Диссертация. Исследование и разработка инаваций в конструкцию рабочего органа автогрейдера 071300 тттиг диссертация на соискание ученой степени

• Название: Исследование и разработка инаваций в конструкцию рабочего органа автогрейдера 071300 тттиг диссертация на соискание ученой степени
• Анкор: Диссертация.docx
• Дата: 18.12.2017
• Размер: 6.12 Mb.
• Имя файла: Диссертация.docx
• Тип: Исследование; #12082
• страница: 5 из 7

Описание рабочих характеристик автогрейдера Катерпиллар 14М.
Для описания был выбран автогрейдер компании Катерпиллар, модель 14М.
Данный выбор связан с тем, что компания Катерпиллар является одним из крупнейших мировых производителей спецтехники для строительной, горной и лестной отраслей и модель 14М на данный момент одна из самых прогрессивных в силу применения оригинальных и новаторских инженерных решений.




Рис. 8 автогрейдера Катерпиллар 14М 2013 года
Двигатель: САТ С11 АСЕRT VHP 

Полезная мощность (ISO 9249) при 1800 об/мин:
сновная мощность – 193 кВт (262 л.с.)
Диапазон регулирования мощности:
193 кВт – 204 кВт (262-277 л.с.)
Полная масса: 21 380 кг
Передний мост: 5 720 кг Задний мост: 15 660 кг
Ширина отвала: 4,3 м

Вероятностные уравнения зависимости производительности от конструктивных параметров рабочего оргона автогрейдера

3 Теоритические основы взаимодействия рабочего органа автогрейдера с грунтом

По теории, разработанной проф. Ю.А. Ветровым [2,4], усилие резания грунта плоским ножом складывается из трех составляющих:

^Рр = ^Рсв + ^Р бок + ^Р бок.ср

соответственно разрушению грунта в трех основных зонах (рис. 2). Силы для преодоления лобовых сопротивлений ножу Р_св пропорциональны площади лобовой поверхности ножа и ширине резания b и зависят от угла резания и прочности грунта. Силы разрушения грунта в боковых расширениях Р_бок пропорциональны площади этих боковых расширений и зависят от прочности грунта. Силы бокового среза грунта Р_бокср пропорциональны глубине резания и прочности грунта. Данная теория показывает наиболее близкие к практическим значениям результаты вычислений для случая разрушения плоскими ножами прочных и мерзлых грунтов при относительно небольшой ширине резания b и значительной глубине h разрушения грунта. При расчетах необходимо отдельно учитывать сопротивление от износа режущей кромки, усилие перемещения призмы волочения и т.п.

Рис. 2. Схема копания грунта по Ю.А. Ветрову (вид спереди на отвал):
Р_св - зона лобового разрушения грунта; Р_бок - зона боковых разрушений; Р_бок.ср. - зона бокового среза грунта

Проф. В.И. Баловневым [1,3] предложена теория копания грунта, основанная на положениях статики сыпучей среды, обладающей сцеп лением. Усилие копания грунта отвалом бульдозера в общем виде определяется по формуле: Р_к = Р1 + Р₂ + Рз,

где Р₁ - суммарное сопротивление вырезанию грунта из массива и перемещению вырезанной стружки грунта вверх по отвалу; Р₂ - сопротивление перемещению призмы волочения перед отвалом, зависящее от объема призмы; Р₃ - сопротивление, возникающее вследствие затупления режущей кромки отвала.

Грунт вырезается плоским ножом из массива (рис.3) в виде стружки, которая изгибается и перемещается вверх по отвалу, проходя через призму волочения по пути наименьшего сопротивления. Пассивное давление со стороны призмы волочения определяет действие на стружку грунта нормальных сил Л N, распределенных по поверхностям трения, и, в свою очередь, характеризует силы трения Т₁ и Т₂. Суммарное действие сил трения Т1 и Т2 и собственного веса стружки грунта характеризует сопротивление Т движению стружки вверх. Одновременно сопротивление Т действует сверху в виде распределенного давления Р на отделяемый плоским ножом от массива элемент грунта, который стремится сдвинуться вперед и вверх под углом сдвига *F, чтобы пополнить собой вырезанную стружку грунта. Таким образом, сила перемещения грунта вверх по отвалу одновременно оказывает влияние на силу резания (отделения грунта от массива).

Данная теория показывает хорошую сходимость с практическими результатами для процессов копания связных и несвязных грунтов относительно небольшой прочности отвальными рабочими органами бульдозеров и автогрейдеров, а также используется для расчетов усилий копания грунта ковшовыми рабочими органами скреперов, погрузчиков и т.п. Отдельные составляющие формулы В. И. Баловнева описываются достаточно сложными аналитическими зависимостями.

Рис. 3. Схема копания грунта по В.И. Баловневу: Р_т - тяговое усилие трактора;
R_o - радиус кривизны отвала; Э_пр - вес призмы волочения; а - угол резания; у - угол сдвига грунта; ф - угол естественного откоса грунта

Эмпирическую формулу для определения усилия копания грунта отвалом бульдозера, основанную на результатах анализа экспериментальных данных, предложил проф. А.Н. Зеленин [1].

На рис. 4 представлена расчетная схема процесса взаимодействия отвала бульдозера с грунтом в конце набора призмы волочения при установившемся режиме копания по А.Н. Зеленину.

Ю.в. разумов, О.Ю. Улитич.«Экспериментальное и теоретическое определение сопротивления копанию грунта и мощности привода бульдозера». Москва 2007, Методические указания.

3.1 Математическое моделирование работы автогрейдера

3.2 Расчет конструктивных и основных силовых и эксплуатационных параметров автогрейдера

Тяговый расчет [2,5,6]

Таблица 3.1 – коэффициенты fи φ

Вид опорной поверхности	Шинноколесный движитель
	шины высокого давления		шины низкого давления
	f	φ	f	φ
Грунт:
рыхлый свежеотсыпанный	0,2...0,3	0,3... 0,4	0,1...0,2	0,4...0,6
слежавшийся уплотненный	0,1...0,2	0,4... 0,6	0,1...0,15	0,5...0,7

Таблица 3.2- значения коэффициентов k (при α = 45…60°) и k_n

Категория грунта	k, кг/м2	Грунты	kn
I	7000	связные	0,025…0,032
II	11000	несвязные	0,06…0,07
III	17000	--------	--------

Таблица 3.3 – величины необходимые для расчета

G, кH	Рх, кВт	Η х	пд, б/мин.	и	λ, м		δ
135	95,6	0,73…0,76	1575…1800	0,98	Плотный грунт	Рыхлый грунт	0,1	0,2	0,3
					0,12 . . . 0,15	0,08 ... 0,1

Установлено, что при δ = 0,1 колесный движитель работает с максимальным КПД, при δ = 0,2 достигается максимальная тяговая мощность, при δ = 0,3 развивается наибольшая устойчивая сила тяги.

Движение машины возможно, если максимальное тяговое усилие Т_mах (Н) будет не меньше суммарного сопротивления движению W(Н):

Т_mах ≥ W.

Усилие Т_mах ограничено двумя факторами - мощностью привода ходового устройства и условиями сцепления движителя с опорным основанием, с которыми оно связано зависимостями:

Т_mах(Р_х) = 1000 Р_х η_х / v; Т_mах(φ) = G φ

где Р_х- суммарная мощность двигателей механизма передвижения

(Вт);
η_х - общий КПД механизма передвижения (табл. 3.3);

φ - коэффициент сцепления движителя с основанием (табл. 3.1).

v - скорость передвижения (м/с);

Для шинноколесных движителей v - теоретическая скорость (м/с):

v =

где r_c- силовой радиус, м;

п_д- номинальная частота вращения вала двигателя ходового механизма (об/мин);

и - передаточное число трансмиссии.

Силовой радиус определяется как радиус недеформированного колеса r_о за вычетом наибольшей радиальной деформации шины (в центральной зоне контактной поверхности) λ(м):

r_c = r_о – λВ.

Приближенно при движении по плотному грунту λ = (0,12…0,15) В; по рыхлому грунту - λ = (0,08...0,1) В (В - ширина профиля шины).

Фактическую скорость передвижения шинноколесной машины определяют с учетом буксования по формуле (м/с):

v_ф = v (1 - δ),

где δ - коэффициент буксования.

Совместив необходимые формулы, рассчитываем v_ф:



_{Полученное значение соответствует I передаче автогрейдера (табл. 3.6).}

Имея необходимые показатели рассчитываем усилие (Т_mах(Р_х)) мощности привода ходового устройства и усилие (Т_mах(φ)) сцепления движителя с опорным основанием;





Для дальнейших расчетов берем меньшее из полученных значений.

Сопротивление передвижению W(Н)складывается из сопротивлений на рабочем органе машины W_p(Н), передвижению (перекатыванию) движителей W_пep(H) по горизонтальному пути, повороту машины W_noв(H), движению на уклоне местности W_у(Н), инерции при разгоне и торможении W_и(H) и ветрового давления W_B(H):

W= W_p+ W_пep + W_noв ±W_у ±W_и + W_B

Из этого набора сопротивлений удерживаются только те сопротивления, которые имеют место в конкретном транспортном режиме работы машины.

Сопротивление повороту колесных машин, (рыхлый грунт);

W_noв = (0,25 . . . 0,5)W_пep

Сопротивление движению от уклона местности ;

W_у = ± тgsinα

где т - масса машины, кг;

g- ускорение свободного падения, g= 9,81 м/с²;

α - угол подъема пути машины, (+) на подъем, (-) под уклон.

Сопротивление сил инерции при разгоне и торможении:

W_и = ± mv / t_р(т),

где v - скорость в конце разгона или начале торможения (м/с):

t_р(т) - продолжительность разгона (торможения) (с).

Сопротивление ветрового давления:

W_B = Sq_B

где S- площадь, воспринимающая давление ветра (м²);

q_B =125 – 500 - распределенная ветровая нагрузка на 1 м² (Па).

Сопротивления W_noв, W_у, W_Bи W_ив данном тяговом расчете не учитываются, так как по условию участок горизонтальный, автогрейдер движется с равномерной скоростью, а разворот совершается после выполнения операций (резание, транспортировании, укладке), а сопротивление ветрового давления незначительно при данной скорости.

Сопротивление резанью:



где k – коэффициент сопротивления резанью (табл. 3.2);

В – ширина отвала (м);

h₁ – глубина резания во время перемещения призмы грунта (м²).



где k_n – коэффициент потерь грунта при перемещении (табл. 3.2)

V_пр – объем призмы волочения(м³).

_{Вычисляем объем призмы волочения;}



Вычисляем глубину резания во время перемещения призмы грунта;



Вычислив необходимые величины находим сопротивление резанью;



Сопротивление перекатыванию:

W_пep ≈ fG,

где f- коэффициент сопротивления передвижению движителей (табл. 3.1);

G - вертикальная составляющая внешней нагрузки на движители (Н) (табл. 3.2).



Подставив значения необходимых усилий находим сопротивление перемещению W (H);



Проверяем соответствие условию Т_mах ≥ W:



Тяговый расчет автогрейдера с модернизированным отвалом:

_{Вычисляем объем призмы волочения;}

V'_пр =

Вычисляем глубину резания во время перемещения призмы грунта;

_{h1 = (0.065×0.624) ÷ 5.2 =0.0078,м}²

Вычислив необходимые величины находим сопротивление резанью;

_{Wp = 11000×5.2×0.0078 = 446, H}

Сопротивление перекатыванию:

W_пep ≈ fG,

где f- коэффициент сопротивления передвижению движителей (табл. 3.1);

G - вертикальная составляющая внешней нагрузки на движители (Н) (табл. 3.2).



Подставив значения необходимых усилий находим сопротивление перемещению W (H);

_{W = Wp +Wпер = 446 +20300 = 20.8 кH}

Проверяем соответствие условию Т_mах ≥ W:



Условие соблюдено, тяговые характеристики автогрейдера подходят для работы в заданных условиях. Неудовлетворение указанному выше условию по тяговому усилию Т_mах(Р_х) означает недостаток мощности для движения машины с заданной скоростью v. Если то же условие не удовлетворяется по усилию Т_mах(φ), то это означает, что машина не может двигаться из-за буксования движителей.