Повышение эффективности работы прицепного скрепера с колесным тягачом

Актуальность темы

Для производства земляных работ в дорожном, мелиоративном и аэродромном строительстве применяются скреперы различных конструкций. Прицепные скреперы к гусеничным и колесным тягачам имеют широкое распространение благодаря простоте конструкции и высокой эксплуатационной надежности.

Применение полноприводных, энергонасыщенных двухосных колёсных тягачей в составе прицепных скреперных агрегатов (СА) вместо гусеничных тягачей позволяет существенно повысить их мобильность и производительность, однако требует обязательного применения толкачей, что удорожает технологический процесс разработки грунта. При этом загрузка по мощности тракторных двигателей современных полноприводных двухосных колёсных тягачей при реализации максимальной силы тяги по сцеплению колёсных движителей с грунтом редко превышает 50.60%, что связано с невозможностью полной реализации мощности двигателя из-за недостаточных тягово-сцепных качеств колёсных движителей тягача. Исходя из этого, снижение стоимости разработки грунта прицепным СА возможно за счёт повышения тягово-сцегишх качеств его колёсного тягача с помощью тягово-сцепного догружающего устройства (ТСДУ) и отказа, в этой связи, от дополнительного толкача. Создание эффективного ТСДУ требует, в свою очередь, целенаправленного изучения процесса перераспределения вертикальных нагрузок по мостам прицепного СА при копании грунта и особенно изменения вертикальной нагрузки на передний мост прицепного скрепера, как резерва увеличения сцепного веса тягача.

Изучению процесса копания грунта скрепером посвящены многочисленные исследования, но до настоящего времени недостаточно изучен вопрос увеличения сцепного веса двухосного колесного тягача СА при копании грунта за счёт передачи на тягач части веса прицепного скрепера с целью увеличения его тягово-сцепных качеств. Поэтому задача, направленная на обеспечение эффективного самонабора грунта прицепным скреперным агрегатом за счёт применения ТСДУ, является важной и актуальной.

Настоящая работа выполнена в рамках научно-исследовательской работы, заказанной 30 ЦНИИ МО РФ (рег.№ 20 115).

Цель исследования: совершенствование конструкции СА, состоящего из полноприводного колёсного тягача и прицепного скрепера, для повышения эффективности его работы путём перераспределения вертикальной нагрузки с переднего моста прицепного скрепера на тягач за счёт применения ТСДУ.

Объект исследования: прицепной С А, состоящий из полноприводного колесного тягача и прицепного скрепера, особенностью которого является наличие ТСДУ новой конструкции.

Предмет исследований: выявление закономерностей перераспределения вертикальных нагрузок на мосты прицепного СА при копании грунта, а также технико-экономическая целесообразность использования ТСДУ новой конструкции.

Гипотеза исследования: эффективность скреперного агрегата будет увеличена и получен экономический эффект, если:

— удастся простыми конструктивными способами передать в процессе копания всю вертикальную нагрузку (или её часть) с переднего моста прицепного скрепера на тягач с целью увеличения его сцепного веса и развиваемой силы тяги;

— в процессе копания грунта окажется, что передний мост скрепера сохраняет хотя бы свой статический вес при порожнем ковше;

— будет обеспечено сохранение сцепного веса тягача при изменяющейся силе тяги на сцепном устройстве;

— будет найдено экономически обоснованное значение вместимости ковша для колёсного тягача с изменяемым сцепным весом.

Соответственно изложенным целям в диссертации ставятся следующие основные задачи:

1. Уточнение модели взаимодействия ковша скрепера с разрабатываемым грунтом и разработка на её основе методики расчёта вертикальных реакций грунта, действующих на колёса СА при копании грунта.

2. Разработка конструкции ТСДУ для прицепного СА.

3. Исследование влияния работы ТСДУ и конструкции тягового бруса скрепера на распределение вертикальных нагрузок по мостам СА при копании грунта, тягово-сцепные качества колёсного тягача и эффективность наполнения ковша грунтом.

4. Разработка экономико-математической модели процесса работы прицепного СА, оборудованного ТСДУ, с целью оптимизации главного параметра СА — вместимости ковша, и оценка экономической эффективности применения ТСДУ.

На защиту выносятся:

1. Уточнённая модель взаимодействия ковша скрепера с разрабатываемым грунтом, отличающаяся от известных тем, что предложено:

— исключить из баланса вертикальных сил, действующих на скрепер при заполнении ковша, вес подвижного столба грунта, входящего в ковш;

— учесть силы трения по наклонным граням подвижного столба грунта в ковше скрепера.

2. Аналитические зависимости для определения вертикальных нагрузок на мосты СА, отличающиеся от известных учётом влияния конструкции ТСДУ и тягового бруса прицепного скрепера на перераспределение вертикальных нагрузок по мостам СА при копании грунта и тягово-сцепные качества колёсного тягача.

3. Результаты исследований влияния работы ТСДУ и конструкции тягового бруса скрепера на сцепной вес и тягово-сцепные качества колёсного тягача, вертикальные реакции грунта на колёса прицепного скрепера и эффективность наполнения скреперного ковша.

4. Рекомендации по устранению конструктивных недостатков серийных прицепных скреперов и проектированию новых прицепных СА.

5. Экономико-математическая модель «прицепной скрепер — колёсный тягач с изменяемым сцепным весом».

Научная новизна работы и теоретическая значимость работы:

1. Разработана уточнённая модель взаимодействия ковша скрепера с разрабатываемым грунтом, отличающаяся учётом сил трения грунта в ковше скрепера и установленной взаимосвязью между возникающими силами трения грунта в ковше и вертикальными нагрузками на мосты скрепера.

2. Теоретически обосновано исключение из баланса вертикальных сил, действующих на скрепер при заполнении ковша, веса «столба» грунта, образующегося в ковше, подтверждённое результатами экспериментальных исследований.

3. Выявлена взаимосвязь конструктивных параметров ТСДУ, тягового бруса прицепного скрепера и процесса изменения сцепного веса тягача, определяющего эффективность работы прицепного скрепера с колёсным тягачом.

4. Разработана экономико-математическая модель «прицепной скреперколёсный тягач с изменяемым сцепным весом», которая позволяет определять оптимальную вместимость ковша прицепного скрепера к колёсному тягачу с изменяемым сцепным весом и оценивать технико-экономическую целесообразность использования ТСДУ.

Результаты работы представляют значимость для теории землеройно-транспортных машин, заключающуюся в обосновании перспективного направления совершенствования СА и совершенствования методик их расчёта.

Практическая значимость работы состоит: в разработке методики расчёта вертикальных реакций грунта, действующих на колёса скреперного агрегата при копании грунтав разработке методики расчёта тягово-сцепных качеств колёсного тягача прицепного скреперного агрегата, оборудованного ТСДУв получении рекомендаций по устранению конструктивных недостатков серийных прицепных скреперов и проектированию новых прицепных скреперных агрегатов. Результаты проведённых исследований являются основой для повышения эффективности работы прицепных скреперов с колёсными тягачами и могут быть использованы при модернизации и проектировании прицепных СА.

Реализация работы. Результаты диссертационных исследований внедрены в научно-исследовательских работах «Приоритет» и «Развитие» при формировании проекта Государственной Программы вооружений, — проводимых 30 ЦНИИ МО РФ, для обоснования приоритетов в области модернизации средств наземного обслуживания авиации общего применения.

Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждены и одобрены: на международной научно-практической конференции «HEAVY.

MACHINERY HM 2002″, Кральево, Югославия, Kraljevo University of Kraguevac, 2002 г.- на 5-ой международной научно-практической конференции «Высокие технологии в экологии», г. Воронеж, ВГАСУ, 2002 г.- на ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава ВВАИИ 2000.2003 г.- на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ВГАСУ 2000. 2003 г.

Публикации работы. Основное содержание диссертации опубликовано в 11 печатных изданиях, личный вклад автора составляет 21 лист. Получено два патента РФ: на изобретение № 2 182 948 по заявке № 2 000 119 280/03, на изобретение № 2 203 364 по заявке № 2 001 116 398/03. Получено два положительных решения о выдаче патентов РФ на изобретения по заявкам № 2 001 113 440/03 и № 2 002 107 262/03.

Объём и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, общих выводов, списка литературы из наименований и 5 приложений. Работа изложена на страницах, из них страницы текста, /? таблиц, № рисунков.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Уточнена модель взаимодействия ковша скрепера с разрабатываемым грунтом. На основе этой модели разработана уточнённая методика расчёта вертикальных реакций грунта на колёса СА при копании, предусматривающая исключение из баланса вертикальных сил, действующих на ковш скрепера при копании, веса столба грунта, движущегося внутри ковша, и учитывающая силы трения грунта в ковше, а также конструкцию тягового бруса прицепного скрепера.

2. Разработаны три новых конструкции ТСДУ для прицепного СА, обеспечивающие значительное увеличение сцепного веса колёсного тягача СА.

3. Выявлены недостатки конструкции серийных прицепных скреперов, снижающие тягово-сцепные качества тягача, на основании чего разработаны рекомендации по изменению конструкции тягового бруса серийных прицепных скреперов, реализация которых исключит снижение сцепного весатягача при копании грунта.

4. Разработана экономико-математическая модель «прицепной скрепер — колёсный тягач с изменяемым сцепным весом», которая позволила определить экономическую эффективность применения ТСДУ и оптимальную вместимость ковша прицепного скрепера к колёсному тягачу с изменяемым сцепным весом.

5. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена экономическая эффективность применения на прицепных скреперах к колёсным тягачам специальных ТСДУ. При копании грунта экспериментальным СА с давлением в гидроцилиндре догрузкир =10 МПа зафиксировано: увеличение объема набираемого грунта в среднем на 19,5%- увеличение силы тяги тягача по сцеплению на 20%- сцепного веса (7СЦ на 22% и максимальной тяговой мощности на 16%. Применение усовершенствованного ТСДУ позволит эффективно работать колёсному тягачу Т-150К с прицепным скрепером вместимостью ковша 5 м³ (при копании самонабором грунта II категории), что обеспечит годовой экономический эффект порядка 92 900 руб. на один новый С, А по сравнению с базовым (Т-150К + ДЗ-111А без ТСДУ).

6. Разработаны программы для расчёта на ЭВМ вертикальных нагрузок на мосты СА при копании грунта и тягово-сцепных качеств тягача с изменяемым сцепным весом.

7. Результаты проведённых теоретических и экспериментальных исследований имеют хорошую сходимость. Значение коэффициента вариации экспериментальных значений исследуемых параметров (силы тяги на тяговом брусе скрепера и вертикальных нагрузок на мосты С А) составило 2,6. 12,3%, а величина максимального расхождения математических ожиданий экспериментальных значений с теоретическими значениями, полученными по разработанным методикам расчёта, составила 10,3%.

Направления дальнейших исследований:

1. Создание усовершенствованного ТСДУ, исключающего снижение сцепного веса тягача при копании, у которого передача усилия догрузки на тягач будет осуществляться внутри его опорного периметра.

2.

Введение

сту пенчатого программного увеличения догрузки при копании и автоматическое регулирование перераспределения вертикальных нагрузок на мосты тягача с заданным коэффициентом неравномерности.

3. Углубление исследований по изменению вертикальных нагрузок на мосты скрепера при копании: а) изучение процесса формирования столба грунта (его формы и расположения) в зависимости от высоты наполнения ковша грунтомб) уточнение величины сил трения на входящий столб грунта по всему объёмув) исследование влияния утла резания на параметры столба грунта и эффективность заполнения ковша.

3.7 Практические рекомендации.

1. В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований прицепного скрепера с колесным тягачом установлены конструктивные недостатки тягового бруса серийной машины. Они заключаются в том, что на тяговом режиме происходит уменьшение сцепного веса колесного тягача (таблица 2.2) за счёт возникновения разгружающего усилия на конце тягового бруса, которое пропорционально силе тяги тягача.

Анализ формулы (2.26) показывает, что устранение этого недостатка возможно за счет изменения конструкции тягового бруса и шарового опорного устройства арки-хобота серийного скрепера. Для этого необходимо обеспечить отношение: гсз + Ьш ~ Ьсц.

3.20).

Для колесного тягача существенное значение имеет высота прицепного устройства кСц, с ее уменьшением снижается перераспределение вертикальных нагрузок на его мосты, поэтому увеличивать высоту крепления прицепного тягового бруса скрепера нежелательно. С другой стороны, величина гСз определяется типоразмером шин и вместимостью ковша скрепера и для данной модели изменяться не может. Придавать величине кш отрицательные значения конструктивно сложно и нецелесообразно из-за ухудшения проходимости скрепера.

Наиболее рациональным представляется рекомендовать конструкцию прицепного тягового бруса скрепера при кш = 0, когда высота прицепного устройства тягача равна радиусу качения колес переднего моста скрепера, то есть.

В этом слу чае крепление шарнирного устройства необходимо размещать в арке-хоботе, а опорную тарелку шарового устройства в полости балки переднего моста скрепера, а сам тяговый брус выполнять изогнутым в продольной плоскости. На рисунке 3.16 показана разработанная конструкция тягового бруса прицепного скрепера, в котором реализована эта рекомендация. На эту конструкцию уже подана заявка на изобретение. гсз ~ кСц.

3.21).

Рисунок 3.16 — Рекоменду емая конструкция тягового бруса скрепера.

В этой конструкции исключается снижение сцепного веса тягача при копании за счет развиваемой им силы тяги, хотя несколько усложняется конструкция серийного скрепера.

2. В связи с тем, что стандартная конструкция тягово-сцепных устройств серийных тягачей не предназначена для восприятия значительных вертикальных нагрузок, было разработано два новых варианта агрегатирования двухос-нфго тягача с прицепным скрепером, которые позволяют увеличивать сцепной вес тягача практически без увеличения его конструктивной массы.

На рисунке 3.17 [104] показан вариант агрегатирования тягача с прицепным скрепером, имеющим оригинальный тяговый брус 5, между которым и аркой-хоботом 6 установлен гидроцилиндр догрузки 4 тягача 2.

Использование шарового шарнира 7 для присоединения тягового бруса 5 к тягачу 2 позволяет существенно уменьшить габариты сцепного устройства. Расположив корпус шарнира 7 внутри опорного периметра тягача, можно добиться равномерной загрузки мостов тягача на тяговом режиме, что уменьшит циркуляцию паразитной мощности между мостами тягача (если отсутствует межосевой дифференциал). Длину тягового бруса 5 целесообразно назначать как можно меньше, так как это увеличит эффект догружающего усилия. Для того чтобы исключить самопроизвольный поворот переднего моста скрепера, шаровой шарнир 12 переднего моста скрепера снабжён продольным горизонтальным пальцем.

Использование такой конструкции ТСДУ наиболее предпочтительно для постоянного агрегатирования тягача со скрепером, когда нет необходимости использования тягача на других видах работ.

На рис 3.18 изображено новое ТСДУ [105], на которое получен патент РФ, позволяющее не только догружать тягач 2 гидроцилиндром 4, но и регулировать степень неравномерности нагружения мостов в необходимых пределах за счёт подачи регулируемого давления в два вертикально расположенных гидроцилиндра 5.

Вертикальное расположение гидроцилиндров 5 позволяет избежать при их работе увеличения горизонтальной нагрузки в шарнире 11 сцепного устройства тягача, что характерно для ТСДУ показанного на рисунке 1.12 [27]. Кроме этого такая компоновка позволяет сократить длину тягового бруса. Использование такого ТСДУ наиболее предпочтительно на тяжёлых двухосных тягачах типа К-701 для производства больших объёмов работ в плохих дорожных условиях, когда использование одномоторных самоходных скреперов затруднено, и требуется мощный тягач с высокими тяговыми качествами для транспортирования гружёного скрепера.

Установка автоматической системы регулирования давления в гидроцилиндрах 5 позволит полностью выровнять вертикальные нагрузки на мосты двухосного тягача при различной силе тяги и давлении догрузки в гидроцилиндре 4. Это положительно скажется на снижении циркуляции «паразитной» мощности в трансмиссии тягача и должно повысить максимальную тяговую мощность и максимальную силу тяги по сцеплению, так как будет выравниваться коэффициент буксования всех колёсных движителей тягача и их окружные скорости.

3. Для определения вертикальных нагрузок на мосты прицепного или самоходного СА целесообразно использовать разработанную в главе 2 уточнённую методику расчёта вертикальных нагрузок на колёса скреперного агрегата. Она показала хорошую сходимость с полученными экспериментальными данными по самоходным [28, 72. 74, 79] и прицепным скреперам [71, 84], а также с результатами настоящих исследований.