Экспериментальные исследования производительности гусеничного бульдозера

И.П. Трояновская1, , О.А. Гребенщикова1, , А.А. Абызов2,

I .P. Troyanovskaya1, , O.A. Grebenshchikova1, , A.A. Abyzov2,

В отличие от транспортных машин тракторные агрегаты способны совершать работу только в составе агрегата [1, 2]. Одним из представителей машинно-тракторного агрегата промышленного назначения является бульдозер. Гусеничные бульдозеры нашли широкое применение в гражданском и дорожном строительстве. В связи с этим вопросы повышения эффективности их работы всегда являются актуальными.

Одним из основных направлений увеличения производительности машинно-тракторных агрегатов является увеличение их энергонасыщенности [3, 4]. В связи с этим большое значение приобретают вопросы правильного выбора основных параметров базового трактора, т.е. его тяговых усилий на рабочей передаче.

Вопросами производительности машинно-тракторных агрегатов занимались В.В. Гуськов, В.В. Кацыгин, Д.А. Чудаков, Е.Д. Львов, В.И. Саяпин, М.И. Медведев, Е.М. Харитончик, И.И. Трепененко и многие другие. Их работы помогли разработать типаж и определить основное направление развития сельскохозяйственных машинно-тракторных агрегатов [5, 6].

Однако почти 95 % технологического цикла сельскохозяйственного трактора составляет рабочий ход с практически постоянной нагрузкой. Поэтому оптимальное тяговое усилие, соответствующее максимальному КПД, наблюдается при 5 % буксования, что обусловлено необходимостью бережного отношения к почве [7] и зафиксировано в ГОСТ [8].

Технологический цикл промышленных тракторных агрегатов имеет ярко выраженную цикличность, где холостой ход составляет значительную долю, которая у бульдозера составляет не менее

• 30    % [9]. Кроме того, буксование промышленных тракторных агрегатов не регламентировано и согласно ГОСТ 27434 может достигать 100 % в процессе работы [10, 11]. Это не позволяет методы оптимизации тяговых усилий, разработанные для сельскохозяйственных тракторных агрегатов, применять к промышленным модификациям [12, 13]. В связи с этим вопрос выбора оптимальных тяговых параметров промышленного тракторного агрегата, сохраняют свою актуальность.

С одной стороны, тяговые усилия ограничены сцепными свойствами тракторного агрегата и определяются его весом и грунтовыми условиями [14]. С другой стороны, они обеспечиваются моторно-трансмиссионной установкой базового трактора [15, 16]. Вместе с тем вес бульдозерного агрегата превышает вес базового трактора на 17–22 % [17], а дополнительные усилия со стороны отвала могут увеличивать вертикальные реакции в контакте движителя с грунтом еще в 1,3–1,5 раза [18].

Согласно исследованиям Г.П. Мицына, оптимальные тяговые усилия должны обеспечивать максимальную производительность работы [19]. Это позволяет сформулировать цель исследования.

Цель исследования : изучить закономерности изменения производительности бульдозерного агрегата в зависимости от тяговых усилий базового трактора в различных грунтовых условиях.

Материалы и методы

Определение технической производительности бульдозера должно проводиться при траншейной разработке грунта с отсыпкой его в кавальер [20]. Согласно методике проведения испытаний [21] в процессе разработки траншеи замерялись количество циклов n , длина рабочего и холостого хода и время каждого элемента цикла. В процессе опытов контролировались длина L , глубина ℎ и ширина b траншеи.

Испытания проводились на суглинистом грунте I–III категорий. Через каждые 2 м длины траншеи по ударнику ДорНИИ замеряли плотность грунта C . Дополнительно брались пробы грунта для установления его относительной влажности W , объемного веса γ и коэффициента разрыхления к (табл. 1).

Таблица 1 Характеристики грунтовых условий

Table 1

Characteristics of soil conditions

Тип грунта	Категория	Плотность C, число ударов	Влажность W , %	Объемный вес γ , г/см3	Коэффициент разрыхления k
Слабый	I	5	25–28	1,9–2,3	1,3–1,4
Плотный	II–III	11	13–17	2–2,5	1,4–2,2

В качестве объекта экспериментальных исследований был выбран бульдозерный агрегат производства Челябинского тракторного завода со стандартным отвалом длиной 3,2 м и высотой 1,2 м [22, 23]. Базовый трактор оснащен механической трансмиссией. Разработка грунта осуществлялась только на первых 5 передачах (табл. 2). На каждой передаче опыт повторялся 3 раза. С целью исключения дополнительной ошибки все опыты проводись одним оператором после отдыха и восстановления.

Таблица 2

Технические характеристики базового трактора, обеспечиваемые моторно-трансмиссионной установкой

Table 2 Technical characteristics of the basic tractor, provided by the motor-transmission unit

Передача	I	II	III	IV	V
Передаточное число	85,5	71,7	61,6	51,9	42,4
Тяговое усилие, P к (кН)	154	127	108	90,1	70,8

Средний объем призмы волочения равен q= п/n,                                                                                  (1)

где \_п – объем перемещенного грунта (в плотном теле), м³; n – число циклов при разработке траншеи.

Часовая техническая производительность П бульдозера определялась по формуле

П=3600Vп/7р,(2)

где 7р – время, затраченное на разработку траншеи, с.

Объем перемещенного грунта равен [24]

^п=Vр-Vв,(3)

где Vр – объем разработанного грунта (в плотном теле), м3; Iв – объем грунта в боковых валиках (в плотном теле), м3.

Объем разработанного грунта (в плотном теле) определялся

Vр=Lb ℎ,(4)

где L =40 ± 0,02 – длина траншеи, м; b – средняя ширина траншеи, м; ℎ – средняя глубина траншеи (замерялась через каждые 2 м длины траншеи и определялась методом трапеций), м.

Объем грунта в боковых валиках (в плотном теле) определялся

^в=Iвbвℎв/2к,(5)

где I _в b _вℎ_в – средняя длина, ширина и высота валика, м; к – коэффициент разрыхления грунта (см. табл. 1).

Результаты и обсуждения

В результате экспериментальных исследований определены средние значения призмы волочения Я при работе бульдозера на разных типах грунта и характер ее изменения в зависимости от касательных тяговых усилий трактора F к (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость среднего значения призмы волочения q от касательных тяговых усилий трактора pк в разных грунтовых условиях

Fig. 1. Dependence of the average value of the drag prism q on the tangent’s traction forces of the tractor pк in different soil conditions

При разработке плотного грунта на пятой передаче F _к=70,8 кН объем призмы волочения имеет наименьшее значение q = 2,13 м³. При переходе на передачи с большими тяговыми усилиями q растет, доходя до q =3,2 м³ на второй передаче. На первой передаче объем призмы волочения сохраняется таким же, как и при работе на второй передаче.

При разработке слабого грунта объем призмы волочения на первых четырех передачах меняется несущественно q =3,35-3,42 м³, уменьшаясь только на пятой передаче.

Такой характер изменения призмы волочения от касательного тягового усилия F _к объясняется ограничениями, которые накладывают размеры отвала.

В результате эксперимента получены значения технической производительности исследуемого бульдозерного агрегата при его работе на разных передачах в разных грунтовых условиях.

Деление тяговых усилий F _к на вес бульдозерного агрегата G_a = 160,9 кН позволило перейти к удельным тяговым усилиям ϕ = F к / G_a (табл. 3).

Удельные тяговые усилия бульдозера

Potential traction characteristics of the basic tractor

Таблица 3

Table 3

Передача	I	II	III	IV	V
Тяговое усилие Pк , кН	154	127	108	90,1	70,8
Удельное тяговое усилие ϕ	0,96	0,79	0,67	0,56	0,44

Полученная зависимость технической производительности П от удельного тягового усилия ϕa (рис. 2) имеет ярко выраженный максимум, что подтверждается ранее проведенными теоретическими исследованиями [25].

При работе на плотном грунте максимальная производительность П=128 м³/час получена при работе на второй передаче ( ϕ = 0,79). При бульдозировании на первой передаче производительность резко падает до П=105 м³/час. Работа на III–V передачах сопровождается постепенным снижением производительности до П=113 м³/час, что составляет всего 88 % от ее максимума.

Рис. 2. Зависимость технической производительности П от удельного тягового усилия ϕ

Fig. 2. Dependence of technical productivity П on specific traction force ϕ

На слабом грунте производительность выше, чем при работе на плотном грунте. Максимум производительности (по сравнению с работой на плотном грунте) смещается в сторону невысоких тяговых усилий. Наибольшая производительность П=150 м3/час обеспечивается при работе на четвертой передаче. На I–III передачах производительность постепенно снижается, составляя на первой передаче всего 76 % своего максимального значения.

Заключение

Зависимость изменения объема призмы волочения от касательных тяговых усилий имеет вначале линейную зависимость, а потом происходит ее стабилизация, объясняемая ограничениями от размеров отвала.

Зависимость технической производительности бульдозерного агрегата от удельных тяговых усилий имеет ярко выраженный максимум, который при разработке плотного грунта наблюдается при работе на второй передаче, а при разработке слабого грунта – при работе на четвертой передаче.