Определение затрат мощности при повороте гусеничных тракторов ОАО «ОТЗ»

В условиях Северо-Западного федерального региона всесезонная заготовка древесины сопряжена со значительными трудностями, поскольку большую часть лесопокрытой площади занимают почвы с низкой несущей способностью (III и IV категорий), пять-шесть месяцев в году территория Европейского Севера покрыта снежным покровом и круглогодичное использование лесозаготовительной техники на этих территориях затруднено по условию проходимости. Этим объясняется преобладающее использование гусеничной техники на лесозаготовках. Как показывают исследования маневренности гусеничных трелевочных тракторов в производственных условиях, самым нагруженным и энергоемким режимом движения является поворот [1, 2, 3]. Материал, изложенный ниже, представляет собой результат исследований, проведенных на кафедре ТМиР ПетрГУ.

В настоящее время одним из путей решения проблемы повышения экономичности лесозаготовительной техники является внедрение новых высокоэффективных трансмиссий. Комплекс НИОКР, который проводился ГСКБ ОТЗ в сотрудничестве с ЛТА, ОКБ «Гидромаш» и рядом других организаций начиная с 1987 года, дал в целом положительные результаты испытаний опыт- ных образцов машин с гидрообъемной трансмиссией и поставил ряд задач, одной из которых являлось исследование совокупности процессов и явлений, связанных с режимом поворота трактора с гидрообъемной трансмиссией, выполненной по бортовой схеме.

В этой связи исследование кинематики, динамики и затрат мощности при повороте гусеничной лесозаготовительной машины, оборудованной механизмом поворота, в качестве которого выступает гидрообъемная трансмиссия, выполненная по бортовой схеме, является весьма актуальной задачей.

ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

Кинематика. Выражения, описывающие закон изменения линейных скоростей на забегающем и отстающем бортах в зависимости от конструктивных параметров трактора и параметров гидропередачи, имеют вид:

02 = у^ ^!'зв '   ' ПонП», ' 0 " ^2) i

О1 = у^ г_зв ■ 2, ■ ПонПо.м " (1 ± ^),

где i_Mex - передаточное число механической части трансмиссии; ю_Й0 - частота вращения коленчатого вала ДВС; q_o„, q„, - объемные КПД гидроагрегатов; X - параметр регулирования гидронасоса, X = qJ q_mM ( q, - текущий, q_max - максимальный объем рабочей камеры гидронасоса); г_1в - радиус ведущей звездочки; 5- буксование.

Таким образом, при кинематическом регулировании линейные скорости определяются параметрами регулирования, объемными КПД гидроагрегатов и свойствами грунта.

Далее определялись продольные и поперечные перемещения опорных ветвей гусениц (рис.1). Элементарные продольные перемещения забегающей гусеницы dS^p^x1) = S^dx . (3)

Рис. 1. Схема определения продольных и поперечных перемещений опорной ветви гусеницы

Суммарные продольные перемещения элемента забегающей гусеницы определим с помощью интегрирования выражения:

S2р(х)= ^32dx = 32x + C.

С учетом начальных условий S2p = 0 при х = — , откуда С = -32 — , получим закон изменения продольных перемещений элемента гусеницы относительно почвы за счет ее деформации в продольном направлении:

82р^ = 82х-82 — = 82

Элементарное поперечное перемещение элементов забегающей гусеницы dS2spp

xdx

Здесь R - радиус поворота; В - колея трактора.

С учетом начальных условий S_2s = 0,х = 0 суммарное поперечное перемещение задней ветви забегающей гусеницы относительно поверхности грунта

Динамика. При повороте гусеничной трелевочной машины в ходе перемещения пакета деревьев (хлыстов) происходит перераспределение нагрузок между гусеницами за счет изменения направления действия крюковой силы от части пакета, волочащейся по грунту (появление поперечной составляющей крюковой силы). Опорные реакции z-й гусеницы:

Zi - 2ПрМ1 ( 1) '82поп,(5)

реакция при прямолинейном движении:

ZnpiLM = ~(GT + 51 + Ркр sin/?),(6)

величина перераспределения:

3Znml = PKD cos/?sin у-Р,—(7)

ИЛИ

Z1 = l(G_r + а + Р_кр sin/?) + Р_кр ^-cos/? sin у - Pj ^ ;

Z2 = ^GT + QX + Р smPVp^•^-cos/?siny + /)A Z                       DD

Здесь G_T - вес трактора; Qy - вес части пакета, размещенной на тракторе; Р_кр - крюковая нагрузка; Pj - сила инерции; /? - угол между линией действия крюковой силы и поверхностью движения; у - угол между продольной осью машины и пакетом деревьев; h_Kp - вертикальная координата приложения крюковой силы; h_c - вертикальная координата центра масс.

Момент сопротивления повороту М_с определялся как сумма трех составляющих:

• 1)    момент сопротивления при скольжении опорной поверхности гусеницы по грунту М_т ;

• 2)    момент сопротивления при деформации грунта кромками гусениц М„_г;

• 3)    момент сопротивления от перемещения вала грунта М_сл1:

Мр — Мр а* М„_г + М_сд,.                              (8)

Необходимые касательные силы тяги определятся из уравнений моментов внешних сил относительно полюсов вращения О| и О2 (рис. 2)

рпв ~ РкР й^Р^у ■ -| - Pf2B -Мс-

~М_с - Р_кр1 cos /? sin у = 0 ;                            (9)

- Рк\В * Ркр cos рeasy-^ + PJXB-Мс -

-Р_кр1 cos Р sin / = 0 ,                                  (10)

где P_k2,Р_к; - силы тяги; Ру₂,Ру\ - силы сопротивления поступательному движению.

Мощность, необходимая для поворота, расходуется на преодоление внешних и внутренних сопротивлений:

NHO6 =N0 + NT ,

(Н)

где Ng - мощность, расходуемая на преодоление внешних сопротивлений; Ny - тормозная мощность (мощность, затрачиваемая на трение в буксующем фрикционном элементе).

При полном выключении одной из муфт поворота, применяемых на серийных трелевочных тракторах ОАО «ОТЗ», потерь на трение во фрикционном элементе не будет (режим поворота с расчетным радиусом), и затраты мощности можно представить в виде:

Nm)B =NO ■

Рис. 4. Сравнительные графики затрат мощности при повороте тракторов с механической и гидрообъемной трансмиссией, построенные на основании теоретических расчетов

Это выражение будет справедливо для описания затрат мощности при повороте гусеничной машины с бесступенчатым механизмом поворота (механизмом поворота, обеспечивающим любой радиус поворота как расчетный радиус).

Мощность внешних сопротивлений представим в зависимости от мощности, потребной для прямолинейного движения машины до входа в поворот

N0

= Nnp

Р + Чгр Р-Нк

ИЛИ

N q _ Р ⁺ Чгр N„_p Р + Чк

где q_?p - основной параметр поворота, р_гр =

М_с .

Р™ ■ В

p = R!B - относительный радиус поворота; Р_КП -

геометрическая сумма касательных сил тяги отстающей и забегающей гусениц; q_k - основной параметр механизма поворота, q_k = 0.5 для механизмов поворота второго типа (бортовые фрикционы, одноступенчатые планетарные механизмы поворота); q_k >0.5 для механизмов поворота третьего типа.

Графики зависимости мощности внешних сопротивлений Nq = /(7?) и мощности, необходимой для поворота М_пов = /(7?) от радиуса для различных типов механизмов поворота, представлены на рисунках 3, 4.

Рис. 3. Графики зависимости мощности внешних сопротивлений от радиуса поворота

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Методика предусматривала проведение испытаний гусеничной лесозаготовительной машины в летних и зимних условиях (с грузом и на холостом ходу), и ставила целью исследование кинематики, динамики и энергозатрат при повороте в диапазоне от R_ce„₆ до Я„„„.

Объектом исследования являлся опытный образец гусеничного трелевочного трактора на базе ТБ-1М-15, оборудованный гидрообъемной трансмиссией, выполненной по бортовой схеме. Трактор был оснащен электроизмерительной аппаратурой, позволяющей измерять и регистрировать с помощью контроллера на базе микропроцессора Motorola MC68HC908AZ60A следующие показатели: частоту вращения коленчатого вала двигателя, частоту вращения валов гидромоторов, крутящие моменты на валах гидромоторов, давления в напорных магистралях, расход топлива за время опыта, время опыта.

Аппаратура. Частоты вращения вала двигателя и валов гидромоторов измерялись с помощью тахогенераторов; крутящие моменты на валах гидромоторов - с помощью фольговых тензорезисторов, наклеивающихся на валы; давление в гидросистеме - с помощью тензометрических датчиков давления ТДД, установленных в клапанных коробках гидромоторов. Установка датчиков-преобразователей, их тарировка и подготовка электроизмерительной аппаратуры к работе обеспечивали высокую точность измерения физических величин. Более подробное изложение методики, объекта и аппаратуры экспериментальных исследований приводится в работе [4].

ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ И ПРОВЕРКА АДЕКВАТНОСТИ РАЗРАБОТАННОЙ МОДЕЛИ

Разработанная аппаратура позволяла снимать информацию с семи датчиков (один раз за 17 мс снимается информация с 7 датчиков), оцифровывать и в 16-ричном виде записывать ее во FLASH память контроллера, а также передавать полученную информацию в персональный компьютер. Ниже приведем пример кода полученных экспериментальных данных:

S12380000000600D0600000000860D06000000 S12380200600O00000860DO600OO0O00800D00 51238O400O810D06000000017F0D0600000O01 51238060000003007A1D066A001B0078220664 5123808078230600007С017423060000950171 512380A0F3E0017123066900EB0272240700F3 S12380C0230700AF3A027923060000F5027723 S12380E0F8027A230700F4D60277240600F1A3 51238100070000F40271230600F2AB02792303 512381200278240600F2E5027623070000F502

Полученные данные каждого из записанных параметров за цикл установившегося поворота в каждой серии опытов после перехода к десятеричной системе исчисления переводились, согласно результатам тарировок, в физические величины в программной среде Excel. Для удобства дальнейшей обработки и сравнения полученных экспериментальных данных с теоретическими значения частот вращения и моментов на валах гидромоторов были переведены соответственно в скорости и_ь и_? и силы тяги Р_кь Р_к2 отстающей и забегающей гусениц. Далее вычислялись оценки математических ожиданий и исправленные оценки дисперсий каждого из параметров, проверялась однородность ряда дисперсий опытов по G-критерию Кочрена, определялись регрессионные зависимости, строились оценки корреляционных функций и спектральных плотностей случайных процессов.

Сравнительные данные теоретических и экспериментальных значений сил тяги при повороте, а также расхождения между ними для опытного образца трелевочного трактора с гидрообъемной трансмиссией (летняя серия опытов) представлены в таблице 1.

Таблица 1

Теоретические и экспериментальные значения сил тяги

Движение в условиях летнего волока, холостой ход R, м Рк2, кН Pki, кН теор. экспе-рим. А, % теор. экспе-рим. А, % 15 20.14 20.75 3.02 -7.42 -7.86 5.93 10 22.02 22.50 2.18 -9.30 -9.14 1.72 5 26.19 26.32 0.49 -13.48 -13.66 1.33 3 30.23 30.62 1.29 -17.52 -17.77 1.43 1 42.18 42.27 0.21 -29.47 -29.32 0.51 Движение в условиях летнего волока, грузовой ход R, м Рк2, кН Л7,кН теор. экспе-рим. А, % теор. экспе-рим. А, % 15 40.40 41.54 2.8 -13.38 -12.88 3.7 10 42.75 43.72 2.3 -15.73 -15.17 3.6 5 47.83 47.67 0.3 -20.81 -20.07 3.6 3 52.71 53.14 0.8 -25.69 -25.23 1.8 ли табличных (Г < FKp), был сделан вывод об адекватности математической модели.

ВЫВОДЫ

• 1.    Разработанная математическая модель движения гусеничного трелевочного трактора, описывающая кинематику и динамику установившегося поворота, позволяет определять затраты мощности при повороте машин с различными типами трансмиссий (механизмов поворота).

• 2.    Адекватность предложенной модели подтверждается данными экспериментальных исследований, проведенных на серийном гусеничном тракторе, оснащенном механической трансмиссией, и перспективном гусеничном тракторе, оснащенном гидрообъемной трансмиссией, выполненной по бортовой схеме. Адекватность проверялась с использованием F-критерия. Разница между данными расчета и эксперимента не превышает 10 %.

• 3.    Результаты моделирования и экспериментальных исследований показывают, что затраты мощности при повороте гусеничного трелевочного трактора возрастают с уменьшением радиуса поворота, причем мощность, необходимая для поворота трактора с гидрообъемной трансмиссией, на 15...20 % ниже мощности, необходимой для поворота трактора с механической трансмиссией (при малых радиусах).

• 4.    Разработанный для проведения экспериментальных исследований микроконтроллер с необходимыми согласующими усилителями может применяться для снятия динамических характеристик не только опытного образца трелевочного трактора, но и других тракторов и лесозаготовительных машин отечественных и зарубежных производителей. Устройства на данном микропроцессоре Motorola MC68HC908AZ60A могут применяться не только для измерений, но и для наблюдений (контроля), и, что более важно, для управления движением объектов (через исполнительные устройства) в режиме реального времени.