарбузова З. Е., Родина И. И., Джангуляна Э. А. и др.

Практически все авторы сходятся в мнении о том, что процесс взаимодействия скребкового рабочего органа с грунтом складывается из процессов резания и заполнения межскребкового пространства, транспортировки срезанного грунта на дневную поверхность, формирования грунтового отвала.

Расчетная схема взаимодействия скребкового рабочего органа с грунтом, учитывающая указанные положения, представлена на рис. 1.

Представленная расчетная схема может быть описана следующими уравнениями:

где: А — длина рабочего органа, м;

а — расстояние от точки крепления рабочего органа до поверхности грунта, м;

в — угол наклона траектории движения скребков к горизонту, рад;

Vl — скорость цепи, м/с;

V2 — скорость подачи, м/с;

Н — глубина копания, м;

В — ширина траншеи, м;

l-расстояние между скребками, м;

с — плотность грунта, кг/м3;

г — угол между поверхностью забоя и направлением силы резания, рад;

м2 — коэффициент трения грунта о грунт;

м1 — коэффициент трения скребка о грунт;

L — длина забоя, м;

а — угол наклона рабочего органа к вертикали, рад;

h — толщина стружки, м;

К — коэффициент разрыхления;

wкоэффициент сопротивления грунта транспортированию;

g — ускорение свободного падения, мс2;

k — коэффициент удельного сопротивления резанию, Па;

е — длина транспортирования, м;

Р01 — касательная составляющая силы резания, Н;

Р02 — нормальная составляющая силы резания, Н;

Р0З — сила сопротивления резанию грунта, Н;

Р0 — собственное сопротивление рабочего органа, Н;

Р1 — проекция силы резания грунта и заполнения межскребкового пространства на траекторию движения цепи рабочего органа, Н;

Р2- сила сопротивления транспортированию срезанного грунта на дневную поверхность, Н;

Р3 — сила трения рабочего органа о забой, Н;

Р4 — сила сопротивления формированию грунтового отвала, Н;

Р — общее усилие копания, Н.

При составлении математической модели были приняты следующие допущения:

— собственное сопротивление рабочего органа не зависит от скорости движения цепи;

— рассматривается установившийся режим работы агрегата.

При заданной ширине отрываемой траншеи входными параметрами модели являются: скорость цепи (V1), скорость подачи (V2) и угол установки рабочего органа (б). Выходом служит усилие копания (Р) и его отдельные составляющие.

Порядок выполнения работы.

1. Используя техническую характеристику прототипа, подготовить исходные данные для моделирования.

2. Построить график зависимости усилия копания и его составляющих от скорости цепи.

2.1. На заставке компьютера установить курсор на значке «Mahtcad-2001», щелкнув мышью, открыть программу.

2.2. При помощи клавиатуры на рабочем поле программы нанести исходные данные, математическую модель взаимодействия скребкового рабочего органа с грунтом и пределы изменения скорости цепи (см. рис. 2). В пределах изменения скорости цепи первая цифра означает начало интервала изменения, вторая — шаг, третья — конец интервала. Между второй и третьей цифрой — знак «троеточие» (на латинской транскрипции клавиатуры — ;).

2.3. При помощи палетки «Палитра графиков» вывести на экран «Декартов график» с двумя маркерами.

2.4. На месте маркера по оси абсцисс записать независимую переменную «V1», по оси ординат — функции Р (V1), Р0(V1), Р1(V1), Р2(V1), Р3(V1), Р4(V1) через запятую.

2.5. Вывести курсор из поля графика и щелкнуть мышью. Программа ведет обработку и строит графики.

Аналогично построить другие графические зависимости, предварительно заменив в модели независимую переменную.

3. Выполнить анализ полученных зависимостей.

Контрольные вопросы

1. Какие зависимости изображены на 3-х графиках? Назовите каждую из них.

2. Почему с увеличением скорости цепи (V1) все составляющие (кроме Р0) и суммарное усилие копания уменьшаются?

3. От чего зависит собственное сопротивление рабочего органа (Р0)?

4. Почему с увеличением скорости подачи (V2) все составляющие (кроме Р0) и суммарное усилие копания увеличиваются?

5. Почему с увеличением угла установки рабочего органа (б) все составляющие (кроме Р0) и суммарное усилие копания уменьшаются нелинейно?

Лабораторная работа № 2

Математическая модель гидрообъемной трансмиссии Цель работы — изучить основные параметры и характеристики гидрообъемной трансмиссии.

Задачи:

1. Используя теоретические предпосылки, составить математическую модель гидрообъемной трансмиссии.

2. Построить графики:

— зависимости давления в напорной магистрали (р) от рабочего объема гидромотора (q);

— крутящего момента гидронасоса (M2) от параметра регулирования (f);

— угловой скорости гидромотора (w2) от рабочего объема гидромотора (q).

3. Оценить влияние отдельных параметров элементов на выходные характеристики трансмиссии.

Теоретические предпосылки На строительно-дорожных машинах применяются различные типы трансмиссий: механические, гидравлические, электрические.

Гидравлические, в частности, гидрообъемные трансмиссии по сравнению с другими типами имеют следующие преимущества:

— бесступенчатое регулирование скорости в широких пределах и ее реверсирование;

— возможность получения больших передаточных отношений при сравнительно небольших весе и габаритах оборудования;

— независимая компоновка агрегатов трансмиссии;

— надежное предохранение системы от перегрузок;

— возможность автоматизации рабочего процесса.

Основными агрегатами гидрообъемной трансмиссии являются насос, двигатель, регулирующая и предохранительная аппаратура. В виду того, что у траншейных экскаваторов преобладающим является установившийся режим работы, в расчетной схеме регулирующая и предохранительная аппаратура не показана.

На рис. 1 представлена расчетная схема гидрообъемной трансмиссии.

Представленная расчетная схема может быть описана следующими уравнениями:

где р — давление в напорной магистрали, Па;

М1 — крутящий момент на гидромоторе, Нм;

q — рабочий объем гидромотора, м3рад;

М2 — крутящий момент на гидронасосе, Нм;

Q — рабочий объем гидронасоса, м3рад;

f — параметр регулирования;

w2 — угловая скорость гидромотора, p/c;

w1- угловая скорость гидронасоса, p/c.

Порядок выполнения работы

1. По наибольшему усилию копания (лабораторная работа № 1) при скорости цепи V1=0,5 м/с определить максимальный крутящий момент на валу гидромотора, предварительно задавшись диаметром приводной звездочки рабочего органа.

2. По максимальному крутящему моменту подобрать высокомоментный гидромотор типа МР. Зная рабочий объем (q), номинальные угловую скорость (w2) и давление (р), определить мощность гидромотора:

3. По мощности гидромотора выбрать гидронасос типа 207, указав его рабочий объем (Q), номинальные угловую скорость (wl) и давление (р).

4. Подготовить математическую модель гидрообъемной трансмиссии.

5. Построить графики зависимости:

— давления в напорной магистрали (р) от рабочего объема гидромотора (q);

— крутящего момента гидронасоса (М2) от параметра регулирования (f);

— угловой скорости гидромотора (w2) от рабочего объема гидромотора (q).

6. Оценить влияние отдельных параметров элементов на выходные характеристики гидрообъемной трансмиссии.

Контрольные вопросы

1. Какие зависимости представлены на графиках? Назовите их.

2. Что называется рабочим объемом гидромотора (гидронасоса)? В каких единицах измеряется?

3. Почему при постоянной нагрузке с увеличением рабочего объема гидромотора давление в напорной магистрали уменьшается?

4. При каком давлении будет работать выбранный гидромотор?

5. Что такое «параметр регулирования f»? Каким образом происходит регулирование подачи в аксиально-поршневых машинах?

6. Почему между параметром регулирования и крутящим моментом на гидронасосе существует прямопропорциональная зависимость?

7. Почему при постоянной нагрузке с увеличением рабочего объема гидромотора его угловая скорость уменьшается по гиперболической зависимости?

8. С какой угловой скоростью будет вращаться выбранный гидромотор?

Лабораторная работа № 3

Математическая модель двигателя внутреннего сгорания Цель работы — изучить основные характеристики двигателя внутреннего сгорания.

Задачи:

1. Используя теоретические предпосылки, составить математическую модель дизельного двигателя.

2. Построить график зависимости крутящего момента от угловой скорости коленчатого вала.

Теоретические предпосылки В настоящее время на строительных и дорожных машинах широкое распространение получили дизельные двигатели, отличающиеся высокой экономичностью и приспособленностью к длительной работе в режиме номинальной мощности.

Основной характеристикой дизеля является зависимость крутящего момента от угловой скорости коленчатого вала (внешняя скоростная характеристика).

Приведенная зависимость существенно нелинейна, однако, с достаточной степенью точности может быть описана кусочно-линейной функцией:

где: M (w) — крутящий момент на коленчатом валу, Нм;

w — текущее значение угловой скорости коленчатого вала, р/с;

а1 и а2 — угловые коэффициенты линий 1 и 2 соответственно;

b1 и b2 — свободные члены.

Порядок выполнения работы

1. По прототипу определить мощность двигателя базовой машины и выбрать наиболее близкий отечественный (табл. 1).

2. По табл. 1 определить значения номинальной угловой скорости коленчатого вала (w2) и номинального крутящего момента (М2) внешней скоростной характеристики выбранного двигателя.

3. Построить внешнюю скоростную характеристику, учитывая, что:

р/с

Таблица 1

Продолжение табл. 1

4. Аппроксимировать внешнюю скоростную характеристику двумя прямыми линиями 1 и 2, составив уравнения:

для линии 1

для линии 2

5. Решая системы двух уравнений с двумя неизвестными, найти численные значения коэффициентов а1 и b1, а2 и b2.

6. Построить зависимость крутящего момента от угловой скорости коленчатого вала в среде «Mahtcad-2001» (рис. 2).

Контрольные вопросы

1. Покажите характерные участки внешней скоростной характеристики и назовите их.

2. Какой точке внешней скоростной характеристики соответствуют номинальное значение угловой скорости коленчатого вала?

3. Найдите мощность, которую развивает ДВС в точке «перелома» характеристики?

4. Докажите, что это точка максимальной мощности двигателя.

Лабораторная работа № 4

траншейный экскаватор трансмиссия двигатель Математическая модель движителя СДМ Цель работы — изучить процесс взаимодействия движителей СДМ с опорной поверхностью.

Задачи:

1. Используя теоретические предпосылки, составить математическую модель взаимодействия движителей СДМ с опорной поверхностью.

2. Построить графики зависимости коэффициента буксования от силы для пневиоколесного и гусеничного движителей.

Теоретические предпосылки.

Строительные и дорожные машины, как правило, снабжаются движителями 2-х типов: гусеничным или пневмоколесным.

Гусеничные движители обладают сравнительно небольшим удельным давлением на грунт и высоким коэффициентом сцепления. Поэтому машины на гусеничном ходу обладают хорошими тягово-сцепными свойствами и высокой проходимостью. Гусеничным движителем снабжаются тяжелые специализированные машины, предназначенные для работы в условиях бездорожья.

Машины на пневмоходу, по сравнению с гусеничными, гораздо легче и могут перемещаться по дорогам с твердым покрытием. Поэтому пневмоколесный движитель применяют на мобильных универсальных машинах, предназначенных для выполнения небольшого объема рассредоточенных работ.

Для оценки тягово-сцепных свойств движителя используется кривая буксования, которая показывает зависимость буксования движителя от силы тяги:

%

где: А, В, n — эмпирические коэффициенты, зависящие от типа движителя и свойств опорной поверхности;

Т — текущее значение силы тяги, Н;

G — сцепной вес машины, Н.

Значения эмпирических коэффициентов приведены в табл. 1.

Таблица 1

Значения эмпирических коэффициентов

Порядок выполнения работы

1. По прототипу определить сцепной вес траншейного экскаватора.

2. Используя данные табл. 1, построить зависимость коэффициента буксования от силы тяги для 2-х типов движителей (рис.1).

3. Проанализировать полученный график.

Контрольные вопросы

1. Какие зависимости представлены на графике? Назовите их.

2. Используя функцию «трассировка», определите значение максимальной силы тяги по сцеплению для обоих типов движителя и сравните их.

3. Определите номинальную силу тяги для обоих типов движителя.

4. Почему гусеничный движитель имеет большую силу тяги?

5. Что называется коэффициентом сцепления движителя с грунтом?

6. Определите значения коэффициента сцепления для гусеничного и пневмоколесного движителей.

Лабораторная работа № 5

Математическая модель цепного траншейного экскаватора со скребковым рабочим органом Цель работы:

— используя результаты предыдущих лабораторных работ, составить математическую модель цепного траншейного экскаватора;

— получить зависимость производительности экскаватора от коэффициента распределения мощности в различных грунтовых условиях;

— определить диапазон изменения оптимального коэффициента распределения мощности в зависимости от прочностных свойств разрабатываемых грунтов.

Теоретические предпосылки Цепные траншейные экскаваторы относятся к землеройным машинами с активным рабочим органом. Эго значит, что часть мощности двигателя базовой машины передается рабочему органу, минуя движитель. Разветвление силового потока приводит к проблеме выбора рационального нагружения траншейного экскаватора. Мощность на рабочем органе определяет возможность разработки более прочных грунтов или работу экскаватора с максимальной толщиной стружки. Мощность на движителе характеризует силу тяги и поступательную скорость, а, следовательно, производительность экскаватора. Поэтому в зависимости от прочностных свойств грунта существует оптимальное распределение мощности двигателя базовой машины между приводом рабочего органа и движителем, при котором производительность экскаватора будет максимальной.

На рис. 1 приведена расчетная схема цепного траншейного экскаватора.

Представленная расчетная схема может быть описана следующей системой уравнений:

Где в — угол наклона траектории движения скребков к горизонту, рад;

Vl и V2 — скорость цепи и скорость подачи соответственно, м/с;

h — толщина стружки, м;

а — угол наклона рабочего органа к вертикали, рад;

Nl и N2 — мощность привода рабочего органа и движителя соответственно, Вт;

К — коэффициент распределения мощности двигателя базовой машины между приводом рабочего органа и движителем.

Порядок выполнения работы

1.Составить математическую модель цепного траншейного экскаватора, включающую в себя модели взаимодействия скребкового рабочего органа с грунтом, движителя, гидрообъемной трансмиссии и двигателя внутреннего сгорания (рис. 2).

1.1. Всем постоянным присвоить исходные значения, а переменным ожидаемые средние значения.

1.2. Ниже исходных данных записать слово «given», после которого — непосредственно математическую модель (систему уравнений), воспользовавшись вместо знака «присвоить» знаком «генеральное равняется».

1.3. Ниже модели записать любую переменную из модели, знак «присвоить» и слово «find», после которого в скобках перечислить все переменные, входящие в систему уравнений.

1.4. Ниже или правее строчки со словом «find» записать эту же переменную и знак «равняется». Если модель составлена верно, появится таблица с результатами вычислений переменных, указанных в скобках после слова «find».

2. В исходных данных модели присвоить fl=l, меняя f2 от 0 до 1 и контролируя W, фиксировать значения К и V2.

3. Используя полученные значения, построить зависимость производительности траншейного экскаватора от коэффициента распределения мощности для первой категории грунта.

4. Изменив грунтовые условия (коэффициент сопротивления грунта копанию), повторить операцию и построить указанный график для второй и третьей категории грунта.

5. Построить график зависимости максимальной производительности экскаватора от категории грунта.

5. Выполнить анализ полученных зависимостей.

Контрольные вопросы

1. Чем определяется рациональный режим работы экскаватора?

2. Как изменяется коэффициент распределения мощности с увеличением прочности грунта и почему?

3. Как изменяется производительность экскаватора с увеличением прочности грунта?