Повышение эффективности колёсного фронтального погрузчика - Автореферат

Специальность 05.20.01 - "Технологии и средства механизации сельского хозяйства" Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наукРабота выполнена на кафедре "Теоретическая механика и ТММ" Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Челябинский государственный агроинженерный университет" и в ООО "ГСКБ ЧТЗ". Защита диссертации состоится "18" декабря 2008 г., в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 220.069.01 Челябинского государственного агроинженерного университета по адресу: 454080, г. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Челябинского государственного агроинженерного университета.Большой объем погрузочно-разгрузочных работ в сельском хозяйстве и промышленности выполняется с помощью фронтальных колесных погрузчиков, стогометателей и других машин на тракторной или специализированной базе с "ломающейся" рамой. Вертикальные нагрузки на колеса во многом определяют формирование тяговых усилий, которые, в свою очередь, влияют на минимальный радиус поворота, буксование колес, мощность трения в контакте колес с грунтом, следовательно, и на эффективность работы машины. кинематический криволинейный нагрузка погрузчик Задачи исследования: - изучить влияние вертикальной консольно приложенной нагрузки на кинематические связи, наложенные на фронтальный погрузчик с шарнирно-сочлененной рамой в криволинейном движении, при различных его конструктивных схемах и параметрах; разработана математическая модель стационарного поворота колесного фронтального погрузчика с шарнирно-сочлененной рамой с учетом особенностей силового и кинематического взаимодействия колес с грунтом при консольной вертикальной нагрузке; разработана программа ее численной реализации в пакете MATHCAD; установлены закономерности изменения характеристик криволинейного движения колесного фронтального погрузчика с шарнирно-сочлененной рамой в зависимости от его схемы, параметров, массы груза в ковше и грунта (радиусы поворота, силовые факторы в контакте колес с грунтом, буксование, скольжение, мощность трения).В последние годы получает распространение теория, основанная на представлении взаимодействия колеса с грунтом как фрикционной пары (А.С. Этот подход позволяет рассматривать каждое колесо отдельно, с действующими на него нагрузками, размерами следа и динамического радиуса, скольжения и буксования. Силы, действующие на колесо со стороны грунта (рисунок 1), приведенные к центру скольжения площадки, определяются по формулам где TX, TY, M - поперечная, продольная составляющие силы сопротивления (сцепления) и момент этих сил, приведенный к МЦС; Скольжение k? определяется как отношение скорости скольжения в точке к теоретической скорости колеса и записывается с помощью координат МЦС площадки и центра поворота машины: , (3) где xci, yci - координаты центров скольжения площадок в системе XY (рисунок 1). Таким образом, модель стационарного поворота машины с шарнирно-сочлененной рамой записывается в виде системы уравнений: Решение системы уравнений (10) позволяет найти координаты МЦС колес и центра поворота машины и затем все кинематические, силовые и мощностные характеристики движения: радиусы поворота, усилия в контакте колес с грунтом, буксование и скольжение колес, мощность на повороте и др.Криволинейное движение колесного фронтального погрузчика с шарнирно-сочлененной рамой, нагруженного консольно приложенной вертикальной силой, сопровождается перераспределением нагрузок на колеса (у исследуемого погрузчика пяти-семикратное различие), порождающим изменение наложенных на него кинематических связей. Уравнения связей, учитывающие нагружение каждого колеса отдельно, позволяют установить закономерности изменения задаваемых трансмиссией продольного и поперечного кинематического несоответствия и силовых дифференциальных связей. Разработанная математическая модель стационарного поворота шарнирно-сочлененной машины с новыми уравнениями связей, адекватность которой проверена натурным экспериментом (отклонение экспериментальных значений радиусов поворота и тяговых усилий колес от теоретических не превышает 10%), позволяет совместно решить кинематическую и силовую задачи и найти все характеристики криволинейного движения, которые существенно зависят от грунта, конструктивной схемы машины, величины груза в ковше (m) и кинематического несоответствия, задаваемого трансмиссией (k). Независимо от величины груза в ковше на бетоне наблюдается недостаточная поворотливость (Rmin > Rk), а на рыхлом суглинке - избыточная (Rmin <Rk). Мощность трения в контакте колес с грунтом существенно определяется продольным кинематическим несоответствием, задаваемым трансмиссией (k), положением вертикального шарнира складывания на продольной оси машины, числом и положением ведущих осей, грузом в ковше и грунтом.

Основное содержание работы

1. Криволинейное движение колесного фронтального погрузчика с шарнирно-сочлененной рамой, нагруженного консольно приложенной вертикальной силой, сопровождается перераспределением нагрузок на колеса (у исследуемого погрузчика пяти-семикратное различие), порождающим изменение наложенных на него кинематических связей. Уравнения связей, учитывающие нагружение каждого колеса отдельно, позволяют установить закономерности изменения задаваемых трансмиссией продольного и поперечного кинематического несоответствия и силовых дифференциальных связей.

2. Разработанная математическая модель стационарного поворота шарнирно-сочлененной машины с новыми уравнениями связей, адекватность которой проверена натурным экспериментом (отклонение экспериментальных значений радиусов поворота и тяговых усилий колес от теоретических не превышает 10%), позволяет совместно решить кинематическую и силовую задачи и найти все характеристики криволинейного движения, которые существенно зависят от грунта, конструктивной схемы машины, величины груза в ковше (m) и кинематического несоответствия, задаваемого трансмиссией (k).

3. При любой ориентации балансира без нагрузки в ковше (m = 0) действительный радиус R практически не отличается от кинематического радиуса Rk: ?R = R - Rk ? 2% Rk. При номинальном грузе (m = 5 т) на бетоне ?R = 5% Rk, на рыхлом суглинке ?R = 10% Rk. При грузе в ковше близком к опрокидыванию погрузчика (m = 11 т) на бетоне ?R = 15-17%Rk, на рыхлом суглинке ?R = 50%Rk (угол ? = 40?). Продольное кинематическое несоответствие, задаваемое трансмиссией (k = 0,85…1,15), при любой ориентации балансира мало влияет на величину радиуса поворота. Независимо от величины груза в ковше на бетоне наблюдается недостаточная поворотливость (Rmin > Rk), а на рыхлом суглинке - избыточная (Rmin < Rk).

4. При отсутствии груза в ковше тяговые усилия колес при любом балансире близки. При m = 5 т на рыхлом суглинке различие тяговых усилий колес достигает: при заднем балансире - 2,3, при переднем - 4,3 раза. На бетоне это различие достигает 40%. При некоторых сочетаниях углов складывания и кинематического несоответствия режим движения колес оси с меньшей суммарной теоретической скоростью меняется с ведущего на тормозной.

5. Буксование колес ? может отличаться в десятки раз (при m = 5 т, k = 0,85 и переднем балансире на бетоне ? = 0,017…0,308, на рыхлом суглинке - ? = 0,091…0,431).

6. Мощность трения в контакте колес с грунтом существенно определяется продольным кинематическим несоответствием, задаваемым трансмиссией (k), положением вертикального шарнира складывания на продольной оси машины, числом и положением ведущих осей, грузом в ковше и грунтом.

Суммарная мощность трения, как функция кинематического несоответствия, имеет локальный минимум Nmin при любой ориентации балансира. Смещение вертикального шарнира в продольном направлении от середины базы ?L существенно определяет величину оптимального кинематического несоответствия (kopt). При отсутствии груза в ковше (m = 0) и ?L = 0 kopt = 1, при ?L = 0,5 м kopt = 1,05, при ?L = - 0,5 м kopt = 0,95. Отклонение кинематического несоответствия от оптимального значения на 15% приводит к росту мощности трения в 2,5-3,3 раза. Наличие груза в ковше вызывает смещение оптимального значения продольного кинематического несоответствия в сторону его увеличения.

Для погрузчика ПК-5 минимальное значение мощности трения достигается при ?L = - 0,3 м, k = 0,95 (m = 0) и k = 1 (m = 5 т).

Потери на трение с ведущей задней осью при m = 5 т на бетоне в четыре раза больше, чем с передней или двумя ведущими осями; на рыхлом суглинке ведущая задняя ось не обеспечивает подвижность, а у машины с передней ведущей осью потери на трение в два раза больше, чем у полноприводной. Таким образом, машина с двумя ведущими осями по затратам мощности при криволинейном движении предпочтительнее.

Распределение мощности трения между колесами существенно различается. Для погрузчика ПК-5 с грузом в ковше m = 5 т и k = 0,85 различие достигает 6,4 раза для колес задней оси и более 10 раз для колес разных осей.

7. Фронтальный колесный погрузчик с задним балансиром допускает больший угол складывания. Замена ориентации балансира у погрузчика ПК-5 с переднего на задний позволяет при m = 5 т увеличить угол складывания с 30 до 40?, что приводит к уменьшению Rmin с 4,1 до 2,6 м с увеличением его производительности в среднем на 20%.

Экономический эффект от внедрения разработанных в диссертации рекомендаций по улучшению поворотливости погрузчика ПК-5 за счет изменения его конструктивной схемы превысит 1 900 тысяч рублей на одну машину за срок службы (девять лет) в ценах 2007 года.

Статьи в журналах, рекомендуемых ВАК РФ

1. Позин Б.М., Трояновская И.П., Вершинский Л.В. Особенности поворота фронтального погрузчика на базе колесной шарнирно-сочлененной машины // Вестник ИЖГТУ. - Ижевск: изд-во ИЖГТУ. Вып. 4(36), 2007, с. 17-21.

2. Позин Б.М., Трояновская И.П., Вершинский Л.В. и др. Влияние конструктивной схемы колесного фронтального погрузчика с шарнирно-сочлененной рамой на эффективность его работы // Строительные и дорожные машины, 2008, №5, с. 31-33.

Статьи в материалах конференций и других изданиях

1. Вершинский Л.В., Переплетчик О.А., Позин Б.М. и др. Ограничения тяговых свойств колесного трактора при различных схемах трансмиссии // Материалы XLIII науч.-техн. конф. ЧГАУ. Ч.2. - Челябинск: ЧГАУ, 2004, с. 212-217.

2. Вершинский Л.В., Переплетчик О.А., Позин Б.М. и др. Поворотливость сочлененной колесной машины // Материалы международной науч.-техн. конф. "Актуальные проблемы автомобильного, железнодорожного, трубопроводного транспорта в Уральском регионе". - Пермь: ПГТУ, 2005, с. 249-255.

3. Вершинский Л.В., Позин Б.М., Трояновская И.П. Модель стационарного поворота колесной машины с шарнирно-сочлененной рамой // Вестник ЧГАУ. Т.47. - Челябинск, 2006, с. 17-21.

4. Вершинский Л.В., Костюченко В.И., Позин Б.М. и др. Экспериментальные исследования стационарного поворота колесного погрузчика с шарнирно-сочлененной рамой // Вестник ЧГАУ. Т.47. - Челябинск, 2006, с. 22-29.

Размещено на .ru

Размещено на .ru